祝耀昌，石鵬頡，程叢高，張建軍，徐 俊

（1. 中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2. 西安西測電子技術(shù)服務(wù)有限公司，西安 710119）

軍用飛機機載設(shè)備振動試驗要求和有關(guān)問題的討論（三）：GJB 150.16和GJB 150.16A在飛機研制中的應(yīng)用情況分析

祝耀昌1，石鵬頡2，程叢高1，張建軍1，徐 俊1

（1. 中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2. 西安西測電子技術(shù)服務(wù)有限公司，西安 710119）

文章分為3部分：第1部分簡單介紹振動類型、振動引起的失效模式和應(yīng)用，特別是列表詳細介紹了GJB 150.16和GJB 150.16A中規(guī)定或推薦的軍用噴氣式飛機和螺旋槳飛機設(shè)備及其外掛和外掛上的設(shè)備的振動試驗要求、特點和兩標準中相關(guān)內(nèi)容的對比分析；第2部分則詳細介紹了兩標準中規(guī)定或推薦的軍用直升機和各類飛機發(fā)動機設(shè)備的振動試驗要求、特點以及相關(guān)內(nèi)容的對比分析；第3部分介紹和分析了航空裝備研制生產(chǎn)中這2個標準的應(yīng)用情況和遇到的問題，對一些重大問題進行了分析概括并提出了一些看法和建議。

此為第3部分。

振動試驗；振動功能試驗；振動耐久試驗；標準

0 引言

文章的前兩部分介紹了 GJB 150.16和 GJB 150.16A中規(guī)定或推薦的各類機載設(shè)備振動試驗的要求、特點和兩標準中相關(guān)內(nèi)容的對比分析。目前，兩標準在應(yīng)用中都存在一些問題，也出現(xiàn)了各種相應(yīng)處理方法，本部分將對此進行介紹和分析。

1 GJB 150.16應(yīng)用中的常見問題和解決辦法

GJB 150.16自1986年頒布以來，在型號研制試驗中得到了廣泛的應(yīng)用，對提高軍用裝備的環(huán)境適應(yīng)性發(fā)揮了重大作用，也遇到了一些問題。其中較為突出的問題之一是振動耐久試驗時間難以按標準全面實施。

1.1標準在振動耐久試驗中執(zhí)行情況

1）振動耐久試驗量值和時間的確定方法

GJB 150.16對各類設(shè)備均規(guī)定了振動耐久試驗量值和時間的確定方法。例如，對于噴氣式飛機機載設(shè)備來說，規(guī)定振動耐久試驗量值為振動功能試驗量值的1.6倍，振動耐久試驗的時間按飛機壽命折算，即每飛行500h，則3個軸向每軸向進行2.5h振動試驗。如果每軸向都進行了2.5h的耐久試驗而未發(fā)生損壞，則認為該設(shè)備可裝機飛行500h而不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞且功能完好；如果每軸向都進行了5h的耐久試驗而未發(fā)生損壞，則認為該設(shè)備可裝機飛行 1000h而不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞且功能完好；以此類推。顯然，GJB 150.16確定耐久試驗時間的方法很簡單，可操作性強。

2）存在的問題

眾所周知，軍用飛機的壽命通常用實際飛行時間或日歷年限來表示。例如某飛機的壽命為 5000飛行小時或30年。這一壽命指標的含意是：只要飛機飛行小時累計達到5000h，就認為到壽命；如果飛機交付后已達到30年，但飛行時間還沒有達到5000h，也認為已經(jīng)到壽命。GJB 150.16中振動耐久試驗的持續(xù)時間應(yīng)按這一指標進行折算，即對應(yīng)于5000飛行小時，機載設(shè)備若按1.6倍振動功能試驗的量值，每軸向應(yīng)進行 25h的振動耐久試驗，3個軸向共需進行75h的試驗。這一要求似乎過于嚴酷［3］。

3）解決辦法

由于大部分設(shè)備都很難通過如此嚴酷的振動耐久試驗，所以實際操作中出現(xiàn)了按飛機首次翻修期時間或規(guī)定一個比壽命期時間短得多的時間來折算耐久試驗時間的處理方法。這類解決方法至少不影響飛機定型工作的進行，把問題推遲到首翻期或某一規(guī)定時間后再去解決。由于在和平時期交付的飛機列裝飛行時間很難達到首翻期的飛行小時，所以上述處理方法尚未發(fā)現(xiàn)問題，但問題并沒有得到真正的解決。

1.2振動耐久試驗與耐久性試驗的概念相混淆

耐久性試驗實際上是一種壽命試驗，其壽命的單位是時間（h）或動作（次數(shù)）等。壽命試驗通常應(yīng)在模擬使用的環(huán)境和載荷條件下進行，或者通過加大環(huán)境應(yīng)力和載荷應(yīng)力的辦法加速進行，其最終結(jié)果是確定受試產(chǎn)品的壽命是否滿足規(guī)定的要求。當(dāng)壽命指標很高，難以充分驗證的情況下，對于機載產(chǎn)品來說，常常按其首翻期的1.5倍進行驗證。

振動耐久試驗的目標不是驗證產(chǎn)品的壽命指標，只是要通過加速試驗來確保受試產(chǎn)品裝載在平臺（如飛機）上后，在平臺的壽命期內(nèi)產(chǎn)品不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞且能正常工作。一個產(chǎn)品通過了振動耐久試驗，只是表明該產(chǎn)品在其裝載的平臺的某一段壽命期內(nèi)不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞且功能完好，不代表產(chǎn)品的壽命就是平臺的壽命，該試驗也不關(guān)注產(chǎn)品本身的壽命，因為要確定其壽命或許需要更長的時間。

此外，產(chǎn)品的壽命也不僅僅取決于振動引起的累積疲勞，還取決于產(chǎn)品熱疲勞、材料老化、腐蝕等現(xiàn)象的氣候環(huán)境因素。因此，壽命指標中還有一個日歷期限，這意味著即使產(chǎn)品很少使用，由振動造成的累積疲勞很小，也會因其他因素的作用產(chǎn)生損壞。因此，直接把振動耐久試驗對應(yīng)的平臺壽命時間看作產(chǎn)品的壽命是不夠準確的。

1.3振動功能試驗和振動耐久試驗的實施次序不規(guī)范

1）GJB 150.16中的規(guī)定

GJB 150.16中明確規(guī)定，先進行0.5h的振動功能試驗，而后進行振動耐久試驗，振動耐久試驗完成后再進行余下0.5h的振動功能試驗，做完一個軸向再依次做第二個軸向、第三個軸向。這一試驗順序的設(shè)計目的和優(yōu)勢是：①在進行高量值振動試驗時造成的產(chǎn)品內(nèi)部損傷，更容易在低量值振動作用下被發(fā)現(xiàn)，這類似于高加速壽命試驗中的撓癢癢（ticle）振動；②只需每軸向裝拆試件1次，可減少裝拆的次數(shù)。

2）實施情況

目前型號實踐中有相當(dāng)部分的試驗單位是先進行完3個軸向的振動功能試驗后，再進行3個軸向的振動耐久試驗。這是不符合GJB 150.16規(guī)定的。

3）原因分析

振動耐久試驗具有破壞性，因此許多單位將其放在最后進行，希望用一個試驗樣本多做一些試驗項目，有的單位甚至將其放到可靠性試驗完成后才進行。然而，這樣做就不可能發(fā)揮按標準中規(guī)定的次序進行試驗的優(yōu)勢，但在試驗樣本短缺的情況下也不失為一種處理辦法。需要指出的是，如果最后產(chǎn)品未能通過振動耐久試驗，必然要改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，導(dǎo)致其技術(shù)狀態(tài)改變，那么已進行試驗的結(jié)果是否仍然有效就需要重新評價，可能面臨重新進行試驗的風(fēng)險。

1.4振動功能試驗的中間檢測不充分或被忽略

1）中間檢測的目的

環(huán)境試驗中的中間檢測是指在環(huán)境應(yīng)力作用下同時進行功能檢查和性能測量。這種檢測的結(jié)果真正代表了實際使用應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性。若不進行中間檢測或檢測項目不完整，一些在施加應(yīng)力的情況下才能顯現(xiàn)的故障就會被漏掉。

此外，進行中間檢測時一旦發(fā)現(xiàn)有故障就可立刻停止試驗，進行故障歸零工作，從而免除繼續(xù)進行試驗的資源浪費。

2）實施情況

實際進行振動試驗時，一些受試產(chǎn)品安裝在振動臺上并處于振動狀態(tài)，難以施加非電載荷和輸入必要的信息，從而使功能檢查和性能測量受到限制，特別是在一些機電、液壓設(shè)備的振動試驗中這種情況比較多見。因此，許多單位往往以不便檢測為由大大減少功能檢查和性能測量的項目，甚至完全排除性能測量的項目，僅檢查一下產(chǎn)品是否有功能。然而，這些做法極有可能漏掉一些在應(yīng)力作用狀態(tài)下才能被發(fā)現(xiàn)的故障，影響試驗效果。

3）建議

在振動狀態(tài)下，對某些產(chǎn)品的功能、性能進行全面檢測確實難以實現(xiàn)，但不能因此就不檢測。產(chǎn)品送試單位應(yīng)提高對中間檢測重要性的認識，盡量創(chuàng)造條件，包括設(shè)計必要的輔助裝置和檢測方法、畫面顯示，實現(xiàn)必要的載荷施加和信息傳遞，以最大限度地實現(xiàn)功能、性能的檢測。

2 GJB 150.16A應(yīng)用中遇到的問題

2.1GJB 150.16A的有關(guān)規(guī)定

1）振動功能試驗量值

GJB 150.16A中明確提出優(yōu)先采用實測數(shù)據(jù)來確定振動功能試驗量值，在沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，推薦使用其附錄C的有關(guān)表和圖中給出的計算方法進行計算，或由給出的數(shù)據(jù)和振動譜中直接選取。

2）振動耐久試驗

GJB 150.16A中推薦，用簡化的疲勞關(guān)系將不同任務(wù)階段的各振動量值和時間折算成最大使用量級（功能試驗量級）的時間，這一時間與振動疲勞壽命時間等效，將其作為振動功能試驗和振動耐久試驗組合在一起進行振動試驗的時間。如果折算出的試驗時間太長，工程上不可行，可另確定一個盡可能長的試驗持續(xù)時間，并利用疲勞關(guān)系式確定一個更嚴酷的試驗量級。這種方法盡管不能完全消除非線性的影響，但至少能將試驗量級限制在更為現(xiàn)實的最大量級上。

2.2GJB 150.16A與GJB 150.16的區(qū)別

1）振動功能試驗量值

有關(guān)振動功能試驗譜型和量值，GJB 150.16在正文中用表格和圖給出頻率、量值計算方法或確定的值和譜型；GJB 150.16A作為一個剪裁標準，強調(diào)優(yōu)先使用實測數(shù)據(jù)，將這方面內(nèi)容移入其附錄C中，且僅為推薦使用。兩標準有關(guān)這方面的內(nèi)容大體相似，只在個別地方有一些變化。

2）振動耐久試驗量值

GJB 150.16明確振動耐久試驗相對于振動功能試驗的振動量值放大倍數(shù)，以及振動耐久試驗的時間相對于飛行時間的折算方法。而GJB 150.16A是要按照疲勞關(guān)系式將使用壽命中各振動量值和相應(yīng)持續(xù)時間折算到最高或某一使用量級對應(yīng)的時間。之所以不再使用GJB 150.16的方法是因為，GJB 150.16中提高振動功能試驗量級的方法忽略了裝備特性、連接處摩擦和熱效應(yīng)等非線性影響，而 GJB 150.16A希望盡量不要讓振動功能試驗量級超過實際最大使用量級?？梢姡珿JB 150.16A并不排除GJB 150.16的方法，但只在萬不得已的情況下使用。

2.3GJB 150.16A應(yīng)用情況

目前航空裝備研制生產(chǎn)過程中，本著老產(chǎn)品用老標準，新產(chǎn)品用新標準的標準實施基本原則，正在新研型號中積極貫徹實施GJB 150.16A，但實施情況還不夠理想，存在兩大問題：

1）既缺少振動環(huán)境實測數(shù)據(jù)，同時又不能按GJB 150.16A的要求使用實測數(shù)據(jù)。我國飛機振動環(huán)境實測工作開展得較晚，積累的數(shù)據(jù)不足或不夠完整，難于完全使用實測數(shù)據(jù)來歸納確定振動功能試驗量值。因此，實際工程中基本上都是直接利用GJB 150.16A附錄 C中的表和圖所提供的計算方法、量值和譜型來確定振動功能試驗條件。

2）振動耐久試驗難以按GJB 150.16A規(guī)定執(zhí)行。GJB 150.16A要求將壽命期各階段的振動量值和相應(yīng)的時間，利用其附錄B中的2個疲勞關(guān)系公式折算到其使用最大振動量值下的持續(xù)時間：

式中：W1為環(huán)境暴露1的加速度譜密度，g2/Hz；W2為環(huán)境暴露2的加速度譜密度，g2/Hz；T1為環(huán)境暴露1的持續(xù)時間，h；T2為環(huán)境暴露2的持續(xù)時間，h；g1為環(huán)境暴露1的正弦加速度峰值，g；g2為環(huán)境暴露2的正弦加速度峰值，g。

然而，這一工作需要通過分析產(chǎn)品壽命期環(huán)境剖面，特別是飛機任務(wù)剖面，根據(jù)各任務(wù)剖面中的飛機飛行速度和高度等參數(shù)計算出振動量值，再將各振動量值和歷經(jīng)時間折算成該任務(wù)剖面的最高振動量值所對應(yīng)的時間，并根據(jù)飛機壽命（飛行小時）和各任務(wù)剖面時間比例確定每一任務(wù)剖面的最高振動量值及其持續(xù)時間，最后將各任務(wù)剖面的最高振動量值和相應(yīng)的持續(xù)時間折算到這些任務(wù)剖面中最高振動量值和相應(yīng)持續(xù)時間。可見這一過程是十分復(fù)雜的，應(yīng)由總師單位來進行。

中國航空綜合技術(shù)研究所曾經(jīng)對某飛機的振動按此方法進行了計算歸納，得到的結(jié)果是：對于5000飛行小時壽命，振動試驗量值為0.048g2/Hz時，每軸向振動持續(xù)時間應(yīng)為59.2h，3個方向共需進行約178 h的振動試驗［3］。這么長的試驗持續(xù)時間在工程上顯然是不切實際的。

因此，目前航空裝備型號研制總要求和成品技術(shù)協(xié)議書中還未見到真正使用 GJB 150.16A規(guī)定的方法確定振動試驗要求。有些型號總師單位仍然執(zhí)行GJB 150.16，按飛機首翻期或規(guī)定一個時間折算耐久試驗時間；有些單位采用GJB 150.16A推薦的量值和譜型作為功能試驗量值，而耐久試驗量值按GJB 150.16的規(guī)定執(zhí)行，并按飛機首翻期或規(guī)定一個時間折算耐久試驗時間；還有些單位用提高對振動功能試驗量值放大倍數(shù)（例如放大倍數(shù)達到2倍）的方法來縮短振動耐久試驗的持續(xù)時間等。

3 問題及處理方式歸納

1）我國飛機振動環(huán)境實測開展得較晚，積累的數(shù)據(jù)不多，因此絕大部分新型號的研制尚不能按GJB 150.16A的要求使用實測數(shù)據(jù)確定振動量值和譜型，只能使用其附錄C的表格c.2中所提供的振動量值計算方法進行計算，以及由表、圖中給出的值確定振動功能試驗量值。

2）GJB 150.16A要求將裝備壽命中各種任務(wù)剖面的各個任務(wù)段振動量值計算出來，并進一步將所有振動經(jīng)歷的時間按疲勞關(guān)系公式折算到最高振動量值對應(yīng)的時間，最終將此振動量值和折算得到的總時間作為耐久試驗的時間。這一做法原理是準確的，但操作比較復(fù)雜，目前尚未被型號總師單位采用，因此實際工程中振動耐久試驗量值和時間的確定多半是先按 GJB 150.16A推薦的方法確定振動功能試驗量值，再按GJB 150.16所規(guī)定的方法確定振動耐久試驗時間。

3）按照GJB 150.16A的要求確定出的振動耐久試驗時間超長，使得在工程實施上不切實際。要想縮短試驗時間仍要用疲勞關(guān)系式折算到更高的量值，無法消除非線性影響。GJB 150.16中根據(jù)飛機壽命時間確定耐久試驗時間的方法是比較簡單可行的，鑒于目前情況仍不得不繼續(xù)沿用這一方法。本文的前2部分以表格的形式詳細列出了各類飛機、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、外掛和外掛上設(shè)備的耐久試驗量值和耐久試驗時間確定方法，以利于對比和方便地利用。

4）GJB 150.16給出了振動耐久試驗量值相對于振動功能試驗量值的倍數(shù)和等效于某裝機飛行小時疲勞損壞所需的耐久試驗時間。不同裝備的確定方法是有差別的，具體如表1所示。

表1　GJB 150.16規(guī)定的耐久試驗量值和時間確定方法Table 1 Method for determining the magnitude and the time of endurance testing specified in GJB 150.16

5）GJB 150.16A中明確規(guī)定若直升機設(shè)備的振動功能試驗量值是按其附錄 C的表 c.4和表c.4.1，圖c.10和圖c.11推薦的方法確定，則按此量值每軸向振動4h，總試驗時間12h，就相當(dāng)于 2500h的使用壽命。有了這一規(guī)定，不必再去確定振動耐久試驗的量值和時間。

（References）

［1］ 軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法 振動試驗:GJB 150.16—1986［S］

［2］ 軍用裝備實驗室環(huán)境方法 第16部分:振動試驗:GJB 150.16A— 2009［S］

［3］ 徐明. 確定振動耐久試驗量值和持續(xù)時間方法的討論［C］//2001年中國航空學(xué)會環(huán)境工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會文集. 北京， 2001-08-01:122-136

（編輯：張艷艷）

The vibration testing requirements and related problems for military aircraft equipment （III）:Application analysis of GJB 150.16 and GJB 150.16A in airplane development

ZHU Yaochang1， SHI Pengjie2， CHENG Conggao1， ZHANG Jianjun1， XU Jun1
（1. China Aero-polytechnology Establishment， Beijing 100028， China；2. Xi’an XiCe Electronic Technology Service Co. Ltd.， Xi’an 710119， China）

The paper is divided into three parts. The first part introduces the vibration types， the failure modes caused by the vibration and applications， with emphasis on the vibration testing requirements and the characteristics of equipment and stores in military jet and propeller aircraft in detail， recommended in GJB 150.16 and GJB 150.16A， and the related contents in GJB 150.16/16A are compared and analyzed. The second part introduces the vibration testing requirements and characteristics of military helicopter and kinds of engine equipment in detail， recommended in GJB 150.16 and GJB 150.16A， and the related contents in GJB 150.16/16A are compared and analyzed. At last， the applications of the two standards in the aviation equipment development and production are introduced and analyzed in the third part， and some suggestions are made.

This is the third part.

vibration testing； vibration function testing； vibration durable testing； standard

V216.2+1

A

1673-1379（2016）04-0359-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.004

2016-01-06；

2016-05-10

祝耀昌（1941—），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事產(chǎn)品環(huán)境工程，實驗室環(huán)境試驗和可靠性試驗技術(shù)研究及其相關(guān)標準的制定工作。E-mail:13659826730@163.com。