孫坤龍

（江蘇拓米洛環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司，昆山 215300）

引言

電機(jī)、電路板及變速器是汽車系統(tǒng)中的主要零部件，這些零部件的工作性能直接決定和體現(xiàn)了汽車系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能；因此，在特定環(huán)境下對這些零部件工作性能的測試是保障汽車系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。臺架試驗(yàn)箱是環(huán)境可靠性測試中的重要設(shè)備，尤其廣泛地應(yīng)用于汽車系統(tǒng)中的電機(jī)、電路板及變速器的測試過程中。利用臺架試驗(yàn)箱可以對這些零部件進(jìn)行溫度、濕度等方面的耐受度測試。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展及這些零部件在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的全面擴(kuò)展，這些零部件會面臨更為多變且嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境；這對它們的運(yùn)行性能提出了更為全面且嚴(yán)格的要求。比如會需要零部件在一些快速冷熱沖擊的非穩(wěn)態(tài)工況條件下運(yùn)行，在這種非穩(wěn)態(tài)工況條件下運(yùn)行時(shí)，零部件的散熱能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會受到很大的影響；可能導(dǎo)致零部件性能的快速失效。因此，一些汽車制造商也逐漸將非穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)作為測試產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要手段。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，非穩(wěn)態(tài)工況測試將是一項(xiàng)重要的測試手段。

在對零部件進(jìn)行溫度耐受度的測試過程中，試驗(yàn)箱溫度場的情況直接影響著測試過程的有效性。溫度場取決于工作空間內(nèi)循環(huán)氣流的流場模型、風(fēng)速的高低、試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及保溫材料的特性等因素[1]。保溫材料對溫度場的影響主要取決于其厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及密度等特性參數(shù)。本文采用數(shù)值模擬的方法研究保溫材料的密度對非穩(wěn)態(tài)測試過程中試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場的影響。

1 模擬計(jì)算條件

本文以密度為變量，其他特性參數(shù)保持不變，對兩種不同密度的保溫材料進(jìn)行研究。目前，市場上有多種保溫材料，比如：玻璃棉、玻璃纖維板、巖棉、礦物纖維板等。結(jié)合市場上出現(xiàn)的這些保溫材料，本文選取保溫材料1的密度為30 kg/m3（以此保溫材料計(jì)算的工況定義為工況1），保溫材料2的密度為200 kg/m3（以此保溫材料計(jì)算的工況定義為工況2）。環(huán)境溫度為20 ℃，試驗(yàn)箱內(nèi)指示溫度以5 ℃/min的溫升速率從20 ℃升至120 ℃，之后保持120 ℃不變。

2 非穩(wěn)態(tài)過程描述

在非穩(wěn)態(tài)過程中，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度場處于非恒定狀態(tài)，試驗(yàn)箱與環(huán)境之間的換熱也在時(shí)刻發(fā)生著變化。試驗(yàn)箱與外界環(huán)境之間換熱的主要熱阻為熱量在保溫材料中傳遞過程中的導(dǎo)熱熱阻。在這個(gè)過程中，保溫材料的溫度處于非恒定狀態(tài)，任何點(diǎn)的溫度都隨著時(shí)間的變化而變化。

笛卡爾坐標(biāo)系中三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的一般形式為[2]：

式中：

ρ— 保溫材料的密度，kg/m3；

c — 保溫材料的比熱容，J/(kg·℃)；

λ— 保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

t— 保溫材料的溫度，℃；

τ— 時(shí)間，s；

φ— 單位時(shí)間內(nèi)單位體積中內(nèi)熱源的生成熱，W/m3。

由于試驗(yàn)箱保溫材料的內(nèi)壁面溫度基本一致，且保溫材料厚度遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸。因此，保溫材料內(nèi)的傳熱過程可認(rèn)為是由內(nèi)而外的一維導(dǎo)熱過程。同時(shí)，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)可認(rèn)為常數(shù)，且無內(nèi)熱源。上式（1）可以簡化為：

由式（2）可知，保溫材料的密度、比熱容、密度、厚度等參數(shù)對非穩(wěn)態(tài)過程有非常重要的影響。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 保溫材料的密度對非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程中非正規(guī)/正規(guī)狀態(tài)階段的影響

眾所周知，非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程分為非正規(guī)狀態(tài)階段和正規(guī)狀態(tài)階段，非正規(guī)狀態(tài)階段中保溫材料的溫度分布主要受初始溫度分布的影響，而正規(guī)狀態(tài)階段中保溫材料的溫度分布主要受熱邊界條件的影響[2]。非正規(guī)狀態(tài)階段，試驗(yàn)箱內(nèi)較高溫度的空氣傳遞給保溫材料的熱量全部用來加熱保溫材料，轉(zhuǎn)變?yōu)楸夭牧系臒崃W(xué)能。正規(guī)狀態(tài)階段，試驗(yàn)箱內(nèi)較高溫度的空氣傳遞給保溫材料的熱量一部分用來提高保溫材料的熱力學(xué)能，另一部分通過試驗(yàn)箱外壁面?zhèn)鬟f給外界環(huán)境。因此，試驗(yàn)箱外壁面溫度的變化是判斷非正規(guī)狀態(tài)階段與正規(guī)狀態(tài)階段的依據(jù)。在上述兩種工況下，非正規(guī)/正規(guī)狀態(tài)階段的轉(zhuǎn)變過程如圖1所示。

由圖1可知，工況一在8 min時(shí)由非正規(guī)狀態(tài)階段開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎?guī)狀態(tài)階段，工況二在28 min時(shí)開始由非正規(guī)狀態(tài)階段轉(zhuǎn)變?yōu)檎?guī)狀態(tài)階段。顯然，增加保溫材料的密度會延遲非正規(guī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?guī)狀態(tài)的時(shí)間；增加非正規(guī)狀態(tài)階段的時(shí)長。

圖1 非正規(guī)/正規(guī)狀態(tài)階段轉(zhuǎn)變過程

3.2 保溫材料的密度對非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變過程的影響

隨著時(shí)間的推移，熱傳導(dǎo)由非穩(wěn)態(tài)過程逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)過程。本文以試驗(yàn)箱外壁面溫度的變化速率不大于0.01 ℃/min為熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在上述兩種工況下，非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變過程如圖2所示。

由圖2可知，工況一在110 min時(shí)由非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程，工況二在280 min時(shí)由非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程。顯然，增加保溫材料的密度會延遲非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)到穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程的轉(zhuǎn)變時(shí)間。增加穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程的時(shí)長。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，分析可知：保溫材料的密度越大，非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程的持續(xù)時(shí)間就越長；非正規(guī)狀態(tài)階段和正規(guī)狀態(tài)階段的時(shí)間都會增長，但主要以正規(guī)狀態(tài)階段的時(shí)間增長為主，說明保溫材料密度的變化對非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中正規(guī)狀態(tài)階段的影響大于非正規(guī)狀態(tài)階段。

3.3 保溫材料的密度對非穩(wěn)態(tài)過程中溫度均勻度的影響

3.3.1 測試點(diǎn)的選取

參照國標(biāo)[3]中對試驗(yàn)箱溫度均勻度的測定方法，我們選取“9點(diǎn)法”來評價(jià)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度均勻度。即：在試驗(yàn)箱的工作室內(nèi)定出上、中、下三個(gè)水平測試面，上層與工作室的頂面的距離為工作室高度的1/10，中層通過工作室的幾何中心，下層在最低層樣品架上方10 mm處。測試點(diǎn)位于三個(gè)測試面上，中心測試點(diǎn)位于工作室的幾何中心，其余測試點(diǎn)到工作室壁的距離為各自邊長的1/10。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果及處理

溫度均勻度的計(jì)算：參照國標(biāo)[3]，溫度均勻度的計(jì)算方法如下：

式中：

Δt—溫度均勻度，℃；

n——測試次數(shù)；

tjmax—各測試點(diǎn)在第j分鐘測得的最高溫度，℃；

tjmin—各測試點(diǎn)在第j分鐘測得的最低溫度，℃。

結(jié)合以上定義，在某一時(shí)刻試驗(yàn)箱內(nèi)的（瞬時(shí)）溫度均勻度可用下式表示：

我們選取包含由非正規(guī)狀態(tài)向正規(guī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程的時(shí)間段為研究對象，該時(shí)間段內(nèi)溫度均勻度的變化過程如圖3所示。

圖2 非穩(wěn)態(tài)/穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變過程

圖3 溫度均勻度的變化過程

由圖3可知，在升溫期間，隨著時(shí)間的推移，溫度均勻度逐漸增大，在升溫的最后時(shí)刻（第20 min）達(dá)到最大值。隨后，溫度均勻度逐漸減小。在圖3所示的整個(gè)過程中，工況一的溫度均勻度小于工況二的溫度均勻度。以溫度均勻度不大于2 ℃為判斷標(biāo)準(zhǔn)，工況一、工況二分別在第31 min、46 min達(dá)到2℃?？梢?，低密度的保溫材料會減小試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度均勻度并減少溫度均勻度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的時(shí)間。

4 結(jié)論及展望

保溫棉的密度是影響非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程的重要參數(shù)，對非穩(wěn)態(tài)過程的兩個(gè)階段都有非常重要的影響，以對正規(guī)狀態(tài)階段的影響為主。密度小的保溫棉可以減小測試空間的溫度均勻度，使溫度均勻度更快地達(dá)到測試條件所要求的值；這使得測試過程更加合理、準(zhǔn)確、快速。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，非穩(wěn)態(tài)工況測試的重要性將會越來越得以體現(xiàn)。非穩(wěn)態(tài)測試過程中的影響因素還有很多，需要開展更多的研究與探索。