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(yàn)已成為鑒定產(chǎn)品質(zhì)量的必不可少的手段。為針對(duì)大型電器設(shè)備和軍用裝備的環(huán)控指標(biāo)范圍寬廣、復(fù)合因素多、試驗(yàn)需求強(qiáng)烈的實(shí)際，筆者企業(yè)開(kāi)展了一大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗(yàn)艙室的研制工作[1]。經(jīng)過(guò)兩三年的建設(shè)，已進(jìn)入試用階段。其間為驗(yàn)證艙室各項(xiàng)研制指標(biāo)，逐項(xiàng)進(jìn)行了很多相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)。

1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)及艙室系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

本復(fù)合試驗(yàn)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(jī)組、除濕、加濕、真空、冷卻水、新風(fēng)、排煙、覆冰、排污、照明監(jiān)控、配電、自動(dòng)控制等十多個(gè)子系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo)匯總?cè)绫?。

表1 艙室主要技術(shù)指標(biāo)

艙室環(huán)控系統(tǒng)組成見(jiàn)表2。

2 自控系統(tǒng)界面介紹

自控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境及工具為T(mén)IA portal V16，F(xiàn)ameView 組態(tài)軟件，操作總控界面見(jiàn)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(jí)別及密碼；②總控界面，顯示試驗(yàn)過(guò)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(guò)程或多過(guò)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(jī)組（含東西兩側(cè)復(fù)疊機(jī)組、覆冰機(jī)組、氟泵輔助制冷冷水機(jī)組）等重要設(shè)備采用專門(mén)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(bào)警界面，記錄環(huán)控設(shè)備報(bào)警歷史信息；⑦四畫(huà)面，方便試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)過(guò)程多界面進(jìn)行綜合觀察。因版面過(guò)大，僅舉例說(shuō)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(gè)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)先進(jìn)行工作艙選擇，按試驗(yàn)設(shè)備大小、放置位置，選擇A 艙、B 艙或（A+B）聯(lián)艙試驗(yàn)，作為本試驗(yàn)艙室研制的創(chuàng)新點(diǎn)之一，分艙試驗(yàn)可以節(jié)約試驗(yàn)成本；再進(jìn)行控制選擇，通常選擇“自動(dòng)調(diào)節(jié)”，這之前先進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置，單過(guò)程參數(shù)只需在界面中間位置“目標(biāo)參數(shù)設(shè)定”中設(shè)置，多過(guò)程參數(shù)需要點(diǎn)擊“自動(dòng)設(shè)定目標(biāo)值”、在彈出的參數(shù)表中按試驗(yàn)時(shí)間段順序進(jìn)行分行輸入設(shè)置并點(diǎn)擊啟用以生效，運(yùn)行時(shí)該設(shè)置參數(shù)按時(shí)間自動(dòng)賦值入“目標(biāo)參數(shù)設(shè)定”欄中，可設(shè)置多欄，直至所設(shè)置的變化時(shí)間為0 即結(jié)束試驗(yàn)過(guò)程。其中，若僅為溫度試驗(yàn)，則相對(duì)濕度指標(biāo)賦值為0 即可，升/降溫時(shí)間設(shè)定是以前一個(gè)過(guò)程溫濕度狀態(tài)（或?qū)嶒?yàn)開(kāi)始艙內(nèi)狀態(tài)）變化為所設(shè)置溫濕度狀態(tài)所需時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間為保持本設(shè)置狀態(tài)不變的時(shí)間，對(duì)溫濕度變化過(guò)程，默認(rèn)隨時(shí)跟蹤相對(duì)濕度（如濕熱試驗(yàn)）指標(biāo)，若點(diǎn)擊“含濕量控制”鍵顯亮，則變化過(guò)程只跟蹤首末溫濕度狀態(tài)（以含濕量為控制目標(biāo)，有利于低濕試驗(yàn)時(shí)避免不當(dāng)加濕）?？刂七^(guò)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(jìn)行與溫濕度有關(guān)各設(shè)備自控參數(shù)調(diào)整（通過(guò)點(diǎn)擊右上部各參數(shù)設(shè)置鍵進(jìn)入修改）。過(guò)程結(jié)束點(diǎn)擊“停止”按鍵。

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

本文基于文獻(xiàn)[2,3]系列標(biāo)準(zhǔn)、以及本艙研發(fā)指標(biāo)，參考文獻(xiàn)[4-17]進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，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(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)的符合性，所用試驗(yàn)曲線截屏來(lái)源于主控電腦所存歷史曲線。

3.1 艙內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性試驗(yàn)

大體積、截面的艙體，均勻性的實(shí)現(xiàn)有難度，本艙體研發(fā)中，通過(guò)以下各措施：室內(nèi)換熱模塊設(shè)置12 個(gè)模塊兩側(cè)均布、風(fēng)機(jī)大風(fēng)量和靜壓指標(biāo)、風(fēng)機(jī)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(shí)流量調(diào)節(jié)、制冷機(jī)組加減載近似無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、艙兩側(cè)下部吸風(fēng)，頂部孔板送風(fēng)無(wú)死角，保證了艙內(nèi)溫濕度均勻性的實(shí)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(cè)試結(jié)果，表明均勻性良好。

圖3 艙內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性檢測(cè)

經(jīng)數(shù)據(jù)整理，圖3（b）共27 個(gè)數(shù)據(jù)的最大正偏差1.10 ℃，最大負(fù)偏差-1.62 ℃；圖3（c） 27 個(gè)數(shù)據(jù)的最大正偏差0.58 ℃，最大負(fù)偏差-0.565 ℃；可以說(shuō)艙內(nèi)主要試驗(yàn)區(qū)間溫度場(chǎng)非常均勻。

3.2 單雙艙運(yùn)行試驗(yàn)及能耗比較

大容量艙體，試驗(yàn)時(shí)用能成本高，作為本課題創(chuàng)新點(diǎn)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(jì)中間按需可隔結(jié)構(gòu)，打開(kāi)狀態(tài)下保溫隔門(mén)（共4 折）折疊緊密貼于門(mén)框兩側(cè)并且不影響整艙風(fēng)場(chǎng)，關(guān)門(mén)狀態(tài)下整艙就變成兩個(gè)獨(dú)立艙體，以便可以進(jìn)行一側(cè)單艙體（僅限溫濕度因素）試驗(yàn)，理論上亦可進(jìn)行不同溫濕度工況在不同獨(dú)立艙體內(nèi)的試驗(yàn)。為了解單側(cè)艙體相對(duì)整個(gè)艙體的運(yùn)行節(jié)能效果，特進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

圖4 艙內(nèi)中間隔門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 升溫對(duì)比試驗(yàn)

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(gè)小時(shí)升至60 ℃/95 %，對(duì)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(yàn)升溫時(shí)段功率（單位：kWh）對(duì)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(dú)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?。ɑ蚺撊荩┏烧鹊?，說(shuō)明后續(xù)試驗(yàn)時(shí)能用小艙進(jìn)行就盡量用小艙。

3.2.2 降溫對(duì)比試驗(yàn)

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(duì)比；全艙耗電約2 720 kW，B 艙半艙耗電約2 050 kW，后者對(duì)前者占比約0.75。

圖6 降溫試驗(yàn)相同時(shí)段功率（單位：kWh）對(duì)比

本艙室制冷系統(tǒng)的高溫級(jí)機(jī)組負(fù)責(zé)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(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)，實(shí)際運(yùn)行下來(lái)發(fā)現(xiàn)稍高制冷溫區(qū)單機(jī)組運(yùn)行冷量仍過(guò)大，因制冷機(jī)組制造外包，機(jī)組卸載自控不很完善，因此半艙在此段溫區(qū)運(yùn)行時(shí)時(shí)需要借用另外半艙（A艙）間斷性平衡機(jī)組冷量以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)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(yàn)

3.3.1 極限高溫高濕試驗(yàn)

如圖7 所示，在該艙進(jìn)行了最惡劣的高溫高濕（85 ℃/70 %）試驗(yàn)，由常溫開(kāi)始升溫時(shí)間2 h，能實(shí)現(xiàn)均勻升溫、穩(wěn)定運(yùn)行，考驗(yàn)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(wú)損壞。

圖7 極限高溫高濕變化過(guò)程曲線（橫坐標(biāo)：時(shí)間：時(shí):分:秒；縱坐標(biāo)：溫度）

3.3.2 極限低溫試驗(yàn)

如圖8 所示，在該艙進(jìn)行了最惡劣的-63 ℃低溫試驗(yàn)，降溫時(shí)間近5 h，能實(shí)現(xiàn)分段均勻降溫、穩(wěn)定運(yùn)行，同樣考驗(yàn)了艙內(nèi)照明、攝像頭、加熱器，等各設(shè)備耐低溫性能，無(wú)損壞。

圖8 極限低溫變化過(guò)程曲線（橫坐標(biāo)：時(shí)間：時(shí):分:秒；縱坐標(biāo)：溫度）

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

3.3.3 極限低氣壓指標(biāo)

本艙體在設(shè)計(jì)指標(biāo)正式提出前，圓艙兩封頭及大門(mén)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(biāo)有沖突，為不影響整體進(jìn)展，做極限海拔試驗(yàn)時(shí)，如圖9 所示，艙內(nèi)部對(duì)兩端封頭大門(mén)安裝有支架支撐以及外部貫穿外圓長(zhǎng)度的工字鋼加強(qiáng)固定，以防負(fù)壓試驗(yàn)時(shí)大門(mén)中間變形及分擔(dān)封頭及大門(mén)向內(nèi)的壓力，基本實(shí)現(xiàn)了極限負(fù)壓指標(biāo)試驗(yàn)，如圖10所示。后續(xù)將就封頭及大門(mén)需要進(jìn)行再計(jì)算、最終進(jìn)行永久安全性加強(qiáng)。

圖9 極限低氣壓試驗(yàn)時(shí)兩端大門(mén)內(nèi)支撐架

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

3.4 多因素調(diào)節(jié)試驗(yàn)

3.4.1 溫濕度試驗(yàn)

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

圖11 交變濕熱溫濕度試驗(yàn)

3.4.2 低氣壓溫度試驗(yàn)

如圖12 所示，艙體先由常溫降溫至-45 ℃并維持，在維持期間，進(jìn)行低氣壓（0~3 000）m 海拔的各一定時(shí)間內(nèi)上升-維持-下降還原的過(guò)程試驗(yàn)，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(yàn)

3.4.3 低氣壓溫濕度試驗(yàn)

如圖13 所示，進(jìn)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(shí)間內(nèi)上升-維持-下降還原的過(guò)程試驗(yàn)，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(yàn)

3.4.4 覆冰試驗(yàn)

圖14所示，該試驗(yàn)時(shí)艙內(nèi)溫度先由常溫降至2 ℃后維持一定時(shí)間，再降至-7 ℃維持一定時(shí)間。水箱由常溫降至3.5 ℃并維持，噴水過(guò)程因隨時(shí)補(bǔ)水，至噴水結(jié)束水溫反彈至6.1 ℃（反映出噴架使用噴嘴過(guò)多、噴水量超出需要，造成水箱大量補(bǔ)水帶來(lái)機(jī)組冷量略顯不足），但仍符合噴水溫度需求，試驗(yàn)符合要求。

圖14 覆冰試驗(yàn)曲線（橫坐標(biāo)：時(shí)間：時(shí)、分、秒；縱坐標(biāo)：溫度）

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大型多因素環(huán)境復(fù)合試驗(yàn)艙室主要研制指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)明確了本艙室后續(xù)需要改進(jìn)完善的內(nèi)容和思路。本艙的研制成功將可有效服務(wù)國(guó)內(nèi)大型裝備環(huán)境檢測(cè)事業(yè)，對(duì)提升國(guó)產(chǎn)大型裝備質(zhì)量，乃至有力保障“一帶一路”國(guó)策之大型裝備走出國(guó)門(mén)，以及為企業(yè)創(chuàng)匯意義重大。