李蕊，譚輝，李睿，徐建鋒，劉倩

（西北機(jī)電工程研究所，咸陽 712099）

引言

環(huán)境試驗(yàn)是確保和判別經(jīng)過耐環(huán)境設(shè)計(jì)的裝備在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過程中能否達(dá)到環(huán)境適應(yīng)性要求的最重要的手段。通常會(huì)在試驗(yàn)室借助于環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備按照標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范人工模擬裝備在外場使用、貯存、運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境條件。實(shí)際上，這個(gè)人工模擬的環(huán)境條件都是按照一定的規(guī)律經(jīng)過簡化或強(qiáng)化的環(huán)境條件。淋雨試驗(yàn)就是模擬降雨這類環(huán)境因素。當(dāng)降雨時(shí)，由于雨水的滲透、流動(dòng)、沖擊和積聚，會(huì)對(duì)裝備及其材料產(chǎn)生各種影響。大型軍用裝備必須通過最嚴(yán)酷的短時(shí)間強(qiáng)化降雨環(huán)境試驗(yàn)條件的考核，從而證明其預(yù)期暴露和使用在較溫和的現(xiàn)場實(shí)際降雨環(huán)境條件下時(shí)，不會(huì)因淋雨受到損壞并能在其壽命期內(nèi)正常的工作。

世界各國的環(huán)境工程工作者根據(jù)本國工程產(chǎn)品的需要，制定各種環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)大型軍用裝備通常依據(jù)GJB 150.8A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第8 部分：淋雨試驗(yàn)》、GJB 2093A-2012ZZ《軍用方艙通用試驗(yàn)方法》、GJB 59.70-2004《裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程第70 部分：淋雨試驗(yàn)》等，國外較為廣泛使用的有美軍標(biāo)MIL-STD-810H METHOD 506.6 RAIN、北約軍用標(biāo)準(zhǔn)AECTP 300（Edition3）METHOD 310 RAIN AND WATERTIGHTNESS 等進(jìn)行防雨密封性考核。本文對(duì)上述五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)化淋雨試驗(yàn)主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)中大型設(shè)備淋雨試驗(yàn)方法的主要參數(shù)

美軍標(biāo)MIL-STD-810H METHOD 506.6 RAIN 程序Ⅱ中規(guī)定了噴嘴流量為20.8 L/min，因標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定側(cè)面每0.56 m2范圍內(nèi)至少有一個(gè)噴嘴，故每個(gè)噴嘴的淋雨強(qiáng)度約為37 mm/min，噴嘴壓力為276 kPa；北約軍 標(biāo)AECTP 300（Edition3）METHOD 310 RAIN AND WATERTIGHTNESS 程序Ⅱ中規(guī)定降雨強(qiáng)度40 mm/min，噴嘴絕對(duì)壓力為377 kPa（相對(duì)壓力為276 kPa）；GJB 150.8A 程序Ⅱ只規(guī)定噴嘴壓力為276 kPa，對(duì)噴嘴流量未做明確規(guī)定；GJB 2093A-2012ZZ 只規(guī)定了淋雨強(qiáng)度，對(duì)噴嘴壓力未明確規(guī)定；GJB 59.70-2004 中規(guī)定試驗(yàn)車輛前部淋雨強(qiáng)度為（9～10）mm/min，后部、側(cè)部、頂部淋雨強(qiáng)度為（5～6）mm/min。對(duì)五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，美軍標(biāo)與北約軍標(biāo)的試驗(yàn)條件更加嚴(yán)酷。近年來，隨著國家質(zhì)量強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施的推進(jìn)，軍用裝備研制、生產(chǎn)、使用的全球化趨勢的日益明顯，考核軍用裝備的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗(yàn)條件將會(huì)提升嚴(yán)苛等級(jí)，美軍標(biāo)的嚴(yán)苛試驗(yàn)參數(shù)將是國軍標(biāo)試驗(yàn)參數(shù)提升的參照?；谶@種發(fā)展趨勢，本文圍繞大型軍用裝備執(zhí)行更嚴(yán)苛的試驗(yàn)要求的淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)目前試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行提出改進(jìn)思路，并對(duì)噴嘴參數(shù)、循環(huán)水池參數(shù)和泵的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

1 淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)概述

1.1 淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)組成

淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)是模擬各類風(fēng)雨類環(huán)境下考核大型軍用裝備的保護(hù)罩、殼體、密封橡膠等在運(yùn)輸、貯存、野外作戰(zhàn)時(shí)的防水性能的試驗(yàn)裝置。一般由室體、循環(huán)水池、淋雨系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。其中循環(huán)水池具有過濾和蓄水的功能，分為相連三格，分別為沉淀池、過濾池和清水池；淋雨系統(tǒng)由排架、管道、噴嘴、水泵、閥門及軟管等部分組成；控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力和流量傳感器等組成。

1.2 排架與噴嘴設(shè)置

淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)共由11 組排架布控，其中左側(cè)、右側(cè)各3 組排架，頂端3 組排架，前端和后端各1 組排架，每組排架呈3.5 m×3.5 m 的矩形，排架由垂直6 根水平6 根管路排列組成方格網(wǎng)狀，垂直或水平方向相隔71 cm的距離設(shè)置一噴嘴，共36 個(gè)噴嘴以呈于一組排架上?？蓪?shí)現(xiàn)最大尺寸約為：12 m×3.5 m×3.5 m（長×寬×高）的強(qiáng)化淋雨試驗(yàn)。

1.3 淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理

被試品進(jìn)入室體，操作人員通過PLC 設(shè)定壓力和流量參數(shù)，水泵通過變頻器調(diào)節(jié)流量，從清水池抽取試驗(yàn)用水，通過各管路的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥將試驗(yàn)用水按淋雨參數(shù)分配到各噴嘴，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)條件，噴淋后的試驗(yàn)用水通過排水管道回到沉淀池，經(jīng)過沉淀、過濾循環(huán)被使用，設(shè)備組成及工作原理見圖2。

圖1 淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)組成圖

圖2 設(shè)備組成及工作原理

2 設(shè)計(jì)思路及參數(shù)分析

2.1 設(shè)計(jì)思路

因GJB 150.8A 程序Ⅱ與MIL-STD-810H METHOD 506.6 RAIN程序Ⅱ試驗(yàn)參數(shù)中最顯著的差別是噴嘴流量，故提升噴嘴流量是設(shè)計(jì)方案的核心，根據(jù)新設(shè)計(jì)的噴嘴流量，計(jì)算所需泵的揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、功率、蓄水池的容積以及主管道與排架管道的直徑等參數(shù)。

2.2 噴嘴的選擇與參數(shù)

2.2.1 噴嘴的設(shè)計(jì)

大型淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)的噴嘴需具備拆裝便捷、耐腐蝕，連接處不漏水，安裝牢固，調(diào)整噴頭方便等優(yōu)點(diǎn)；因噴淋面積0.56 m2內(nèi)需要均勻降雨強(qiáng)度，選用可噴出實(shí)心錐形噴霧的噴嘴；噴頭選用不銹鋼材質(zhì)可有效提高噴嘴效率，根據(jù)以上要求可調(diào)雙夾扣實(shí)心錐形噴霧金屬噴嘴為首選。該噴嘴由彈簧夾、夾扣底座、密封圈、可拆卸帽蓋和金屬噴頭五部分組成，具體組成見圖3。

圖3 噴嘴示意圖

可調(diào)球形雙夾扣實(shí)心錐形噴嘴在使用過程中，只需要在水管上開一個(gè)相應(yīng)尺寸的水孔，將噴嘴的入口部分插入水孔中，再用雙向金屬夾扣部分環(huán)抱夾住水管，由于有密封圈的作用，噴嘴并不會(huì)漏水。調(diào)整金屬噴頭即可快速調(diào)整噴淋方向。

2.2.2 噴嘴的定位及噴淋角度

采用方格噴淋網(wǎng)陣達(dá)到被試品表面全覆蓋，按標(biāo)準(zhǔn)，噴嘴以每相隔71 cm 的距離在排架上被定位，側(cè)面噴嘴距離被試品距離為48 cm。經(jīng)計(jì)算噴霧角度為Arctan[（71÷2）÷48]，經(jīng)計(jì)算噴淋角度應(yīng)為73 °，以兩個(gè)在同一直線的側(cè)面噴嘴為示例，噴淋角度示意圖見圖4。

圖4 噴淋角度示意圖

2.2.3 噴嘴尺寸

通常情況下，噴嘴流量與噴嘴壓力、噴嘴直徑、噴淋角度、液體粘度、噴嘴系數(shù)有一定關(guān)系，根據(jù)伯努利原理可推出噴嘴直徑與噴嘴流量、噴嘴壓力的關(guān)系式：

式中：

d—噴嘴直徑，m；

Q—噴嘴流量，m3/s；

P—噴嘴壓力，Pa；

ρ—流體密度，kg/m3；

K—噴嘴系數(shù)，K＜1。

根據(jù)己知的噴嘴流量20.8 L/min，壓力276 kPa，水的密度約為1.0×103 kg/m3，噴嘴系數(shù)小于1，并且受流量與壓力的影響，流量越大、壓力越大，噴嘴系數(shù)越小，系數(shù)值由廠家實(shí)驗(yàn)得出。參考相近壓力與流量的金屬噴嘴系數(shù)K 值約為0.77，將上述數(shù)值代入公式（1），得噴嘴直徑約為5.9 mm，考慮余量選用直徑在6 mm 以上的噴嘴較為穩(wěn)妥，本文使用5.9 mm 進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

2.3 管道直徑與蓄水池容積

管道直徑與蓄水池的容積直接影響淋雨系統(tǒng)供水量是否充足，淋雨系統(tǒng)的管道具備能力每個(gè)噴嘴提供20.8 L/min 的能力，排水管道直徑與循環(huán)水池的循環(huán)時(shí)間會(huì)直接影響蓄水池的容積。

2.3.1 管道直徑

管道主要有淋雨系統(tǒng)的給水主管道、供給每個(gè)排架的支管道、排架管道和室體排水管道等。一個(gè)噴嘴流量為20.8 L/min，淋雨系統(tǒng)共有396 個(gè)噴嘴，總流量理論為8.3 m3/min，考慮余量推薦選使用約1.1 倍的計(jì)算值，即約9.1 m3/min。一般工程中壓力流水管流速取1.5 m/s，根據(jù)流量等于流速乘以管路截面積，可推算出主管路直徑至少為358 mm；供給每個(gè)排架的支管道流量為0.75 m3/min，故支管路直徑約為108 mm；排架內(nèi)一根管道流量為0.125 m3/min，故排架管道直徑約為44.2 mm；排水總管道直徑必須大于給水主管道，蓄水池的供水能力才能得到保障，必要時(shí)，考慮補(bǔ)水量。以上為計(jì)算值，具體選型時(shí)應(yīng)根據(jù)以上數(shù)值選擇標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)管徑。

2.3.2 循環(huán)水池容積

循環(huán)水池的循環(huán)時(shí)間長短主要取決于過濾池的速度，選用過濾速度小于5 min 過濾系統(tǒng)，故循環(huán)一次時(shí)間取5 min。循環(huán)水池的容積為流量乘循環(huán)時(shí)間，即為41.15 m3，取整后，蓄水池最小容積應(yīng)為42 m3。設(shè)計(jì)蓄水池時(shí)容積應(yīng)大于此數(shù)值，建議循環(huán)水池深度不超過2 m，其安全管理按受限空間相關(guān)管理規(guī)定執(zhí)行。

2.4 泵的參數(shù)

2.4.1 泵的流量

一個(gè)噴嘴流量20.8 L/min，淋雨系統(tǒng)共有396 個(gè)噴嘴，其中左側(cè)、右側(cè)、頂面各有三個(gè)排架108 個(gè)噴嘴，前、后各一個(gè)排架36 個(gè)噴嘴?？偭髁坷碚摓?.3 m3/min，取整為498 m3/h。因流量過大，考慮使用四臺(tái)泵組合使用。每臺(tái)泵的流量計(jì)算值約為125 m3/h，考慮余量推薦選使用約1.1 倍的計(jì)算值。

2.4.2 泵的揚(yáng)程

每臺(tái)泵以供頂端排架所需揚(yáng)程為例，估算水泵的揚(yáng)程計(jì)算公式：

式中：

H—泵的揚(yáng)程，m；

hz—排架與泵的高度差，m；

hs—噴頭損失，m；

hq—噴嘴接口需要壓力，m。

泵距地面約2 m，分水管的高度為10 m，故Hz 為12 m。根據(jù)水平管長與彎頭、三通數(shù)量估算水頭損失約15 m，噴嘴接口直徑為1/2 英寸，約為1.25 cm，噴嘴的工作壓力為276 kPa，在本文2.3.3 中估算出噴嘴直徑為5.9 mm，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，噴嘴與噴嘴接口壓力比與兩者面積比關(guān)系可推算出噴嘴接口壓力為62 kPa，噴嘴接口需要壓力約為6.2 m。通過公式（2）估算出泵揚(yáng)程必須大于33.2 m，考慮設(shè)計(jì)余量，故選用揚(yáng)程為50 m 的四臺(tái)泵組合使用輸送淋雨試驗(yàn)用水。

2.4.3 泵的功率

假設(shè)泵流量125 m3/h，揚(yáng)程50 m，因泵的流量較大，故泵效率使用0.85，使用工程中常用經(jīng)驗(yàn)公式估算水泵功率：

式中：

N—泵功率，kW；

Q—泵流量，m3/h；

H—泵的揚(yáng)程，m；

367—固定值；

0.6～0.85—表示泵的效率。

經(jīng)計(jì)算泵功率為15 kW，選型時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)余量。

3 結(jié)束語

本文以國內(nèi)淋雨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢為引導(dǎo)，通過計(jì)算分析得出符合MIL-STD-810H METHOD 506.6 RAIN程序Ⅱ的試驗(yàn)系統(tǒng)的噴嘴直徑、泵的參數(shù)、循環(huán)水池及管道直徑的估算數(shù)值，給出以下推薦設(shè)計(jì)參數(shù)：

1）噴嘴的噴淋角度必須大于36.5 度，噴嘴直徑大于5.9 mm；

2）水主管道直徑為358 mm，供給每個(gè)排架的支管道直徑估算值為108 mm，排架管道直徑估算值為44.2 mm。

3）循環(huán)水池的容積約為42 m3；

4）選用四臺(tái)揚(yáng)程為50 m，功率為15 kW 的泵組合使用。

本文只給出了各參數(shù)的計(jì)算方法及分析思路，雖提出設(shè)計(jì)時(shí)考慮設(shè)計(jì)余量，但未明確設(shè)計(jì)余量的要求范圍，這將作為后繼完善、努力的方向。