第3卷第5期 2006年10月 装备环境工程 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 舰用武器装备环境工程实施探讨 王冬,刘艳,孙立敏,张策 (北京电子工程总体研究所,北京100854) 摘要:针对舰用武器装备经受“三高一多”的恶劣海洋环境特点,介绍了环境工程在舰用武器装备研制 过程中的实施途径,包括环境工程管理,环境适应性分析、设计和试验等工作的重点,最后提出了收集环境信 息、完善维护细则和进行环境整体防护等环境工程工作的建议。 关键词:舰用武器装备;环境工程;环境适应性 中图分类号:E919;E925 文献标识码:A 文章编号:1672—9242(2006)05—0001—06 Discussion on Implementation of Environmental Engineering for Carrier based Materiel WANG Dong,LIU Yah,SUN Li—min,ZHANG Ce (Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China) Abstract:Aiming at carrier based materielg critical working condition,this paper discussed the implementation approach of en— vironmental engineering in carrier based materiel developing process,including environmental engineering management,environmental worthiness analysis,design,and test.Finally,advices on environmental engineering job such as collecting environmental information, improving maintenance detailed rules and performing environmental total defense were given Key words:carrier based materiel;environmental engineering;environmental worthiness 舰用武器装备是海军舰艇部队完成防空反导作 战的重要武器装备,经受的自然环境为“三高一多” 的海洋环境,湿度大、盐度高,空气中霉菌、水气含量 高,装备受腐蚀的时间长。 舰船在严酷的高海情状况下,巨浪的撞击和长 等多种火炮射击的情况下,经受冲击的考验。 因此,环境工程工作在舰用武器装备研制的初 期,就必须受到高度重视,全面考虑武器装备寿命期 内环境的影响,把装备的性能设计和环境适应性设 计相结合,通过试验及早发现设计缺陷以达到不断 期的持续航行,使结构件在交变应力的作用下容易 产生疲劳式永久变形。舰用装备在舰上主炮、副炮 改进设计的目的,确保交付部队的装备在使用中符 合环境适应性要求。 收稿日期:2006—06—23 作者简介:王冬(1961一),女,研究员,主要研究方向为可靠性与环境工程。 维普资讯 http://www.cqvip.com
・2- 装备环境工程 2006年lO月 环境适应性问题的闭环管理。 1 环境工程实施 收集的内容主要包括型号寿命期环境因素、产 品所要承受的自然环境和平台环境、产品所经历的 在武器系统研制之初,编制针对舰用武器装备 环境试验、产品所出现的环境因素引起的故障、故障 使用环境特点的型号环境工程大纲,对环境工程工 原因分析及采取的措施等。 作进行总体策划,包括环境工程管理、环境适应性分 环境适应性数据收集、处理、传递、反馈等工作 析与设计、环境试验与评价等内容。 应纳入产品保证信息系统,统一运行。 1.1 环境工程管理的工作重点 1.2 环境适应性分析与设计的工作重点 除了规定环境工程管理中的工作职责、工作计 环境适应陛是装备在其寿命期预计可能遇到的各 划、对外协单位的监督与控制和环境适应性评审等 种环境的作用下能实现其所有预定功能、性能和(或) 内容之外,特别要对运行环境适应性信息收集、分析 不被破坏的能力,是装备的重要质量特陛之一…。 和纠正措施系统有明确要求,利用型号的故障报告、 1.2.1确定寿命期环境剖面 分析和纠正措施系统(FRACAS)和各个研制单位有 根据舰用武器装备的寿命剖面和使用环境,确定 效运行的质量管理体系,收集环境适应性信息,实现 其寿命期内所经受的环境因素和环境剖面,见表1。 表l寿命期环境因素 Table 1 Environmental Factors in Life Circle 注:、/——一般适用; △——根据需要选用; ×——不适用。 1.2.2环境条件的意义及其制定原则 环境条件的制定原则如下。 恰当地制定环境条件,对武器装备的研制有着 1.2.2.1结合型号的特点 至关重要的意义。过低的环境条件,导致产品欠试 1)根据用户的使用环境要求、相应的国军标 验,在交付前的地面试验中得不到充分考核,某些缺 和部标并借鉴其它型号的研制经验; 陷无法暴露,在实际恶劣的环境下可能导致任务失 2)根据武器装备的作战平台,不同舰型的舰 败;过高的环境条件,导致过试验,使产品必须通过 船环境也不尽相同; 高于实际使用环境的地面试验考核,因而导致武器 3)根据寿命期内的环境剖面,主要经历运输、 装备研制难度增加,会造成研制周期过长、浪费试验 库房贮存、随舰战勤值班、导弹发射等环境事件,这 经费等。 些决定了产品将遇到的环境类型及其严酷程度; 因此,制定恰当的环境条件,能使产品及其相关 4)在明确了产品寿命期环境剖面后,进一步分 设备在短周期、低成本下得到合理设计。 析各种环境在不同场合的相对重要性,并综合考虑工 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3卷第5期 王冬等:舰用武器装备环境工程实施探讨 .3・ 程性、环境平台等因素,最终合理确定环境条件。 1.2.2.2注意工程性 环境条件的确定必须考虑工程上实现的可能性 和费用之比。尽管环境条件基本采用极值准则,也 不是指必须采用最极端的环境因素值,而是取具有 一定风险率的值。如果按照记录到的最极端值进行 耐环境设计,很可能技术上无法实现,或者即使能实 现,也要花费很大代价,且延长研制进度。这样花很 大的代价来避免实际使用中很难遇到的环境的破坏 作用会造成不必要的浪费。 应该以基本的稳态条件及各稳态条件之问的瞬态 条件为主进行处理,既要大体模拟任务环境,又易于在 实验室试验设备上实现。如果使试验用的环境条件与 任务阶段一一对应,完全真实模拟将导致试验条件无 限多,变化频度太高,试验效率太低,这在实验室模拟 试验是不可能做到的,在工程上也是没有必要的。 1.2.2.3考虑平台环境的影响 任何产品使用时,都要安装在某一载体上,这一 载体定义为平台,舰用武器装备的平台为军舰。 产品的环境除了受到自然环境的影响外,还受 到其安装平台产生的微环境的影响 。因此确定 产品环境条件时必须研究平台上的特性及其对自然 环境和诱发环境的转换作用。 平台的其他设备的存在,也会由于其影响通风 散热和工作发热进一步改变设备的微环境。产品的 力学环境更会受到平台的影响,军舰的振动是由海 浪、风等自然环境激励、螺旋桨轴转速等感应激励, 以及船体结构、装备安装结构和装备本身响应等决 定的,军舰的运动方式和结构对冲击振动的吸收能 力以及减振措施等,对装在平台不同部位的设备振 动量值都有显著的影响。 1.2.2.4应用实测数据 为保证产品的耐环境设计、可靠性设计和环境、 可靠性试验用的环境条件更加真实和准确,希望应 用实测数据来确定这些条件。只要可能,应对设备 安装的平台处进行环境实测。充分利用有统计性的 实测数据,以准确反映实际情况。随着工程研制的 深入,通过分析大量的实测数据,使环境条件设计得 更加合适,既不高也不低。 1.2.3针对不同的环境效应进行耐环境设计 1.2.3.1环境效应分析 在深入分析使用环境的基础上,针对环境效应, 从采取改善环境或减缓环境影响的冷却措施、减振 措施,选用耐环境能力强的结构、材料、元器件和工 艺,适当的耐环境设计余量、防止瞬态过应力作用的 措施,环境防护设计,通风设计等方面着手,有针对 性地进行耐环境设计。 我国南海和东南沿海为热带海洋环境,空气中 含有大量的盐雾,而且温湿度较高。严酷的盐雾环 境,加之温湿度的综合作用,常常引起武器装备电子 产品“三防”的失效,使印刷电路板上的线路产生腐 蚀和剥离,元器件金属管脚产生腐蚀或断裂,连接器 的接触电阻增大,引起线路故障,从而引发失效。 军舰在航行中可能遇到极其恶劣的海情,舰用 装备在随军舰航行中承受着严酷的力学环境,且防 空武器装备是在随时准备执行防空任务,所以其工 作条件也是十分严酷的。军舰上的多种火炮在构成 火力网的同时,也会由于炮击引起噪声和冲击环境, 而导致微型电子元件线路故障、导线的磨损、印制电 路板的破裂、波导管和调速管失灵或损坏、光导元件 的振动、引起以空气为介质的电容器电容的变化、设 备性能超差或失效等;由炮的重复射击爆炸波及前 冲后座引起的振动比正常航行振动量值要大很多, 炮击振动会引起结构和设备的剧烈响应,这种响应 能引起电触点断开、突然的电性能故障、液压失灵以 及结构疲劳破坏、导管振裂、仪器仪表安装连接断 裂、指针振掉等。 1.2.3.2制定环境适应性设计准则L 3 J 1)高温环境适应性设计准则 a.由于产品材料软化,造成产品结构强度减 弱,绝缘材料变软失效,应尽量缩短传热路径,增大 换热(或导热)面积; b.产品化学分解和老化,从而造成元器件电性 能变化,应尽量减少元器件安装界面的热阻; c.设备过热引起涂覆表面气泡,元件损坏,焊 点脱开,应采用散热措施,元器件的排列和安装应有 利于流体的对流。 2)低温环境适应性设计准则 a.产品材料变脆,系统结构强度减弱,在设计 时应仔细选用材料和部件,使其具备满意的各种低 温特性; b.产品各物理收缩不同,造成涂覆表面龟裂, 触点接触不良,出现断路和短路,采取改进措施提高 焊点质量,壳体采用重质散热材料,活动件之问提供 维普资讯 http://www.cqvip.com
・ ・ 装备环境工程 2006年l0月 适当间隙; c.低温可能引起元器件性能变化,如铝电解电 容器损坏,石英晶体不振荡,继电器接点烧结等,因 此在产品设计选择元器件时应充分考虑元器件的低 温特性。 3)湿热环境适应性设计准则 a.造成产品金属部件腐蚀,使表面电阻增大, 点接触不良,应进行灌注和灌封; b.引起材料毛细血管的“呼吸作用”,加速了 材料的吸湿和腐蚀过程,应采用有效的保护涂层。 4)盐雾环境适应性设计准则 a.尽量采用非金属材料; b.在接触处一般应用相同金属材料,不同金属 间接触应采取防止接触腐蚀措施; c.对设备采用密封措施或使用干燥剂; d.选用耐盐雾材料,如用不锈钢或塑料代 替金属; e.元件、部件采用相应防护措施,如涂三防 漆等。 5)霉菌环境适应性设计准则 a.选择使用不长霉的材料; b.采用防霉剂处理零件或设备,并进行表 面涂覆; c.设备、部件密封并改进干燥剂,保持内部空 气干燥; d.在密封前,元器件、材料用足够强度紫外线 辅照,防止和抑杀霉菌。 6)振动与冲击环境适应性设计准则 a.控制、隔离振源,改善工作环境,采取隔振措 施,减少支撑结构上的振动力,隔离与周围设备的相 互影响; b.避免共振,减少系统的响应,改变系统的干 扰频率,提高系统中的质量或刚度,提高设备的抗振 性,如对电子设备进行刚性化安装等; c.对不可避免的共振现象,可增加系统的阻 尼,消耗共振时系统的能量,减小共振振幅,把机械 能转换为热能消耗掉; d.对发动机等振源应采取单独隔振措施,尽量 减小振动; e.对旋转部件应进行动平衡试验,以消除由 于制造装配或材料缺陷造成的偏心引起的离心惯 性力; f.选用金属弹簧、空气弹簧、泡沫乳胶、减振器 等隔振材料消除振源; g.增强结构刚度设计,以减少低频振动的影响; h.电缆导线编扎在一起,用线夹分段固定; i.继电器和可变电容器安装时选择最佳方向; j.可更换单元用专门固定装置给予紧固; k.印制板组装件采用加强条约束阻尼; 1.对于组装密度高无法用弹性材料和隔离件 时,可用阻尼材料在元件与底板之间以起减振作用; m.在陶瓷元件或其他脆性元件和金属元件的 连接处加上弹性材料,以防止产生大的局部应力和 磨损; 13.可用硅橡胶封装整个印制组装件,使之成为 一个整体,从根本上消除元件与印制板之间的相互 耦合振动; 0.确定结构振型,在应变较大的部位,贴上约 束阻尼材料; P.在结构重量和刚度许可的条件下,尽可能采 用对称夹心阻尼结构。 7)其它环境防护措施 a.直接暴露的电子组合,应尽可能采用整体全 密封措施,定期充之以氮气或干燥空气; b.改善产品工作环境,温度控制在27℃以下, 使之不易长霉; c.不常拆卸的盖板、联接头,应加密封橡胶垫 圈,必要时可在接触面上涂密封胶; d.暴露在外的连接器应采用密封型、或灌注硅 橡胶充填、并在使用过程中涂刷防护漆,并及时保养 维护; e.紧固件优先选用不锈钢制品; f.金属材料应尽可能采用不锈、耐腐蚀的材料; g.非金属材料(包括密封材料)应选用耐腐蚀、 不挥发、不吸湿、抗霉菌的材料,如有机硅橡胶等; h.涂料(尤其是线绕元件浸漆用涂料)要考虑 加杀菌剂; i.印制板焊接、调试结束后,应喷涂三防漆(如 聚氨脂清漆)、涂漆前应进行清洗和烘干处理,以免残 留脏物和潮气; j.接插件的接点宜采用镀金措施,以提高三防 性能; k.变压器、扼流圈和高压组件等应全部灌封; l_必要时,可在产品内定期放置干燥剂和防霉 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3卷第5期 王冬等:舰用武器装备环境工程实施探讨 .5. 片剂; m.波导内应充干燥空气,避免高温高湿情况 下波导内积水,导致传输功率下降。 1.2.3.3环境适应性预先评估 根据平台环境、产品技术方案、材料和元器件选 型及产品所处的最恶劣环境,利用材料、元器件、零 部件的有关手册提供的有关数据确定产品的定量耐 环境极限能力,进行分析比较,在产品技术方案确定 时对设计方案能否保证产品的环境适应性要求预先 做出初步评估。 对于不同的环境因素采用不同的评估方法,特 别要综合考虑产品的环境条件、数据来源、分析评 估方法和依据等,也可以采用环境摸底试验的方法 进行 1.3 环境适应性试验的工作重点 1.3.1实验室环境试验 在型号研制的各个阶段,进行必要的实验室环 境试验,以及时发现环境适应性的薄弱环节,适时 做出环境适应性评价,并进行设计改进。环境试验 项目可根据具体型号各个研制阶段的环境条件确 定,环境试验的实施则需按照GJB 150或行业标准 进行。 实验室环境试验围绕舰用武器装备使用环境的 特点,重点是海环境,除完成一般环境试验工作以 外,着重开展盐雾、霉菌试验,及早制定型号产品盐 雾和霉菌试验大纲,并组织典型试品实施盐雾和霉 菌试验,对暴露的问题进行分析,采取纠正措施后, 完成重新验证试验工作。 1.3.2环境响应特性调查试验 要重视环境响应特性调查试验,在初样产品调 试阶段,就需要查明产品的环境响应特性、耐环境能 力极限及薄弱环节等,为环境条件的调整、环境适应 性的设计改进等提供有用的信息。 特别要考虑弹炮协同作战的极限情况,弹炮协 同作战时,设备经受的力学环境最严酷,应该收集这 种极限情况的信息,通过对所要装载军舰的主炮射 击环境进行测试,确认不同口径、舰上不同位置的炮 振环境,以便对装备结构和安装方式采取有效的防 冲减振措施。 1.3.3自然环境投放试验 自然环境投放试验在有代表性的典型环境条件 下进行,特点是方法简单,试验更接近于实际使用环 境,结果最可靠。目前国内外都在大力开展这种试 验,但是影响因素难以控制,试验周期长。 根据舰用武器装备的作战使用环境,选定海南 自然暴露试验场地进行自然环境投放试验。按照材 料、构件、工艺和部件或设备本身的耐环境能力数据 及其在舰船上的部位、暴露情况和寿命期可能遇到 的环境,确定要进行自然暴露的材料、构件、部件和 设备的清单,试验主要采取暴露场、无包装库内暴 露、棚下暴露和库内真空包装4种方式进行,在整个 研制阶段在试验场分批投放。 定期对投放的试件进行检查和性能测试,对暴 露的问题进行分析和总结,提出并采取改进措施,且 在下一阶段的投放中验证。 1.4 环境工程实施以及持续改进 为了更有效地解决舰上设备的“三高一多” 环境适应性问题,以提高交付产品的使用寿命和可 靠性,贯彻“全寿命周期”思想,还要成立专题 攻关组,选择典型产品,采用不同工艺,不同材料 的试件进行恶劣环境下的加严试验,然后进行对 比,找出潜在的隐患,提出改进措施,并落实在设 计图纸和生产工艺上。 1)统计分析试验中和早期使用中发现的主要 问题; 2)在查清舰用武器装备暴露的腐蚀现象和摸 清潜在腐蚀隐患的基础上,分析原因,举一反三,试 验对比、查清潜在的隐患,提出了一系列具体的环境 防护建议和工艺措施; 3)有针对性地采取预防性维护措施,有效地 防晒、防雨、防盐雾浸蚀; 4)针对海上高温、高湿和时而出现的高海情, 加强舰上设备的日常特殊维护; 5)科学地进行电子设备的通电测试、检查与 维护,改善了设备运行的“微环境”; 6)强化设备保养和检查力度,运动部位经常 转动,防止润滑油脱落和机件腐蚀。 1.5 环境鉴定试验与环境适应性评价 上述环境工程工作的实施,不仅为考核装备 (产品)的环境适应性是否满足要求的环境鉴定试 验打下了良好的基础,也为武器装备投入使用后的 维普资讯 http://www.cqvip.com
・6・ 装备环境工程 2006年l0月 环境适应性评价提供了先验信息。 2环境工程工作建议 2.1 收集环境引起的故障信息 主要包括装备使用中所出现的故障、故障原因 分析及采取的措施,建立环境故障信息库,提供查询 服务,做到资源共享。 2.2强化完善设计 牢固树立装备的环境适应性设计与功能、性能 设计同等重要的观念,主动进行环境防护设计、自觉 创造条件进行环境试验,并分析环境试验暴露的薄 弱环节,提出改进措施,完善设计。 2.3重视环境适应性设计改进 把装备的功能、性能设计与环境适应性设计结 合起来,装备的环境适应性主要取决于其选用的材 料、构件、元器件耐环境的能力以及其结构设计和 工艺设计时采取的耐环境措施是否有效,一旦装备 定型,其选用材料、元器件、结构的组成和选用的 加工工艺已冻结,其耐环境能力也就基本固定。因 此,在改进型号的设计中一定要将环境适应性设计 和性能设计置于同样的地位,注重早期投人,真正 把环境适应性作为一个质量特性认真对待,防止发 生只重视定型和批生产中用环境试验进行事后把关 的被动局面。 2.4加强环境试验 认真开展环境试验,通过环境试验把好批生产 验收和例行试验的关。通过不同层次的试验,确保 交付部队的装备环境适应性符合要求。同时充分利 用好环境试验的结果和数据,落实环境适应性的持 续改进,并指导改进型号的合理选材与设计。 2.5进行整体环境防护 整体环境防护工作是我们必须继续进行的工 作,在防热、防潮、冷凝水、冲击和振动等方面利用已 装舰设备的信息,安排必要的试验,加以深人研究, 取得更加有效的整体防护措施。 2.6完善维护细则 结合调研的信息,根据用户的建议和一些合理 有效的做法,整理提炼后对维护细则进行补充、完 善、细化,用通俗易懂的语言充实维护手册,使用户 的使用维护更加规范化。 2.7强化工艺保证和工艺攻关 工艺保证要与设计师在技术设计过程中紧密结 合,设计师及早就零件和材料选用、工艺方案和途径 等有关产品制造的关键环节与工艺师充分沟通,以 达到及早启动工艺设计和生产准备、提高工艺和产 品质量、减少反复的目的,将工艺攻关成果纳人后续 的设计中。 3 结 语 武器装备在使用、运输和贮存过程中要经受多 种环境的影响,因此环境适应性对武器装备起着至 关重要的作用。武器装备若没有较高的环境适应 性,其可靠性就失去保证,其战斗力和生存能力也将 受到严重的影响,因此环境适应性是可靠性的前提 和基础。但在现实中,装备由于环境适应性差而发 生故障时,其表面现象反映的就是装备的故障多,给 用户的初步印象就是可靠性差。 产品的环境适应性是通过设计、试验和生产制 造出来的,随着对使用中发现的各种环境适应性问 题的改进措施的落实,使武器装备的环境适应性得 到较大幅度的增长,因此我们一定要将环境适应性 工作贯穿于装备的研制过程和整个寿命周期中,除 了在产品设计时考虑、产品生产中工艺保证和用试 验对产品的环境适应性进行把关外,还应该继续收 集装备在使用中的故障,分析原因,落实改进措施, 达到可靠性和环境适应性的增长。 参考文献: [1] GJB4239—2001,装备环境工程通用要求[s]. [2]祝耀昌,陈光章,张伦武,等.武器装备环境工程[J] 装备环境工程,2006,3(3):4—5. [3]GJB150—86,军用设备环境试验方法[s].
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