艦船設備振動試驗標準分析

王勛龍 聶建立 洪曉莉 楊博

摘要：論文分析列舉了國內外海軍艦船設備振動試驗標準，闡述了各標準的適用性和有效性，探討了現階段我國在艦船設備振動試驗方面存在的幾個關鍵問題，從振動試驗內容、振動類型、振動頻率范圍和危險頻率等方面對各標準進行了對比分析。最后從振動試驗的目的出發，提出了在選用艦船設備振動試驗方法時的幾點建議。

關鍵詞：艦船設備 主體區 標準方法 對比分析

Analysis on Vibration Test Criteria for Shipboard Equipment

Wang Xunlong （ Qingdao Marine Equipment Inspection &Testing Group Co. Ltd. ）

Nie Jianli? （ Qingdao Aerospace Reliability and Marine Equipment Inspection &Testing Technology Co. Ltd. ）

Hong Xiaoli （ Qingdao Marine Equipment Inspection &Testing Group Co. Ltd. ）

Yang Bo （ Qingdao Aerospace Reliability and Marine Equipment Inspection &Testing Technology Co. Ltd. ）

Abstract： This paper firstly displayed the vibration test criteria all over the world， explained the applicability and effectiveness of each standard， discussed the main problem for environmental engineers in using these test criteria， and then compared each standard from the content， type， frequency range and dangerous frequency of the vibration. Finally， based on the final object of vibration test， the author proposed a method on how to carry out the vibration test of the shipboard equipment in the lab.

Key words： shipboard equipment， main area， criteria method， comparative analysis

GJB和MIL系列標準是我國艦船設備振動試驗的主要參照和引用標準，但如何對相關標準進行正確的理解和應用，保證艦船設備環境的適應性和試驗的有效性是設計、生產、驗收過程中需要面臨的重要問題。為此，對GJB和MIL中有關艦船設備振動標準有必要做詳細的介紹和論述。

1 艦船設備振動試驗標準現狀

艦船作為一個漂浮在海上的全自由彈性體，其機械物理環境復雜多變。艦船振動環境以累積的形式和周期性影響作用于船體與設備，使其產生疲勞破壞，影響艦船在惡劣環境下的生命力與戰斗力。為了保證艦船設備在其壽命周期內安全可靠，在驗收前艦船設備均需通過振動試驗的考核。而振動環境的選取是檢測試驗的關鍵研究對象。艦船設備的環境振動參數由實船測試結果確定，如無實測數據，則一般采用相應艦船設備振動試驗標準進行考核。

目前，國內使用的艦船設備標準有GJB 4.7—83《艦船電子設備環境試驗 振動試驗》[1]，GJB 150.16—86《軍用設備環境試驗方法 振動試驗》[2]，GJB 150.16A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第16部分：振動試驗》 [3]。國外使用的艦船設備標準主要有MIL-STD-167-1974《艦船設備的機械振動》，MIL-STD-167-1A-2005《艦船設備的機械振動》[4]，MIL-STD-810F[5]中514.5振動，MIL-STD-810G[6]中528艦船設備機械振動，從標準內容上來看，MIL-STD-810G是對MIL-STD-167-1A-2005的應用與補充，而MIL-STD-810F作為GJB 150.16A—2009的修訂依據，其關于艦船振動標準內容與GJB 150.16A—2009類似，但不完全相同。此外，國際上常用的艦船設備振動標準或涉及相關內容的標準還有：日本防衛廳在艦船設備振動方面的專用標準NDSF8017《艦船電氣設備振動試驗方法》，英國國防部DefStan02-109《水面艦船穩性標準》系列標準中有關艦船設備振動的部分，俄羅斯ГОСТ20.57-406-89《質量檢驗綜合系統、電子技術產品、量子電子產品和電氣產品試驗方法》和ГОСТ16962.1/16962.2《電氣產品對外界氣候作用/機械作用因素性試驗方法》涉及艦船設備振動的通用要求內容，從以上這些國家艦船設備振動標準的內容和要求來看，或多或少都參考了美國MIL軍用標準[7]。因此，本文只對GJB和MIL中有關艦船設備的振動標準進行分析。

2 各標準條件列舉

國內艦船設備檢測標準與國外相應領域檢測標準之間的關系，本文不再贅述。下面重點針對GJB 4.7—83、GJB 150.16A—2009、MIL-STD-810F中514.5振動和MIL-STD-810G中528標準方法，對艦船設備主體區振動環境進行對比。

2.1 GJB 4.7—83

GJB 4.7—83已應用了近30年，該標準主要包含三個試驗項目：共振檢查試驗、穩定性試驗、耐久振動試驗，其中共振檢查試驗與穩定性試驗掃描方式為線性掃描。具體試驗條件見圖1～圖2。

2.2 GJB 150.16A—2009

該標準規定了艦船設備振動環境由隨機振動與正弦振動環境組成。在沒有實測數據時，可根據標準試驗要求進行試驗，隨機振動部分目標譜見圖3，每個軸向持續時間為2h。

正弦振動分為功能振動與耐久振動，功能試驗量級可按圖4進行;對于耐久振動試驗，應在危險頻率，若沒有危險頻率，則在上限頻率上，每個軸向試驗時間至少2h。

2.3 MIL-STD-810F中514.5

MIL-STD-810F中514.5隨機振動試驗量級與GJB 150.16A—2009規定的內容相同，每個軸向振動持續時間2h，正弦部分的要求參考MIL-STD-167的Ⅰ類，具體條件見表1，量級包絡每個頻率的最高值。

2.4 MIL-STD-810G中528

MIL-STD-810G于2008年發布，該標準涉及兩種類型的振動試驗：Ⅰ類環境振動和Ⅱ類內部激勵振動。對于艦船主體區的設備Ⅰ類振動環境，試驗內容分為探查振動試驗、變頻振動試驗與耐久振動試驗。試驗條件見表2和表3。

3 各標準條件對比分析

結合各艦船設備振動試驗標準內容，從振動試驗內容、振動類型、頻率范圍和危險頻率四個方面對各標準進行對比分析，如表4所示。

3.1 振動試驗內容

對于正弦振動環境，相比GJB 4.7—83中的“共振檢查”，MIL-STD-167-1A-2005與MIL-STD-810G中“探查振動試驗”的提法更為全面，它包含共振檢查和設備功能或結構完整性受影響的非響應極值頻率的探查。同樣，在GJB 4.7—83中強調了“穩定性試驗”試驗時檢查試驗件是否正常工作，但因“穩定性試驗”的振幅比“共振檢查”的振幅大，在“共振檢查”中未暴露的響應極值和對功能或結構要求有影響或破壞的頻率就可能會在“穩定性試驗”中表現出來，這在GJB 4.7—83中未明確表述，而MIL-STD-167-1A-2005與MIL-STD-810G中“變頻試驗”則予以了充分考慮，即把“變頻試驗”暴露的響應極值和對功能或結構要求有影響或破壞的頻率也包含進耐久振動試驗中[8]。GJB 4.7—83中的耐久振動試驗只規定了每個軸向最多選兩個共振點，而MIL-STD-167-1A因規定的耐久試驗頻率數可大于兩個，并對相應數量下每一個耐久振動試驗頻率處需要振動的時間進行了明確的規定。

GJB 150A.16—2009中正弦振動包括功能振動試驗與耐久振動試驗，功能振動試驗目的是檢查艦船設備在運行過程中的功能運行情況與危險頻率，但是關于耐久振動試驗中危險頻率與振動時間的描述都比較模糊。

因此，艦船設備振動試驗采用MIL-STD-167-1A-2005和MIL-STD-810G中將正弦部分分為探查振動試驗、變頻振動試驗和耐久振動試驗三個試驗內容更為合理。

3.2 振動類型

GJB 4.8—83，MIL-STD-167-1A-2005，MIL-STD-810G中關于艦船設備振動標準的規定比較清晰，只有正弦振動試驗條件。而目前國內艦船設備應用較廣的GJB 150.16A—2009、MIL-STD-810F中提出艦船設備振動環境由隨機部分與正弦部分組成，但是沒有明確說明隨機部分和正弦部分是單獨試驗還是疊加試驗。根據原文含義，大部分試驗檢測機構和裝備研制生產單位選擇單獨完成隨機部分和正弦部分的試驗。這種方法可以接受，但是也存在幾個缺點：（1）加長試驗時間，隨機振動環境每個軸向多2h，三個方向6h，艦船電子裝備系統組成常多達十多臺設備分機，一個振動試驗僅隨機部分就多需要近100h。目前，各單位裝備研制生產任務量都很大，交付節點緊，給任務安排帶來較大的壓力。（2）從實際平臺適用角度出發，隨機振動和正弦振動這兩種激勵往往同時存在，單獨進行試驗，并不能完全模擬實際工作環境[9-10]。

因此，在設備系統允許的情況下，綜合考慮試驗時間、振動環境的準確性，采用隨機+正弦的混合振動模式施加振動環境最優。

3.3 振動頻率范圍

GJB 150.16A—2009中正弦振動頻率范圍為1～60Hz，在新版的MIL-STD-167-1A-2005與MIL-STD-810G中“艦船設備的機械振動 Ⅰ類環境振動”中環境振動頻率范圍從原來的4～50Hz改成了4～33Hz（特定艦船設備按最高螺旋槳轉速確定）。我國的護衛艦、核潛艇實際上限頻率在25Hz左右，護衛艦及常規潛艇實際上限頻率在30～35Hz[10]。因 此，相比GJB 150A.16—2009，MIL-STD-810G中規定的頻率范圍更加合理。

對于艦船設備正弦振動環境中有關上限頻率的計算公式，GJB 4.7中規定上限頻率=螺旋槳轉速×槳葉片數/60;MIL-STD-167-1A-2005和MIL-STD-810G中，將上限頻率乘了一個安全系數1.15，即上限頻率=1.15×螺旋槳轉速×槳葉片數/60。國內不少設計人員或生產廠家在制訂試驗大綱時往往只照搬標準上的試驗參數，沒有基于實際情況對標準進行剪裁。采用GJB 150A.16—2009的正弦振動條件，因為超出了艦船實際上限頻率，可能會得到不符合實際環境的危險頻率。另外，由于超出實際的上限頻率，對一些較高、較大設備的夾具提出了過高的剛性要求。

因此，國內艦船設備進行振動試驗，在沒有確定設備安裝在某一特定艦船上時，建議采用4～33Hz作為正弦振動的頻率范圍。

3.4 危險頻率

艦船設備的耐久振動試驗應在危險頻率上進行，GJB 4.7—83中規定耐久振動最多選取2個頻率點，GJB 150.16A—2009對耐久振動的頻率點數沒有明確規定。并且上述標準對危險頻率的定義都比較模糊，依據標準操作容易出現錯誤。

MIL-STD-167-1A-2005和MIL-STD-810G對艦船設備危險頻率有明確的定義，規定了危險頻率數和相應的耐久振動試驗時間，并對耐久試驗中危險頻率的選取步驟有詳細的說明，分為確定傳遞函數，識別危險頻率，確定耐久振動試驗頻率列表三步進行。對現場試驗人員具有較好的指導性。

MIL-STD-810G中規定，響應極值點處傳遞函數值大于1.5可以基本認定該頻率點處為共振頻率點，該頻率作為產品危險頻率列入耐久振動試驗列表。但是，對于響應極值點處傳遞函數值小于1.5的頻率點，還需要根據實際情況判斷，比如判斷測量點是否安裝在最大響應位置、測量點是否安裝在振動節點處和輸入激勵值太小，共振現象沒有被完全激發等，此時要通過進一步的測試才能判斷該頻率是否為共振頻率。

對于列入耐久振動試驗列表的非響應極值頻率，主要是依據客戶產品功能性的合格判據，確定振動頻率范圍內產品出現工作性能和結構完整性方面的故障問題。這需要產品設計方與環境工程師共同確定該類型危險頻率。

因此，建議依照MIL-STD-167-1A-2005與MIL-STD-810G標準方法中的定義確定危險頻率，進行耐久振動試驗。

4 建議采用的振動試驗方法和測試程序

結合上文的對比分析，從試驗目的與試驗考核環境出發，建議艦船設備振動試驗分為探查振動試驗、變頻振動試驗、耐久振動試驗。其中，探查振動與變頻振動采用正弦振動類型，耐久振動試驗采用隨機+正弦振動類型，具體條件見表5～表7。

4.1 探查振動試驗

探查振動目的是為了發現艦船設備的危險頻率，將振動過程中發現的危險頻率計入耐久振動試驗頻率列表。

4.2 變頻振動試驗

變頻振動試驗目的是為了進一步發現產品的危險頻率，彌補探查振動小量級振幅下危險頻率不能被完全激發的缺點。將振動過程中發現的危險頻率計入耐久振動試驗頻率列表。

4.3 耐久振動試驗

耐久振動試驗選擇隨機+正弦的混合振動模式進行試驗，隨機部分采用GJB 150.16A—2009中的平直譜，正弦部分頻率選擇基于探查振動試驗與變頻振動試驗所得到的危險頻率列表，幅值選擇基于該頻率下變頻振動條件中所對應的幅值。不管危險頻率數為幾個，最終耐久振動試驗時間總時間為每軸向2h。

4.4 測試程序

建議艦船設備振動試驗程序為：

（1）初始檢查，對試驗樣品進行外觀檢查、電性能和機械性能檢查。

（2）明確試驗樣品振動的三個軸向。

（3）每軸向試驗順序按照：1）探查振動試驗，根據表5中試驗條件進行，尋找出設備危險頻率并記錄;2）變頻振動試驗，按表6中試驗條件進行，進一步尋找出設備危險頻率并記錄，危險頻率的判斷可通過分析響應極值點處傳遞函數值大小進行; 3）耐久振動試驗，將傳遞函數響應極值點，振動條件上、下限頻率點與艦船設備功能異常頻率點計入耐久振動試驗頻率列表，從該表中選擇危險頻率作為最終耐久振動試驗頻率施加點，根據設備危險頻率點數按表7中條件進行。

（4）最后檢測，試驗結束后對試驗樣品進行外觀檢查、電性能和機械性能檢查。

5 結語

以上內容主要是結合實際工作，對目前國內外艦船設備振動試驗標準提出的幾點思考，并試著提出自己認為合理的解決方法。總體來說，目前國內艦船設備檢測標準主要基于美國現行標準修訂。因此，國內環境工程師在使用現行標準的過程中，要結合實際情況，在對艦船設備使用環境清楚的情況下，要重視試驗的剪裁[12]，剪裁的正確使用能夠為艦船設備的研究節省大量的人力、財力。歡迎各位同行對相關問題進一步探討、研究，推進我國艦船設備檢測標準的進步與創新。

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