超大型綜合環境試驗系統設計

周 芳，陳良勇，陳津虎，牛建朝

（北京強度環境研究所，北京，100076）

超大型綜合環境試驗系統設計

周 芳，陳良勇，陳津虎，牛建朝

（北京強度環境研究所，北京，100076）

隨著綜合環境試驗技術認可度的提高，許多型號的大型系統級產品的綜合環境驗證試驗需要設計建設容積100 m3以上的超大型綜合環境試驗系統來滿足產品的考核需求。超大型綜合環境試驗系統需要從箱體結構、設備性能指標、地基基礎和懸吊支撐系統4個方面入手，并結合氣候環境、結構強度和廠房建筑等多學科專業知識，設計超大型綜合環境試驗系統建設完成后經使用證明，其模塊拼接的使用方式，可以提供不同規格設備間的多種組合使用模式，與初期的設計預期相符，是一種值得推廣使用的綜合環境試驗系統構建模式。

綜合環境；箱體結構；試驗系統

0 引 言

綜合環境試驗系統是進行航天軍工產品可靠性試驗的必要設備，系統主要包括綜合環境試驗箱和振動系統，系統構成后能夠實現溫度、濕度、振動3種應力的同時施加，滿足戰略戰術導彈武器系統、航天運載器、飛機等武器裝備的環境模擬考核需求，在型號研制中得到廣泛應用和認可[1]。歷經近30年的發展，中國已具備大量綜合環境試驗系統，通常，按照使用容積可分為：4 m3及以下容積的小型試驗系統，可開展單機級產品試驗；4～20 m3的中型試驗系統，可開展戰術導彈半彈和VXI機箱類產品；20～40 m3的大型試驗系統，可開展戰術全彈及車載、艦載測試機柜。隨著可靠性試驗技術的日趨成熟，近年來，以戰術導彈箱彈系統、新興的艦面垂直發射系統、大型艦面控制裝置為代表的、長度超過10 m、高度超過3 m、總質量超過6 t的大尺寸產品，陸續提出了全系統、多剖面、多點并激的可靠性試驗驗證需求。現有的中型、大型綜合環境試驗系統難以應對迅速發展的型號需求，需要在現有大、中型多用途組合式綜合環境試驗系統的基礎上，進一步建設超大型通用化綜合環境試驗系統，以滿足當前大型武器系統的綜合環境試驗考核需求，并預留拓展空間，滿足未知型號的試驗需求。

1 超大型綜合環境試驗系統核心建設思想

超大型綜合環境試驗設備即使用容積超過100 m3，最大可提供3臺16～30 t振動臺并激，滿足整車、整彈全武器系統驗證需求的試驗系統。在此設備建設構思過程中，需要解決的核心問題是通用性的問題，即如何構建一套大型綜合環境試驗設備，使其滿足不同外形、不同質心和不同激勵要求的大尺寸產品的綜合環境（溫度、濕度和振動綜合應力）試驗要求，且同時滿足安裝過程的簡便性和安全性。

通常情況下，綜合環境試驗系統由試驗箱和振動臺兩部分組成。但是，當產品需要采用多點激勵方式施加振動應力，或是產品質量超過振動臺系統承載能力時還要通過柔性吊裝和機械解耦裝置為這些設備和裝置提供合理的接口，這就使得綜合環境試驗設備必須預留多個活動接口。這些接口的使用狀態和非使用狀態的密封方式轉換決定了超大型綜合環境試驗設備的構建要從箱體結構、設備性能指標、箱體基礎建設和懸吊支撐系統4個方面以模塊式拼接及立體空間思維方式綜合考慮，在滿足快速發展的產品試驗需求的同時，保證10～20年的行業領先地位。

2 超大型綜合環境試驗系統設計思路及建設效果

2.1 發展現狀及未來目標

從20世紀40年代以后，為了適應航空、航天、兵器及其它產品的發展，國外先后建立了各種類型和不同規模的環境模擬設備和實驗室。其中具有代表性的是美國麥金利試驗室和俄羅斯的國家火箭中心試驗基地。麥金利試驗室主模擬室容積為93 000 m3（長76 m、寬61 m、中心高21 m），附屬面積為18 m×26 m，在主模擬室內可以進行不同規模的試驗。

俄羅斯的國家火箭中心，擁有水平式箱體和垂直式箱體可以開展試驗。水平式箱體尺寸為20 m×4 m× 4 m，垂直式箱體尺寸為4.5 m×9 m×12.2 m，箱內溫度測量范圍為-70～120 ℃，誤差為±3 ℃，相對濕度20%～90%（在40～60 ℃時）。

中國的環境考核驗證試驗技術已經開展了近30年，目前航天、航空和兵器研制、試驗單位擁有各類型試驗系統。其中常見的大型試驗水平系統箱體尺寸約為10 m×3 m×2.5 m，箱內溫度測量范圍為-70～100 ℃，誤差為±3 ℃，相對濕度20%～95%（20～60 ℃），在溫、濕度應力施加的同時由2臺10 t推力振動臺提供振動應力。

由此可見，相較于國外設備，中國的設備針對性更強，更多以小型戰術全彈為試驗對象，發展空間受限。故確定超大型綜合環境試驗系統需具有以下能力：

a）箱體結構：整箱容積224 m3，箱內尺寸為16 m×4 m×3.5 m。

b）設備性能指標[2]：

1）溫度范圍：-70～180 ℃；

2）溫度控制精度：±2 ℃；

3）溫度變化率：5 ℃/min。

4）濕度范圍：20%～95%（20～850 ℃）；

5）濕度控制精度：±3%；

6）箱體基礎建設：箱體基礎采用鋼混結構，可為主流的5 ～30 t振動臺提供支持和接口。

c）懸吊支撐系統：采用移動橫梁組成的額定載荷5×6 t的懸吊系統。

2.2 試驗箱設計

試驗箱采取落地方式設計，整體框架結構，底板承重為600 kg/m2，頂部架設圍欄。為提高試驗箱的運行效率，滿足不同外形尺寸產品的試驗空間使用要求，避免能源浪費，試驗箱內部設雙層隔斷門，可以將試驗箱分割為獨立的A、B、C 3個部分（見圖1）。試驗箱可實現A、B、C單箱運行，AB、BC雙箱運行和ABC整箱運行3種運行模式。試驗箱配備了多級復疊式機組，可以實現單級獨立工作或多級同時工作，實現設備不停機維修的要求。

2.2.1 結構空間

試驗箱內部設隔斷門，隔斷門可拆卸，可以將試驗箱分割為獨立的3部分。通過調整隔斷位置，可使試驗箱容積實現56～224 m3共5種狀態切換，以滿足不同外形尺寸產品的試驗需求。試驗箱運行模式相應可以分為單箱運行、雙箱運行和整箱運行3種運行模式。隔斷門具有隔熱和密封性能。雙箱或整箱使用時，保證各試驗箱間溫度、濕度不相互滲漏（最大允許溫差達到100 ℃）。

2.2.2 開門方式

大型試驗產品在試驗過程中通常采用行吊完成試品的裝配工作，常規綜合環境試驗箱采用前開門方式，使得吊車和專用吊具吊裝時，無法避免地與試驗箱頂板干涉，出現“歪拉斜吊”現象，大大提高了大型試驗件的安裝難度和危險系數。本次試驗箱的設計過程中采用了三面開門方式，分別為頂門、大門和側門。作為獨立試驗箱使用時各門都可以獨立開啟關閉，各試驗箱之間互不干涉，可以獨立運行。大門和側門為常規設計開門，頂門開啟方式首次設計并應用實施，由廠房行吊開啟，無需人力搬運。

2.2.3 頂部開槽吊裝

試驗箱頂部門板中央開槽，開槽位于試驗箱使用空間中央。使用時可以手工開啟放入吊鉤，用于產品吊裝。不使用時可以滿足試驗箱的隔熱和密封要求，不影響試驗箱技術指標。

2.2.4 底 部

試驗箱底板開通槽，預留放置5～30 t推力振動臺臺面面積。通槽上采用拼接式的密封方式進行密封，可以實現振動臺在試驗箱長軸方向任意位置的安裝使用要求。設計開槽尺寸長度分別滿足大于3 000 mm和5 000 mm的要求，與振動臺基礎“凸”字形預留空間相匹配，并與頂部吊孔和底部開槽位置對應。沿開槽方向在試驗箱內部設計承力軌道，承載設計為5 t/m，便于試驗過程中的產品放置。

2.2.5 透波窗

通常情況下由于試驗箱體內壁多采用彩鋼板類金屬結構制造，導致光學或微波類產品測試時，易受到箱壁反射和折射現象干擾，難以滿足測試精度要求。為了滿足這一要求，在試驗箱側壁設計安裝可替換觀察窗，必要時替換為具有全頻段透波功能的鍍膜透波材料，覆蓋多種類產品試驗的測試需求。

2.2.6 溫度、濕度控制系統

按照GB/T 5170.2—2008《電工電子產品環境試驗設備檢驗方法 溫度試驗設備》[3]中的規定，試驗箱指標見表1。

表1 試驗箱指標

為保證溫度控制穩定性，設備運行的關鍵制冷負荷主要包括以下部分[4]：箱內空氣循環熱負荷Q1，補充新空氣熱負荷Q2，箱體結構熱負荷Q3（含導軌和箱內壁材料），被測物體熱負荷Q4（單箱使用時3 000 kg鋁負載），風扇熱負荷Q5，蒸發器熱負荷Q6。總負荷Q總=（Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6）×1.2（保險系數）

根據計算得到的耗冷量，試驗箱制冷系統采用5組共8套復疊式機組構成，制冷劑選用R404A和R23。試驗箱內溫度控制方式通過強制循環通風完成。

在控制方式上采用3套獨立的控制系統，分別安裝在3個電控箱內，可以單獨使用，也可以組合使用（不能實現AC組合）。組合使用時，其中一套控制器為主動控制，其余的為協同控制，即在使用時，操作主動控制面板，再通過主動控制器將指令傳遞給協同控制器，協同控制器通過主動控制器的指令來完成箱體的控制。控制屏安裝在箱體上的正面并設置有急停開關，根據條件判斷A、B、C箱壓縮機的啟動。同區壓縮機的啟停可以做延時啟動，不同區的壓縮機不能保證延時啟動。

2.3 地基基礎設計

大型綜合環境試驗系統與通常情況下的步入式試驗箱對于地基設計要求不同，由于試驗箱下部需要預留振動臺安裝、調試和維修空間，地基設計復雜。而綜合環境試驗實施過程中，根據不同產品所需的振動“推力”不同，需要提供5 t、10 t、16 t乃至30 t等不同推力振動臺，地基基礎使用空間要滿足最大空間使用需求。

因此，地基基礎設計要解決兩部分問題：

a）解決試驗箱自重結構承載和系統穩定性問題，為此地基基礎采用鋼筋混凝土編織澆筑完成，強度滿足承載力140 t要求。地基設計為“凸”字形，基礎總體深度2 500 mm（滿足30 t振動臺使用要求），預留寬度與試驗箱匹配，全長大于20 m。試驗箱底板裝配于“凸”字形上表面，并與預設鋼筋編織橫梁和接口焊接，分散試驗箱自身載荷質量，使其大部分分布于地基，確保結構不變形。

b）解決振動臺系統減震、隔離、更換和固定問題，在“凸”字形地基內部設計振動臺基礎，基礎預留空間可滿足5～30 t振動臺的安裝使用，振動臺基礎與試驗箱地基間設計防水等級一級的隔振池，分離振動臺基礎和試驗箱基礎。振動臺基礎采用混凝土澆筑結構，底面預設3道承力地軌。有效承載振動臺質量，使用過程中振動臺與承力地軌連接，達到固定作用。

2.4 懸吊支撐系統設計

2.4.1 基本設計思路

懸吊支撐系統用于試驗系統內大型產品懸掛及保護作用。由于本超大型綜合環境試驗系統主要針對細長體產品和大型試驗產品開展綜合環境試驗，在產品重量都超出了振動臺的承重能力的情況下，為保證振動應力在自由狀態下輸出及機械解耦裝置的正直，必須采用懸吊支撐系統才能保證振動應力的傳遞。

為滿足試驗中試驗件吊裝保護目的，試驗系統設計懸吊支撐系統。在“凸”字形地基上表面試驗箱前后兩側各預留承載力大于10 t/m、全長16 000 mm的地軌2根，用于安裝固定懸吊支撐系統，該地軌可保證懸吊支撐系統沿試驗箱長軸向實現線性連續變化，為有不同吊裝要求的產品試驗提供吊裝保護接口。

懸吊支撐系統（見圖2）主體包括：4個高度6.5 m的可變支撐位置支腿、2根長度16 m的可變跨度主梁、5根長度8.5 m且單根最大承載6 t的可移動橫梁和5個額定承載16 t試驗臺底座。覆蓋試驗系統吊裝空間使用需求。

2.4.2 載荷計算

根據設計思路，懸吊支撐系統選用鋼結構搭建。鋼結構采用焊接結構，主要鋼結構材料采用Q345B低合金結構鋼。

為校核懸吊支撐系統的承載能力，對由4個可變支撐位置支腿、2根可變跨度主梁、5根可移動橫梁組成的額定載荷5×6 t的懸吊系統進行有限元分析計算。系統滿載后，最大垂直變形8.1 mm。

系統滿載時，包括系統自重，最大應力值位于支腿和主梁連接處及中間橫梁載荷作用位置處。其結果遠遠小于材料屈服極限，懸吊支撐滿足材料特性要求。該系統設計在滿足使用功能的前提下，使用安全性得以保障。

2.5 設計方案驗證

系統建設完成后，由專業機構對其全部技術指標進行驗收，全部指標符合設計技術要求，符合JJF1270-2010《溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統校準規范》[5]中的規定。

試驗系統正式投入使用后陸續開展了某箱彈系統、發射裝置、儀器艙段等大型系統級產品的10余項系統級綜合環境試驗項目，全系統運行狀況良好，參試試品外形各異，長度差異跨越3.5～11 m，高度差涵蓋0.6～3 m不等，最大質量6 t，其中多項試驗為中國首次開展。

3 結束語

超大型通用化綜合環境試驗系統的設計建設，填補了中國容積100 m3以上綜合環境試驗系統的空白。該試驗系統是目前中國最大的綜合環境可靠性試驗系統，同時具備模塊化特點，通過單箱、雙箱和整箱運行方式，不但可以滿足分系統級產品試驗需求，更能滿足各型大尺寸、全系統產品綜合環境可靠性試驗要求。

根據使用驗證，設計中，一方面要注意加強箱體內底板結構強度，防止使用后出現局部變形情況；另一方面可以考慮與地基連接面采用嵌入式設計方式，使箱體內底面與試驗室地面平齊，可以更加便于人員和產品的進出。

[1] 朱曦全. 聯體式綜合環境試驗箱的選型和應用[J]. 電子產品可靠性與環境試驗, 2004(05): 41-44.

[2] 中國國家標準化管理委員會. GB/T 10592—2008高低溫試驗箱技術條件[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

[3] 中國國家標準化管理委員會. GB/T 5170.2—2008電工電子產品環境試驗設備檢驗方法溫度試驗設備[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

[4] 胡小弟, 朱偉繁. 步入式高低溫濕熱試驗箱技術要求的確定及論證[J].環境技術, 2004(05): 10-11.

[5] 全國振動沖擊轉速計量技術委員會. JJF1270—2010溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統校準規范[S]. 北京: 中國計量出版社, 2011.

[6] 中國人民解放軍總裝備部. GJB150A—2009軍用裝備試驗室環境試驗方法[S]. 中國人民解放軍總裝備電子信息基礎部, 2009.

[7] 陳汝東, 岳孝方. 制冷技術與應用[M]. 上海: 同濟大學出版社, 2005.

[8] 楊烈生, 王巧靜, 趙碧, 郭華云. 鋼結構設計淺析[J]. 有色金屬設計, 2002, 29(03): 12-17.

Design of Super Complex Environment Test System

Zhou Fang, Chen Liang-yong, Chen Jin-hu, Niu Jian-chao
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076)

With the comprehensive environmental test technology to improve the degree of approval, many models have put forward the requirement of comprehensive environmental test for large scale system level products. Super large comprehensive environmental test system from the structure, equipment performance index, the foundation and the suspension support system in 4 aspects, and the comprehensive climate environment, structural strength and building more scientific and professional knowledge, can achieve the desired effect. After the construction of the super large comprehensive environmental test system, it is proved that the module splicing is used, which can provide a variety of combinations between different specifications of the use of the model.

Complex environment; Hanging-back box; Test system

V57

A

1004-7182(2017)03-0097-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170321

2016-08-14；

2016-10-20

周 芳（1976-），女，高級工程師，主要研究方向為環境、可靠性試驗設計與研究