典型裝備溫度響應測量及平衡時間研究

楊國輝

（中國人民解放軍63853 部隊，吉林 白城 137001）

在裝備環境工程中，主要包括環境工程管理、環境分析、環境適應性設計、環境試驗與評價4 個方面[1]。武器裝備在環境試驗適應性考核中，需要進行高、低溫等多項環境試驗，溫度應力強度如何選擇至關重要，對于溫度穩定時間的判定與被試品材質、尺寸、結構和實驗室空間等因素都有很大關系。GJB 150.1A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 通用要求》規定，試件工作時，除另有規定外，當試件中具有最大溫度滯后效應的功能部件的溫度變化率不大于2.0 ℃/h 時，則認為試件達到了工作時的溫度穩定；試件不工作時，除另有規定外，當試件中具有最大溫度滯后效應的功能部件溫度達到試驗溫度時，則認為試件達到了不工作時的溫度穩定。這就需要對裝備的各部位溫度進行測量，并對穩定時間進行判斷，來確定試驗裝備是否達到了溫度的穩定。

溫度環境試驗的持續時間應從樣品在規定的試驗溫度下穩定的瞬間開始計算，而溫度穩定時間則是試驗持續時間的判定標準，這個時間通常指試驗樣品在預定試驗溫度下達到溫度穩定所需要的時間。由于進入到環境試驗階段的被試品已經生產完畢，不能加裝溫度傳感器破壞其內部零部件的整體結構，所以無法測得其內部真實溫度，而一般實驗室室溫都已達到預定溫度開始計時，這樣會導致裝備溫度平衡后的保溫時間不足。因此，選定了多種裝備進行了數據測試，并對3 種典型武器裝備進行了詳細的溫度響應測試。在高、低溫試驗過程中，對熱容量最大及敏感、薄弱部件進行實時溫度測量，進而確定溫度平衡時間，并為相同量級的武器裝備試驗量級的選取提供數據支持。本文在高低溫試驗的溫度量級選取中，以具體試驗數據為基礎，對軍標的相關規定給出了具體合理量化建議，這樣會使武器裝備環境試驗鑒定數據更加科學準確可靠。

1 溫度響應過程分析

1.1 溫度試驗的傳熱機理

溫度總是從高溫介質傳向低溫介質。物體與周圍環境大氣之間的傳熱形式主要是對流換熱和輻射換熱，其內部的主要傳熱過程則是不穩態導熱過程[2-6]。從環境空氣溫度開始變化，直至被試品的溫度達到穩定之前，其內部各點的溫度始終處于變化之中。被試品的表面首先被加熱（或冷卻），被試品中熱容量最大部位的溫度變化最慢，比被試品的表面及其內部的其他部位均有較大滯后，只有當被試品中熱容量最大部位的溫度與被試品周圍環境的溫度達到一致時，才可認為被試品的溫度達到了穩定[8-15]。實驗室空氣溫度、被試品表面溫度及被試品中熱容量最大部件的溫度隨時間的變化曲線如圖1 所示。

圖1 被試品各部溫度隨時間的變化曲線Fig.1 Temperature curve of each part of the tested product with time

被試品與周圍空氣之間的對流換熱，遵循牛頓冷卻公式：

被試品與周圍空氣之間的輻射換熱，遵循斯蒂芬–玻爾茲曼定律：

用換熱系數表示的公式為：

被試品內部的不穩態導熱，遵循傅立葉定律和能量守恒定律，滿足導熱微分方程[13-15]：

式（1）—（3）中：Q1、Q2、Q3為物體與空氣之間的對流換熱量、輻射換熱量及物體內部的導熱量；F為物體的表面溫度；ac為對流換熱系數；Δt為物體表面與環境空氣之間的溫差；ε、ρ、λ、c為物體的黑度、密度、導熱系數、比熱；t為溫度變化的時間；q為被試品內部發熱流量。

1.2 溫度響應過程

溫度環境試驗過程中，被試品與周圍環境大氣之間的傳熱形式主要是對流換熱和輻射換熱，被試品內部的傳熱過程是不穩態的導熱過程[3-19]。從環境空氣溫度開始，直至被試品的溫度達到穩定之前，其內部各點的溫度始終是變化的，不是穩態的。被試品的表面最先被加熱（或冷卻），而熱容量最大部位的溫度變化是最慢的，比被試品的表面溫度變化有較大滯后。典型的高溫試驗過程主要包括升溫、保溫、降溫、高溫工作（檢測）、恢復等5 個階段。典型的低溫試驗過程主要包括降溫、保溫、升溫、低溫工作（檢測）、恢復等5 個階段[20-21]。各試驗項目中的控制溫度、空氣溫度、被試品溫度隨時間的變化關系如圖2 所示。

圖2 溫度隨時間的變化關系Fig.2 Diagram of temperature over time

2 測量設備及方法

裝備高低溫試驗中，溫度響應特性主要包括裝備溫度分布、熱點分布、裝備在規定的環境溫度下達到溫度穩定的時間、裝備熱容量最大的部位、裝備對冷熱敏感的部位和薄弱環節等。溫度響應特性的測量盡可能地在確定的同一裝備上進行，以確保測得數據的準確性。目前，確定裝備溫度環境試驗溫度平衡時間主要采取以下幾種方法[7-16]。

2.1 重量法

重量法是按照被試品的重量來確定試驗溫度的保持時間。該方法的主要優勢是簡單、方便，主要在環境試驗的發展早期使用較多。目前除了MTL-STD-202F《電子及電氣元器件試驗方法》、HB67176《飛機電機電器環境試驗方法》等極少數標準采用該方法外，國內外大部分標準已不采用[16-19]。

2.2 熱時間常數法

在試驗中直接用傳感器測量被試品中關鍵部位的溫度，將此溫度上升（或下降）到試驗溫度的0.632倍時所需要的時間作為熱時間常數，并把該常數的4倍作為溫度穩定時間。

該方法在目前使用最普遍，仍被國際電工協會（IEC）的IEC68 號出版物和GB 2423《電工電子產品基本環境試驗規程試驗方法》等標準文件使用，作為溫度的判定方法[4-18]。

2.3 直接測量法

在試驗全過程中，直接用傳感器測量被試品中熱容量最大部件的溫度，以此溫度變化到與試驗溫度的偏差在允許范圍內時的這段時間作為溫度穩定時間。目前，國內外主要標準均采用直接測量法作為溫度穩定的判定方法。

由于對被試品中熱容量最大部件的溫度進行直接測量，并且考慮到關鍵部位的溫度變化，直接測量法要準確可靠得多。目前測溫的設備有很多，常采用鉑電阻溫度計、熱電偶溫度計和紅外測溫儀來進行裝備溫度響應測量[11-20]。紅外測溫儀的優勢在于非接觸式測溫，用于極端溫度及不能直接測量的環境；電阻溫度計是根據電阻值隨溫度的變化這一特性制成的，測量范圍為–260～600 ℃；熱電偶溫度計是由2 條不同金屬連接著1 個靈敏的電壓計所組成，金屬接點在不同的溫度下，會在金屬的兩端產生不同的電位差[19-22]。

采用直接測量法確定被試品的溫度穩定時間，至少要測量2 處溫度，一處是最大熱容量部件的溫度，另一處是關鍵部件（或部位）的溫度。經試驗測量，物體的表面溫度與其內部溫度之差一般不超過與環境空氣溫度之差的5%。因此，對部件溫度的測量，一般只需要測量其表面溫度即可[21-27]。

關鍵部位溫度的測量除采用直接測量法外，如果條件允許，可采用內部測量法進行更為直接的測量。大型裝備在進行溫度環境試驗時，重要考核部位主要包括底盤（發動機、變速箱等）、控制等系統，考核其在特定的溫度條件下的工作性能。內部測量法更為直接，可在發動機、變速箱、液壓部件及控制部件布置測溫設備，直接測量內部溫度的變化過程，可以獲得較為真實的數據，但在傳感器選用及布設方面存在一定難度，可在條件允許的情況下使用，要視具體情況而定。

根據裝備實際要求來確定測量數據的采樣時間，建議敏感部位要縮短時間間隔，這樣更能及時反映部件的工作性能，捕捉到性能下降及失效時間點，為后續故障分析處理提供依據。

3 典型裝備溫度響應測量

依據上述測量方法，進行了3 種典型武器裝備溫度響應的測量。此次溫度響應的測量主要結合某型系統A、某型系統B 和某型系統C 等3 套系統的6 項高低溫試驗完成的。

A 溫度試驗，主要考核高低溫條件下的A 的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為計算機、動力柜體、后部、中部、運動轉軸、執行器等。

B 溫度試驗，主要考核車輛發動及啟動、火控、隨動等系統在特定的高低溫條件下的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為雷達、發動機、計算機、液壓系統等。

C 溫度試驗，考核整體的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為天線、計算機、發動機、底盤和控制系統等。

3.1 測量策略

在試驗過程中，實驗室的室內溫度由3 支傳感器進行測量后實時傳至控制系統，而被試品的溫度測量在試驗程序中沒有要求，故而未配置相關溫度巡檢設備，所以只能采用直接測量法進行測量。此次典型裝備溫度響應測量所采用的是便攜式紅外測溫儀和點溫計。

3.2 測量設備

1）紅外測溫儀。技術指標：溫度范圍為–40～900 ℃；顯示分辨率為0.1 ℃；精度為目標值的±0.75%或±0.75 K，取大值，目標溫度低于–5 ℃時，為±2 K；發射率為0.1～1.00 可調；響應時間為250 ms。發射率校準：利用黑膠布進行發射率校準，黑膠布的發射率為0.95，將長15 cm 的黑膠布貼在被測部位表面，待黑膠布與被測部位表面溫度平衡后，將紅外測溫儀發射率設置為0.95，進行測溫記錄。

2）FLUKE 點溫計。技術指標：溫度范圍為–200～760 ℃；顯示分辨率為0.1 ℃；精度為±1 ℃。測量要求：由于受工作環境溫度限制，點溫計需要保溫措施，防止在高低溫環境中損壞或產生數據漂移。由于熱電偶測溫時需要一定的穩定時間，所以在進行高溫測溫時，可用膠布將熱電偶探頭固定在待測表面，這樣能保證測量數據的準確性。低溫測量時，需手持測量，溫度穩定后才能記錄。

3.3 結果及討論

此次溫度響應的測量主要結合A、B 和C 等3 套武器裝備的6 項高低溫試驗完成的。由于實驗室為大型裝備的環境試驗提供鑒定，容積為1 300 m3，空間較大，降溫速率較慢，所以對裝備進行溫度響應測量的時間間隔設定為1 h。

1）A 試驗指標：–10 ℃保溫12 h，–40 ℃保溫8 h。試驗數據詳見表1 和圖3。從表1 的數據中可以看出，開始階段隨著室溫的下降，A 暴露在空氣中的后部溫度下降較快，不完全暴露的計算機和轉軸溫度下降較慢，而內部熱容量最大核心部件的中部和執行器的溫度下降最慢。當室溫達到預定溫度后，隨著時間的推移，A 的后部、中部和轉軸的溫度開始趨于平衡，而關鍵部件執行器的溫度下降仍然很慢，所以A 整體的溫度穩定時間應從核心部件執行器達到預定溫度后開始起算，這對于裝備的環境適應性考核是至關重要的。裝備A 關鍵部件及執行器溫度距低溫–40 ℃相差較多，最大可達7 ℃，沒能達到溫度平衡。從圖5可以看出，執行器在室溫達到–40 ℃后5 h 才達到預定溫度。

圖3 A 低溫試驗溫度響應測量曲線Fig.3 Temperature response measurement curve for A low temperature test

表1 A 低溫試驗溫度響應測量Tab.1 Temperature response measurement for A low temperature test℃

2）B 試驗指標：70 ℃高溫貯存，恒溫48 h；50 ℃高溫工作，恒溫8 h；–40 ℃低溫工作，恒溫8 h，–43 ℃低溫貯存，恒溫24 h。試驗數據詳見表2—4 和圖4—7。從表2 中的數據可以看出，隨著室內溫度的升高，武器系統B 各個部件的溫度響應是不同的，暴露在外的雷達升溫最快，發動機和計算機的溫度響應較慢，艙內溫度和液壓溫度響應是最慢的，并且在22 h后才達到預定溫度70 ℃。武器裝備B 溫度響應最慢的艙內溫度、液壓溫度與室內溫度隨時間的響應測量曲線如圖4 所示。

表2 B 高溫貯存溫度響應測量Tab.2 Temperature response measurement for B high temperature storage℃

圖4 B 高溫貯存試驗溫度響應測量曲線Fig.4 Temperature response measurement curve for B high temperature storage

武器裝備B 高溫工作試驗溫度響應測量數據見表3。溫度響應與高溫貯存相似，但是隨著車輛發動工作，艙內溫度和液壓溫度響應在10 h 后才達到預定溫度50 ℃。武器裝備B 溫度響應最慢的艙內溫度、液壓溫度與室內溫度隨時間的響應測量曲線如圖5所示。

表3 B 高溫工作溫度響應測量Tab.3 Temperature response measurement for B high temperature working℃

圖5 B 高溫工作試驗溫度響應測量曲線Fig.5 Temperature response measurement curve for B high temperature working test

武器裝備B 低溫工作試驗溫度響應測量數據見表4。車輛工作會產生很多熱量，對于密封較嚴的艙內系統，溫度響應很慢，低溫工作艙內溫度（–29.5 ℃）距目標溫度（–40 ℃）相差較大，溫差達10.5 ℃，沒有達到溫度平衡。武器裝備B 溫度響應最慢的艙內溫度與室內溫度隨時間的響應測量曲線如圖6 所示。由于B 的低溫貯存試驗溫度響應數據與低溫工作數據類似，故只給了低溫貯存的溫度響應測量曲線（如圖7 所示）。圖7 表明，在武器裝備B 的低溫貯存中，密封的艙內溫度在24 h 后達到了溫度平衡。

圖6 B 低溫工作試驗溫度響應測量曲線Fig.6 Temperature response measurement curve for B low temperature working test

圖7 B 低溫貯存試驗溫度響應測量曲線Fig.7 Temperature response measurement curve for B low temperature storage test.

表4 B 低溫工作溫度響應測量Tab.4 Temperature response measurement for B low temperature working℃℃

3）C 試驗指標。50 ℃高溫工作。試驗數據詳見表5 和圖8。從表5 可以看出，武器系統C 各個部件的溫度響應是不同的，暴露在外的天線升溫最快，關鍵部件發動機和計算機的溫度響應較慢，艙內溫度響應是最慢的，并且在10 h 后才達到預定溫度50 ℃。C 高溫50 ℃工作試驗階段保溫時間偏短，整體溫度都沒有達到平衡，發動機表面溫度距50 ℃相差較多，最大可達7 ℃，沒能達到溫度平衡。武器裝備C 關鍵部件發動機表面溫度與室內溫度隨時間的響應測量曲線如圖8 所示，發動機表面溫度滯后于室內溫度，大約10 h 后達到目標溫度（40 ℃）。

表5 C 高溫工作溫度響應測量Tab.5 Temperature response measurement for C high temperature working℃

圖8 C 高溫工作試驗溫度響應測量曲線Fig.8 Temperature response measurement curve for C high temperature working test

分析以上測量數據，可以得出以下結論。

1）3 種典型裝備的應力大小選取準確，符合標準要求。

2）被試品艙門狀態對溫度平衡影響較大，熱容量較大部件溫度響應較慢，在條件允許的情況下，應盡可能地敞開武器裝備的密閉空間，加快熱交換，以縮短達到溫度平衡的時間。

3）根據GJB 150A—2009 進行武器裝備高低溫試驗時，被試品溫度穩定后，高溫要求繼續貯存2 h，低溫繼續貯存4 h[1]。

對于被試品達到溫度穩定的判斷，其實是很模糊的，也是很難判斷的。本文經過對3 種典型裝備的溫度響應數據分析后提出如下建議：高溫工作的整體保溫時間在原有的基礎上再延長大約10 h；高溫貯存時間（48 h）偏短，應延長大約4 h；低溫貯存時間偏短，不能夠達到溫度平衡的要求，應適當延長4～6 h；低溫工作時間的保溫時間應當延長大約10 h。

4 結論

本文通過對3 種典型裝備環境試驗溫度響應進行分析和研究，得出以下結論。

1）對裝備溫度響應測量及平衡時間進行分析研究是十分重要的，在實際試驗中，要根據裝備自身性能特點，獲得裝備的真實溫度響應特性，對關鍵及敏感部件應實時進行溫度響應測量，保證試驗量級選取的科學合理。

2）以軍標為基礎，給出溫度試驗的量級選取的建議，為裝備環境分析及試驗方案的制定提供參考依據。

3）需要結合后續進場試驗的大量武器裝備的溫度環境試驗響應數據進行綜合分析，建立一套數據庫，形成定性定量的判斷方法，這樣才更能使武器裝備環境試驗鑒定數據更加科學準確可靠。