舰船电子设备振动试验条件的分析和对比

宁薇薇，陈立伟，孙立明

（天津航天瑞莱科技有限公司试验检测中心，天津 300462）

舰船电子设备振动试验条件的分析和对比

宁薇薇，陈立伟，孙立明

（天津航天瑞莱科技有限公司试验检测中心，天津 300462）

对GJB 4.7-83《舰船电子设备环境试验 振动试验》与GJB 150-16A-2009《军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验》（A2.2.8舰船）进行了详尽的分析和对比，并结合国外标准及经验，提出了耐振试验危险频率及其振动量级的选取方法。

舰船设备；振动试验；危险频率

引言

舰船作为当代主要运输及军用介质，面对的机械物理环境错综复杂，在其航行和作战时，会遭遇各种干扰，如主机螺旋桨、强力海风、突发海情等多种可预见性和非可预计的影响，干扰严重时会引起船体的剧烈震荡和船体结构的破坏。同时舰船上的电子设备也会受到各种机械力的影响，例如振动、冲击、颠震、倾斜摇摆、风压等。振动就是其中主要危害之一，它主要造成两种形式的破坏：一是设备在激振情况下产生的共振响应，导致设备因超出极限能力而失效；二是长期的振动冲击致使设备疲劳损坏。因而在舰船设备正式装船前，都会进行一系列振动试验，以考核设备是否能够适应严酷的航海环境[1-4]。当代科学技术迅猛发展，舰船设备的结构和性能均不可同日而语，结构多变，性能复杂，因此对设备的稳定性要求大幅提高，尤其是舰船的驱动装置、控制系统以及导航设备等，更要严格重点考核[5]。为进一步加强和考核舰船设备的战斗力和生命力，根据国内实验室常使用的GJB 4.7-83及GJB 150.16A-2009标准来考核电子设备的工作性能。而国内常用的GJB 4.7-83《舰船电子设备环境试验 振动试验》至今已应用了三十年之久，试验标准就当代设备而言存在诸多不足。本文针对常用的GJB 4.7-83、GJB 150A-2009中的舰船条件进行了分析和对比，提出了目前发现的一些问题及解决办法。

1 两个标准总体分析和对比

1.1 两个标准总体比较

由于GJB 4.7-83标准的提出时试验设备能力有限，标准中均未提及由于舰船航速、航向、各种操作和海情等的变化所引起的随机振动试验。这就减少了舰船类设备的考察项目，从而降低了产品遇到类似环境的抵抗能力。GJB 4.7-83分为三个试验项目：共振检查，稳定性试验以及耐振试验。而GJB 150.16A-2009分为两个大项目：正弦扫描振动试验和随机振动试验，其中正弦扫描振动试验包含功能试验和耐振试验。GJB 4.7-83标准试验条件见表1[6]、GJB 150.16A-2009标准试验条件见表2及图1[7]。试验条件存在较大的差异，试验的频率范围和量级都有了很大的变化。

表1 GJB4.7-83试验条件

表2 GJB 150.16A功能试验条件

1.2 两标准存在的主要问题和对比分析

1.2.1 GJB 4.7-83存在的的主要问题

如表1所示，GJB 4.7-83主要分为三个试验项目：共振检查，稳定性试验，耐振试验。主要问题在于如何确定共振频率及耐振试验的振动量级。

1）共振检查试验

GJB 4.7-83共振检查试验中只规定了根据试验样品及其零部件幅值明显变化或者设备输出电流、电压的变化判断共振，但未明确规定多大的传递数值所对应的响应极值频率可作为共振频率参考，也未把影响设备功能或者结构完整性的非响应极值频率（如出现性能、结构、机械或电气异常的频率）作为危险频率考虑到耐振试验频率的参考频率当中[8]。

2）稳定性试验

在稳定性试验中，可能会出现以下两种情况，而这些情况的出现必将影响耐振试验的结果以及对设备的考核。

第一种，由于GJB 4.7-83中稳定性试验量级大于共振检查试验的量值，就可能存有在共振检查中未暴露的共振频率在稳定性试验中出现，这就造成了对耐振试验的影响。在稳定性试验中暴露的这些共振点是否也应该作为耐振试验的参考点。

图1 GJB 150.16A-2009舰船随机振动试验条件

第二种，由于GJB 4.7-83稳定性试验中，允许在除耐振试验选择的频率外，在其他可疑频率上允许延长试验时间5 min，但所选定的可疑频率点每个轴向不得超过4个。这在试验中就有可能出现当在一个可疑点延时振动时，试验设备出现异常，那么这个频率是否作为耐振频率，这个可疑点有可能不是幅值最大的，延时振动设备出现不正常现象，那么如何确认这个点是否作为耐振频率的参考点。

3）耐振试验

由于共振检查试验和稳定性试验在试验条件上存在一定的疏漏，势必造成耐振试验结果的多样性。

GJB 4.7-83耐振试验中明确规定若某方向上有共振现象，则在最有害的共振频率上，根据表1规定的位移或加速度幅值振动2 h。当最有害的共振频率难以判断时，则在共振频率上选取两个，按表1规定的位移或加速度幅值各振动1 h。若无共振，则在表1规定的频率、位移或加速度幅值振动2 h[6]。但是由于共振检查试验中未明确规定如何选取共振频率，则在后续进行的耐振试验时就会带来很多困扰。不同的人依据不同的标准来衡量，就会选择不同的频率，势必造成试验结果的多样性。

同时，在耐振试验频率交越点位移和加速度的确定上存在歧义，有共振时，1类桅区共振频率为10 Hz时，振幅可选0.25 mm或0.6 mm，共振频率为17 Hz时，加速度可选0.6 mm或1 g，可见标准GJB 4.7规定的并不严谨，在相同的共振频率上选取不同的试验量值，最大的试验量值可相差4倍之多，这就可能会出现因选取不同的试验量值，导致同一批试验件的试验结果出现较大差异。而在GJB 150.16A-2009中，频率范围内不存在阶跃点，这样就避免了GJB 4.7-83耐振试验中振幅选择的不确定性和差异性。

1.2.2 GJB 150.16A存在的主要问题

GJB 150.16A-2009明确了随机振动试验条件，加强了舰船电子设备的考核要求，主要问题在于如何确定危险频率。

1）耐振试验规定了如何选择危险频率，但同GJB 4.7-83一样，危险频率的定义很模糊。GJB 150.16A -2009规定危险频率是由于振动出现试验的工作失灵、性能超差或损伤；机械共振及其他响应现象，例如颤振。这里所谓的机械共振未规定传递多大为共振。当试验中出现多个机械共振频率点时，我们应当如何取舍，取舍的依据是什么。

2）由于功能振动试验中扫描最大范围到160 Hz，但是随机振动试验条件只到100 Hz，频率范围变窄了，那么是否应该根据试验件的特性考虑增加频率范围，以加强对试验件的考察能力。

1.2.3 扫描方式的对比

GJB 4.7-83中所采用的扫描方式是线性扫描，规定试验时扫描时间由低到高均匀连续的改变频率，每个频带对应一个扫描的时间范围。但标准中未明确规定扫描速率，会产生以下两方面问题：第一，由于标准规定的扫描方式是分段式扫描，所以在同一频带范围内对应每个频率点上的振动时间相同，但在不同频带上每一频率点的振动时间不同，存在一定的不合理。第二，扫描速率较快时，响应幅值不稳定，达不到相应的振动理论数值可能得不到正确的共振响应，扫描速率较慢时，虽可获得较为正确的共振响应，但会对试验设备产生一定的破坏。分析多年试验数据可知，分段式线性扫描应明确不同频带的扫描速率，采用对数扫描的方式，即按照时间的指数规律变化，频率从低到高扫描。从而解决线性扫描低频振动次数较少、高频振动次数频繁的问题。而不同于GJB 4.7-83的线性扫描，GJB 150.16A-2009明确规定了扫描速率以1oct/min的速率从低频到高频往复扫描10次，这样就可以有效的避免了线性扫描的缺点。

1.3 小结与建议

1.3.1 GJB 4.7-83标准试验方法的优化

1）共振频率

根据我国内的舰船标准并参考国外标准及文献，在共振检查试验中，根据舰船设备的实测数据，发生共振时，设备本身的振动量值要比设定基值大好几倍，由于阻尼值不同，据不完全的统计来看,放大倍数约1~10倍,通常为2~5倍。可选取放大倍数大于2的多个频率点作为共振频率，筛选出一部分可疑频率。当然放大倍数的选取还应与试验委托方商议，根据设备本身特性定夺。

2）耐振试验频率、量级及试验时间

耐振试验中，应该把影响设备功能或者结构完整性的非响应极值频率（如任何出现结构、功能、机械或电气异常的频率）作为危险频率考虑到耐振试验频率的参考频率当中，全面的考察设备能力。在稳定性试验中出现的共振频率，也可做为耐振试验的危险频率考虑进去，根据共振检查试验结果和稳定性试验的结果，选择放大倍数最大的n个共振频率。在耐振试验中，在n个共振频率点上各振动2 h/n，总振动时间为2 h。综合考虑了每个共振频率对设备影响，更全面的考察了设备对振动环境的适应性。当在阶跃频率做为共振频率时，可采用试验量级较大的进行耐振试验。

1.3.2 GJB 150.16A-2009标准试验方法的优化

1）危险频率

选取机械共振放大倍数大于2的多个频率点作为危险频率，并将在振动试验中出现的工作失灵、性能超差及损伤的频率点考虑在内。

2）耐振试验时间

耐振试验中，在n个危险频率点上各振动2 h/n，总振动时间为2 h，全面考察每个危险频率对设备的影响。

3）随机振动试验频率范围

由于随机振动试验频率范围较正弦扫描试验变窄，可根据设备的最低轴频率及最高桨叶频率作为的随机振动试验和正弦扫描振动条件的下限与上限，在确定振动幅值时，更可能根据设备的实测数据，进行试验，这样的试验条件更加接近真实环境。

2 结束语

本文针对国内舰船标准进行了详尽的分析和对比，并根据各标准中存在的主要问题提出了解决办法，尤其对概念模糊的共振频率和危险频率都给出了明确的放大倍数，避免了试验结果的歧义。当试验中出现多个共振频率或危险频率时，优化耐振试验方法，严谨考察设备能力。同时，需要在试验中更加全面的找出共振频率以及对设备功能或结构完整性造成影响的非响应极值频率，以加强舰船在抗击海上恶劣环境的能力。建议当有实测数据时，应根据实测数据确定其振动暴露量级，当无实测数据时，推荐使用GJB 150.16A中（A2.2.8舰船）试验条件进行试验。

[1]呼怡玫. 对舰船设备冲击振动试验的分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2002.

[2]金鸿章.舰艇用设备的振动与冲击试验的分析[J].舰船技术, 1981(12).

[3]马纶宇.舰船机械设备冲击标准浅谈[J].噪声与振动控制, 1997(6):41-45

[4] GJB 13A-1997,舰船电气规范[S].

[5] GJB 150.16-1983,军用设备环境试验方法 振动试验[S].

[6] GJB 4.7-83,舰船电子设备环境试验 振动试验[S].

[7] GJB 150.16A-2009,军用装备实验室环境试验方法 第16部分:振动试验[S].

[8]唐文杰. GJB 4.7-83《舰船电子设备环境试验 振动试验》和MILSTD-167-1A《舰船设备的机械振动（I类-环境振动）》的分析和对比[J ]. 环境技术, 2009(04):45-48.

Analysis and Comparison of the Condition of Shipboard Electronic Equipment Vibration Test

NING Wei-wei, CHEN Li-wei, SUN Li-ming
(Tianjin Aerospace Reliability Technology Co, Ltd., Tianjin 300462)

This paper carries on detailed analysis and comparison between GJB 4.7-83, Environmental Test of Shipboard Electronic Equipment Vibration Test and GJB 150.16A-2009, Laboratory environment test methods for military material-Part 16: Vibration test. And combined with the foreign standards and experience, it puts forward the dangerous frequency of endurance vibration test and the choosing method for the vibration level.

shipboard electronic equipment; vibration test; dangerous frequency

U661.4

A

1004-7204（2017）03-0076-05

宁薇薇（1989-），女，本科，助理工程师，研究方向:结构强度、振动与可靠性。