舰船设备振动试验标准分析

王勋龙 聂建立 洪晓莉 杨博

摘要：论文分析列举了国内外海军舰船设备振动试验标准，阐述了各标准的适用性和有效性，探讨了现阶段我国在舰船设备振动试验方面存在的几个关键问题，从振动试验内容、振动类型、振动频率范围和危险频率等方面对各标准进行了对比分析。最后从振动试验的目的出发，提出了在选用舰船设备振动试验方法时的几点建议。

关键词：舰船设备 主体区 标准方法 对比分析

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系列標准是我国舰船设备振动试验的主要参照和引用标准，但如何对相关标准进行正确的理解和应用，保证舰船设备环境的适应性和试验的有效性是设计、生产、验收过程中需要面临的重要问题。为此，对GJB和MIL中有关舰船设备振动标准有必要做详细的介绍和论述。

1 舰船设备振动试验标准现状

舰船作为一个漂浮在海上的全自由弹性体，其机械物理环境复杂多变。舰船振动环境以累积的形式和周期性影响作用于船体与设备，使其产生疲劳破坏，影响舰船在恶劣环境下的生命力与战斗力。为了保证舰船设备在其寿命周期内安全可靠，在验收前舰船设备均需通过振动试验的考核。而振动环境的选取是检测试验的关键研究对象。舰船设备的环境振动参数由实船测试结果确定，如无实测数据，则一般采用相应舰船设备振动试验标准进行考核。

目前，国内使用的舰船设备标准有GJB 4.7—83《舰船电子设备环境试验 振动试验》[1]，GJB 150.16—86《军用设备环境试验方法 振动试验》[2]，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》 [3]。国外使用的舰船设备标准主要有MIL-STD-167-1974《舰船设备的机械振动》，MIL-STD-167-1A-2005《舰船设备的机械振动》[4]，MIL-STD-810F[5]中514.5振动，MIL-STD-810G[6]中528舰船设备机械振动，从标准内容上来看，MIL-STD-810G是对MIL-STD-167-1A-2005的应用与补充，而MIL-STD-810F作为GJB 150.16A—2009的修订依据，其关于舰船振动标准内容与GJB 150.16A—2009类似，但不完全相同。此外，国际上常用的舰船设备振动标准或涉及相关内容的标准还有：日本防卫厅在舰船设备振动方面的专用标准NDSF8017《舰船电气设备振动试验方法》，英国国防部DefStan02-109《水面舰船稳性标准》系列标准中有关舰船设备振动的部分，俄罗斯ГОСТ20.57-406-89《质量检验综合系统、电子技术产品、量子电子产品和电气产品试验方法》和ГОСТ16962.1/16962.2《电气产品对外界气候作用/机械作用因素性试验方法》涉及舰船设备振动的通用要求内容，从以上这些国家舰船设备振动标准的内容和要求来看，或多或少都参考了美国MIL军用标准[7]。因此，本文只对GJB和MIL中有关舰船设备的振动标准进行分析。

2 各标准条件列举

国内舰船设备检测标准与国外相应领域检测标准之间的关系，本文不再赘述。下面重点针对GJB 4.7—83、GJB 150.16A—2009、MIL-STD-810F中514.5振动和MIL-STD-810G中528标准方法，对舰船设备主体区振动环境进行对比。

2.1 GJB 4.7—83

GJB 4.7—83已应用了近30年，该标准主要包含三个试验项目：共振检查试验、稳定性试验、耐久振动试验，其中共振检查试验与稳定性试验扫描方式为线性扫描。具体试验条件见图1～图2。

2.2 GJB 150.16A—2009

该标准规定了舰船设备振动环境由随机振动与正弦振动环境组成。在没有实测数据时，可根据标准试验要求进行试验，随机振动部分目标谱见图3，每个轴向持续时间为2h。

正弦振动分为功能振动与耐久振动，功能试验量级可按图4进行;对于耐久振动试验，应在危险频率，若没有危险频率，则在上限频率上，每个轴向试验时间至少2h。

2.3 MIL-STD-810F中514.5

MIL-STD-810F中514.5随机振动试验量级与GJB 150.16A—2009規定的内容相同，每个轴向振动持续时间2h，正弦部分的要求参考MIL-STD-167的Ⅰ类，具体条件见表1，量级包络每个频率的最高值。

2.4 MIL-STD-810G中528

MIL-STD-810G于2008年发布，该标准涉及两种类型的振动试验：Ⅰ类环境振动和Ⅱ类内部激励振动。对于舰船主体区的设备Ⅰ类振动环境，试验内容分为探查振动试验、变频振动试验与耐久振动试验。试验条件见表2和表3。

3 各标准条件对比分析

结合各舰船设备振动试验标准内容，从振动试验内容、振动类型、频率范围和危险频率四个方面对各标准进行对比分析，如表4所示。

3.1 振动试验内容

对于正弦振动环境，相比GJB 4.7—83中的“共振检查”，MIL-STD-167-1A-2005与MIL-STD-810G中“探查振动试验”的提法更为全面，它包含共振检查和设备功能或结构完整性受影响的非响应极值频率的探查。同样，在GJB 4.7—83中强调了“稳定性试验”试验时检查试验件是否正常工作，但因“稳定性试验”的振幅比“共振检查”的振幅大，在“共振检查”中未暴露的响应极值和对功能或结构要求有影响或破坏的频率就可能会在“稳定性试验”中表现出来，这在GJB 4.7—83中未明确表述，而MIL-STD-167-1A-2005与MIL-STD-810G中“变频试验”则予以了充分考虑，即把“变频试验”暴露的响应极值和对功能或结构要求有影响或破坏的频率也包含进耐久振动试验中[8]。GJB 4.7—83中的耐久振动试验只规定了每个轴向最多选两个共振点，而MIL-STD-167-1A因规定的耐久试验频率数可大于两个，并对相应数量下每一个耐久振动试验频率处需要振动的时间进行了明确的规定。

GJB 150A.16—2009中正弦振动包括功能振动试验与耐久振动试验，功能振动试验目的是检查舰船设备在运行过程中的功能运行情况与危险频率，但是关于耐久振动试验中危险频率与振动时间的描述都比较模糊。

因此，舰船设备振动试验采用MIL-STD-167-1A-2005和MIL-STD-810G中将正弦部分分为探查振动试验、变频振动试验和耐久振动试验三个试验内容更为合理。

3.2 振动类型

GJB 4.8—83，MIL-STD-167-1A-2005，MIL-STD-810G中关于舰船设备振动标准的规定比较清晰，只有正弦振动试验条件。而目前国内舰船设备应用较广的GJB 150.16A—2009、MIL-STD-810F中提出舰船设备振动环境由随机部分与正弦部分组成，但是没有明确说明随机部分和正弦部分是单独试验还是叠加试验。根据原文含义，大部分试验检测机构和装备研制生产单位选择单独完成随机部分和正弦部分的试验。这种方法可以接受，但是也存在几个缺点：（1）加长试验时间，随机振动环境每个轴向多2h，三个方向6h，舰船电子装备系统组成常多达十多台设备分机，一个振动试验仅随机部分就多需要近100h。目前，各单位装备研制生产任务量都很大，交付节点紧，给任务安排带来较大的压力。（2）从实际平台适用角度出发，随机振动和正弦振动这两种激励往往同时存在，单独进行试验，并不能完全模拟实际工作环境[9-10]。

因此，在设备系统允许的情况下，综合考虑试验时间、振动环境的准确性，采用随机+正弦的混合振动模式施加振动环境最优。

3.3 振动频率范围

GJB 150.16A—2009中正弦振动频率范围为1～60Hz，在新版的MIL-STD-167-1A-2005与MIL-STD-810G中“舰船设备的机械振动 Ⅰ类环境振动”中环境振动频率范围从原来的4～50Hz改成了4～33Hz（特定舰船设备按最高螺旋桨转速确定）。我国的护卫舰、核潜艇实际上限频率在25Hz左右，护卫舰及常规潜艇实际上限频率在30～35Hz[10]。因 此，相比GJB 150A.16—2009，MIL-STD-810G中规定的频率范围更加合理。

对于舰船设备正弦振动环境中有关上限频率的计算公式，GJB 4.7中规定上限频率=螺旋桨转速×桨叶片数/60;MIL-STD-167-1A-2005和MIL-STD-810G中，将上限频率乘了一个安全系数1.15，即上限频率=1.15×螺旋桨转速×桨叶片数/60。国内不少设计人员或生产厂家在制订试验大纲时往往只照搬标准上的试验参数，没有基于实际情况对标准进行剪裁。采用GJB 150A.16—2009的正弦振动条件，因为超出了舰船实际上限频率，可能会得到不符合实际环境的危险频率。另外，由于超出实际的上限频率，对一些较高、较大设备的夹具提出了过高的刚性要求。

因此，国内舰船设备进行振动试验，在没有确定设备安装在某一特定舰船上时，建议采用4～33Hz作为正弦振动的频率范围。

3.4 危险频率

舰船设备的耐久振动试验应在危险频率上进行，GJB 4.7—83中规定耐久振动最多选取2个频率点，GJB 150.16A—2009对耐久振动的频率点数没有明确规定。并且上述标准对危险频率的定义都比较模糊，依据标准操作容易出现错误。

MIL-STD-167-1A-2005和MIL-STD-810G对舰船设备危险频率有明确的定义，规定了危险频率数和相应的耐久振动试验时间，并对耐久试验中危险频率的选取步骤有详细的说明，分为确定传递函数，识别危险频率，确定耐久振动试验频率列表三步进行。对现场试验人员具有较好的指导性。

MIL-STD-810G中规定，响应极值点处传递函数值大于1.5可以基本认定该频率点处为共振频率点，该频率作为产品危险频率列入耐久振动试验列表。但是，对于响应极值点处传递函数值小于1.5的频率点，还需要根据实际情况判断，比如判断测量点是否安装在最大响应位置、测量点是否安装在振动节点处和输入激励值太小，共振现象没有被完全激发等，此时要通过进一步的测试才能判断该频率是否为共振频率。

对于列入耐久振动试验列表的非响应极值频率，主要是依据客户产品功能性的合格判据，确定振动频率范围内产品出现工作性能和结构完整性方面的故障问题。这需要产品设计方与环境工程师共同确定该类型危险频率。

因此，建议依照MIL-STD-167-1A-2005与MIL-STD-810G标准方法中的定义确定危险频率，进行耐久振动试验。

4 建议采用的振动试验方法和测试程序

结合上文的对比分析，从试验目的与试验考核环境出发，建议舰船设备振动试验分为探查振动试验、变频振动试验、耐久振动试验。其中，探查振动与变频振动采用正弦振动类型，耐久振动试验采用随机+正弦振动类型，具体条件见表5～表7。

4.1 探查振动试验

探查振动目的是为了发现舰船设备的危险频率，将振动过程中发现的危险频率计入耐久振动试验频率列表。

4.2 变频振动试验

变频振动试验目的是为了进一步发现产品的危险频率，弥补探查振动小量级振幅下危险频率不能被完全激发的缺点。将振动过程中发现的危险频率计入耐久振动试验频率列表。

4.3 耐久振动试验

耐久振动试验选择随机+正弦的混合振动模式进行试验，随机部分采用GJB 150.16A—2009中的平直谱，正弦部分频率选择基于探查振动试验与变频振动试验所得到的危险频率列表，幅值选择基于该频率下变频振动条件中所对应的幅值。不管危险频率数为几个，最终耐久振动试验时间总时间为每轴向2h。

4.4 测试程序

建议舰船设备振动试验程序为：

（1）初始检查，对试验样品进行外观检查、电性能和机械性能检查。

（2）明确试验样品振动的三个轴向。

（3）每轴向试验顺序按照：1）探查振动试验，根据表5中试验条件进行，寻找出设备危险频率并记录;2）变频振动试验，按表6中试验条件进行，进一步寻找出设备危险频率并记录，危险频率的判断可通过分析响应极值点处传递函数值大小进行; 3）耐久振动试验，将传递函数响应极值点，振动条件上、下限频率点与舰船设备功能异常频率点计入耐久振动试验频率列表，从该表中选择危险频率作为最终耐久振动试验频率施加点，根据设备危险频率点数按表7中条件进行。

（4）最后检测，试验结束后对试验样品进行外观检查、电性能和机械性能检查。

5 结语

以上内容主要是结合实际工作，对目前国内外舰船设备振动试验标准提出的几点思考，并试着提出自己认为合理的解决方法。总体来说，目前国内舰船设备检测标准主要基于美国现行标准修订。因此，国内环境工程师在使用现行标准的过程中，要结合实际情况，在对舰船设备使用环境清楚的情况下，要重视试验的剪裁[12]，剪裁的正确使用能够为舰船设备的研究节省大量的人力、财力。欢迎各位同行对相关问题进一步探讨、研究，推进我国舰船设备检测标准的进步与创新。

参考文献

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