美國海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法綜述

馮林，孟祥輝，張薇，文邦偉，王津梅

（1.中國人民解放軍92228 部隊，北京 100072；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍用車輛裝備在裝備體系中扮演著重要角色，不僅是運輸工具，更是重要的作戰(zhàn)平臺，還承擔(dān)著提供火力支援、防空、指揮及控制等重要戰(zhàn)技功能。由于對車輛裝備任務(wù)的增加、功能不斷完善，使得軍用車輛裝備結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，工作條件日益苛刻，伴隨而來的是軍用車輛零部件的失效概率也不斷提高。車輛裝備關(guān)鍵零部件發(fā)生嚴重腐蝕，嚴重制約其正常使用，會導(dǎo)致部分或全部戰(zhàn)斗力喪失。統(tǒng)計表明，大約60%的常用零件失效是由腐蝕引起的。從腐蝕分布看，兩棲車輛的腐蝕遍布車體、行動、操縱、動力、傳動、通信、電氣等系統(tǒng)，其腐蝕具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性、不確定性程度高等特點。車輛裝備腐蝕或與腐蝕相關(guān)而引起的問題非常突出，尤其在高溫、高濕、高鹽霧和高日照的海洋環(huán)境中，兩棲車輛腐蝕十分嚴重，對作戰(zhàn)效能影響很大，如果不加強防護與保養(yǎng)工作，極易導(dǎo)致軍用車輛及器材腐蝕損壞，影響其性能和戰(zhàn)斗力的發(fā)揮[1-4]。加拿大軍方在2000 年開展了中型后勤輪式車輛檢查行動，發(fā)現(xiàn)其25%的車輛遭受了嚴重腐蝕，為此加拿大國防部在2001 年啟動了戰(zhàn)斗服務(wù)支援車輛腐蝕控制和車身維修計劃[5]。美國作為目前世界上唯一的超級大國，擁有數(shù)量龐大的軍事資產(chǎn)，其中包括超過35 萬臺的地面和戰(zhàn)術(shù)車輛。美國政府問責(zé)局（GAO）2003 年7 月在呈遞國會的《減少腐蝕費用和提升戰(zhàn)備完好性的挑戰(zhàn)》報告中，首次系統(tǒng)分析了環(huán)境腐蝕對裝備戰(zhàn)備完好性和安全性造成的巨大影響，同時導(dǎo)致美軍裝備每年200 億美元左右的直接損失，指出美軍裝備全壽命期占比最大的單一開支項目是裝備腐蝕問題產(chǎn)生的相關(guān)費用。美國防部2003 年12 月向國會提交了《減少腐蝕及其對國防部軍用裝備和基礎(chǔ)設(shè)施影響的長期戰(zhàn)略》報告，2004年11 月，美國防部腐蝕方針與監(jiān)督辦公室發(fā)布了《腐蝕預(yù)防與減緩戰(zhàn)略計劃》，后于2008 年11 月、2011年2 月和2014 年1 月發(fā)布了該計劃的修訂版，同時列舉了各軍兵種多個財年的腐蝕與維修費用[6-13]。美國海軍陸戰(zhàn)隊則基于其車輛裝備嚴重的腐蝕問題，開展了車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法研發(fā)。

1 美國海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕狀況

美國海軍陸戰(zhàn)隊（USMC）因美軍全球戰(zhàn)略需要，長期駐扎在遍布全球的軍事基地，其裝備因?qū)嶋H服役范圍遍布世界各類復(fù)雜嚴酷環(huán)境，導(dǎo)致嚴重的腐蝕問題。USMC 地面車輛2005 財年腐蝕費用為5.45 億美元；2006—2007 財年腐蝕費用為7 億美元；2008、2009—2010 和 2011—2012 財年腐蝕費用分別為4.63、3、3 億美元，分別占其維修費的18.7%、12.3%、14.3%。美軍為了實現(xiàn)其全球戰(zhàn)略目標和提高快速反應(yīng)能力，在世界各地的陸地和艦船上貯備了大量軍事預(yù)置裝備和物資，以便使部署的部隊能快速投入戰(zhàn)斗。美國政府問責(zé)局按照政府審計標準，有選擇地對陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊部分基地開展了審計檢查，并向美國會提交了《減少軍事預(yù)置資產(chǎn)腐蝕實現(xiàn)費用節(jié)省的附加措施》報告[14-19]。

2 整車道路強化試驗

整車道路強化試驗，可模擬車輛裝備實際使用過程中可能出現(xiàn)的各種工況，以考核整車腐蝕和耐久性能否達到預(yù)期目標。強化試驗道路包括碎石路、泥漿路、沙土路、波形路、鹽水路和鹽水搓板路等；試驗項目包含高溫高濕、鹽霧噴射、高速行駛、急速啟動與剎停等，以模擬沿海地區(qū)的鹽霧沉降、寒冷地區(qū)冰雪路面撒鹽等腐蝕環(huán)境；試驗后對車身、發(fā)動機、底盤進行拆解檢查腐蝕和耐久狀況。車輛強化腐蝕試驗?zāi)茌^好地反映整車及零部件的防蝕能力，通過試驗結(jié)果驗證可有針對性地解決車輛裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、表面處理工藝、涂層、涂膠及噴蠟等存在的問題[20]。

3 美國海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗[21-22]

3.1 美國防部的要求

為預(yù)防和減緩裝備腐蝕，美國防部要求軍用車輛加速腐蝕試驗1 a 能夠模擬22 a 的實際使用狀況。在阿伯丁試驗場，對陸軍中型戰(zhàn)術(shù)車輛車族（FMTV）和海軍陸戰(zhàn)隊中型戰(zhàn)術(shù)車輛替代型（MTVR）開展了加速腐蝕耐久性試驗（ACDT），根據(jù)試驗結(jié)果確定了60 個改進措施，以減少車輛全壽命周期費用。對于FMTV，加速腐蝕試驗結(jié)果幫助項目經(jīng)理確定了在39 個部件上有200 多個零件需要被加固，其成本為2 550 美元/輛，投資回報率為1:6.3[23]。美海軍陸戰(zhàn)隊將車輛腐蝕/耐久性行駛試驗作為戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)裝備采辦過程的關(guān)鍵步驟，高度重視該試驗方法的研發(fā)。為此，美海軍研究局資助海軍水面作戰(zhàn)中心、阿伯丁試驗中心、Corrpro 公司、Elzly 技術(shù)公司和內(nèi)華達州汽車試驗中心聯(lián)合開展了海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法研究。

3.2 車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法研發(fā)

3.2.1 試驗方案確定

高機動多用途輪式車輛（HMMWV）是美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊大量采購的輕型戰(zhàn)術(shù)車輛，可在任意地形或環(huán)境服役，但由于其預(yù)先缺乏設(shè)計和材料選擇方面的通盤考慮，HMMWV 在使用僅僅幾年后就出現(xiàn)嚴重的腐蝕問題，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋼材選擇不當(dāng)是腐蝕問題產(chǎn)生的根本原因之一[24]。美國海軍陸戰(zhàn)隊制定了裝備全壽命周期費用降低計劃（TOCR），期望通過制定與腐蝕控制有關(guān)的海軍陸戰(zhàn)隊采辦規(guī)范，以減少戰(zhàn)斗與戰(zhàn)術(shù)裝備的腐蝕以及與維修有關(guān)的負擔(dān)[25]。

USMC 車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法是第一個專門針對軍事用途而設(shè)計的車輛行駛試驗方法。雖然先前的美海軍陸戰(zhàn)隊車輛平臺已按當(dāng)時最高等級的車輛測試方法進行了測試，但測試中質(zhì)量損失指標源于民用車輛測試標準，實際是將民用車輛的技術(shù)要求等同于軍用車輛的要求。盡管該類指標屬于民用車輛中最嚴苛商用環(huán)境下的要求，并且提出這樣的指標要求也一定程度上有助于更好地控制和減緩美海軍陸戰(zhàn)隊車輛的腐蝕問題，但實質(zhì)則是假定軍用車輛的服役環(huán)境類似于最惡劣的民用車輛商用環(huán)境，但其在軍事環(huán)境的真實效果仍然無法確定。

USMC 車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法中的測試指標是首個依據(jù)國防部專業(yè)數(shù)據(jù)，特別是基于海軍陸戰(zhàn)隊作戰(zhàn)環(huán)境的真實數(shù)據(jù)提出的。這些針對海軍陸戰(zhàn)隊車輛的腐蝕率，包括處于不同使用環(huán)境或存儲環(huán)境中的海軍陸戰(zhàn)隊車輛的腐蝕率，以及根據(jù)車輛在使用環(huán)境和存儲環(huán)境的時間占比形成的綜合腐蝕率，最初是作為由海軍研究辦公室資助的全壽命周期費用降低計劃項目的研究內(nèi)容之一被收集的，后來這些腐蝕率被當(dāng)作海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗中的初始腐蝕率。在美海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方案中，控制腐蝕率則以車輛訓(xùn)練和部署時的使用狀況為基礎(chǔ)，按照訓(xùn)練時間占海軍陸戰(zhàn)隊車輛壽命2/3 的時間，部署階段的時間占車輛壽命1/3 的時間比例原則來測算。例如，為測算訓(xùn)練階段車輛腐蝕率，記錄4 a 期內(nèi)的使用狀況表明，海軍陸戰(zhàn)隊車輛大約50%的時間在車輛調(diào)配場，約50%的時間在訓(xùn)練場、艦船井甲板、海濱/浪拍區(qū)，而在氣墊登陸艇上的時間很少，該數(shù)據(jù)被用于確定訓(xùn)練階段海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗的控制腐蝕率。為測算部署階段車輛的腐蝕率，則以來自執(zhí)行部署任務(wù)單位的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，海軍陸戰(zhàn)隊車輛在部署期間大多數(shù)時間位于艦船井甲板上，其次最可能的部署環(huán)境是在海濱或浪拍區(qū)，而在車輛調(diào)配場、訓(xùn)練場和氣墊登陸艇上的時間很少。以車輛在上述給定環(huán)境中的平均時間為基礎(chǔ)，由此確定在工作階段海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗的控制腐蝕率。車輛的綜合腐蝕率由車輛在上述給定環(huán)境中的時間占比和車輛腐蝕率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定，車輛在訓(xùn)練和工作階段對綜合腐蝕率的貢獻結(jié)果見表1。分析表明，車輛在訓(xùn)練和工作階段的綜合腐蝕率分別為32.0、38.1 μm/a。

表1 車輛在訓(xùn)練/工作階段的綜合腐蝕率[21-22]Tab.1 Composite corrosion rate of vehicles during the training/operation phase[21-22]

海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗設(shè)計用于測試車輛在20 a 全壽命周期的整體狀況，也可根據(jù)需要測試更長時間的全壽命周期。試驗通常分為3段，第一段和第三段代表訓(xùn)練階段，第二段代表工作階段。訓(xùn)練階段采用控制腐蝕率32.0 μm/a，持續(xù)試驗1～7 a 和15～20 a；工作階段則采用控制腐蝕率38.1 μm/a，持續(xù)試驗8～14 a。在試驗期間，試樣支架安裝在車輛上，用來測量腐蝕率，并與初始設(shè)定的控制腐蝕率相比較。

試驗采用了基于車輛使用狀況與車輛任務(wù)剖面制定的質(zhì)量損失目標，以及源自FMTV 和MTVR 系統(tǒng)腐蝕試驗的經(jīng)驗。HMMWV 在美國陸軍廣泛使用，在該車輛上首次開展了方法中的2 項試驗，能夠與實際性能對比，在同類型車輛上開展重復(fù)試驗可進一步改進和優(yōu)化試驗方法。試驗方法中的初始耐久性指標要與HMMWV 任務(wù)剖面相匹配。美國海軍陸戰(zhàn)隊HMMWV 任務(wù)剖面見表2。

表2 美國海軍陸戰(zhàn)隊高機動多用途輪式車任務(wù)剖面[21-22]Tab.2 Mission profile of USMC HMMWV[21-22]

HMMWV 任務(wù)剖面顯示了在不同典型行駛環(huán)境下的時間占比。任務(wù)剖面源自裝備采購說明書，對不同類型的裝備，任務(wù)剖面各不相同，當(dāng)評估其他輪式車輛時，應(yīng)修改行駛條件，以便與裝備任務(wù)剖面相匹配。用于試驗的腐蝕試驗項目計劃考慮了訓(xùn)練和工作期間車輛在不同腐蝕性環(huán)境中的頻率，計劃試驗時間長達13 a，見表3。在整個循環(huán)試驗過程中，規(guī)定了1 d 的腐蝕試驗項目頻率。由于鹽水涉渡不會在試驗的每一天都發(fā)生，所以該試驗均分至每年，以便其易于納入到車輛經(jīng)歷過的任務(wù)剖面。

表3 車輛腐蝕試驗項目計劃[21-22]Tab.3 Vehicle corrosion test schedule[21-22]

3.2.2 試驗注意事項

開展車輛腐蝕/耐久性行駛試驗時，通常通過高濕和高溫暴露結(jié)合的方式來增加腐蝕嚴酷度，從而加速金屬腐蝕，但油品、滑潤劑、橡膠、塑料、布料等非金屬材料不會以同樣的速度被加速老化，這些在試驗期間都需要考慮到。過度施加或過度加速環(huán)境因子可能會對試驗產(chǎn)生不利影響，必須注意環(huán)境污染可能導(dǎo)致偏離實際腐蝕結(jié)果。不按計劃進行試驗可能會引起過度或者不必要的維修，甚至導(dǎo)致車輛不斷更換油品或更換零部件而顯著增加成本費用。如果試驗時使用的滑潤劑比實際所需的多，則可能導(dǎo)致試驗時能得到腐蝕防護的區(qū)域在正常使用時實際并沒有被防護。此類試驗的維修活動，通常以完成的里程數(shù)（例如換油）或者以恢復(fù)功能為基礎(chǔ)，以便能夠評估車輛的剩余壽命。試驗車輛不應(yīng)頻繁清洗，因為這樣會沖洗掉腐蝕污染物。在海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法研究過程中，定期維護和清洗按表4 規(guī)定進行。

表4 車輛定期維護和清洗規(guī)定[21-22]Tab.4 Provision for regular maintenance and washing of vehicle[21-22]

由于加速試驗的特性，可能會出現(xiàn)一些不屬于車輛腐蝕問題引起的故障，例如高濕循環(huán)期間水滲透引起的電氣插接頭故障等非典型故障，雖然不直接與腐蝕相關(guān)，但仍能凸顯其他的設(shè)計缺陷，這會直接影響裝備的可靠性和維修性。在試驗期間，重復(fù)出現(xiàn)的故障可驗證腐蝕控制設(shè)計中的缺陷，但也可能增加成本費用和額外計劃，妨礙車輛其他測試項目的完成，如引擎部件和系統(tǒng)可能經(jīng)受重復(fù)的故障。然而，在一個試驗期間第3 次出現(xiàn)同樣的故障后，后續(xù)故障可能不會產(chǎn)生任何有用的補充信息，除非采取其他腐蝕防護措施或防護技術(shù)升級。對于這類故障，允許為了繼續(xù)試驗而對試驗環(huán)境條件進行處置。試驗環(huán)境條件處置包括在試驗期間沖洗發(fā)動機部件和用硅樹脂封裝電插接件。這樣的預(yù)防措施必須是僅限于受到影響的系統(tǒng)，而不至對其他部件造成不當(dāng)影響。

3.2.3 試驗評價

在規(guī)定的試驗周期，通過持續(xù)評價車輛的外觀和腐蝕質(zhì)量損失可驗證腐蝕耐久性試驗方法的效果。車輛裝備由于經(jīng)常在惡劣環(huán)境中行駛，其涂層會因遭遇諸如道路碎石撞擊或劃傷等機械作用力，造成局部涂層破損，導(dǎo)致涂層防護性能降低，甚至提前失效。采用美國陸軍坦克及機動車輛司令部（TACOM）制定的規(guī)范來評價車輛本身的老化狀況，包括判定腐蝕等級以及受其影響的表面區(qū)域百分比。腐蝕等級分為0—4 級，其中0 級表示沒有腐蝕，4 級表示基體金屬腐蝕穿孔，該等級系統(tǒng)示例如圖1 所示。

圖1 美軍坦克及機動車輛司令部涂漆鋼腐蝕等級示例[21-22]Fig.1 Examples of US TACOM corrosion grade on painted steel[21-22]

利用安裝在試驗車輛上的腐蝕質(zhì)量損失試樣，依據(jù)規(guī)定的控制腐蝕率來持續(xù)評價試驗效果，而評估試樣增加和累積的腐蝕質(zhì)量損失可確定是否需要調(diào)整試驗方案來實現(xiàn)控制腐蝕率的目標。當(dāng)規(guī)定試驗中訓(xùn)練和工作階段的控制腐蝕率分別為32.0、38.1 μm/a，對于安裝在車輛上的試樣，則在其對應(yīng)腐蝕率下導(dǎo)致的腐蝕質(zhì)量損失控制標準分別為0.77 g/a（1～7 a、15～20 a）、0.92 g/a（8～14 a）。車輛腐蝕質(zhì)量損失控制標準和安裝在車輛不同部位試樣的實際累計腐蝕質(zhì)量損失如圖2 所示。

圖2 美國海軍陸戰(zhàn)隊車輛腐蝕質(zhì)量損失控制標準和安裝在車輛不同部位試樣的實際累計腐蝕質(zhì)量損失[22]Fig.2 Corrosion loss control standard for USMC vehicle and actual cumulative corrosion loss of specimens installed in different parts of the vehicle[22]

3.3 車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法驗證

美國海軍陸戰(zhàn)隊在阿伯丁試驗中心（ATC）和內(nèi)華達機動車試驗中心（NATC）開展了HMMWV、MTVR 的平行試驗，以驗證車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法，其試驗情況見表5。

表5 美國海軍陸戰(zhàn)隊車輛行駛試驗[21]Tab.5 Status of USMC vehicle driving test[21]

試樣累積質(zhì)量損失與控制腐蝕率呈線性關(guān)系，表明車輛腐蝕/耐久性行駛試驗是按照預(yù)期設(shè)計在進行。采用這些控制腐蝕率，行駛試驗?zāi)苣M軍用車輛的預(yù)期老化。1#、2#HMMWV 在阿伯丁試驗中心、內(nèi)華達州車輛試驗中心分別試驗7、15 a 的累計腐蝕質(zhì)量損失如圖3 所示。

圖3 美國海軍陸戰(zhàn)隊高機動多用途輪式車累積腐蝕質(zhì)量損失[22]Fig.3 Cumulative corrosion loss of USMC HMMWV[22]

在試驗期間，通過比較試驗車輛在ATC 和NATC試驗場的腐蝕狀況，可評估車輛模擬實際使用年限的情況。HMMWV 控制臂和停車制動彈簧在試驗場試驗和Camp Lejeune 實際服役4 a 后的狀況比較如圖4 所示。

圖4 美國海軍陸戰(zhàn)隊HMMWV 控制臂和停車制動彈簧暴露4 a 后的比較[21-22]Fig.4 Comparison of (a) USMC HMMWV control arms and (b) brake springs after 4 years of exposure[21-22]

由圖4 可知，HMMWV 控制臂和停車制動彈簧的涂層老化和腐蝕程度在試驗場的車輛中和實際使用地域的車輛中都是類似的，表明HMMWV 加速腐蝕試驗4 a 與該車在海軍陸戰(zhàn)隊實際使用地域暴露4 a 的正常老化是等價的。

美軍基于海軍陸戰(zhàn)隊HMMWV 任務(wù)剖面研發(fā)的車輛腐蝕/行駛耐久性試驗方法驗證試驗表明：

1）按照預(yù)先設(shè)計的車輛腐蝕/耐久性行駛試驗程序進行試驗，其多年實際累計腐蝕質(zhì)量損失結(jié)果與規(guī)定的腐蝕質(zhì)量損失控制標準相當(dāng)，試驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)模擬軍用車輛預(yù)期老化狀況的目標。

2）通過比較不同地點的試驗車輛腐蝕形貌，可準確評估車輛模擬現(xiàn)場實際使用年限的效果，表明了用于車輛老化評價的車輛腐蝕/耐久性行駛試驗的正確性。

3）海軍陸戰(zhàn)隊高機動多用途輪式車輛加速腐蝕結(jié)果與其在實際運用環(huán)境暴露正常老化狀況等價。

4）車輛腐蝕/耐久性行駛試驗方法可作為車輛采辦的有力工具，可證明車輛能否達到20 a 的服役期指標。

4 結(jié)語

海軍陸戰(zhàn)隊車輛耐腐蝕和耐久性提升是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，貫穿于論證、設(shè)計、制造、試驗考核、使用和維護維修等全壽命周期，而試驗考核是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。美軍基于海軍陸戰(zhàn)隊高機動多用途輪式車輛任務(wù)剖面研發(fā)的車輛腐蝕/行駛耐久性試驗方法，能有效模擬軍用車輛預(yù)期老化狀況、準確評估車輛模擬現(xiàn)場實際使用年限、驗證車輛能否達到20 a 的服役期指標。參考借鑒該方法的技術(shù)理念，對于研發(fā)海軍陸戰(zhàn)隊車輛新型號時強化考核，充分暴露其可能存在的環(huán)境適應(yīng)性問題，并有針對性地進行改進，提高其戰(zhàn)備完好性、減少維護維修負擔(dān)和經(jīng)濟損失具有重要意義。