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一种CM2000深水连接器水下爆炸冲击测试研究行业资讯

2022-12-19 15:53:21

水下爆炸冲击测试(UNDEX)认证是深水电连接器在潜艇应用中的重要一步。

摘要:水下爆炸冲击测试(UNDEX)认证是深水电连接器在潜艇应用中的重要一步。它将展示一个连接器或系统遭受附近水下爆炸而不影响其功能或安全性的能力。UNDEX测试是将待测深水电连接器暴露在一个已知压力和方向的受控水下爆炸环境中。了解UNDEX试验装置和测试过程将有助于工程师们准备和设计能够承受这种冲击测试的连接器产品,并获得在军用潜艇及一般海洋上应用许可。

关键词:深水连接器;爆炸;冲击测试

1 引言

随着深水湿插拔连接器技术的进一步发展,人们可以开发出越来越复杂的深水系统,并简化了这些系统的安装、后勤维护和结构设计。采用这项技术之后,这些系统的操作和维护成本也随之降低。与任何新技术一样,它在进入日常使用之前需要经过一套完整的测试和认证程序。这一程序的目的就是要通过准确模拟产品可能遇到的实际条件甚至是最恶劣条件来证明产品的适用性。爆炸性武器可以被看作是这些系统在海军舰艇中运行的“最恶劣环境”。

最近用于CM2019深水可插拔电连接器认证测试的UNDEX试验要求和试验程序可以作为此类试验要求的一个示例。该试验程序根据MIL-S-901D标准A级爆炸冲击以及流体静力学、电气、振动、热冲击和加速寿命试验对待测连接器组件进行测试。

2 UNDEX测试

2.1简介

美军标MIL-S-901D中规定了UNDEX试验对冲击试验、高强度冲击船用机械装置、设备和系统等试验要求。制定这些要求的目的是为了检验舰艇上的装置在作战时所遭受核武器或传统武器攻击时耐受冲击的能力。在重量级UNDEX测试之后附有一份试验规范概要。这个概要并不是该规范所提供材料的全部。

在分类体系中,冲击试验可按照重量等级、安全等级、类别、类型以及在船上的特定安装位置的不同,系统性地对冲击试验进行了分解。规范将待测对象在舰艇上的预定用途与相应的试验设施和设备对应起来。

1) 重量等级:根据待测元件和夹具的重量,可将UNDEX测试分为三类,详见表1。

表1 冲击测试重量等级

2) 安全等级:根据舰艇对测试对象的功能依赖关系,可将冲击试验分为两个等级。

等级A:待测对象对于舰艇的安全性和继续作战能力必不可少。

等级B:待测对象对于舰艇安全性和继续作战能力不是完全必不可少,但在遭受冲击时可能会对船员、A级测试对象或舰艇整体造成危害。

3)类别:根据待测对象安装方法的不同,分为三个类别。

a. I类:待测对象在不使用弹性垫的情况下必须满足冲击要求。

b. II类:待测对象在使用弹性垫的情况下应当满足冲击要求。

c. III类:无论是否使用弹性垫,待测对象均必须满足冲击要求,因为潜艇应用中这两种安装方法均可采用。

4) 类型:冲击测试可以按照组件的系统等级进一步划分为三种类型。

a. A型:试验对象是直接受舰艇结构支撑的主要元件。

b. B型:试验对象是属于主要元件一个主要组成部分的辅助元件。其冲击响应明显受主要元件冲击响应的影响,并明显影响主要元件的冲击响应。

c. C型:试验对象是辅助元件或主要元件的一部分,其冲击响明显受到辅助元件或主要元件冲击响应的影响,但不会对辅助元件或主要元件的冲击响应产生明显影响。

5) 安装位置:安装位置可以进一步划分为水面舰艇和水下舰艇;根据待测对象具体安装位置的不同,进一步地又分为船壳、甲板、外壳和一艘舰艇的浸湿表面。

6) 安装面:可以根据被测项目的安装面作进一步分类。安装面可以确定为基座、背部、前部或项目的顶部。

7) 安装方向:在舰艇上的安装方向就是按照在舰艇上的最优取向对测试项目作进一步的分类。这取决于平行或垂直于舰艇纵轴的轴、正面、主轴或待测对象的其它主要特征。

2.2冲击要求

规范内所列要求只是作为一般性冲击测试标准的指南,有助于为某一特定对象选择具体的冲击试验要求。待测对象通过试验可以有两种方式:一种是对存疑对象直接进行试验,另一种是扩展规范内提供的先前已测试的对象。

1) 湿插拔连接器:所有安装在舰艇外壳上或水线下湿插拔的待测连接器必须在FSP上进行重量级冲击试验。这些待测连接器应安装在FSP下面,并使其在试验过程中直接经受爆炸压力波的冲击。

2) 安装:按本规范规定将待测对象安装到冲击试验平台上,并要求在有多种安装方式可选的情况下,应选择条件最为严酷的选项。试验夹具在冲击试验过程中的屈服变形或开裂是不可接受的,除非能证明试验夹具的变形或开裂并不会降低对主要待测元件测试的有效性。

3) 附件的模拟:如果主要待测连接器的附件(如管道或发动机)可能显著影响待测对象的响应,那么这些附件在试验中必须加以考虑,并进行模拟。

2.3施加冲击

先将试验对象固定在FSP下面,然后将FSP固定在冲击试验装置的固定位置。将一个爆炸物悬挂在浮标下面,与水面保持固定的距离,其水平距离是指与FSP的“喷射”距离;这样的距离被称作“喷射”距离,即爆炸物中心线到FSP最近一面的距离。沿着相对于FSP纵向施加第一次“冲击”,让试验夹具“固定”下来;然后沿FSP横向方向再施加三次“冲击”,每一次“冲击”比前一次离FSP更近,而且更剧烈。重量级UNDEX试验程序参见表2。

表2 冲击试验程序

2.4冲击检测

待测对象应在正常工作条件下进行冲击试验。尤其是,A级待测对象应当在其各种正常工作模式、位置和条件下进行测试。

一般来说,对于那些适合于多种可能的工作条件的待测对象,可以选择三种最重要的条件即对于冲击应用而言最恶劣的条件来进行试验,另有规定的除外。例如,发动机需要在额定转速和静止条件下进行测试。

2.5验收标准

在冲击过程中,待测连接器的性能必须进行检测,以检验其是否符合验收条件。如果检测设备无需验证,那就无需作特别要求。每次冲击之后,待测对象和试验夹具应进行外观和功能检验。最后一次冲击之后,待测对象应作最后的拆卸,并检查是否存在破损、变形,或出现偏差。出现任何失效都将成为拒绝列入A级产品的依据。这种试验后检验最好在冲击试验场所就地进行,以避免在试验后的转运过程中出现任何不符合项。

a. A级待测物品必须通过这一试验,其性能不得出现无法接受的劣化现象,也不得对舰艇或舰员产生任何危害。如果待测连接器能够自动自我修正暂时故障且不会出现任何进一步的故障,那么这样的暂时故障是可以接受的。

b. B级待测物品并不需要在冲击试验之后仍能正常工作,但是不能出现脱落,或对舰艇、舰员或A级待测物品造成危害,也不能释放出任何有害物质或带来火险。

2.6质量保证

提供冲击试验对象即深水连接器的承包商负责所有性能和检验标准的定义,并将这些标准形成文件,提交接收方核准。所有依照MIL-S-901D标准完成的冲击试验必须在获得认可的冲击试验场所里进行,而且必须有一位指定的政府代表现场见证。

这位代表必须见证整个冲击试验过程以及所有检验和功能性验证过程。这种见证将证明所提交的所有试验报告和试验信息。如果待测连接器顺利地通过上述步骤,舰艇接收方将以MIL-S- 901D规定的格式发布冲击试验合格。

3 连接器

3.1概述

本文所述的UNDEX试验中所用的连接器组件是一种用于各种美国海军潜艇的水下可插拔电连接器。这种连接器是为某一特定应用而设计的,它是由标准连接器元件和设计特点组成的一个原型产品。这种连接器的描述参照SEA CON设计图纸:穿墙式连接器参阅图纸BT13-103,插头连接器参阅图纸BT13-102。这些连接器在名称上定为CM2019/2mm连接器,是基于美国洛克希德·马丁公司和SEA CON公司开发的CM2000连接器技术设计的。

这种电接触件采用2mm的镀金铍青铜,与聚醚醚酮(PEEK)绝缘体粘合而成。插孔接触件封装于充油式天然橡胶补偿囊中,以达到双重电绝缘特性。这些接触件可用一种镍铝青铜连接螺母封装在蒙乃尔耐蚀合金壳体中。连接器的额定电压为1000VAC,额定电流为10 A。CM2019/2mm是一种深水可插拔连接器,可用于压力高达2000 psi的深水环境。值得注意的是,此前的一些试验程序证明CM2000接触件组件甚至可用于10,000 psi的水下环境。

图1 深水连接器实物图

3.2连接器结构

连接器组件设计成带有19条电路的同轴连接器对,可以模塑到一条带护套的线缆上。其穿墙端配有绝缘的插孔连接器,可用一个整体外壳键安装到¼〞厚的墙板中,这样在墙板中起到防转动和定向作用,参考图2和图3。

图2 CM2019/2mm舱壁连接器

插头连接器中配有插针接触件和连接螺母,参考图4。为了达到《电磁辐射危害条例》(HERO)军用规范要求,组成连接器对的两个部分可以实现线缆屏蔽层与壳体360°全方位连接。插头连接器配有一个固定的主键和一个可移动的辅助键,可在现场配置成八种独特键位组合中的任意一种。穿墙式连接器上配有一个现场可调辅助键位,可形成八种同样的独特的键位组合。这种特性使得湿插拔连接器具备八种不同的配置,而只需要提供一个库存连接器物品的后勤支持。

图3 CM2019/2mm安装细节

图4 CM2019/2mm插头连接器

3.3电缆和模塑成型

连接器模塑到线缆上。线缆按照MIL-C -915 48标准制造,并按照NAVSEA图纸6292767进行改进。这是一种多对线缆,每一个聚氨酯护套中都有屏蔽层。按照NAVSEA模塑手册要求,用聚氨酯模塑材料和成型工艺流程将线缆模塑到连接器上。线缆到连接器对每一侧的长度应为20英尺,使线缆端可以拉至FSP顶部,以便在试验过程中对已插合的连接器对进行功能测试。

4 测试程序

如前所述,CM2019连接器是为某一特定应用而设计的,专门用于各类美国海军潜艇上。在该应用中,连接器安装在耐压船壳的外部潮湿表面。线缆和组件不会穿过耐压船体。按照MIL-S-901D要求,按照这种方式使用的连接器必须在标准的FSP上采用重等级试验方法通过高强度冲击试验(UNDEX)后方能投入使用。

4.1分类

对于这一应用,我们确定要使用的插头/穿墙式连接器的分类为A级、I类和A型连接器,并对其进行相应的UNDEX试验。

4.2附加测试

UNDEX测试不完全模拟一个连接器在其应用中所经历的环境条件。CM2019连接器将进一步完成一次完整的物理和环境测试程序,以检测其在预定应用的使用情况。这项测试包括:

• HERO测试,参照标准MIL-STD - 167;

• 振动测试,参照标准MIL-STD – 167;

• 辐射排放/敏感性测试,参照标准MIL-STD – 461;

• 电缆密封弯曲测试,参照MIL-STD – 1344方法2017。

另外,连接器设计还将经受一项快速寿命测试(ALT),具体要求包括:

• 盐水老化,等效于4年老化测试;

• 高温暴露在空气中,66°C/31小时;

• 高温暴露在盐水中, 66°C/ 350小时;

• 在盐水中进行极端温度循环测试, 66°C~6°C循环33次;

• 气压循环,在0psi~500psi之间循环,循环10次;

• 高压暴露测试,暴露在1000psi的气压环境下45个小时;

• 插拔循环测试,在水中和水面上各进行200次插拔。

本测试程序以UNDEX试验为起始点。因为这项测试是所有测试中要求最高的。本文主要侧重于UNDEX试验及其结果。

5 试验设置

5.1设备

CM2019连接器UNDEX试验是在美国弗吉尼亚州鲁特斯堡市动态测试公司(DTI)陆基测试场的一个水池中完成的。此项试验与其它试验程序和设备合并进行,以降低物流成本,便于安排试验日程。我们按照所有设备加起来的总重量做出了判断,确定适合采用标准的FSP和标准的重等级试验日程安排,所使用的试验爆炸物和喷射距离参考表2。

5.2夹具

为了夹持穿墙式连接器,设计一个如图5所示的夹具,并安装标准浮动冲击平台(FSP)的下面。将插头连接器与穿墙式连接器插合,并用一个整体连接螺母将它固定,即可完成插头连接器的安装。将配接线缆的远端从水下拽出,拉至FSP的顶部,并保持干燥,以便让进行功能性试验的连接器实现电接触,如图6所示。

图5 CM2019/2mm安装夹具

5.3仪器位置

安装连接器夹具时,要使连接器的轴线与FSP纵向平行,以模拟在潜艇上安装过程中的实际安装条件。连接器的实际深度约为水位线下7英尺。试验过程中,FSP上装有两个压力传感器、两个加速度计和一个速度测量计,以检测和记录炸药所造成的实际冲击环境。冲击试验报告附有传感器校正数据。传感器位置详见表3。

图6 UNDEX试验装置示意图

 

5.4试验设备

作为一个无源器件,待测连接器需要进行信号完整性试验,主要测试单个接触件的电连续性和相邻接触件与内电缆屏蔽层之间的绝缘电阻(IR)。注意,在连接器组件内部,这种内电缆屏蔽层要与连接器外壳相连。如功能符合下列条件,连接器应视为合格。

各条连接器电路的连续性读数为0.4欧姆或更低,其测量仪器为ISOTEK低电阻计。所有连接器电路之间以及连接器电路与屏蔽层/连接器外壳之间的绝缘电阻(IR)读数用通用无线电公司1864型兆欧表测量,应达到500兆欧或更高。

6 试验结果

首先将连接器安装到上述浮动冲击平台(FSP)的夹具上,并在将FSP放入UNDEX测试场的水池之前检验连接器的信号完整性。按照要求进行第1次爆炸,然后将FSP从水池中取出,以检查和验证连接器的信号完整性;然后再按照要求重复上述流程进行第2次、第3次和第4次爆炸。在每一种情况下,除了检查和验证连接器信号完整性外,还要检查连接器和夹具是否发生任何损伤、变形或分层现象。

在冲击试验的每次检查和验证中,连接器和夹具并未发现有任何缺陷。连接器的信号完整性完好如初,并未出现任何劣化现象。就此可以认为,该连接器组件达到了UNDEX高强度大负荷冲击试验要求。

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