黄刘宏,贺永胜,李跃波,刘锋,何为

(总参谋部工程兵科研三所,河南洛阳 471023)

爆炸震动对整体隔震电磁屏蔽室屏蔽效能的影响

黄刘宏,贺永胜,李跃波,刘锋,何为

(总参谋部工程兵科研三所,河南洛阳 471023)

为解决电磁屏蔽室在爆炸引起的地冲击震动下屏蔽效能严重下降的问题,结合自有专利技术的隔震器,设计建造了整体隔震电磁屏蔽室,并利用野外化爆试验及屏蔽效能测试,研究爆炸冲击震动对整体隔震电磁屏蔽室屏蔽性能的影响。测试结果表明,在累计装药量160 kg的多炮次爆炸冲击震动下,尽管输入的震动加速度峰值高达115m/s2,但采取了整体隔震措施的屏蔽室底板加速度响应峰值仅18m/s2,有效地减轻了冲击震动对屏蔽室的不利影响,实现了所设计的电磁屏蔽室屏蔽效能不出现较大损失,仍满足Ⅰ级屏蔽指标的要求。

电磁学；爆炸震动；整体隔震；电磁屏蔽室；屏蔽效能

0 引言

当前,在防护工程领域,电磁屏蔽室是应对核与非核电磁脉冲防护的关键设施,但由于电磁屏蔽室大多均为焊接式,在爆炸引起的强烈冲击震动下,极易导致屏蔽室的焊缝开裂,甚至变形损坏。这无疑将引起屏蔽室屏蔽性能的下降,甚至完全丧失电磁脉冲防护功能,因此研究解决屏蔽室的爆炸震动防护问题就显得极为迫切。但目前开展此方面的研究很少,经过国内外资料检索,仅卢红标等[1]和邱艳宇等[2]通过野外爆炸震动试验,研究了钢板屏蔽室在爆炸震动下的动力特性和屏蔽效能的变化。其试验结果表明,拼装式钢板屏蔽室屏蔽效能受爆炸震动的影响强烈,其14 kHz时门缝处屏蔽效能最大降幅达44.2%;焊接式结构强度高,影响相对较小,但屏蔽效能最大降幅也达24.7%.其研究结果给出的屏蔽效能测试仅选择了14 kHz和450 MHz两个频点,对于常规屏蔽室一般需检测的吉赫频段而言,此时电磁波波长较短,更易从开裂的缝隙耦合进入屏蔽室内部,其屏蔽效能很可能下降得更多。

此外,目前防护工程中对有隔震要求的屏蔽室采取的均是在屏蔽室内部设置隔震地板,这种做法导致隔震和电磁防护两个专业在施工工序上多有交叉,并且只能实现对内部人员和设施的震动防护,更不利的是隔震器的安装固定破坏了屏蔽室底钢板的完整性,对整体屏蔽性能产生不利影响。

为解决上述问题,本文首次提出对电磁屏蔽室采取整体隔震的措施,即通过合理的结构设计和布局,将具有自主专利技术的隔震器应用于整个屏蔽室的底部和周侧,从而达到整体隔震的目的。同时,通过多炮次的野外化爆试验,分析了实测爆炸波峰值及其对屏蔽室屏蔽效能的影响,研究结果表明了采取整体隔震措施的有效性和可行性。本文的研究结论对大幅提高屏蔽室抗爆炸冲击震动的能力,实现在一定当量的触地爆条件下,对防护工程内部特定区域电磁屏蔽室屏蔽效能的指标要求奠定了基础。

1 试验概况

1.1 整体隔震电磁屏蔽室

整体隔震电磁屏蔽室的设计需兼顾隔震器的安装和屏蔽体外龙骨的需要,经考虑应建造为全钢框架结构,在钢框架与工程结构的底部和周侧均设置隔震装置,从而实现“立体隔震”,在钢框架内侧则全铺钢板并满焊从而构成一个完全密闭的六面屏蔽体[3-4]。

经综合设计,实际建造的屏蔽室壳体尺寸为5.8m×3.8m×1.9m,屏蔽钢板为2 mm厚的冷轧钢板,板间缝隙均利用CO2气体保护焊的方式密焊。按通用电磁屏蔽室的配置,屏蔽壳体上安装屏蔽门(门框尺寸650mm×1 150mm)一樘,10 A电源滤波器(尺寸300mm×120mm×50mm)一个,300mm× 300mm通风波导窗两个,为安装及检测方便均安装在屏蔽壳体的朝外一侧侧墙上。因为试验目的是测试爆炸震动对屏蔽室屏蔽效能的影响,屏蔽壳体内部未装修,仅通过电源滤波器的接入实现了内部供电。屏蔽体外侧为H型和T型钢焊接构成的钢框架,同时也是屏蔽壳体的外龙骨,在钢框架底部和周侧设计安装了自有专利技术的YGG型非线性鼓形和FGG型长条形钢丝绳隔震器[5-6](改进版)。整体隔震屏蔽室立面图及焊接安装完成后的实物照片如图1和图2所示,图1中D为布设的位移传感器。

图1 整体隔震屏蔽室立面图Fig.1 Elevation of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation

图2 整体隔震屏蔽室实物照片Fig.2 Photo of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation

1.2 装药及炮孔布置

化爆试验的炮孔设置在整体隔震屏蔽室外侧混凝土被覆结构的土体内,经综合考虑,采用了分设2个或3个炮孔分别装药的方法。由于爆炸会在场地土中形成较大的空腔,为保证每个炮次之间互不影响,在每炮次试验完成后,均先用机械洛阳铲打通原炮孔,再用场地土对炮孔进行填塞,适当辅以机械夯实,使结构周围的场地介质土尽量恢复原状,然后再进行下一炮孔的钻取。

试验共放3炮,编号分别为10号、11号和13号(炮孔位置亦按此编号),各炮装药量及装药深度为: 10号,2点等量TNT装药合计60 kg,埋深8.5 m; 11号,2点等量TNT装药合计70 kg,埋深9m;13号, 3点等量TNT装药合计30 kg,埋深3m.化爆试验炮孔布置见图3.

图3 化爆试验炮孔布置Fig.3 Arrangement of blast holes

1.3 屏蔽效能测试

对整体隔震电磁屏蔽室屏蔽效能的检测依据GB/T 12190—2006电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法[7],具体测试工作由具有资质的总参军训部防护工程计量测试站进行。该站的电磁屏蔽室屏蔽效能检测装置由功率信号源、收发天线、频谱仪及其他辅助设施组成,选取的测试频点为14 kHz、100 kHz、200 kHz、15 MHz、450 MHz、950 MHz、3 GHz、6 GHz、10GHz.其中前4个频点为低频测量,使用具有静电屏蔽的小环天线,后5个频点为高频测量,其中450MHz和950 MHz使用偶极子天线,其余3点使用宽带双脊喇叭天线。按照GB/T 12190—2006之规定,在分别采用上述频点进行测试时需依据测试天线的不同,设定不同的测试距离,具体测试配置如图4所示。

结合GB/T 12190—2006的规定和整体隔震屏蔽室设备安装实际,屏蔽效能测点均选定在其临空一侧的侧墙上。测点布置及现场照片见图5.由于屏蔽门尺寸较小,在对其进行小环天线磁场测试时仅在门各边中点选择一个测点(测点1～4),电源滤波器安装孔位置为测点6,上下两个波导窗中心位置为测点7和测点8.使用偶极子和喇叭天线测试时为平面波照射,可辐照整个屏蔽设备安装区域,故仅选取门中心为测点5.另外,按隔震设计,在被覆结构的底部和顶部中央,整体隔震屏蔽室壳体底板和顶板中央等位置均布置有一定数量的加速度和位移传感器,以测量相关震动参数。

图4 屏蔽效能测试示意图Fig.4 Schematic diagram of shielding effectivenessmeasurement

图5 屏蔽效能测点布置Fig.5 Positions of test points for shielding effectiveness

2 测试结果及分析

2.1 加速度峰值及脉宽测试结果

表1给出了3个炮次时,被覆结构的底板、整体隔震屏蔽室底板和顶板中央处的加速度峰值及脉宽(为说明问题,仅列出部分测点的测试数据)。以装药量较大的11号炮次为例,图6(a)和图6(b)为被覆结构底板和屏蔽室底板中央加速度实测波形。从中可以看出,化爆引起被覆结构底板冲击加速度峰值达115m/s2,而整体隔震的屏蔽室底板加速度第1个峰值只有12 m/s2,第2个峰值为18 m/s2,幅值降低可高达89.6%,同时受隔震器位移变形耗能作用的影响,脉宽增长了5倍。这充分说明所采取的整体隔震措施,极大地减轻了爆炸地冲击所引起的屏蔽室的震动,进而也会减轻冲击震动对屏蔽室刚性焊缝及其他薄弱连接部件的不利影响,降低焊缝撕裂与连接部件开裂的风险。

表1 加速度峰值及脉宽测试结果Tab.1 Acceleration peak values and lasting time

图6 11号炮次时加速度实测波形Fig.6 Measured waveforms of acceleration for 11#

此外,在周侧隔震器的作用下,相比于屏蔽室底板,其顶板的加速度峰值,尤其是脉宽未出现明显的放大作用[1],这是未采用整体隔震的屏蔽室所不具有的特征,有助于解决屏蔽室顶部照明通信电源、消防等滤波器和内部吊顶等设施在剧烈震动下易损坏的问题。

2.2 屏蔽效能测试结果

电磁屏蔽效能是表征屏蔽体对电磁波衰减程度的重要指标,其定义为屏蔽前某点的场强与屏蔽后该点场强之比[8],表示为

式中:E0、H0分别为屏蔽前某点的电场强度与磁场强度;ES、HS分别为屏蔽后某点的电场强度与磁场强度。化爆试验进行了3次,屏蔽性能测试则进行了4次,其中第一次为屏蔽室焊接安装完毕,爆炸试验未开始之前,之后每次爆炸后均进行测试。经整理,图7(a)～图7(h)给出了前述8个测点4次屏蔽效能的测试结果。经过分析,可以看出:

1)屏蔽门门缝上的4个测点(测点1～4)在14 kHz～15MHz频率范围内的变化规律基本相同,均表现为14 kHz和200 kHz处屏蔽效能随炮次的增加而逐渐降低,最大降幅为20.5%(在14 kHz测点1处);100 kHz处屏蔽效能小幅起伏,变化较小; 15MHz处屏蔽效能随炮次的变化规律不明显,但总体上是反有提高,最大提升11.6 dB.由于屏蔽门门缝采用的是指状铍铜簧片与门框铜板压接,因此在爆炸震动下,簧片变形及压接状况发生改变进而改善部分频点的屏蔽效能是很可能的。

2)测点5为屏蔽门正中央,采用450 MHz～10 GHz的点频平面波照射,其测试结果可代表整个屏蔽室在此频率范围内的屏蔽效能。从曲线上看,各频率点基本均表现为屏蔽效能随炮次的增加而小幅降低,最大降幅9.9%,可认为受爆炸震动的影响较小。

3)测点6为电源滤波器的安装位置,在14 kHz处屏蔽效能随炮次的增加而降低,降幅19.7%;其他频率处的测试值小幅起伏,变化幅度不超过5 dB,可认为受爆炸震动的影响较小。究其原因,应该与滤波器的安装方式有关。不同于屏蔽室绝大部位均采用焊接方式,滤波器的安装是通过在屏蔽壳体上开孔,两边加隔铜丝网衬垫后用螺钉拧紧固定的,因此相对于刚性焊缝,其受冲击震动的影响要小。

图7 不同测点处的屏蔽效能测试结果Fig.7 Shielding resultsmeasured at different test points

4)测点7和测点8分别为上、下两个通风波导窗的中心位置,从曲线变化规律上看,二者也非常相似,均表现为在14 kHz时屏蔽效能随炮次的增加而降低,并且降低的幅度较大,分别为30 dB和15 dB,降幅达28.7%和15.9%,这说明所采用的成品通风波导窗抗冲击震动的能力偏弱。分析其原因,这与通风波导窗的制造构成有关。波导窗的板芯是由多个六角形蜂窝截止波导单元构成,单元间的导电连接依赖于表面连续的化学镀层(多镀镍或锡),但波导单元与连接镀层结构受力上偏弱,同时波导板芯与周边边框的搭接也易受震动的影响。这也说明今后在选用成品通风波导窗时应对其抗震性能提出相应要求。

从现场测试来看,尽管可以知道哪些测点处的屏蔽性能降低,但经过仔细检查并没有发现肉眼可见的裂缝。同时多个炮次的冲击震动存在叠加效应,对裂缝的形成和发展的影响难以预计,因此可以看到部分测点处的测试值出现与测试次数顺序不符的涨落,表现出了无规律的变化特征。

总体而言,尽管经过了数个炮次的重复冲击震动,个别炮次装药甚至高达70 kg,整体隔震屏蔽室的屏蔽性能出现了一定程度的下降,但仍能满足Ⅰ级屏蔽室的指标要求[9]。这表明安装在结构底部和周侧的钢丝绳隔震系统对屏蔽室确有较好的减震作用,能够在一定当量的爆炸冲击震动下维持其屏蔽性能。

3 结论

本文通过多炮次的野外化爆试验,研究了爆炸冲击震动对整体隔震屏蔽室屏蔽性能的影响。研究结果表明,在60 kg、70 kg和30 kg 3种不同装药量的化爆冲击震动下,尽管输入的震动加速度峰值高达115m/s2,但采取了整体隔震措施的屏蔽室底板加速度峰值最大仅18m/s2,有效地减轻了冲击震动对屏蔽室的影响,实现了屏蔽效能仍满足Ⅰ级屏蔽指标的要求。需要说明的是,受客观条件的限制,野外化爆试验次数偏少,并且受装药量及埋设位置等多因素的影响,对爆炸输入的冲击波加速度峰值不能准确控制,这在后续试验时应加以考虑改进。

致谢:文中野外测试及数据整理得到了杜建国研究员和陈荣华工程师的协助,在此表示感谢。

References)

[1] 卢红标,程怡豪,严东晋,等.爆炸震动下钢板屏蔽室动力特性及屏蔽效能实验[J].解放军理工大学学报:自然科学版, 2012,13(4):408-413.

LU Hong-biao,CHENG Yi-hao,YAN Dong-jin,et al.Test of dynamic characteristics and shielding effectiveness of steel shield chamber under blast ground shock[J].Journal of PLA University of Science and Technology:Nature Science Edition,2012,13(4): 408-413.(in Chinese)

[2] 邱艳宇,赵帆,严东晋,等.钢板屏蔽室爆炸震动抗震性能试验研究[C]∥第二届全国工程安全与防护学术会议论文集.北京:中国岩石力学与工程学会,2010:823-826.

QIU Yan-yu,ZHAO Fan,YAN Dong-jin,et al.Test research on anti-vibration performance of steel shielded enclosure against blasting vibration[C]∥Proceedings of2ed National Conference on the Safety Protection of Engineering Structures.Beijing:Chinese Society for Rock Mechanics and Engineering,2010:823-826.(in Chinese)

[3] 谢清粮,韩鹏飞,张洪海,等.整体隔震模型试验的相似设计[J].防护工程,2008,30(2):39-42.

XIE Qing-liang,HAN Peng-fei,ZHANG Hong-hai,et al.The experimentmodel scale design for the vibration isolation of the entire construction[J].Protective Engineering,2008,30(2):39-42. (in Chinese)

[4] 杜建国,谢清粮,冯进技,等.不同爆炸冲击震动输入对整体隔震系统隔震效果的影响[J].爆炸与冲击,2010,30(3):276-282.

DU Jian-guo,XIE Qing-liang,FENG Jin-ji,et al.Effect of different explosion or shock seismic inputs on efficiency of a whole vibration-isolating system[J].Explosion and Shock Waves,2010, 30(3):276-282.(in Chinese)

[5] 李伯松,贺永胜,杜馗,等.鼓形斜夹式钢丝绳隔震器:中国, ZL02267872.7[P].2003-07-16.

LIBo-song,HE Yong-sheng,DU Kui,et al.Drum-shaped obliqueclip steelwire rope shock isolator:China,ZL02267872.7[P]. 2003-07-16.(in Chinese)

[6] 李伯松,贺永胜,杜馗,等.双捻向钢丝绳隔震器:中国, ZL200520030540.0[P].2006-09-06.

LIBo-song,HE Yong-sheng,DU Kui,et al.Double-twist steel wire rope shock isolator:China,ZL200520030540.0[P].2006-09-06.(in Chinese)

[7] 信息产业部电子工业标准化研究所.GB/T 12190—2006电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法[S].北京:中国标准出版社,2006.

China Electronics Standardization Institute.GB/T 12190—2006 Method formeasuring the shielding effectiveness of electromagnetic shielding enclosures[S].Beijing:China Stranded Press,2006. (in Chinese)

[8] Guru B S,Hiziroglu H R.Electromagnetic field theory fundamentals[M].2nd ed.England:Cambridge University Press,2004.

[9] 周璧华,高成,石立华,等.人防工程电磁脉冲防护设计[M].北京:国防工业出版社,2006.

ZHOU Bi-hua,GAO Cheng,SHI Li-hua,et al.Design to protect civil air defenseworks againstelectromagnetic pulse[M].Beijing: National Defense Industry Press,2006.(in Chinese)

Influence of Blast Shock on Shielding Effectiveness of Electromagnetic Shielded Enclosure w ith Integral Shock Isolation

HUANG Liu-hong,HE Yong-sheng,LIYue-bo,LIU Feng,HEWei
(The Third Engineer Research Institute,the Headquarters of the General Staff,Luoyang 471023,Henan,China)

Shielding effectiveness of electromagnetic shielded enclosure would be decreased by blast shocks.An electromagnetic shielded enclosurewith the shock isolatorwith own patented technology is designed and constructed.The field blasting and shielding performance tests are conducted to study the effect of blast shock on the the shielding effectiveness of electromagnetic shielded enclosure with integral shock isolation.The results show that the vibration acceleration of electromagnetic shielded enclosurewith integral shock isolation is only 18m/s2although the input vibration acceleration peak is up to 115m/s2under the blast shocks of160 kg cumulative charge.Thismeans that the integral shock isolation effectively reduces the impact of blast shock on electromagnetic shielded enclosure.The electromagnetic shielded enclosuremeets the requirement of GradeⅠ.

electromagnetics;blast shock;integral shock isolation;electromagnetic shielded enclosure; shielding effectiveness

O441.5;TB535.1

A

1000-1093(2014)12-2072-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.020

2014-03-18

武器装备军内科研条件建设项目(2013年)

黄刘宏(1983—),男,助理研究员。E-mail:infirstime@163.com;

贺永胜(1969—),男,高级工程师。E-mail:704132755@qq.com