国产舰船设备轻型冲击机的冲击特性初探

唐佳炜，沈文妮，毛海斌，张士栋，盖后恒，穆春元

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

舰船设备抗冲击能力的优劣决定了战时舰船的战斗力和生命力，我国及各主要海军国家均规定舰船设备必须通过冲击试验考核方可装舰使用。与美军标要求相同，我国现行GJB 150 规定的舰船设备冲击考核体系根据试件质量分为轻量级、中量级、重量级试验。轻型冲击机是实施舰船设备轻量级冲击试验的标准设备，通过模拟战时水下非接触爆炸载荷传递至舰船舱室产生的冲击环境，考核评定舰船设备的抗冲击性能，或用于开展相关的设备抗冲击试验研究[1-3]。

我国目前关于轻型冲击机的标准移植了美军标的试验方法要求[4-7]。同一舰船设备在不同轻型冲击机上的试验结果会存在较大差异，其原因在于冲击机本体冲击特性不一致，这也是国产轻型冲击机最需要解决的基础性问题。为了解决这一问题，本文所述的一型自研国产美标轻型冲击机，通过试验测试，其冲击特性与美国同类设备基本一致，表明我们已掌握了轻型冲击机标准化关键核心，为冲击机的标准化、对标填补空白和舰船设备抗冲击研究提供基准，实现轻型冲击机及其轻量级试验技术应有的应用价值。

1 轻型冲击机简介

20 世纪30 年代，英国制造了用于舰船设备抗冲试验的冲击机，美国海军在1940 年接受了通用电气公司改造过的冲击机，即轻型冲击机。以此为基础，1942 年发展出了中型冲击机，1959 年浮动冲击平台完成了设计建造[8-9]。

轻型冲击机主要由机械台体、标准安装架、控制系统组成，如图1 所示。机械台体是冲击机的主体结构，由设备机架、冲击锤、砧板等组成。标准安装架以砧板作为安装基础，用于安装受试设备。控制系统主要用于控制冲击锤的升降和释放。冲击锤、砧板系统、标准安装架是轻型冲击机的核心部件。冲击锤设置有2 套，一套为用于垂向冲击试验的冲击落锤，另一套为用于水平向冲击试验的冲击摆锤，2 套冲击锤通过提升至一定高度后的自由落体运动向砧板施加试验所需的冲击激励，最大锤高均可达1.5 m。

砧板系统含砧板和缓冲弹簧组，砧板通过缓冲弹簧组安装在设备机架上。砧板是传递冲击载荷的关键部件，缓冲弹簧组在砧板的冲击运动过程中起到限位和复位作用，不同冲击方向采用不同的缓冲弹簧组。锤高1.5 m 时，砧板各向冲击理论最大限位值均为38 mm，受砧板上的负载情况（负载质量、重心位置等）的影响，砧板的实际最大位移一般略大于理论限位指标。

轻型冲击机提供有不同类型的标准安装架，以满足不同类型、不同安装方式的受试设备，主要是为了确保受试设备的试验安装能够尽量模拟实船安装环境的动力学特征。轻量级试验中，受试舰船设备一般均应通过标准安装架安装在轻型冲击机上。

2 冲击条件

2.1 依据的标准规范

我国主要依据GJB 150.18—1986 和GJB 4.9—1983 开展轻型冲击机试验，舰船设备的通用规范多数引用这2 份标准作为冲击试验的要求。GJB 150.18—1986 是参考美军标MIL-S-901C 制定的。美国在1989年和 2017 年相继颁布了 MIL-S-901D 和 MIL-D-901E。关于轻量级试验方法，GJB 150.18—1986 和MIL-S-901D 规定的试验程序和考核工况基本一致。

关于轻型冲击机的结构形式，GJB 150.18—1986中只给出了冲击机主要结构的示意图和4 型标准安装架的结构形式图。GJB 360.17—1987[10]不同于GJB 150.18—1986，对轻型冲击机砧板和适用于电子及电气元件的标准安装架，基于美军标要求，给出了较为细致的结构组成图，但是并未得到推广和落实。美军标明确规定了6 型标准安装架，不仅类型多于我国的标准，且对于每类标准安装架的结构组成和使用方法给出了详尽的说明和指导建议。

2.2 适用范围

我国对于轻型冲击机的适用范围是按照受试样品的试件质量界定的：试件质量不超过120 kg，试件质量为受试样品和专用过渡安装架的总质量。美军标对于轻型冲击机的使用范围是按照砧板最大负载能力界定的，要求砧板上所有负载的总质量不超过250磅（约250 kg），对于部分潜艇设备砧板上负载限重300 磅（约136 kg）。

2.3 冲击方向

轻量级试验方法要求受试舰船设备分别在3 个主轴方向上进行冲击试验，3 个主轴方向一般称为垂向、背向和侧向（见图2），美军标中分别记为“top”、“back”、“edge”，分别代表舰船设备实船安装方向的垂向、艏艉方向和舷侧方向。垂向、背向冲击时砧板安装位置如图1 所示。侧向冲击时，砧板绕垂直方向旋转90°，通过侧向缓冲弹簧组与侧向限位基础安装连接。试验时，三向冲击一般不作顺序要求。

图2 轻型冲击机冲击方向规定Fig.2 Regulation of shock direction of LWSM

2.4 试验工况

GJB 150.18—1986 规定的轻量级试验的考核工况（见表1）与MIL-S-901D 一致，试验考核时受试设备一般至少进行9 次冲击。某些标准规范，如GJB 4.9—1983 等，对不同等级、类型设备在轻型冲击机上的冲击次数和锤高有着不同的要求，但是工况参数的变化均在表1 规定的范围内。

表1 舰船设备冲击考核轻量级试验工况表Tab.1 Lightweight test working condition table for shock assessment of warship equipment

3 国产美标轻型冲击机及其冲击特性

3.1 国产美标轻型冲击机

本团队基于在理论及试验研究[11-14]、试验设备及测控装置研发[15-22]的技术积累，于2021 年建成了一台符合美军标要求的轻型冲击机（见图3），其主体结构均按MIL-D-901E 的要求进行设计制造，在国内尚属首次。结构设计和指标验证是研制工作的重点。

图3 国产美标轻型冲击机Fig.3 Domestic LWSM in line with the US standard

该型冲击机的结构按照美军标要求开展设计工作，设备机架在美军标图示基本框架的基础上进行了充分的加强，同时确保满足各向冲击作动时的使用要求。主承力部件按照美军标的要求进行设计，不是简单地将英制尺寸转化为公制，而是注重使用效能的一致，对于美军标要求的一些特种型材，采用高强度钢材进行了特制，以确保动力学特性上的等效。冲击机的连接件采用国标公制标准件，规格、等级尽量贴近美军标的要求。

该型冲击机的标准安装架按照美军标的规定配备。美军标规定轻型冲击机标准安装架共有6 个型号：4A、4C、6D-1、6D-2、6E、11-C，其中4A、4C 安装架（见图4）是最为常用的轻型冲击机标准安装架。GJB 150.18—1986 规定有4 型轻型冲击机标准安装架（记为1 号、2 号、3 号、4 号），根据适用范围，1 号安装架相当于4A 安装架，2 号安装架相当于4C 安装架。

图4 轻型冲击机4A、4C 安装架结构Fig.4 4A &4C mounting frame for LWSM

验证性能指标是美标轻型冲击机国产化的关键环节和难点，主要困难在于技术资料的匮乏。国内外关于轻型冲击机的资料大多围绕其基本的结构组成或是试验应用上，不仅没有完整的实测数据，定量、定性的指标特性也很少。中国船舶科学研究中心通过大量的文献收集和梳理工作，选定了一些较为完整可信的文献资料[23-25]作为参考，对国产美标轻型冲击机进行了冲击特性测试。

3.2 测试方法

轻型冲击机冲击特性测试是结合冲击动响应测量手段开展试验，通过对不同工况的测量数据进行统计分析，获取其冲击特性及指标。国产美标轻型冲击机冲击特性测试试验主要工况参数设置如下：

1）标准安装架。选用适用范围最广的4A、4C等2 种型号的标准安装架进行试验测试，并增加1 种不使用安装架（即砧板单独受试）的工况，以此表征冲击机的极限冲击能力。

2）安装架负载。设置0 kg（空载）和120 kg 刚性负载2 种情况，以此探查最大负载质量下冲击机的冲击特性。

3）冲击方向和锤高。分别开展垂向、背向、侧向冲击试验，各向均以150 cm 锤高的试验为主，以关注不同状态下冲击机的最大冲击条件。选取使用4A标准安装架的部分工况，开展不同锤高的试验测试。

国产美标轻型冲击机试验主要采用加速度测量手段获取砧板、标准安装架及负载上的冲击动响应，测量上限频率按1 kHz 设置。试验过程中，选取典型工况拍摄高速摄像，一方面为了直观了解冲击机的作动过程，另一方面对辅助加速度测量获取的位移数据进行校验，确保数据分析结果准确。国产美标轻型冲击机试验测试现场如图5 所示。

图5 国产美标轻型冲击机试验测试现场Fig.5 Test site of domestic LWSM in line with the US standard

3.3 典型测试结果

国产美标轻型冲击机各向冲击测得的典型时程曲线如图6 所示。轻型冲击机对于受试样品的有效冲击作用过程是从砧板受到冲击锤的激励作用开始，到砧板在缓冲弹簧组的作用下回复至初始位置结束，然后砧板连同安装架和受试样品一起在惯性作用下围绕初始位置进行1 个或若干个周期的缓冲运动，直至动能被缓冲弹簧组和摩擦作用消耗尽。

图6 国产美标轻型冲击机三向冲击试验典型时程曲线Fig.6 Typical curve of three-dimensional shock tests by domestic LWSM in line with the US standard:a) vertical;b) backward;c) lateral

3.4 冲击特性分析及比对

3.4.1 最大冲击加速度

国产美标轻型冲击机不同工况试验测得的最大冲击加速度均值见表2—4。根据测量结果，150 cm锤高工况下，侧向冲击时，砧板的最大冲击加速度均超过1 000g；垂向冲击时，基本都在800g以上；背向冲击时介于600g～900g。按照最大冲击加速度，4A标准安装架的冲击环境比4C 标准安装架更为严酷，120 kg 刚性负载在4A 标准安装架上的最大响应加速度分别是在4C 标准安装架上的1.51 倍（垂向冲击）、2.16倍（背向冲击）、1.41 倍（侧向冲击）。相关文献[23-25]给出了美国轻型冲击机在部分工况下负载上的最大冲击加速度，与国产美标轻型冲击机测试结果的比较见表5。

表2 国产美标轻型冲击机垂向冲击试验最大冲击加速度（均值）Tab.2 Maximum shock acceleration (average value) of vertical shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表3 国产美标轻型冲击机背向冲击试验最大冲击加速度（均值）Tab.3 Maximum shock acceleration (average value)of backward shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表4 国产美标轻型冲击机侧向冲击试验最大冲击加速度（均值）Tab.4 Maximum shock acceleration (average value) of lateral shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表5 中美轻型冲击机负载最大冲击加速度比较Tab.5 Comparison of maximum shock acceleration of LWSM between China and the US

3.4.2 最大冲击速度

国产美标轻型冲击机不同工况试验测得的最大冲击速度均值见表6—8。根据测量结果，150 cm 锤高工况下，侧向冲击时，砧板的最大冲击速度均超过4 m/s，最大可达4.7 m/s；背向冲击时，介于3～4.4 m/s；垂向冲击时，大致在3.2 m/s。综合安装架和负载上的测量结果，4A 标准安装架的冲击环境比4C 标准安装架更为严酷，120 kg 刚性负载在2 型标准安装架上的最大冲击速度均在背向冲击时最大，垂向冲击时最小。冲击机的冲击锤在运动和冲击过程中，摩擦和碰撞均要损失能量，直接影响冲击机的输出载荷。砧板的最大冲击速度与锤击速度的比值可以反映冲击机负载承受的冲击力度。国产美标轻型冲击机垂向、背向、侧向冲击时，砧板的最大冲击速度与锤击速度的比值分别为0.59、0.67、0.73，侧向冲击个别工况下可超过0.85。国产美标轻型冲击机测试结果与相关文献[23-25]给出的美国轻型冲击机负载最大冲击速度指标的比较见表9。

表6 国产美标轻型冲击机垂向冲击试验最大冲击速度（均值）Tab.6 Maximum shock velocity (average value) of vertical shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表7 国产美标轻型冲击机背向冲击试验最大冲击速度（均值）Tab.7 Maximum shock velocity (average value) of backward shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表8 国产美标轻型冲击机侧向冲击试验最大冲击速度（均值）Tab.8 Maximum shock velocity (average value) of lateral shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表9 中美轻型冲击机负载最大冲击速度比较Tab.9 Comparison of maximum shock velocity of LWSM between China and the US

3.4.3 最大冲击位移

国产美标轻型冲击机不同工况试验测得的砧板最大冲击位移统计见表10。美国轻型冲击机试验积分得到的位移峰值一般均超过1.5 ft（38 mm），极限情况下可达2.1 ft（53.3 mm），约为38 mm 限位指标的1.4 倍。根据试验测试结果，国产美标轻型冲击机在常规使用状态下（使用标准安装架时），垂向、背向、侧向冲击时，砧板最大位移分别可达到38 mm限位指标的1.15、1.14、1.28 倍。砧板单独受试时，最大位移可达到38 mm 限位的1.44 倍（侧向冲击时）。

表10 国产美标轻型冲击机三向冲击试验最大冲击位移（均值）Tab.10 Maximum shock displacement (average value) of three-dimensional shock test by domestic LWSM in line with the US standard

3.4.4 试验冲击谱

国产美标轻型冲击机砧板单独受试工况中砧板的试验冲击谱见图7，以此表征冲击机输出的最大冲击环境。国产美标轻型冲击机在使用4A 安装架、负载质量120 kg 时的试验冲击谱如图8 所示。关于美国轻型冲击机冲击谱的文献资料较少，从相关文献[24]中获取的美国轻型冲击机在使用4A 安装架、负载质量261 磅（约118 kg）时的冲击谱如图9 所示。

图7 国产美标轻型冲击机三向冲击试验砧板冲击谱Fig.7 Anvil board spectrum of three-dimensional shock tests by domestic LWSM in line with the US standard:a) vertical;b) backward;c) lateral

图8 美国轻型冲击机各向负载冲击谱（4A 安装架、负载261 磅）Fig.8 Load shock spectrum of three-dimensional shock tests by the US LWSM (4A mounting frame,load 261 lb)

图9 国产美标轻型冲击机三向冲击试验负载冲击谱（4A 安装架、负载120 kg）Fig.9 Load shock spectrum of three-dimensional shock tests by domestic LWSM in line with the US standard(4A mounting frame,load 120 kg) :a) vertical;b) backward;c) lateral

图8 和图9 所列谱线对应的工况参数虽然一致，但是两者存在一定的差异。图8 为根据试验时程测试结果转换得到的试验冲击谱，图9 为根据4 台轻型冲击机离散的谱值点拟合、平滑得到的冲击谱线。从总体上来看，图8 的试验冲击谱中，低频谱线趋势与图9 基本相符。

通过试验测试，获取了国产美标轻型冲击机典型工况下的冲击动响应数据，明确了主承力件的冲击加速度、速度、位移的量级和指标范围，可为试验设计、舰船设备抗冲击研究提供了数据支撑。基于测试结果，反映出了轻型冲击机的一些基本特性。相同负载、相同工况条件下，冲击机侧向冲击环境最为严酷，垂向冲击环境严酷度相对最低；4A 标准安装架输出的冲击环境的严酷度高于4C 标准安装架。

通过与文献中美国轻型冲击机的部分特性指标进行比较，国产美标轻型冲击机与美国同类设备基本一致，部分指标一致性较好。其中，个别负载上的测试结果低于美国轻型冲击机，主要考虑是两者试验测试用刚性负载在结构形式、安装方式上的差异所导致的，负载重心和安装连接刚度均会对冲击动响应测试结果产生影响。如美国轻型冲击机侧向冲击时261 磅（约118 kg）负载在4A、4C 安装架上测得的主频分别为194 Hz 和78 Hz，而国产美标轻型冲击机120 kg负载在相同工况下测得的主频为132 Hz 和54 Hz。

4 结语

适用于轻型冲击机试验考核的舰船设备多为整机设备或系统中的分机设备、部件和元器件，如小型电控箱、开关、接触器、继电器等，设备体量虽小，但是通用程度高，使用范围广，其抗冲击性能的优劣对于舰船关键设备和系统有着显著的影响。

中国船舶科学中心建成的国产美标轻型冲击机及其通过试验测试获取的冲击特性数据，能够为我国轻型冲击机的标准化和改进优化提供了支撑，有助于我国舰船设备冲击考核体系的不断完善，推进舰船设备抗冲击能力的提升。

对于今后国内新建的轻型冲击机，几点建议如下：

1）确保冲击机设备机架具备足够的刚度，标准安装架结构按美军标要求。

2）建成后的冲击机结合试验测试开展验收评定，冲击动响应测量工作按CB 20075—2012[26]的要求执行。

3）标准安装架/负载主要关注相同工况下多次试验测试结果的一致性，偏差一般应不超过±10%。

4）空载状态下的砧板进行锤高1.5 m 的试验结果表明，垂向冲击时，砧板的最大冲击加速度不小于800g（上限频率为1 kHz），最大冲击速度不小于3 m/s；背向冲击时，砧板的最大冲击加速度不小于800g（上限频率为1 kHz），最大冲击速度不小于4 m/s；侧向冲击时，砧板的最大冲击加速度不小于1 000g（上限频率为1 kHz），最大冲击速度不小于4 m/s。

5）砧板三向最大冲击位移不小于理论限位指标（38 mm），最大不超过限位指标的1.5 倍。