一種溫度、濕度、振動、鹽霧四因素動態模擬加速環境試驗系統的研制

李迪凡，景超杰，李景育，2，譚勇，李澤華，舒暢，朱玉琴，李旭

（1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南 571522）

引言

產品尤其是電器類產品在運輸及使用過程中由于受各種振動及環境應力的影響，會導致產品性能退化和功能喪失，在保證產品故障失效模式和失效機理不變的的前提下高效快速評估產品的可靠性和使用壽命等技術指標，需要開展加速試驗來激發產品潛在缺陷，以期得到更多的可靠性信息[1-8]。單一或少因素環境試驗具有一定局限性[9]，不能真實反映產品的實際環境條件，綜合環境試驗能夠綜合各種環境因素，能根據一設計好的試驗參數和試驗譜要求施加在產品上，模擬產品在運輸、儲存和使用過程中實際經受的環境應力作用并保持失效機理不變，有效驗證產品的可靠性平均無故障工作時間（MTBF）水平、暴露產品設計、生產、使用等過程中存在的薄弱環節，激發出單因素或少因素環境試驗難以發現的故障[9]。可見綜合環境試驗系統在自然環境試驗中具有重要地位，研發多因素乃至全因素綜合環境試驗系統具有重大意義。

通過查閱資料和文獻發現，在所有環境應力中，溫度、濕度、振動和鹽霧是影響產品失效的最典型環境因素[10-18]。據國外某知名電子裝備公司技術資料明確地指出了環境應力在產品失效中所占百分比[10]，統計結果如圖1所示。因此如何研發出一種四因素綜合試驗系統顯得尤為重要。

目前，國內主要是在實驗室試驗條件下開展溫濕振試驗，與產品的實際使用環境往往有較大的差距，導致其試驗結果與實際結果有一定的出入，往往忽略了鹽霧等因素對產品的影響，而產品在使用過程中特別是在東南沿海等地區其壽命周期內的所有環境都會經歷振動、溫度、濕度和鹽霧等綜合環境，而這些環境因素對產品的影響非常顯著，如何在產品的研制初期真實地模擬運輸、貯存和使用過程中的環境因素，通過進行試驗驗證，以提高產品的質量性能，這就迫切需要研究自然環境動態加速模擬試驗裝置，本文研制的自然環境動態加速模擬試驗裝置與傳統實驗室環境試驗裝置相比具有明顯的優勢。首先，能真實的模擬了自然氣候條件的實際變化規律，試驗結果真實可信；其次，實現了平臺的振動激勵與多項自然環境因素的綜合作用，且對溫度、濕度環境因素按真實的變化規律適當強化，在保證模擬性的前提下加快了暴露問題的速度，提高了加速性。本文研發的溫度、濕度、振動、鹽霧四綜合環境試驗系統[17]，滿足GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》[18]、GB/T 2423《電工電子產品基本環境試驗規程》[19]等標準要求，并在車載電子產品試驗中得以驗證。試驗數據表明，該系統能夠滿足試驗基本要求，能夠完成典型環境應力對產品或材料的影響研究，為產品的可靠性和快速壽命評估奠定一定的基礎。

1 動態模擬加速試驗系統的設計

1.1 工作原理

試驗前將樣品固定在工作臺面上，關閉各個窗口，使樣品與外界完全隔絕。試驗箱內的溫濕度分別由加熱器和加濕器提供，通過離心機將加熱加濕后的空氣送入工作室內，經過無數次的循環，使工作室的溫濕度均勻且到達設定的值，振動臺則根據所設試驗參數同時開展振動試驗，由于本試驗裝置安裝在海南距海岸線約100 m戶外環境條件下，空氣中的鹽霧濃度較高，試驗前箱體內引入的鹽霧協同溫度、濕度和振動因素加速對產品進行作用。試驗停止后，根據試驗要求打開各門窗使箱體與外界連通，開展自然環境試驗，動態模擬產品各狀態下環境因素對產品的影響。

1.2 加速試驗系統組成

加速試驗系統主要由自然環境加速試驗分系統、振動模擬試驗分系統、人機交互與記錄分系統和環境防護分系統四個分系統組成，試驗系統總體布局及組成見圖2。

圖1 環境應力在產品失效中所占百分比

自然環境加速試驗分系統主要用于加速模擬產品在使用過程中所經歷的溫度、濕度、鹽霧三種環境因素引起的環境效應，其中溫度、濕度兩種環境因素可進行加速強化。振動模擬試驗分系統主要用于加速模擬產品在運輸及使用時所經歷的振動環境引起的效應。人機交互與記錄分系統集成了上述2個分系統的控制和顯示功能，記錄整個試驗系統中輸入和產生的主要試驗信息。環境防護分系統為自然環境加速試驗分系統和振動模擬試驗分系統的控制設備、人機交互與記錄分系統提供一個良好的使用環境，降低環境條件對各設備性能的消極影響，保證整個系統的平穩運行。

1.3 分系統結構設計

1.3.1 自然環境加速試驗分系統

自然環境加速試驗分系統主要分為工作室和空調室，工作室內設有加熱器和加濕器，下部與振動臺進行連接。左右兩側設有鹽霧試驗用的電動風門，可根據試驗要求通過按設定程序或控制開關對風門進行開關，在不停止試驗的同時引入戶外空氣中的鹽霧因素。試驗箱的前端和左右兩側設有雙合門，便于安裝試件和開展自然環境試驗，門上設有觀察窗，觀察窗內有照明燈，有利于觀察試驗過程中樣品情況。

試驗箱底部與振動臺臺面用硅橡膠彈力布密封，根據試驗樣品的實際試驗條件及相關環境試驗要求，在試驗箱頂部設計黑板，吸收太陽熱量，也有利于在濕熱試驗時，箱內黑板上不致于出現凝露現象，黑板下面設計有不銹鋼保溫擋板，濕熱試驗時，可手動安裝此擋板。

箱體內的溫濕度分別采用不銹鋼鎧裝加熱管和電熱式蒸汽加濕器進行升溫和加濕。為了保證箱體內溫濕度的均勻性，系統采用了不銹鋼離心風機，促使試驗箱內空氣在工作室和空氣調節單元（風道）之間循環流動，分系統用變頻器對風機進行控制，按照設置要求調節風速，滿足不同試驗要求，溫濕度控制原理如圖3所示。

1.3.2 振動模擬試驗分系統

振動模擬試驗分系統主要由振動臺、擴展臺面、冷卻回路（含水冷柜和水冷機組）、功率放大器組成，主要用于模擬道路運輸時產生的振動激勵，為整個試驗系統提供振動環境參數，其試驗方框圖如圖4。擴展臺、支撐導向裝置與振動臺的裝配如圖5所示。

圖2 試驗系統總體布局

圖3 試驗箱溫濕度控制原理

圖4 振動試驗系統方框圖

圖5 擴展臺、支撐導向裝置與振動臺安裝結構圖

根據試驗對象及試驗技術要求，設計了50 kN的振動臺，采用耳軸隔振、直線軸承導向裝置等先進技術，并進行了改進優化，為了滿足戶外環境試驗要求，開展了結構強度設計和防腐處理設計，設計好的擴展臺面能滿足不同氣候環境條件和各種不同規格的試驗樣品需求；冷卻系統主要包括水冷柜和水冷機組，采用多路并聯二次水冷方式對振動臺進行冷卻；功率放大器采用可調勵磁裝置和正弦脈沖寬度調制技術研制而成，可調勵磁裝置采用三相橋式全控整流電路結構，整流元件采用可控硅，可實現整流電壓0～500 V和整流電流0～700 A連續可調，最大輸出功率為60 kVA，信噪比大于65 dB，額定輸出電壓為120 Vrms，正弦脈沖寬度調制技術能結合振動臺對功放的特殊要求，產生一個由正弦信號控制占空比的矩形波，再由矩形波控制功率開關，將直流電源斬波，再通過調解，即可得到一個能滿足振動臺特殊要求的正弦信號。

1.3.3 人機交互與記錄分系統

人機交互與記錄分系統主要由操控計算機數字式和振動控制儀組成，操控計算機數字式采用上位機和下位機模式，上位機將參數和指令下發至下位機，下位機向上位機上傳數據和狀態。上位機是基于Windows操作系統的計算機平臺，處理用戶參數的輸入、檢查糾錯、參數轉換以及指令的下發，用于試驗狀態、試驗數據的接收和顯示。下位機采用基于DSP的單板計算機架構，用于執行實時控制運算，存儲時域數據，模擬輸入輸出的控制，上傳試驗數據及運行狀態，系統所有的閉環控制策略均由下位機完成。下位機有4種，分別是振動控制下位機、溫濕度控制下位機、其他物理量控制下位機和環境數據檢測采集下位機，均通過以太網方式與上位機連接。下位機為S，上位機為C，執行TCP/IP協議或MODBUS協議。振動控制系統下位機采集振動信號并對振動臺進行實時控制，溫濕度控制下位機負責采集溫濕度信號并控制溫濕度調節單元。專用下位機對空氣交換裝置、攝像頭等其它物理量進行控制。外部自然環境數據監測和試驗箱內部環境監測數據由前端設備采集，通過以太網接入操作計算機，由計算機發送讀寫命令，收集實時的溫濕度和相應環境數據，并將顯示的數據存儲于硬盤。實現了各個物理量的控制與采集完全解耦，各自獨立控制和采集，網絡數據協議可以兼容所有類型的數據，有非常強的可擴展性。

采用BTHC平衡調溫調濕控制方式，溫濕度程序控制器負責控制箱內的溫濕度，同時控制進/排氣風門的自動或手動開啟或關閉，實現環境鹽霧控制，并負責提供標準通訊協議（Modbus）及通訊接口（以太網接口），以便與上位機通信，支持實時監控、歷史曲線回放等功能。

振動控制儀提供振動控制所需的激勵信號，能夠進行隨機振動控制，滿足實時性要求，采樣頻率應不低于10 kHz，控制譜線數不低于800線，譜控制帶寬不低于2 000 Hz。

與振動實時控制相比較，溫濕度控制系統并無實時性要求。本系統溫度顯示精度為0.1 ℃，濕度顯示精度為0.1 %RH，響應時間為0.1 min。試驗條件的運行方式有定值方式和程序方式兩種選擇，當程序方式控制時，溫度、濕度、變化過程、時間等參數可以程序控制，也可預設多條溫度、濕度程序供選擇調用，可編輯存儲1 000組程序，每組程序最多100段，每段設定最大值為99 h 59 min。有多組PID參數，可由溫、濕度區域法智能調用不同的PID號。在試驗箱面板上設置手動開關，可通過開關手動控制空氣交換裝置和攝像頭的開啟與關閉。另外，時序信號可根據試驗情況設置，在程序狀態下可通過控制器輸出TS時序信號來控制設備的開啟與關閉。

1.3.4 環境防護分系統

在試驗過程中，高溫、高濕、鹽霧等因素會加速試驗系統的損壞，同時由于海南戶外環境條件嚴酷，為延長裝置的使用壽命，需對整個試驗裝置進行環境防護設計，設計后的環境防護分系統主要由控制艙、振動臺防護罩、空調等組成。

控制艙為各控制設備提供密閉環境，振動臺防護罩為振動臺（除擴展臺面）提供密閉環境，空調起到控制環境溫濕度的作用。控制艙和振動臺防護罩外壁和內壁材料均采用不銹鋼板靜電雙面噴塑，中間隔熱材料采用硬質聚氨酯整體發泡保溫層；控制艙設置兩個外開式門，一個為雙開式大門，方便設備進出，除擴展臺面外，振動臺防護罩能將整個振動臺置于防護罩內部。振動臺防護罩與控制艙相鄰面設空氣交換接口，空氣交換接口設置可拆卸隔離護欄，阻隔人員或物品進入振動臺工作區域。控制艙內部安裝空調掛壁機，用于控制控制艙及其振動臺防護罩內部的環境溫濕度。

環境防護分系統的工作面與地基脫離，地基上設計排水地漏。能有效的解決室內積水潮濕的問題。振動臺冷水機組與聯結的水管及電線敷設的工作面以下，且脫離地面，工作面上設計的是活動底板。可方便日后電纜及水管的檢修。

骨架與地面用膨脹螺絲聯接，讓設備與地基成為一個整體，能有效的抵抗20 m/s的風速，保證設備的正常使用，在50 m/s風速下設備不損壞。環境防護系統結構設計上充分考慮了設備的性價比及環境適應性。暴露在大氣環境環境中的外殼（庫板外壁）選用耐海水及鹽霧腐蝕的不銹鋼材料，并且外殼噴涂耐鹽霧腐蝕的戶外防護漆；室內內壁選用不銹鋼，夾層中的骨架因不會暴露在大氣環境中選用強度較高的型材。

圖6 組合試驗環境因素加載示意圖

2 試驗系統驗證

本系統可以實現頻率范圍2～2 500 Hz，最大推力為50 kN，最大振幅為100 mm；溫度最大為80 ℃，溫度偏差≤±2 ℃，相對濕度最大98 %RH，相對濕度偏差≤±5 %RH，可控制的鹽霧濃度為海洋大氣環境鹽霧濃度。為了驗證該系統進行了多次組合試驗，設計的組合試驗由加速試驗階段和自然貯存試驗階段兩個階段組成，加速試驗階段又分為振動試驗階段和溫濕度加速試驗階段，根據試驗對象的試驗譜以一定的時間周期開展試驗，其組合試驗環境因素加載圖如圖6。試驗結果表明，其試驗效果和控制精度經鑒定均能滿足試驗要求，可按照相應標準開展試驗。

3 結論

研發的一種新型的關于溫度、濕度、振動、鹽霧四綜合環境試驗系統具備環境應力強化、實時在線監測、歷史曲線回放等功能，能按一定的試驗參數和試驗譜要求設置試驗條件，動態模擬加速試驗，也能夠開展自然貯存試驗，通過了在海南萬寧試驗站應用驗證，能夠適應惡劣的濕熱海洋環境，在試驗條件控制和試驗結果方面取得了良好的效果，能滿足產品或材料環境適應性驗證和加速試驗要求。