QDH系列潜水航行灯的研制及LED光源在船用航行灯具中的应用

【摘要】潜水航行灯长期在水下工作，为了适应水下压力环境，灯具壳体采用硅黄铜精密铸造而成，耐压性能强，壳体零部件均考虑圆形或球形设计，能承受4.5MPa长期在水下的压力环境工作。LED光源的应用取代了传统的白炽光源，维护简单，寿命长，抗冲击，耐振动，绿色环保，安全性高，无辐射，电压范围宽，光色纯正，光束角窄，色温丰富，特别适用于船用信号灯具。

1、前言

QDH系列潜水航行灯是潜艇在水面航行发出灯光信号的专用灯具。它具有与水面舰船航行灯同样的光学特征：当潜艇在夜间航行或白天能见度较低时航行时与其他舰船相遇时，彼此根据发出的灯光信号做出准确判断和及时避让，使其安全顺利通过；当潜艇编队航行，各艇通过灯光信号保持队形前行；当潜艇或需维修停泊则发出停泊信号，使过往舰船避让航行。为潜艇的航行提供了保障。

潜水航行灯不仅具有水面舰船航行灯的功能，同时具有可以长期在水下承受海水侵蚀和深海水下的压力的特点。在这种的条件下潜水航行灯保持着可随时升上水面而正常工作的状态。

潜水航行灯技术性能符合《1972年国际海上避碰规则》和中国船级社《关于执行船用航行灯及其控制器设备检验新要求的通函》的要求。同时满足CB518-2005《潜水航行灯规范》、GJB150-86《军用设备环境试验方法》和GB4208-2008《外壳防护等级（IP代码）》的要求。

潜水航行灯重点之处-光学指标。每种航行灯的发光角度是固定的硬性指标。舰船在航行中相互避让关键依靠发光角度和灯光颜色。光学指标是潜艇能够顺利执行水面航行任务的保障。

另一重点之处潜水航行灯应具有良好的机械性能和抗腐蚀特性。不仅抗振动抗冲击同时有极强的耐压性能。可以承受深海的压力以及长期海水的侵蚀。保证灯具的质量和寿命。

为了保证潜水航行灯的光学性能以及机械性能。本公司经过精心研制、反复试验，终于研制成功完全符合标准的潜水航行灯。光源采用新型的发光二极管（LED）光源。其特点：能耗小、寿命长。灯具壳体为ZCuZn16Si4硅黄铜精密铸造而成。抗强振动和冲击、耐压性能高，可以承受深海水下压力，适合潜艇的使用。

2、任务来源

本公司生产船用灯具已有十几年的历史。“DH系列舰（船）用航行信号灯”是公司多年主要产品。在2009年度公司已对其产品升级开发。现已达到军品标准。在此基础上，公司总经理下达了研制“QDH系列潜水航行灯”的任务。

3、主要用途

安装在潜艇指挥台围壳的右侧、左侧、前方、后方及潜艇的尾部，在夜间或白天低能见度水面航行时作为灯光信号、编队航行信号和停泊信号等，适用于潜入水下400米。

4、主要技术参数

4.1潜水航行灯型号、规格

4.2使用环境温度 -30℃～+50℃。

4.3光学性能

4.3.1能见距离为3nmile时 最低发光强度为12cd

4.3.2能见距离为6nmile时 最低发光强度为94cd

4.3.3航行灯的垂直光弧：水平线上方5°至水平线下方5°至少应保证最低发光强度。既左、右舷灯、艉灯、航迹灯为12cd，桅灯、锚灯为94cd。

4.3.4各灯水平线上方从5°～7.5°和水平线下方5°～7.5°的角度内至少保证最低发光强度的60%既左、右舷灯、艉灯和航迹灯为7.2cd。桅灯、锚灯为56.4cd。

1）右舷灯水平光弧 水平光弧应在正前方至一侧正横后22.5°内显示。正前方至一侧正横后17.5°范围内，至少应保持最低发光强度12cd。在正横后17.5°～22.5°的范围内，可减弱至最低发光强度的50%发光强度6cd；正横后22.5°～27.5°的范围内，发光强度可减弱至切实断光。在正前方的另一侧1°～3°的范围内，发光强度页减弱至切实断光。从正前方至一侧正横后17.5°共107.5°的水平发光角度内，发光强度应均匀，测量的最高和最低发光强度值之比不应大于1.5。其发光角度内发光强度平均值的10%可视为断光。

2）左舷灯水平光弧 光弧分布同右舷灯，但方向与之对称。

3）桅灯水平光弧 水平光弧应在正前方至两侧正横后各22.5°，共225°范围内显示，正前方至两侧正横后17.5°的范围内，至少应保持最低发光强度94cd；在每一侧正横后17.5°～22.5°的范围内，发光强度可减弱至50%的最低发光强度47cd；在每一侧正横后22.5°～27.5°的范围内，发光强度应减弱至切实断光。从正前方至两侧正横后17.5°的发光角度内，发光强度应均匀，测量的最高和最低发光强度值之比不应大于1.5。其发光角度内发光强度的平均值的10%可视为断光。

4）艉灯水平光弧 水平光弧应在正后方至每一侧正横67.5°，共135°范围内显示。正后至每一侧正横62.5°的角度内，应至少保持最低发光强度12cd；在每一侧62.5°～67.5°的范围内发光强度可减弱至50%的最低发光强度6cd；在每一侧67.5°～72.5°的范围内，发光强度应减弱至切实断光。从正后方至两侧的正横后27.5°共125°的水平角度内，发光强度应均匀，测量的最高和最低发光强度值之比不应大于1.5。其发光角度内发光强度的平均值的10%可视为断光。

5）航迹灯水平光弧 水平光弧应在正后方至两侧共7～10±1.5°范围内显示，应至少保持最低发光强度12cd。在规定光弧的外3°处应减弱至切实断光。从正后方至两侧7～10±1.5°的发光角度内，发光强度应均匀，测量的最高和最低发光强度值之比不大于1.5。其发光角度内发光强度平均值的10%可视为断光。

6）锚灯水平光弧 水平光弧应在360°范围内显示，至少保持最低发光强度94cd。在360°发光角度内，发光强度应均匀，测量的最高和最低发光强度值之比不大于1.5。

4.4潜水深度：400m（可承受4.5MPa）。

5、设计指导思想

一个产品在开发过程中，设计指导思想的正确性决定该产品研制后的整个性能是否先进。因此在研制初期首先确定一下指导思想：

5.1确保满足国家标准、船级社通函各项技术指标要求。5.2严格按照质量体系的要求，贯穿在设计、采购、研制、试验等各环节中。5.3在设计过程中严格按设计程序进行。

6、研制过程

QDH系列潜水航行灯严格按照军品设计科研流程进行。

6.1方案论证与方案设计

方案论证与方案设计在2009年12月开始。在09年度已完成开发研制DH系列军舰用航行信号灯的任务。公司决定开发研制QDH系列潜水航行灯。

6.1.1潜水航行灯不仅执行国家船舶行业标准CB518-2005《潜水航行灯规范》同时要满足军标GJB150-86军用设备环境试验方法相关要求。6.1.2方案设计在对同类产品进行了一定范围的调研和测绘。现有的同类产品采用传统的白炽灯泡作为光源。而在科技高速发展的21世纪，提倡节能减排的今天，显然已经落后了。因此在光源上采用能耗小、长寿命的发光二极管（LED）替代传统光源。灯具的机械性能要符合军标的要求。（抗振动抗冲击耐压等）

6.2光学设计

灯具的光源采用“LED”。经过对供应商提供的“LED”产品反复试验和比对，最终选用了美国科锐（CREE）公司的Xlamp系列高光效、长寿命的LED产品。其光源具有能耗小、光色纯正、免维护的特点。光衰为70%时的平均寿命为50000小时。光学系统由透镜、遮光罩、光源组成。潜水航行灯中的右舷灯为绿色、左舷灯为红色、其他各灯为白色。可以选用相对应颜色的发光二极管分别安装在各灯上。LED光色就决定了灯光的颜色。各种灯光色度坐标应符合国际照明委员会（CIE）为各种颜色所规定的色度坐标区域界限以内。各灯水平光弧不同。发光二极管在各灯内管数分布相应不同。遮光罩的外型尺寸对光照角度内的光强影响很大，特别是舷灯的正前方，断光角度要求严格，从正前方最低光强位置到断光位置仅有3度，较难控制。而正横后最低光强位置到断光位置共有10度。相对易控制。对此进行了多次的试验和修改。终于达到了要求。既保证了3度的断光与正前方的最低光强，同时也满足最高光强与最低光强的比值小于1.5。经过了一段时间的反复设计、修改、制造、检验，光学性能满足了标准要求，达到了设计目的。

6.3样机试制

设计图纸按设计程序进行审核、修改后进入了样机试制。在试制中严格控制加工件，逐一检查，剔除超差件。外购件按进厂检验规范执行，保证进厂均为合格品。样机制造后在公司内对每一台灯具进行了光学测试，符合要求。同时进行了耐压试验，符合要求。经过一段时间完成了QDH系列灯具的研制。

7、可靠性与维修性说明

7.1可靠性

根据可靠性设计理论，降低系统的复杂程度，零部件的降额使用，可以提高产品的可靠性。

7.1.1降低系统的复杂程度 在潜水航行灯的结构中尽量减少零件数量：主体件采用铸件一次成形。光源部分由各件组成发光组件，减少设备的失效率。

7.1.2零部件的降额使用 各种零部件的使用条件，直接影响零部件的失效率。在QDH系列潜水航行灯中，尽可能地使用高性能零件。

1）主体材料采用ZCuZn16Si4硅黄铜精密铸造而成。抗拉强度 σb=345Mpa，铸件经致密化处理，提高致密性，耐压性优良。2）直接影响光学性能的透镜，采用硅酸盐耐热玻璃压制而成。玻璃具有优良的透光性、抗压强度高、硬度高，化学稳定性高，抗酸碱耐腐蚀。缺点是 抗拉强度低，脆性大。在潜水航行灯中采用拉杆夹紧方式固定透镜，呈受压状态。潜入水下灯具处于受压的状态。正是扬长避短，利用其优点。3）用于密封、减振作用的橡胶件，采用材料综合性能优良的氯丁橡胶制造。氯丁橡胶具有优越的耐天候性，能长期耐阳光、水和臭氧，置于室外三十年其化学性能不会发生明显下降，适应长期使用环境温度-40°C～120°C，最高使用温度150°C，而灯具的最高表面温度不超过70℃，余量充足。该橡胶密封性能优良，邵氏硬度可在20～95度之间调整，硬度适中时回弹性相当好。而且耐酸碱、耐磨性、耐油性都非常优良。4）金属表面涂装。主体材料采用ZCuZn16Si4硅黄铜，其本身就是具有极强的抗腐蚀材料。对它表面又进行涂装处理，涂装工艺时表面进行喷塑处理，涂层材料采用满足海洋环境及长期潜入海水中要求的塑粉。表面喷塑增加了灯具的抗腐蚀性能，延长灯具的使用寿命。

7.1.3可靠性预计

通过对研制的潜水航行灯进行各项型式检验以及光学性能检测、色度坐标检测等试验。积累了一定的可靠性数据。

灯具主要由灯体、透镜、光源部分组成。各部分可靠性分析如下：

灯体部分是金属材料精密铸造而成，具有较高的机械强度，在同等条件下使用不会失效。

透镜上下两端面装有减振橡胶垫圈，由拉杆夹紧。主要目的起到了抗冲击和耐振动的性能，以及灯具的防护性能。同时透镜在设计上考虑了冲击振动的要求。正常使用条件下也不会失效。

光源即发光二级管（LED）安装在灯具内部，在散热方面的设计受到温度应力、电应力等影响存在一定不稳定因素较多。因此光源是其中最薄弱环节。只需对光源进行可靠性预测计算即可。

可靠性计算详见《QDH系列潜水航行灯可靠性计算书》，计算结果为1.92×104h，满足QDH系列潜水航行灯《设计开发计划书》MTBF不小于30000小时的要求。

7.2维修性

7.2.1维修性设计

所谓维修性，是指可修复的产品在给定的条件和规定的时间内进行维修的难易程度，维修性与可靠性时密切相关的，提高可靠性的目的是为了减少对维修的依赖，提高维修性又是对可靠性的必要补充。只有可靠性和维修性俱佳的产品其在必要的工作时间内有效利（可用度）才会更高。维修性设计与性能设计、可靠性设计、安全性设计同时进行综合考虑。设计中采用的光源是美国科锐（CREE）公司的Xlamp系列高光效、长寿命的LED产品。它的寿命可达5万小时（光衰70%时）基本上免维护。

灯具的光源体现在由安装盘、导柱、铝基柱、发光二极管及电气系统组成的发光组件。由于采用了新型光源和外壳连接结构，从而在满足光学性能和机械性能的基础上，充分考虑到更换光源和维修过程的便利程度。在需要更换光源时，将发光组件的安装盘与底壳4个连接螺钉松开，将新的发光组件换上即可。从而达到了可靠性和维修性相对互补。

7.2.2维修性评估结论

该灯具更换光源方便，更换时间≤30分钟，维修性能好。

8、性能测试及相关试验

8.1光学性能测试

根据国家船舶行业标准CB518-2005《潜水航行灯规范》和中国船级社《关于执行船用航行灯及其控制器设备检验新要求的通函》要求。委托国家电光源质量监督检验中心对QDH系列潜水航行灯进行光学性能测试，结果满足标准要求，合格，详见测试报告。

8.2相关试验

根据国军标GJB150-86《军用设备环境试验方法》的有关规定和试验程序，委托《中国船舶重工集团公司第七0四研究所》对研制QDH系列潜水航行灯进行了高温试验、低温试验、湿热试验、霉菌试验、盐雾试验、振动试验、冲击试验、倾斜和摇摆试验，结果合格，详见测试报告。

根据国军标GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》委托《中国船舶重工集团公司第七0四研究所》进行电磁兼容性测试，结果合格，详见测试报告。

根据国家标准GB 4208―2008外壳防护等级（IP代码）委托《中国船舶重工集团公司第七0四研究所》进行外壳防护试验，结果合格，详见测试报。

9、结束语

QDH系列潜水航行灯经过设计开发、试制和多项试验证明，该系列灯具完全满足国家船舶行业标准CB518-2005《潜水航行灯规范》以及中国船级社《关于执行船用航行灯及其控制器设备检验新要求的通函》要求，并且满足国军标GJB150-86《军用设备环境试验方法》中高温、低温、湿热、霉菌、盐雾、振动、冲击、倾斜和摇摆的有关规定。满足国军标GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》的电磁兼容要求。满足国家标准GB 4208―2008《外壳防护等级（IP代码）》防护型式要求。灯具可靠性强，维修方便，适合潜艇安装使用。