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【深度好文】GJB150系列标准简介与军品环境适应性试验的体会

2019-06-04 16:20:14 融融网阅读量:99

作者介绍:

执金吾、远望江湖(笔名),从事军品质量监督工作30年,主笔多项国家军用标准和军事规章,作为高级审核员、高级审查员,参与**家军工企业质量体系审核和资格审查;军品工程阅历和实践经验丰富,质量管理理论功底深厚。在质量体系建设、军品型号项目管理、技术状态管理、产品质量问题处理、军品试验考核、质量通用特性工程技术应用等方面有独到的见解。

军品环境适应性试验属于比较常见的军品试验类型,多见于研制阶段工程试验、交付试验和定型(鉴定)试验,可参考的通用标准为GJB150系列标准。实际工作中,确实有些人员对环境适应性试验和标准理解掌握还存在不足,特别是运用标准选取试验项目和确定试验顺序等方面,仍存在一些比较普遍的问题和不足,需要进一步理解标准、理清思路并努力解决。

GJB150系列标准基本上是从美军标MIL-STD-810标准发展演变而来,主要借鉴参考了810标准的理念、方法和要求。深入理解掌握GJB50系列标准,应当首先了解810系列标准的情况,并从810标准的角度解读GJB150会更为直观易懂。

MIL-STD-810标准。1962年以前,美国陆军、空军和海军各有自己的环境试验标准或规范,相互之间没有协调统一,各种试验标准和规范要求不一致,甚至互相矛盾,造成军工企业无所适从,特别是按不同标准或规范试验过的各种设备组装成整机或系统时,问题会变得无比复杂。同种设备需要满足不同要求,使得成本和周期急剧增加。鉴于这种情况,1962年12月,美国国防部发布了美军标MIL-STD-810标准,成为三军和工业部门都能接受的环境试验标准,结束了三军装备要求各自为政的局面。但其最大缺点是采用了装备生命周期内极端自然环境和诱发环境作为试验条件,且允差要求严格,具有加速性和加严性。

1962年至1975年,该标准的B、C版本陆续发布,编制思路和理念基本没有变化,只是适当放宽了试验条件要求。1983年7月,D版810发布,其工作理念和思路发生重大变化。如引入装备寿命周期环境剖面、环境管理的概念,强调环境设计要求不仅与自然环境有关,更与平台环境有关,即平台环境对自然环境的转换作用和平台环境自身诱发作用均应考虑。强调建立寿命期环境剖面,为剪裁确定环境适应性设计要求,进而确定环境试验要求奠定基础。同时,允许对试验要求进行裁剪。E版标准基本没有变化,仅仅是编辑性的调整。

2000年1月,F版810发布,其最大变化是引入环境工程的理念。首次将标准变为两部分,即环境工程工作指南和实验室试验。使810标准成为管理和试验“二合一”的混合型标准。同时,明确各试验方法标准不再是可以直接引用的菜单标准,必须裁剪后才能使用。2008年10月,G版810发布,与F版区别不大,主要是增加了冻结/融化、时域波形复现、铁路碰撞、多振动台试验和船载振动5个试验项目,以及世界气候区指南作为标准剪裁依据。

810系列标准颁布50年来,历经七次修订,试验项目和程序等内容不断增加,标准的性质从初期的引用标准发展为剪裁标准。810F正式明确环境适应性和环境工程的概念,标准颁布成为单纯环境试验向环境系统工程发展的标志性事件。

GJB150系列标准。1986年发布的GJB150系列标准是我国首个军用装备环境试验标准,主要借鉴参考了810C,由20个部分组成。该标准涵盖了军用设备大多数环境试验,规定了统一的环境试验条件或等级,规范了军用装备环境试验程序和方法。后续又分别对其进行了补充完善,形成了较为完整的共计25个部分的军用标准。需要说明的是,GJB150系列标准与810C的关系是基本等效,虽然都属于性质相同的、可供引用的菜单标准,但不是等同。原因在于两者还是有所区别的,主要是:

a)GJB150.1中“一般试验程序”和“试验顺序”确定顺序的4个方法原则是参照IEC68号《电工电子产品环境试验规程》总则编写的;

b)GJB150.3《高温试验》仅采用810C方法501.1高温中的程序Ⅰ,并把它分为贮存和工作两个试验程序。810C高温试验的程序Ⅱ并没有采用,该程序要求受试产品在49℃保持6h,1h升到71℃保持4h,再在1h内回到49℃,构成一个12h的循环,进行3个循环;

c)810C的湿热试验有5个试验程序,GJB150中只有3个试验程序。GJB150中地面和机载电子设备湿热试验程序是以810C的程序Ⅰ《机载电子设备》为基础改进而成,且部分试验参数有所不同。如810C该程序中降温段是65℃降到30℃,相对湿度大于等于85%,时间为16h。GJB150中第一程序将此降温段改为60℃、时间缩减为8h,并增加低温低湿段;

d)GJB150.6《振动试验》的试验方法中各种运输车辆对应的22张振动谱来源于810D,而该方法中耐久试验时间和量值则来源于国内的专家研究成果,均不是810C的内容。

810F作为一个混合型标准,内容既包括环境工程工作,又包括实验室环境试验的内容。因此,上世纪末,原国防科工委安排了制订GJB4239和修订GJB150两个课题,形成了目前810F标准在中国有两个对应标准的状况。其中,对150标准进行了全面的整合和修订完善,借鉴810F的实验室试验方法部分,标准名称更改为“军用装备实验室环境试验方法”,取消了“温度-高度试验”和“温度-湿度-高度试验”(用“温度-湿度-振动-高度试验”替代),将“飞机炮振试验”改为“炮击振动试验”,同时又根据需要新增了5个部分(舰船冲击试验还未发布)等,2009年GJB150系列标准最新版本(29个部分)发布。同时,GJB4239《装备环境工程通用要求》借鉴参考了810F的第一部分《环境工程工作指南》,英国国防部装备环境手册第一册《环境工程的控制和管理》,北约标准化协议4370《环境试验》以及MIL-STD-785B(GJB450)的格式编制而成。

      表1 GJB150.1GJB150.1A的主要区别

GJB150与GJB150A通用要求主要异同点

序号

要求

GJB150.1

GJB150.1A

1

大气条件

标准大气条件:温度:15-35±5%;相对湿度:20%-80%;气压:试验场所的气压。

仲裁试验的标准大气条件:温度:23±2℃;相对湿度:50%±5%;气压:86-106kPa。

温度:15-35℃;相对湿度:20%-80%;气压:试验场所的气压。

2

水的纯度

25℃下,水的PH值6.5-7.2;推荐使用电阻率为1500Ω·m-2500Ω·m的水。

3

试验条件允差

温度:±2℃以内,温度梯度不超过1℃/m,或总的最大值为2.2℃;相对湿度:±5%以内;气压:±5%;振幅:正弦±10%,随机按具体要求;频率:±2%,低于25Hz为±1/2Hz;加速度:±10%。

基本相同。不同点是:1.温度放宽。体积大于5立方米时,±3℃,大于3℃时,订购方同意批准。温度大于100℃时,±5℃;

2.增加了风速、时间。风速:±10%;时间:大于8h,不超过5min,小于8h,1%。

4

试验温度稳定

1.工作状态时,样品中热容量最大的部件温度变化不大于2℃/h;

2.非工作状态时,样品中热容量最大的部件与规定温度相差在2℃以内。

基本一致。但提出了响应温度不应超出应力极限值的原则。

5

试验顺序

从最严酷和最不严酷的项目开始安排的考虑原则,后一试验加速暴露前一试验结果的最严酷顺序(鉴定试验),按装备实际使用遇到的次序,按附录推荐的顺序。附录A。

1.按寿命期出现的顺序作为通用顺序;

2.建立装备性能和耐久性的积累效应与试验顺序的相互关系,该试验顺序是装备按照其任务剖面经受相应应力的顺序。

6

试验前信息

1.试验使用的设备和仪器;

2.要求的试验程序;

3.试验持续时间;

4.样件的技术状态;

5.试验量值及其持续时间、应力施加方式;

6.仪器/传感器安装位置;

7.样件的安装要求(包括安装准备、方向、连接等)。

7

试验中断处理

1.容差范围中断。

2.欠试验条件中断。

3.过试验条件中断。

基本一致。增加超允差中断。

8

环境效应及失效判据

不合格:性能超标、结构损坏、危及安全、样件变化不能维修等。

基本一致。但作为工程研制试验,结构损坏和性能异常视为有用信息;符合性验证试验,则为不合格。

下图为GJB150的试验项目和适用范围

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试验项目的选择。军用标准是适用于所有或某一类武器装备的通用要求,其规定的内容和要求必须考虑各类或某一类武器装备在各种作战需求、各种使用条件、各种生产条件和批量情况下的各类因素,具有覆盖面广、通用性强的特点。应用标准时,应结合具体产品的任务需求,同时考虑经费、周期等条件的限制,进行合理的剪裁,而不是不加分析地全部照搬。前面已经讲到,MIL-STD-810标准已经从引用标准发展为剪裁标准,810F/G前言中明确说明:“需要强调的是这些方法既不能全套引用,也不能作为不可改变的例行方法使用,而是可供选择和剪裁,以尽可能产生最合适的试验数据”。特定型号的具体产品具有特定的使用条件、一定的经费和研制、生产周期等约束条件。具体到某个特定产品试验项目的选取,应注重协调标准的共性与产品个性之间的矛盾。确保标准贯彻更具针对性,更能体现标准在普遍意义上的约束性和具体使用时的特殊性的结合,也可以为综合权衡性能、经费和周期提供回旋的余地。

需要说明的是:由于GJB150A先于810G发布,因此没有世界气候区指南部分,且未明确裁剪标准的主导方,但只有使用方和总体单位最清楚产品使用条件和平台环境(平台是指携带装备的任何运载器、表面或介质。如飞机是空空导弹的携带平台),因此实际工作中,试验项目选择理应由使用方或总体单位确定,而不是研制方或试验方确定。但这不意味着总体单位起草的技术协议就是金科玉律、一成不变的。理论上,应鼓励研制方提出选用和剪裁标准的建议。试验项目的选择需要一个双向的交流沟通过程,只有经历这个过程,设计人员才能更深刻地理解掌握产品实际使用条件,以便在设计过程中统筹兼顾各种设计、工程余量的协调,确保既满足符合性质量要求,也满足适用性质量要求。

选择试验项目过程中,有个概念需要事先澄清:即试验条件不是设计要求,而设计要求是确定试验条件的依据。明确试验项目,必须首先清楚产品使用的自然环境特性、通过平台转换的自然环境强迫作用、平台自身诱发的强迫作用,三者要综合考虑、统筹兼顾。

下面以飞机地面检测设备为例,简要说明如何确定试验项目。按照GJB4239要求,确定产品寿命期内环境剖面(201):

a)贮存。产品主要经历高温、低温、湿热、霉菌、盐雾环境;

b)运输。产品主要经历高温、低温、湿热、运输振动、冲击环境;

c)使用。产品主要经历高温、低温、湿热、霉菌、盐雾、淋雨、砂尘、太阳辐射、低气压等环境。

注:如果该检测设备为二线检测设备,主要应用于内场定检,则不会经历淋雨、砂尘、太阳辐射等环境。

  根据产品寿命期内遇到的种种环境因素,列出需要考虑的各类环境应力,将对应的试验项目初步以列表形式明确下来,再结合产品实际,逐项逐条予以研究确定,以低气压(高度)试验为例说明试验项目剪裁过程。我国约有50%的地球表面积高于海平面1000m,约有25%的面积高于海平面2000m。随着高度升高,气压降低,空气密度减低,导致产品绝缘性能和强迫对流散热效果降低。飞行器一般情况使用范围内机场海拔高度差别比较大(舰载机除外),检测设备如果需要随飞机转场至高海拔地区,如西藏、青海等地,则该项试验不能裁剪,但试验条件可以商榷(地面产品低于机载产品的使用高度)。其他试验项目的确定过程,可以此类推。

image.png

试验顺序的确定。试验顺序类似机加的工步顺序,看似简单,实则重要。由于各试验的效应会产生叠加作用或产品上遗留的试验介质会加剧或降低后续试验的效果和结果的真实性,因此,试验顺序既是需要重点控制的环节,其本身也属于试验考核的内容之一。既然军品环境试验目的是在实验室内模拟外场实际使用环境,试验顺序则应重点考虑产品在实际使用处环境应力情况,并结合标准要求确定。

关于试验顺序的确定,GJB150.1A《军用装备实验室环境试验方法 通用要求》仅给出了原则,实际中由各单位自行确定。即:试验顺序应根据试件的特性、具体工作顺序、预期使用场合、现有条件、各个试验环境的预期综合效应等因素确定。确定寿命期中环境影响的顺序时,需要考虑装备在使用中会重复出现的环境影响。在确定试验顺序时应考虑下列因素:

a)利用预期寿命事件的顺序作为通用的试验顺序。某一试验在其他试验之前、之后或与其他试验组合进行都各有优点。当本标准各部分推荐了某种试验顺序时,一般应按其进行试验;若选用其它试验顺序,则应得到订购方的批准。除本标准各部分中另有说明外,不应作为减轻试验效应而改变试验顺序;

   b)建立装备性能和耐久性的积累效应与试验顺序的相互关系,该试验顺序是装备按照其任务剖面经受相应应力的顺序。有关各方应尽早参与该试验顺序的确定,确保试验效果可靠、符合实际,并且可以追溯。

GJB150.1《军用设备环境试验方法 总则》可操作性较强,不仅给出了4个原则,还划分了军品类别,并根据类别以附录形式明确了推荐顺序。GJB150.1试验顺序原则如下:

a)从最严酷的试验项目开始安排试验顺序,以便从试验顺序的早期阶段得到试验样品失效的趋势(一般用于研制性试验,作为对样机性能研究的一部分);

b)从最不严酷的试验项目开始安排试验顺序,以便从试验样品损坏前尽可能得到更多的信息(一般用于研制性试验,作为对样机性能研究的一部分,特别是在可利用的试验样品数目受到限制时);

c)从前一个试验所产生的结果由后一个试验来暴露或加强,安排对试验样品有罪显著影响的试验顺序(一般用于设备的标准化鉴定试验);

d)从产品实际可能遇到的起主要影响的环境因素出现的次序考虑,安排试验顺序(一般用于使用条件已知的设备或成套系统的鉴定试验)。

按照使用途径、专业划分等角度,GJB150.1以附录的形式将军品划分为3组25类,并给出了各种类别的试验推荐顺序。

    军品类别(GJB150.1A附录A)

类别

范围

地面设备(A

A1

一般基地(隐蔽的)全部地面设备,但不包括电子与通讯设备,或飞机和导弹的地面支援设备。

A2

一般基地(不隐蔽的)全部地面设备,但不包括电子与通讯设备,或飞机和导弹的地面支援设备。

A3

飞机和导弹的地面支援设备,包括飞机场室外设备、导弹发射架、维修用地面设备和检查设备等,但不包括电子设备。

A4

全部类型电子与通讯设备及有电路的设备(隐蔽的)。

A5

全部类型电子与通讯设备及有电路的设备(不隐蔽的)。

空用设备(B

B1

辅助动力装置及动力装置的附属设备(主动力装置除外)。

B2

液体系统,包括装载液体的或液压系统的设备。

B3

气体系统,包括装载气体的或气动设备。

B4

电气设备,包括全部电气设备,但不包括电子设备。

B5

机械设备,只由机械工件组成的设备。

B6

自动驾驶仪、陀螺仪及制导设备,包括辅助设备,但不包括电子设备。

B7

仪表,包括指示器、电表、信号装置等,但不包括电子设备。

B8

武器,包括机炮、炸弹及火箭设备,但不包括电子设备。

B9

照相设备和光学仪器。

B10

电子和通讯设备。

海用设备(C

C1

舰用辅助动力装置和舰用主动力装置附属设备。包括动力装置的自动控制设备、热工仪表等,但不包括舰用主动力装置。

C2

液体系统,包括装载液体的或液压系统和舰用武器液压发射装置、减摇鳍装置。

C3

气体系统,包括装载气体的和气动设备(空气压缩机、空气瓶)。

C4

电气设备,包括全部舰载电气设备,但不包括电子设备。

C5

机械设备,只由机械工件组成的设备(如甲板机械)。

C6

自动舵、陀螺仪及制导设备,包括辅助设备,但不包括电子设备。

C7

仪表,包括指示器、电表、信号装置等,但不包括电子设备。

C8

武器,包括舰炮、鱼雷(不含空投鱼雷)、深水炸弹及导弹设备,但不包括电子设备及洲际导弹。

C9

光学仪器,包括潜望镜、照相设备和红外瞄准器等。

C10

电子和通讯设备。

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试验项目

C组海用设备

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

低气压

(高度)








34


37

高温

1

1

1

2

1

1

1

1

1

2

低温

2

2

2

1

2

2

2

2

2

1

温度冲击








4


57

温度-高度








56


47

太阳辐射







63




淋雨




6

5


3

6

3

6

湿热

5

4

4

7

6

4

7

9

6

14

霉菌

6

5

5

8

7

5

8

10

7

15

盐雾

7

6

6

9

8

6

9

11

8

16

砂尘

4

7

7

4

9

7

6

12

9

9

爆炸性大气

9



11


9

11

14

11

11

浸渍

3

3

3

3

3

3

5

7

5

8

加速度

8

8

8

10

10

8

10

13

10

10

振动

11

10

10

13

13

11

13

16

13

13

噪声

12

11

11

14

12

12

14

17

14

17

冲击

10

9

9

12

11

10

12

15

12

12

温度-湿度-高度








186


18

飞机炮振











注:1.有限用途试验;

2.建议为导弹设备增加的试验;

3.通常不适用于空间或地面发射的导弹设备;

4.通常不适用于飞机或直升飞机上的设备;

5.通常不适用于地面发射的导弹设备;

6.海对海导弹设备可免做的试验;

7.建议为海对空导弹的电子设备增加的试验。

   实际工作中,参考GJB150.1,先确定产品类别,再依据GJB150.1推荐顺序表和GJB150.1A的顺序原则,综合分析确定具体产品的试验顺序。

以B9类别的机载侦察吊舱设计定型环境适应性试验为例,简要说明试验顺序的确定过程。按GJB150.1附录推荐顺序表得出该设备初步的试验顺序如下: 

序号

试验项目

顺序表的

推荐顺序

1

高温

1

2

低气压(高度)

2

3

低温

3

4

温度-高度

45

5

温度冲击

515

6

浸渍

6

7

湿热

71

8

霉菌

813

9

盐雾

913

10

砂尘

103

11

加速度

11

12

爆炸性大气

1212

13

冲击

13

14

振动

14

15

噪声

15

16

温度-湿度-高度

161

17

飞机炮振

171

其中,

a)爆炸性大气试验为导弹设备增加的试验,可裁剪;

b)飞机炮振试验主要视该设备安装在飞机的位置决定,如远离机炮则可以裁剪;

c)噪声试验对于光学设备没有影响,该项试验可以裁剪;

d)从产品实际可能遇到的起主要影响的环境因素出现的次序考虑,可以调整低温试验在高温试验后进行;

e)如果该设备暴露在外,应实施淋雨试验,裁剪浸渍试验;

f)视安装位置考虑太阳辐射试验。

综合以上信息,调整后得出该设备设计定型环境适应性试验顺序如下:

实际

顺序

试验项目

顺序表的

推荐顺序

1

高温

1

2

低温

3

3

低气压(高度)

2

4

温度-高度

45

5

温度冲击

515

6

淋雨


7

太阳辐射(视情)


8

湿热

71

9

霉菌

813

10

盐雾

913

11

砂尘

103

12

加速度

11

13

冲击

13

14

振动

14

15

温度-湿度-高度

161

16

飞机炮振(视情)

171

如果是舰载机设备,还应综合考虑滑跃起飞冲击、拦阻着陆冲击、舰船冲击环境和酸性盐雾的影响。关于酸性盐雾腐蚀的情况,本公众号原创文章《舰载机设备酸性盐雾试验的不同认识》一文已详细阐述,这里不做具体解读。

运用GJB150系列标准于工程实践是一项非常复杂且需慎重的工作,上述方法仅为笔者一家之言,不代表任何机构和组织。如有不对之处,请批评指正。

参考文献:GJB150A《军用装备实验室环境试验方法》实施指南-空军装备部综合计划部、中国航空综合技术研究所


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文字:执金吾、远望江湖(笔名)


责编、制图:王思洋

校审:郭征坤

监制:王丙义、张诚铭

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