大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗艙室的試驗研究

陳斌，胡德霖，李杰，黃濤，羅峰，梁立峰，王林

（蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司，蘇州 215104）

引言

環(huán)境適應(yīng)性是工業(yè)及特種、尤其是武器裝備產(chǎn)品的最重要質(zhì)量特性，影響、制約裝備性能發(fā)揮，環(huán)境試驗已成為鑒定產(chǎn)品質(zhì)量的必不可少的手段。為針對大型電器設(shè)備和軍用裝備的環(huán)控指標范圍寬廣、復(fù)合因素多、試驗需求強烈的實際，筆者企業(yè)開展了一大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗艙室的研制工作[1]。經(jīng)過兩三年的建設(shè)，已進入試用階段。其間為驗證艙室各項研制指標，逐項進行了很多相關(guān)環(huán)境試驗。

1 主要設(shè)計指標及艙室系統(tǒng)功能簡介

本復(fù)合試驗艙室艙體為臥式，含艙體及隔熱結(jié)構(gòu)，包含艙內(nèi)熱濕交換模塊及制冷機組、除濕、加濕、真空、冷卻水、新風、排煙、覆冰、排污、照明監(jiān)控、配電、自動控制等十多個子系統(tǒng)，主要技術(shù)指標匯總?cè)绫?。

表1 艙室主要技術(shù)指標

艙室環(huán)控系統(tǒng)組成見表2。

2 自控系統(tǒng)界面介紹

自控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及工具為TIA portal V16，F(xiàn)ameView 組態(tài)軟件，操作總控界面見圖1 所示。

圖1 自控系統(tǒng)總控界面

左側(cè)界面主菜單含以下分類：①登錄與退出自控系統(tǒng)操作，含操作人員權(quán)限級別及密碼；②總控界面，顯示試驗過程中各環(huán)控設(shè)備總體操作狀態(tài)尤其是艙內(nèi)溫濕度、氣壓狀態(tài)；③溫濕度控制、氣壓控制及（單過程或多過程控制）設(shè)置界面；④除了部分設(shè)備直接在總控界面顯示、操作外，各制冷機組（含東西兩側(cè)復(fù)疊機組、覆冰機組、氟泵輔助制冷冷水機組）等重要設(shè)備采用專門的操作及狀態(tài)顯示界面；⑤曲線界面，含（溫濕度、氣壓、功率等）歷史曲線查詢；⑥報警界面，記錄環(huán)控設(shè)備報警歷史信息；⑦四畫面，方便試驗人員對試驗過程多界面進行綜合觀察。因版面過大，僅舉例說明溫濕度控制界面，如圖2 所示。

如圖2 溫濕度控制界面所示，一個試驗開始時先進行工作艙選擇，按試驗設(shè)備大小、放置位置，選擇A 艙、B 艙或（A+B）聯(lián)艙試驗，作為本試驗艙室研制的創(chuàng)新點之一，分艙試驗可以節(jié)約試驗成本；再進行控制選擇，通常選擇“自動調(diào)節(jié)”，這之前先進行控制參數(shù)設(shè)置，單過程參數(shù)只需在界面中間位置“目標參數(shù)設(shè)定”中設(shè)置，多過程參數(shù)需要點擊“自動設(shè)定目標值”、在彈出的參數(shù)表中按試驗時間段順序進行分行輸入設(shè)置并點擊啟用以生效，運行時該設(shè)置參數(shù)按時間自動賦值入“目標參數(shù)設(shè)定”欄中，可設(shè)置多欄，直至所設(shè)置的變化時間為0 即結(jié)束試驗過程。其中，若僅為溫度試驗，則相對濕度指標賦值為0 即可，升/降溫時間設(shè)定是以前一個過程溫濕度狀態(tài)（或?qū)嶒為_始艙內(nèi)狀態(tài)）變化為所設(shè)置溫濕度狀態(tài)所需時間，穩(wěn)定時間為保持本設(shè)置狀態(tài)不變的時間，對溫濕度變化過程，默認隨時跟蹤相對濕度（如濕熱試驗）指標，若點擊“含濕量控制”鍵顯亮，則變化過程只跟蹤首末溫濕度狀態(tài)（以含濕量為控制目標，有利于低濕試驗時避免不當加濕）。控制過程曲線可以在右下部的曲線窗口跟蹤顯示及查詢。為有利于控制精度，該界面還可以進行與溫濕度有關(guān)各設(shè)備自控參數(shù)調(diào)整（通過點擊右上部各參數(shù)設(shè)置鍵進入修改）。過程結(jié)束點擊“停止”按鍵。

3 試驗研究及結(jié)果分析

本文基于文獻[2,3]系列標準、以及本艙研發(fā)指標，參考文獻[4-17]進行相關(guān)試驗，選取艙內(nèi)均勻性、隔艙效果、單因素極限、多因素復(fù)合相關(guān)試驗驗證設(shè)計指標的符合性，所用試驗曲線截屏來源于主控電腦所存歷史曲線。

3.1 艙內(nèi)溫度場均勻性試驗

大體積、截面的艙體，均勻性的實現(xiàn)有難度，本艙體研發(fā)中，通過以下各措施：室內(nèi)換熱模塊設(shè)置12 個模塊兩側(cè)均布、風機大風量和靜壓指標、風機轉(zhuǎn)速變頻調(diào)節(jié)、加熱器（0~100）%加熱量調(diào)節(jié)、氟泵供冷時流量調(diào)節(jié)、制冷機組加減載近似無級調(diào)節(jié)、艙兩側(cè)下部吸風，頂部孔板送風無死角，保證了艙內(nèi)溫濕度均勻性的實現(xiàn)。圖3 分別給出了B 艙高溫高濕和低溫下艙內(nèi)溫濕度的測試結(jié)果，表明均勻性良好。

圖3 艙內(nèi)溫度場均勻性檢測

經(jīng)數(shù)據(jù)整理，圖3（b）共27 個數(shù)據(jù)的最大正偏差1.10 ℃，最大負偏差-1.62 ℃；圖3（c） 27 個數(shù)據(jù)的最大正偏差0.58 ℃，最大負偏差-0.565 ℃；可以說艙內(nèi)主要試驗區(qū)間溫度場非常均勻。

3.2 單雙艙運行試驗及能耗比較

大容量艙體，試驗時用能成本高，作為本課題創(chuàng)新點之一[1]，為提升利用率、節(jié)約能耗，如圖4 所示，本艙室特設(shè)計中間按需可隔結(jié)構(gòu)，打開狀態(tài)下保溫隔門（共4 折）折疊緊密貼于門框兩側(cè)并且不影響整艙風場，關(guān)門狀態(tài)下整艙就變成兩個獨立艙體，以便可以進行一側(cè)單艙體（僅限溫濕度因素）試驗，理論上亦可進行不同溫濕度工況在不同獨立艙體內(nèi)的試驗。為了解單側(cè)艙體相對整個艙體的運行節(jié)能效果，特進行了對比試驗。

圖4 艙內(nèi)中間隔門結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 升溫對比試驗

如圖5 所示，A+B 艙和B 艙，皆空艙狀態(tài)，先皆從常溫升到30 ℃/95 %，穩(wěn)定后一個小時升至60 ℃/95 %，對比各自耗功分別約為315 kWh 和630 kWh，湊巧剛好一半。

圖5 濕熱試驗升溫時段功率（單位：kWh）對比

由于升溫升濕手段是電加熱器、蒸汽和高壓噴霧加濕器，電加熱器在兩側(cè)艙體設(shè)置分別獨立設(shè)置，加濕器在艙外集中設(shè)置但供汽管按艙分控，因此理論上兩艙能耗是與艙體大小（或艙容）成正比的，說明后續(xù)試驗時能用小艙進行就盡量用小艙。

3.2.2 降溫對比試驗

如圖6 所示，空艙各4 h，分別從常溫降到-45 ℃，降溫3 h、穩(wěn)定1 h 對比；全艙耗電約2 720 kW，B 艙半艙耗電約2 050 kW，后者對前者占比約0.75。

圖6 降溫試驗相同時段功率（單位：kWh）對比

本艙室制冷系統(tǒng)的高溫級機組負責從艙內(nèi)常溫降至-20 ℃左右溫度區(qū)間的制冷任務(wù)，兩側(cè)各為三臺壓縮機并聯(lián)，實際運行下來發(fā)現(xiàn)稍高制冷溫區(qū)單機組運行冷量仍過大，因制冷機組制造外包，機組卸載自控不很完善，因此半艙在此段溫區(qū)運行時時需要借用另外半艙（A艙）間斷性平衡機組冷量以保證機組穩(wěn)定運行，這就造成占比偏大，但仍體現(xiàn)出節(jié)能性。

3.3 單因素調(diào)節(jié)試驗

3.3.1 極限高溫高濕試驗

如圖7 所示，在該艙進行了最惡劣的高溫高濕（85 ℃/70 %）試驗，由常溫開始升溫時間2 h，能實現(xiàn)均勻升溫、穩(wěn)定運行，考驗了艙內(nèi)各設(shè)備（照明、攝像頭、加熱器，等）耐高溫高濕性能，無損壞。

圖7 極限高溫高濕變化過程曲線（橫坐標：時間：時:分:秒；縱坐標：溫度）

3.3.2 極限低溫試驗

如圖8 所示，在該艙進行了最惡劣的-63 ℃低溫試驗，降溫時間近5 h，能實現(xiàn)分段均勻降溫、穩(wěn)定運行，同樣考驗了艙內(nèi)照明、攝像頭、加熱器，等各設(shè)備耐低溫性能，無損壞。

圖8 極限低溫變化過程曲線（橫坐標：時間：時:分:秒；縱坐標：溫度）

極限低溫試驗運行時需要各臺制冷機組處于正常狀態(tài)就略有備用余量，若有機組故障，就不容易實現(xiàn)，因此制冷設(shè)備需要定期保養(yǎng)保證能完好運行。同時，一般的客戶實驗，低溫極限指標是最低-55 ℃，因此本艙現(xiàn)有環(huán)控設(shè)備滿足該指標難度不大。

3.3.3 極限低氣壓指標

本艙體在設(shè)計指標正式提出前，圓艙兩封頭及大門的基本結(jié)構(gòu)尺寸已成型，封頭結(jié)構(gòu)與擬要求的極限海拔指標有沖突，為不影響整體進展，做極限海拔試驗時，如圖9 所示，艙內(nèi)部對兩端封頭大門安裝有支架支撐以及外部貫穿外圓長度的工字鋼加強固定，以防負壓試驗時大門中間變形及分擔封頭及大門向內(nèi)的壓力，基本實現(xiàn)了極限負壓指標試驗，如圖10所示。后續(xù)將就封頭及大門需要進行再計算、最終進行永久安全性加強。

圖9 極限低氣壓試驗時兩端大門內(nèi)支撐架

圖10 極限低氣壓變化過程曲線（橫坐標：時間：時:分:秒；縱坐標：海拔高度，m）

3.4 多因素調(diào)節(jié)試驗

3.4.1 溫濕度試驗

如圖11 所示，進行了不同升降溫時間的30 ℃/95 %到60 ℃/95 %間交變濕熱實驗，可見溫度控制精度有一定誤差（高溫降溫采用氟泵定時通斷方式，氟泵進口偶爾液柱不足導(dǎo)致氟泵進口因氣化原因不能受控啟動，導(dǎo)致艙內(nèi)降溫曲線滯后于理論曲線，需后續(xù)改進），但相對濕度能維持良好。

圖11 交變濕熱溫濕度試驗

3.4.2 低氣壓溫度試驗

如圖12 所示，艙體先由常溫降溫至-45 ℃并維持，在維持期間，進行低氣壓（0~3 000）m 海拔的各一定時間內(nèi)上升-維持-下降還原的過程試驗，溫度、海拔數(shù)據(jù)滿足調(diào)節(jié)精度要求。

圖12 低氣壓-低溫溫度復(fù)合試驗

3.4.3 低氣壓溫濕度試驗

如圖13 所示，進行了整艙內(nèi)溫度維持45 ℃/50 %條件下低氣壓（0~3 000）m 海拔的各一定時間內(nèi)上升-維持-下降還原的過程試驗，溫濕度、海拔數(shù)據(jù)滿足調(diào)節(jié)精度要求。

圖13 低氣壓-溫濕度復(fù)合試驗

3.4.4 覆冰試驗

圖14所示，該試驗時艙內(nèi)溫度先由常溫降至2 ℃后維持一定時間，再降至-7 ℃維持一定時間。水箱由常溫降至3.5 ℃并維持，噴水過程因隨時補水，至噴水結(jié)束水溫反彈至6.1 ℃（反映出噴架使用噴嘴過多、噴水量超出需要，造成水箱大量補水帶來機組冷量略顯不足），但仍符合噴水溫度需求，試驗符合要求。

圖14 覆冰試驗曲線（橫坐標：時間：時、分、秒；縱坐標：溫度）

4 結(jié)論

本文通過對大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗艙室主要研制指標進行試驗驗證，表明本艙室的研發(fā)基本成功，自控精度良好，界面友好；同時明確了本艙室后續(xù)需要改進完善的內(nèi)容和思路。本艙的研制成功將可有效服務(wù)國內(nèi)大型裝備環(huán)境檢測事業(yè)，對提升國產(chǎn)大型裝備質(zhì)量，乃至有力保障“一帶一路”國策之大型裝備走出國門，以及為企業(yè)創(chuàng)匯意義重大。