艦用電磁爐灶抗沖擊環(huán)境的設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐

施建榮，吳華平，王曉俠，邵華，施詩(shī)

（1.海軍裝備研究院，上海 200235；2.澳迪斯丹廚房設(shè)備公司，寧波 315194；3.江南造船廠軍事代表室，上海 200011；4.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600）

艦船沖擊環(huán)境主要是核武器和常規(guī)武器在水下近距離非接觸爆炸作用于船體形成的。水下近距離非接觸爆炸是指炸藥當(dāng)量一定的核武器和常規(guī)武器在距水面艦船或潛艇一定的距離和一定的深度發(fā)生的劇烈的但不至于造成艦艇毀滅的爆炸。爆炸產(chǎn)生沖擊波和脈動(dòng)氣泡效應(yīng)將使船體殼板永久變形（或破裂）、裝備發(fā)生故障（或失效）和人員受傷（或死亡）。它在物理上的傳遞特性是位移、速度、加速度和持續(xù)時(shí)間。艦用電磁爐灶抗沖擊環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)的目的在于保障艦船指戰(zhàn)員和主戰(zhàn)裝備系統(tǒng)效能的充分發(fā)揮，艦用電磁爐灶作為重要的保障裝備必須滿足GJB 1060—1991《艦船環(huán)境條件要求機(jī)械環(huán)境》和GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》界定的A級(jí)設(shè)備的抗沖擊要求。

1 沖擊環(huán)境效應(yīng)

對(duì)艦用電磁爐灶進(jìn)行抗沖擊環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)的目的是保證在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下艦用電磁爐灶承受核武器和常規(guī)武器產(chǎn)生的沖擊載荷的能力。基于艦船的船體結(jié)構(gòu)、艦用電磁爐灶的布置、基座、質(zhì)量和重心以及在沖擊環(huán)境下的多種沖擊形式和模態(tài)耦合，在沖擊的作用下艦用電磁爐灶中的控制設(shè)備、構(gòu)件、部件、電纜、導(dǎo)線可以向任何方向產(chǎn)生位移，這種位移通過基座、結(jié)構(gòu)支架傳遞到艦用電磁爐灶上，導(dǎo)致速度和加速度最終作用到艦用電磁爐灶上。減輕艦用電磁爐灶所受沖擊的響應(yīng)是在滿足艦船戰(zhàn)斗力的前提下保持艦用電磁爐灶使用可靠性的重要舉措。

水下近距離非接觸爆炸誘發(fā)的沖擊涉及沖擊波水動(dòng)力學(xué)、脈動(dòng)氣泡水動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)[1]。沖擊造成船體或艙面結(jié)構(gòu)突然劇烈運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致正在運(yùn)行的或靜止的艦船裝備加速。這是艦船裝備需要承受的一個(gè)特殊環(huán)境，沖擊環(huán)境對(duì)艦用電磁爐灶可能引起以下效應(yīng)：

1）艦用電磁爐灶零部件、元器件、螺栓的過應(yīng)力引起永久變形或斷裂；

2）艦用電磁爐灶與船體構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起碰撞、擠壓；

3）艦用電磁爐灶內(nèi)部電氣構(gòu)件原有作用力平衡被破壞；

4）電路板、電子芯片故障與損傷導(dǎo)致的功能變化。

2 艦用電磁爐灶抗沖擊要求

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求奠定了艦用電磁爐灶的固有環(huán)境適應(yīng)性的特性，其抗沖擊環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)輸入、研制和試驗(yàn)要求依據(jù)GJB 1060—1991《艦船環(huán)境條件要求機(jī)械環(huán)境》和GJB 150.18—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法沖擊試驗(yàn)》的規(guī)定。詳細(xì)要求如下[2]。

2.1 抗沖擊環(huán)境輸入

根據(jù)艦用電磁爐灶質(zhì)量（小于180 kg）、安裝位置（乙類安裝）和在沖擊載荷下的撓度（預(yù)計(jì)值小于38 mm），需要承受的沖擊環(huán)境輸入分別為：

1）垂直方向位移為5.7 cm，速度為7.5 m/s，加速度為1 500g；

2）左側(cè)方向位移為5.7 cm，速度為4.5 m/s，加速度為750g；

3）右側(cè)方向位移為5.7 cm，速度為4.5 m/s，加速度為750g；

4）脈沖寬度為1 ms，并且只能碰撞1次。

2.2 抗沖擊等級(jí)

艦用電磁爐灶抗沖擊等級(jí)設(shè)定為A 級(jí)，對(duì)艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全必不可少。A級(jí)要求艦用電磁爐灶的功能特性在沖擊時(shí)和沖擊后無顯著變化，且不以其他方式對(duì)人員或其他周邊裝備產(chǎn)生危害。

2.3 抗沖擊類別

艦用電磁爐灶抗沖擊類別設(shè)定為Ⅱ類，在沖擊作用下要使用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的減震器才能完成指定的功能。

2.4 抗沖擊試驗(yàn)類型

艦用電磁爐灶抗沖擊試驗(yàn)類型設(shè)定為整機(jī)試驗(yàn)，用于模擬最嚴(yán)酷的工作條件和艦船上可能使用的安裝方法。整機(jī)試驗(yàn)時(shí)，組成艦用電磁爐灶的各設(shè)備不能用模擬件替代。

2.5 安裝

艦用電磁爐灶的安裝設(shè)定為乙類安裝，安裝位置為廚房?jī)?nèi)的平面安裝。

2.6 試驗(yàn)順序

艦用電磁爐灶抗沖擊與振動(dòng)試驗(yàn)順序?yàn)椋簺_擊試驗(yàn)—振動(dòng)試驗(yàn)的組合順序。

3 艦用電磁爐灶抗沖擊設(shè)計(jì)

艦用電磁爐灶抗沖擊環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)按照GJB 1060—1991《艦船環(huán)境條件要求 機(jī)械環(huán)境》的規(guī)定作以下設(shè)計(jì)要求：

1）使用的材料應(yīng)具有10%以上的延伸率，工程塑料、不銹鋼材應(yīng)具備高抗沖擊能力和高抗切口沖擊能力，并應(yīng)避免使用鑄鐵、鑄鋁、易冷態(tài)變形的脆性材料；

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)避開切口、尖角、橫截面突變或應(yīng)力集中，并應(yīng)估算出在沖擊作用下的最大偏移，防止其內(nèi)部間的碰撞或與其他周邊裝備相碰撞；

3）艦用電磁爐灶和內(nèi)部構(gòu)件的固定應(yīng)采取可靠的緊固措施；

4）艦用電磁爐灶的螺栓和螺栓孔之間的間隙按GJB 1060—1991《艦船環(huán)境條件要求 機(jī)械環(huán)境》的規(guī)定，公稱直徑小于等于19 mm 時(shí)螺栓公稱直徑加0.8 mm，公稱直徑大于19 mm 時(shí)螺栓公稱直徑加1.6 mm；

5）框架結(jié)構(gòu)和主控制箱應(yīng)合理放置，避免懸臂式、碰撞，相應(yīng)的焊接點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)，電氣接線和布線應(yīng)保證具有足夠的松弛度。

4 艦用電磁爐灶減震器的選型

減震器是加固設(shè)計(jì)的一部分，其作用是提高艦用電磁爐灶整體的抗沖擊能力。線性低頻減震器剛度小、固有頻率低，能滿足隔振要求，但由于吸收能力低，易引起剛性碰撞。線性高頻減震器由于剛度大、固有頻率高，不易滿足隔振要求，但由于吸收能力強(qiáng)，易滿足緩沖要求。為了解決這個(gè)矛盾，在艦用電磁爐灶減震器的選用上采取了平衡配置，對(duì)一級(jí)減震，經(jīng)估算選用了頻率為25 Hz、承重為100 kg（4只）的金屬橡膠減震器。對(duì)二級(jí)減震（控制箱用），經(jīng)估算選用了頻率為20 Hz、承重為20 kg（4只）的鋼絲減震器。

5 艦用電磁爐灶抗沖擊試驗(yàn)

艦用電磁爐灶由于質(zhì)量小于180 kg，因此采用輕量級(jí)沖擊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試件安裝在2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)安裝架（如圖1 所示）和過渡架（如圖2 所示）上。試驗(yàn)前按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)試件進(jìn)行外觀檢查和電性能、機(jī)械性能等的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果正常，并拍攝照片存證。

圖1 2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)安裝架Fig.1 No.2 standard mounting fixture

圖2 過渡架Fig.2 Transition mounting fixture

按GJB 150.18—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法沖擊試驗(yàn)》中的“試驗(yàn)十艦船設(shè)備的沖擊試驗(yàn)”的規(guī)定對(duì)試件進(jìn)行考核。每種試驗(yàn)狀態(tài)沿試件3個(gè)互相垂直的主軸方向各施加3 次沖擊，總共施加9 次沖擊。3次沖擊的落錘高度依次為0.3，0.9，1.5 m，擺錘角度依次為37°，66°，90°（試件在沖擊載荷下任何方向的撓度均小于38 mm）。試驗(yàn)時(shí)試件處于通電運(yùn)行狀態(tài)，并在鍋內(nèi)盛水（如圖3 所示，盛水量約為鍋體容積的20%），模擬實(shí)際炊事狀況。

試驗(yàn)后按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)試件進(jìn)行外觀檢查和電性能、機(jī)械性能等的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果正常，并拍攝照片存證（如圖4，5所示）。

6 結(jié)語(yǔ)

電磁爐灶無明火、效率高、安全節(jié)能、綠色環(huán)保，但是作為民用產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為軍用產(chǎn)品需要對(duì)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。由于艦用電磁爐灶嚴(yán)格按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制，材料選用得當(dāng)、結(jié)構(gòu)布局合理，減震器頻率預(yù)測(cè)科學(xué)，因此得到了沖擊與振動(dòng)組合試驗(yàn)考核一次性通過的最佳結(jié)果。

圖3 鍋內(nèi)盛水Fig.3 Water in the boiler

圖4 試驗(yàn)后完好無損的關(guān)鍵部件Fig.4 Critical components in good condition after test

圖5 試驗(yàn)后完好無損的重要部件Fig.5 Important components in good condition after test

[1]施建榮.模擬水下近距非接觸爆炸環(huán)境的中量級(jí)沖擊試驗(yàn)[J].裝備環(huán)境工程，2010，7（3）：6—9.

[2]GJB 1060—1991，艦船環(huán)境條件要求機(jī)械環(huán)境[S].