舰船抗冲击测量设备环境适应性技术研究

王明贵 张姝红 李琛

摘 要:测量设备如何在海上恶劣环境中工作,是装备建设的一大难题。本文首先对靶场试验所面临的各种气候环境和机械环境要求进行了分析;其次对测量设备抗恶劣环境存在的问题进行了研究;最后,围绕如何提高测量设备抗恶劣环境能力,对可测试性技术、智能容错技术、加固技术在设备设计中的应用进行了初步探讨。

关键词:测量设备抗恶劣环境可测试性技术加固技术

中图分类号:E992.1 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X012)05(c)-0009-02

测量设备的高可靠性是靶场试验的基本要求。应对可靠性问题,过去在测量设备研制上,采用了智能化技术,以实现设备的自检功能;采用可视化技术,以实现人机“交流”功能;采用遥控遥测技术,以实现对设备的远程控制和安全操作,使测量设备的可靠性有了较大的提高。伴随各种试验的实施和课题研究,曾取得了多项科研成果。然而,随着新技术的发展应用以及舰船抗冲击技术研究,靶场使命任务的延伸,使得测量设备的使用环境发生了变迁。相应的技术指标和要求也就更加严格。面对近距离战雷爆炸时刻的冲击、振动;海上高温、潮湿、盐雾;天气变化如风雨、冰雪、高寒;化学因素,像H2S、CO、等的影响,对测量设备的可靠性又提出了新的要求,那就是测量设备对恶劣环境的适应能力问题。测量设备抗恶劣环境技术必须深入研究。

1 测量设备的环境条件分析

标准规定,环境适应性是“装备在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下,能完成其所有预定功能、性能和不被破坏的能力,是装备的重要质量特性之一”[1]。通俗地讲,就是装备在储存、运输、训练和试验过程中可能遇到的一切外界影响因素。环境条件包括气候环境、机械环境等。靶场试验区域广,环境条件变化大,要使测量设备适应不同的使用环境,必须研究不同环境条件下设备可靠性水平的影响。

1.1 气候条件

舰船载用测量设备应能在-2～30℃水温的海水中航行。舰船载用露天构件应能承受1500N/m2的风载荷和400N/m2的冰雪载荷,能在0.8mm/min的降雨速度以内正常工作。露天甲板设备应能在-30～60℃温度范围内,承受40Kn的风速,以及日照辐射强度为1.12kw/m2以内正常工作。舱内设备一般要求在-10～45℃温度范围内以及95%相对湿度环境下正常工作。

1.2 摇摆和倾斜

面对舰船抗冲击技术研究性试验,舰船在海上航行的情形必须面对和考虑,比如摇摆和倾斜的问题。

摇摆是指舰船在最大适航情况下,不利于航向时3个方向上的最大摇动;倾斜一般指舰船在回转情况下,或在卡舵,或在浸水情况下发生的纵向或横向的最大倾角。舰载设备必须满足摇摆和倾斜界限状态下的正常工作。

对于水面舰艇,首倾或尾倾在5°以内,横倾在15°以内,纵摇在±10°以内,横摇在±45°以内,舰上设备应能正常工作。

1.3 振动和冲击

舰船上设备工作环境的振动条件,可按频率1～16Hz,振幅±1mm。频率16～60Hz,加速度不小于7m/s2的要求。上限频率视主机推进转速和螺旋桨叶片数而定。

船上设备面对非重复性的强烈冲击,如碰撞、搁浅、非接触性爆炸等情况。要求在波形设为半正弦、峰值加速度300m/s2的持续时间为40ms的条件下能有效工作。

船上设备还应耐受波浪砰击,甲板上浪等重复性低强度形成的颠震冲击而持续有效工作。波形为半正弦波、峰值加速度50m/s2的持续时间不小于40ms,重复频率10～26min-1,对电子设备的峰值加速度要求为7g。

2 存在问题分析

2.1 对测量设备环境适应性研究不够深入

长期以来,对测量设备环境适应性研究,只停留在环境试验上,重点放在设备定性试验或设备研制过程中的例行试验上,在确定试验项目、试验条件、试验等级和试验程序上没有系统研究,没有把环境适应性研究纳入设备的早期研制阶段。所以引发设备使用时屡屡出现问题,体现在环境适应性设计上的问题具体来讲有两个方面。一方面是从材料、元器件、结构件、外购设备或装备和结构设计上有先天性缺陷,形成了抗恶劣环境能力差。另一方面,是整体技术设计上未把可维性和可测性甚至可控性纳入整体设计中去,只是把环境试验作为一些极端情况或特殊环境的考核,而没有把研制设备全寿命期预计可能遇到的各种环境,如使用者作为研究对象,致使操作人员对设备管控能力差,一旦出现问题,只得依赖于研制者。

2.2 试验问题

测量设备的技术性能和可靠性、维修性是在试验-分析-改进的循环过程中逐步完善的,这个循环中试验是暴露设计缺陷的关键手段。试验越是接近真实的使用环境,就越能有效地激发出设备存在的固有缺陷,有目的地加以改进。自研设备和改造设备充分证实了这一点。而上述循环过程是以试验的客观实践作为“反馈”的依据,是行之有效的方法,但有较大的局限性。因此,隐含着几个问题,第一,试验是特定的条件下进行的,特定的条件就不是普遍的,因而试验的结论就有其局限性。第二,经验作为初步设计依据,而没有上升到理论阶段上来,是没有逻辑的,更不是以数学定量表示的,因而比较粗糙。第三,试验才能获得结果,试验则要花时、花力、花物、耗财,因而不是完好的办法。第四,有些设备研制,如动态爆炸测量设备,是事先无法获取最初的经验,并且不允许做试验。这些客观上造成了环境试验的具体强度和量值确定的不准确,会导致过设计/过试验或欠设计/欠试验。

3 抗恶劣环境设计技术研究

在靶场现代化建设日益发展的今天,仅仅靠传统的被动的设备设计思想,已远远不能满足现代设备的要求。为了保证设备在恶劣环境下,安全、可靠地运行,必须采用与之相适应的主动设计模式,以提高和改善测量设备的抗恶劣环境能力。

3.1 可测试性技术设计

可测试性技术设计是指在复杂电路设计过程中使电路便于中间测试和终测的一种设计技术。20世纪70年代有人就提出了各种各样的可测试性设计技术和方法,其中影响较大的有,基于R-M展开式的组合可测试性设计;插入控制逻辑设计;划分测试区,增设测试点,制定有利于电路测试的设计原则;“计1”数测试;结构可测试性设计。其技术要点是把设计者在设备研制中使用的关键技术和设备发生故障的关键问题,通过可测试性设计呈现出来,交给用户,使得用户能像设计者那样去操控设备。

可测试性设计技术的应用迎合了靶场的实际需要,解决了发生故障时测试难的问题。主要有两个方面,第一,当你不是设备研制者或通过技术说明书无法深入了解设备而对设备故障无法探测或无法深入进行测试时,通过可测试设计技术及技术说明,即可按部就班进行,而面对靶场实际,技术人员时常换岗换位,工作变动、干部转业、新来学员补位等客观情况往往是对设备管理时间不会过长。要求较短时间内对设备技术、使用等有所掌握。可测试性技术设计提供了行之有效的技术途径。第二,设备实际测试时,一方面因设备本身结构设计,一些测试点不易测试;另一方面,哪些关键点设在易测位置,通过可测试性设计技术设计在易测之处。解决了测试难的问题,实现了操作人员对测量设备的技术管控。

3.2 智能容错技术设计

智能容错技术是20世纪80年代发展起来的一种可靠性技术,靶场测量设备要提高抗恶劣环境的能力,具有高可靠性,必须应用智能容错技术设计,比如,静态冗余技术、动态冗余技术等。

3.2.1 静态冗余技术

静态冗余技术与故障检测功能相反,对故障或错误的出现不做警告处理,容许错误存在,而保持系统正常工作。例如爆炸测量中采用双零时便于触发,就是静态冗余技术的具体例子。当1路零时,因某种原因无法工作时,另一路零时只要可靠工作,就不影响系统工作。借鉴这种思想将冗余技术应用于靶场测量设备设计中,当设备因某板块或某一通道无法工作时,而在不影响整体系统的运行情况下,将故障屏蔽起来,将极大地提高工作效率。

3.2.2 动态冗余技术

动态冗余是在静态冗余电路的基础上根据系统在运行过程中发生的故障随时改变系统结构的冗余技术。它是静态冗余、联机、故障检测及重配置某几项技术的结合。它在静态冗余电路工作的同时,对系统做检测,并测得故障模块,自动切换或将系统降级使用。因此,该技术有很强的实时性和容错功能,具有真正意义的智能容错功能。比如我们面临的多路采集系统,当检测到某路出现问题时,可进行自动切换或减路工作,避免系统停机。

总之通过智能容错技术设计,其实质在于保证设备安全高效运行;预测设备的运行状态,使用寿命、故障的发生和发展,设备发生故障时或发生故障前能及时对故障进行补偿,抑制、消除和自动修复,减少维修费用,提高设备利用率。

3.3 加固设计

加固技术是使设备适应恶劣环境或使用安全而采取的防护技术措施,主要包括振动、抗冲击、热设计、电磁兼容设计、抗核爆炸技术及三防(防潮湿、防沙尘、防盐雾和霉菌)技术和防信息泄漏技术等。

常用的加固方法有先天加固和后天加固,先天加固又称内加固,指按照加固要求进行元器件选择、电源电路板及机箱设计,从而使加固后的产品能满足恶劣环境要求,该方法的优点是加固性能好,适应于最恶劣的环境,缺点是价格昂贵,技术工艺复杂,对电路元器件的要求高,研制周期长。

后天加固又称为外加固,是利用优选的民用产品,采用重新设计机箱以及某些能达到温度、潮湿、冲击振动要求的措施,从而满足初级加固环境要求,其方法的优点是成本低、研制周期短,缺点是不能用于较恶劣的环境。

结合试验中常出现的问题及预计可能面临的问题,在设备设计时,必须采用内加固技术,使机体、乃至箱体结构等满足恶劣环境的要求。

4 结语

随着高新技术的应用,测量设备的功能越来越强,系统精度也大幅提高,随之带来的测量设备的复杂性明显提高,对环境的敏感性越来越强,受环境制约的矛盾更加突出。所以,测量设备抗恶劣环境技术研究非常必要。本文只是针对靶场实际,以解决试验中可能或预计出现的问题出发,对能提高测量设备抗恶劣环境的能力相关技术进行了初步探讨,对测量设备建具有一定的指导作用。

参考文献

[1] 装备环境工程通用要求[S].GJB4239-2001.

[2] 王仲先.智能容错技术及应用[M].国防工业出版社.