武文超，周 偉，曹 勇，濮龍鋒

（1.泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.蘇州旭博檢測(cè)服務(wù)有限公司，蘇州 205101）

斯特林制冷機(jī)可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

輪胎低溫耐久性能試驗(yàn)臺(tái)架研究

武文超1，周 偉1，曹 勇1，濮龍鋒2

（1.泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.蘇州旭博檢測(cè)服務(wù)有限公司，蘇州 205101）

針對(duì)輪胎冬季耐久試驗(yàn)中低溫開(kāi)裂現(xiàn)象和耐久試驗(yàn)的環(huán)境限制，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套模擬整車(chē)狀態(tài)下輪胎低溫運(yùn)行狀態(tài)的試驗(yàn)臺(tái)架。該臺(tái)架系統(tǒng)包括低溫環(huán)境倉(cāng)，低溫控制系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)四部分。根據(jù)冬季黑河實(shí)際道路試驗(yàn)確定臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)車(chē)速、環(huán)境溫度、運(yùn)行載荷、定位角度、運(yùn)行周期以及運(yùn)行里程。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)失效率為10 %時(shí)（即輪胎B10壽命），試驗(yàn)臺(tái)誤差在10 %以內(nèi)，驗(yàn)證了新開(kāi)發(fā)試驗(yàn)臺(tái)的有效性，為考核同類(lèi)型輪胎低溫性能提供了有效途徑。

低溫開(kāi)裂；試驗(yàn)臺(tái)架；輪胎低溫性能；失效率

引言

汽車(chē)輪胎的疲勞耐久性直接關(guān)系到汽車(chē)行駛的安全性及可靠性。輪胎主要由膠料制成，具有在低溫時(shí)易玻璃化，硬度變高，易脆的特性，使得輪胎在長(zhǎng)時(shí)間的行駛過(guò)程中容易發(fā)生輪胎開(kāi)裂現(xiàn)象，造成輪胎疲勞失效，可能出現(xiàn)輪胎漏氣和爆胎，嚴(yán)重影響車(chē)輛行車(chē)安全。在本公司的整車(chē)冬季耐久試驗(yàn)中，驗(yàn)證出多個(gè)車(chē)型上具有輪胎開(kāi)裂問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 冬季耐久試驗(yàn)中輪胎開(kāi)裂失效圖

在1980年，Davis J B等人研究獲取輪胎在冬季雪地上牽引力及制動(dòng)距離信息的方法，比較不同輪胎的數(shù)據(jù)并指導(dǎo)輪胎設(shè)計(jì)[1]。目前，輪胎的低溫性能試驗(yàn)主要在汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)或輪胎試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行， 何毫明等通過(guò)室外實(shí)車(chē)道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證了新開(kāi)發(fā)的205/65R15 SW601 和195/65R15 SW602 兩款冬季輪胎滿足冬季輪胎要求[2]。Martin D P等人利用輪胎試車(chē)場(chǎng)研究了冬季路面上不同輪胎的制動(dòng)性能試驗(yàn)[3]。張新軍等人根據(jù)粘彈譜儀所測(cè)損耗因子一溫度曲線確定的特性溫度與脆性溫度相比較，發(fā)現(xiàn)損耗因子一溫度曲線在玻璃化溫度以下的拐點(diǎn)處兩切線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度與脆性溫度高度吻合，可以用來(lái)表征胎面膠的耐低溫性能[4]。

目前大多的文獻(xiàn)關(guān)注的是輪胎的低溫制動(dòng)及操穩(wěn)性能。對(duì)于輪胎低溫耐久性能關(guān)注較少。汽車(chē)輪胎低溫耐久性能測(cè)試主要依靠整車(chē)冬季耐久試驗(yàn)，缺乏必要的低溫耐久臺(tái)架試驗(yàn)。同時(shí)由于冬季耐久試驗(yàn)每年只能在特定的地點(diǎn)很短一段時(shí)間進(jìn)行，對(duì)于某些沒(méi)趕上冬季耐久試驗(yàn)的輪胎，需要再等一年后再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，時(shí)間周期較長(zhǎng)，滿足不了當(dāng)前大量輪胎項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，也不符合本公司對(duì)認(rèn)證試驗(yàn)的流程。同時(shí)其驗(yàn)證成本也相對(duì)較高。為了確保新開(kāi)發(fā)的輪胎在冬季耐久試驗(yàn)之前就完整確認(rèn)其低溫性能，確保輪胎在冬季耐久試驗(yàn)過(guò)程不出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，因此我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)架。

1 試驗(yàn)臺(tái)架簡(jiǎn)介

目前輪胎耐久試驗(yàn)設(shè)備發(fā)展比較迅速，可以分為轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)臺(tái)、平帶式試驗(yàn)臺(tái)、平臺(tái)式試驗(yàn)臺(tái)以及試驗(yàn)拖車(chē)，其中轉(zhuǎn)鼓式室內(nèi)輪胎疲勞耐久試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用最為廣泛。本試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)合現(xiàn)有轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)及實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮輪胎定位參數(shù)、車(chē)速、輪胎載荷、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境溫度，開(kāi)發(fā)出輪胎低溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)架用于考核輪胎低溫性能，見(jiàn)圖2所示。

1.1 輪胎低溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)

本輪胎低溫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)主要由轉(zhuǎn)鼓箱、控制系統(tǒng)、低溫環(huán)境箱、環(huán)境箱控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)五部分組成。本試驗(yàn)臺(tái)利用轉(zhuǎn)鼓箱模擬實(shí)際行車(chē)道路路面，利用環(huán)境箱模擬外界行駛溫度環(huán)境，通過(guò)控制系統(tǒng)控制輪胎定位參數(shù)、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速即車(chē)速、輪胎載荷、運(yùn)行啟停時(shí)間、環(huán)境箱溫度來(lái)模擬冬季實(shí)車(chē)的輪胎耐久試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架各功能模塊介紹

1.2.1 轉(zhuǎn)鼓箱

轉(zhuǎn)鼓箱由轉(zhuǎn)鼓、升速箱、轉(zhuǎn)鼓電機(jī)、飛輪組組成。其中轉(zhuǎn)鼓表面粘貼有一定粗糙度的砂紙用來(lái)模擬輪胎行駛的實(shí)際路面，在轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)鼓與輪胎間的摩擦作用實(shí)現(xiàn)輪胎與轉(zhuǎn)鼓間的同步旋轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)鼓箱可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)速度最高達(dá)100 km/ h。為使輪胎與鼓面接觸更接近實(shí)際，更好模擬車(chē)輪的實(shí)際行駛狀態(tài)，采用寬550 mm、直徑2 000 mm的大直徑轉(zhuǎn)鼓。

1.2.2 低溫環(huán)境箱及溫度控制系統(tǒng)

低溫環(huán)境箱與轉(zhuǎn)鼓箱相通，轉(zhuǎn)鼓箱中的轉(zhuǎn)鼓暴露在低溫環(huán)境箱中以模擬實(shí)際冬季行駛道路環(huán)境。通過(guò)環(huán)境箱控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)定和保持低溫環(huán)境箱的溫度，環(huán)境箱控制系統(tǒng)最低可設(shè)定至-50 ℃，可滿足我國(guó)冬季道路用戶環(huán)境溫度。

1.2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的核心，其主要用來(lái)控制車(chē)輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的角度、輪胎載荷以及運(yùn)轉(zhuǎn)啟停，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪定位、載荷加載、車(chē)輪行駛狀態(tài)的調(diào)節(jié)。此外控制系統(tǒng)還能夠監(jiān)控試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)里程，與實(shí)際道路試驗(yàn)里程進(jìn)行對(duì)比。

1.2.4 車(chē)輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

車(chē)輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要用于調(diào)節(jié)車(chē)輪的安裝狀態(tài)，保證車(chē)輪具有與實(shí)車(chē)狀態(tài)下相同的前束角、外傾角，通過(guò)載荷加載裝置使輪胎具有與實(shí)車(chē)狀態(tài)下相同的承載。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)發(fā)流程圖

輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)節(jié)裝置包含伺服電機(jī)、調(diào)節(jié)絲杠、導(dǎo)軌、前束角驅(qū)動(dòng)裝置、外傾角驅(qū)動(dòng)裝置、載荷驅(qū)動(dòng)裝置，如圖3所示。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件下的輪胎狀態(tài)，通過(guò)控制系統(tǒng)，在伺服電機(jī)的作用下通過(guò)前束角驅(qū)動(dòng)裝置和外傾角驅(qū)動(dòng)裝置分別調(diào)節(jié)車(chē)輪前束角和外傾角，實(shí)現(xiàn)與實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)下相同的車(chē)輪前束角和外傾角。載荷驅(qū)動(dòng)裝置可沿導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的徑向加載，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪安裝狀態(tài)下相同載荷的加載。

1.2.4.1 前束角驅(qū)動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)方式

為保證與實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)狀態(tài)下相同的車(chē)輪安裝狀態(tài)，需對(duì)其前束角進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)控制系統(tǒng)的控制指令控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，前束角驅(qū)動(dòng)裝置在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以前束角調(diào)節(jié)軸承為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)輪胎在轉(zhuǎn)鼓上的前束角的功能。前束角的調(diào)節(jié)范圍為正負(fù)4度，精度可達(dá)到0.1°。

1.2.4.2 外傾角驅(qū)動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)方式

與前束角調(diào)節(jié)方式相似，外傾角驅(qū)動(dòng)裝置在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以外傾角調(diào)節(jié)軸承為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)輪胎在轉(zhuǎn)鼓上的外傾角的功能。外傾角的調(diào)節(jié)范圍為正負(fù)4°，精度可達(dá)到0.1°。

1.2.4.3 載荷驅(qū)動(dòng)裝置

載荷加載裝置根據(jù)實(shí)際車(chē)輪承受的載荷，調(diào)節(jié)加載裝置預(yù)先加載沿車(chē)輪徑向的載荷。載荷的加載是通過(guò)控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎的加載，最大加載力可達(dá)8 000 N。

完成試驗(yàn)臺(tái)架的搭建，還需對(duì)試驗(yàn)方法及參數(shù)進(jìn)行確定，以驗(yàn)證其在試驗(yàn)條件下的有效性。

2 試驗(yàn)方法及參數(shù)的確定

試驗(yàn)方法的確定與輪胎的使用狀態(tài)和環(huán)境相關(guān)。本試驗(yàn)臺(tái)架主要驗(yàn)證輪胎的低溫開(kāi)裂問(wèn)題，因此，此輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)架需與冬季耐試驗(yàn)對(duì)比并校準(zhǔn)，使臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)有效反映冬季耐久路試中相應(yīng)的結(jié)果。

初步確定試驗(yàn)方法為：試驗(yàn)輪胎以規(guī)定的載荷、前束角、外傾角在轉(zhuǎn)鼓上以一定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)定的里程，并達(dá)到與冬季實(shí)車(chē)耐久試驗(yàn)一致的結(jié)果。因此，實(shí)驗(yàn)前需要確定進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)車(chē)速、環(huán)境溫度、運(yùn)行載荷、輪胎定位、輪胎啟停間隔、運(yùn)轉(zhuǎn)里程。

2.1 輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)速度

在相同載荷、輪胎充氣壓力、環(huán)境溫度下，輪胎的疲勞耐久性與輪胎的運(yùn)行里程有關(guān)[5]，因此，室內(nèi)輪胎低溫耐久性能試驗(yàn)采用在一定車(chē)速下運(yùn)行的里程與實(shí)際室外道路試驗(yàn)下的運(yùn)行里程進(jìn)行對(duì)比校準(zhǔn)。以黑河冬季試驗(yàn)場(chǎng)各運(yùn)行工況的平均車(chē)速作為室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓箱內(nèi)輪胎的運(yùn)行速度，如下圖4所示。將黑河冬季試驗(yàn)場(chǎng)的各種路況下的車(chē)速換算成總里程下的平均車(chē)速，為79.5 km/h，試驗(yàn)取80 km/h。

2.2 輪胎所處環(huán)境箱的溫度

圖3 車(chē)輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 黑河冬季試車(chē)場(chǎng)各運(yùn)行工況

溫度作為該試驗(yàn)最關(guān)鍵的參數(shù)，需覆蓋試驗(yàn)條件下（黑河冬季溫度）99 %的最低試驗(yàn)溫度，并且保證輪胎在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中胎面溫度和黑河路試中胎面溫度一致。圖5為黑河出現(xiàn)最低溫度月份的溫度統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)溫度需要低于-37 ℃才可以滿足試驗(yàn)要求?？紤]到輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，胎面會(huì)有一定的溫升，為使輪胎的胎面溫度與黑河路試過(guò)程中輪胎的胎面溫度一致，選擇將低溫箱的控制溫度設(shè)為40 ℃[6]。

2.3 輪胎運(yùn)行時(shí)的載荷

在相同試驗(yàn)條件下，載荷與輪胎耐久性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著載荷的增大，輪胎下沉量增加，能夠促進(jìn)輪胎低溫開(kāi)裂的進(jìn)程。因此，在能夠正確模擬輪胎失效形式的前提下，盡量選擇較大載荷，加快試驗(yàn)進(jìn)程，本臺(tái)架試驗(yàn)選擇車(chē)輛滿載時(shí)輪胎的承載。

2.4 輪胎在轉(zhuǎn)鼓上的定位角度

輪胎在轉(zhuǎn)鼓上的定位角是為模擬輪胎在整車(chē)安裝狀態(tài)下的四輪定位角度。該角度對(duì)輪胎的各種性能影響較大，不同的四輪定位角度會(huì)導(dǎo)致不同的失效形式，本臺(tái)架試驗(yàn)選用試驗(yàn)用車(chē)輛設(shè)計(jì)的四輪定位角度，包括前束角和外傾角。

在試驗(yàn)臺(tái)架上，前束角定義為輪胎安裝面和轉(zhuǎn)鼓中心面在y軸上的夾角，即1.2.4.1中前束角調(diào)節(jié)軸承的旋轉(zhuǎn)角度；外傾角定義為輪胎安裝面和轉(zhuǎn)鼓中心面在x軸上的夾角，即1.2.4.2中外傾角調(diào)節(jié)軸承的旋轉(zhuǎn)角度，如圖6所示。

2.5 輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)起停間隔

依據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知穩(wěn)態(tài)時(shí)（即輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，速度、載荷、胎壓、環(huán)境溫度不變），輪胎表面溫升是單因素的線性函數(shù)，且當(dāng)輪胎穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)120 min左右，輪胎溫度可達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)[7]。

圖5 黑河溫度最低月份溫度統(tǒng)計(jì)

冬季黑河輪胎耐久試驗(yàn)每個(gè)周期都需要徹底冷卻，因此，在輪胎低溫性能試驗(yàn)系統(tǒng)中也設(shè)置冷卻周期，模擬實(shí)際輪胎耐久試驗(yàn)過(guò)程中的冷卻工況。依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，為使輪胎胎面在環(huán)境倉(cāng)中溫度達(dá)到與黑河路試輪胎胎面溫度一致所需時(shí)間為5.5 h，輪胎工作后胎面溫度恢復(fù)至環(huán)境溫度需約1 h。為保證試驗(yàn)效率以及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需使輪胎胎面溫度在工作周期內(nèi)與實(shí)際道路試驗(yàn)相近，在試驗(yàn)過(guò)程中使輪胎能夠徹底冷卻。因此，確定試驗(yàn)循環(huán)周期為8 h，其中包括試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間6 h，靜止冷卻時(shí)間2 h，充分模擬黑河路試的關(guān)鍵因素，并真實(shí)有效的復(fù)現(xiàn)黑河實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。

2.6 輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)里程

為了驗(yàn)證該輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)架能夠有效模擬輪胎黑河冬季耐久試驗(yàn)，要求臺(tái)架試驗(yàn)中輪胎行駛里程與黑河冬季耐久試驗(yàn)相同。因此，在其他關(guān)鍵因素保持一致的前提下，將試驗(yàn)總里程確定為8 400 km，以保證臺(tái)架試驗(yàn)和黑河路試?yán)锍桃恢隆?/p>

3 臺(tái)架有效性的驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比分析輪胎在冬季耐久路試中的試驗(yàn)結(jié)果和所開(kāi)發(fā)的輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)試驗(yàn)臺(tái)的有效性。表1為路試和臺(tái)架條件下的D輪胎失效里程。

圖6 車(chē)輪定位坐標(biāo)系

對(duì)D11輪胎在實(shí)際冬季耐久路試中的8條輪胎開(kāi)裂的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行威布爾統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，在失效率為10 %時(shí)，該輪胎的低溫耐久試驗(yàn)壽命為2 670 km，即B10=2 670 km。在臺(tái)架上對(duì)8條同型號(hào)和配方的輪胎進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后的8條輪胎開(kāi)裂的試驗(yàn)里程進(jìn)行威布爾統(tǒng)計(jì)分析，在失效率為10 %時(shí)，該試驗(yàn)條件下的輪胎低溫耐久試驗(yàn)壽命為2 479 km, 即B10=2 479 km，與路試的B10誤差為7.5 %，符合模擬臺(tái)架的要求，其威布爾累計(jì)失效概率-失效里程分布曲線如圖7所示。

表1 路試和臺(tái)架條件下的D11輪胎失效里程

圖7 累計(jì)失效概率-失效里程分布曲線

采用相同的試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)SGM318輪胎進(jìn)行了驗(yàn)證，與路試的B10誤差為9.4 %，也符合模擬臺(tái)架的要求，驗(yàn)證了該臺(tái)架的有效性。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)比SGM318、D11、D16等項(xiàng)目在黑河冬季耐久試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與新開(kāi)發(fā)的輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果的B10與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的B10誤差小于10 %，驗(yàn)證了新開(kāi)發(fā)的輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)架的有效性。

2）該輪胎低溫性能試驗(yàn)臺(tái)架的開(kāi)發(fā)，為輪胎在短期內(nèi)完成開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證起到了重要作用，提高了研發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)約成本。

3）基于臺(tái)架的通用性和輪胎開(kāi)裂問(wèn)題的不可預(yù)見(jiàn)性，將對(duì)所有通用項(xiàng)目的輪胎都可以利用該臺(tái)架進(jìn)行考核和評(píng)估。

[1] Davis J B, Wild J R, John N W S.WINTER TIRE TESTING [J].Society of Automotive Engineers Preprint, 1980.

[2]何毫明, 葉李青, 張建軍,等.冬季輪胎的開(kāi)發(fā)及性能測(cè)試[J].輪胎工業(yè), 2009(1):30-35.

[3] Martin D P, Schaefer G F.Tire-Road Friction in Winter Conditions for Accident Reconstruction[C].// International Congress & Exposition.1996.

[4]張新軍，王京通.輪胎耐低溫性能表征方法的探討[J].輪胎工業(yè), 2014(12):716-719.

[5]賀年茹.全球性輪胎標(biāo)準(zhǔn)GTS 2000簡(jiǎn)介[J].輪胎工業(yè), 2000(7):396-399.

[6]李勇, 左曙光, 段向雷, 等.基于試驗(yàn)的輪胎溫度場(chǎng)分布及影響因素分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 40(8): 1249-1253.

[7]趙子亮, 王慶年, 李杰, 等.基于滾動(dòng)狀態(tài)輪胎溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)熱分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2001, 37(5): 30-34.

斯特林制冷機(jī)可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

馬學(xué)煥，王 昆，張宗峰，陳根重，趙 帥, 張愛(ài)紅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，安徽億瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230088）

摘要：介紹了一種專(zhuān)門(mén)用于斯特林制冷機(jī)可靠性實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)系統(tǒng)。該平臺(tái)能夠記錄斯特林制冷機(jī)運(yùn)行中的包括環(huán)境模擬溫度、冷指腔體真空度、制冷溫度、制冷功率、運(yùn)行時(shí)間等在內(nèi)的各種試驗(yàn)參數(shù)，這些參數(shù)可以在操作界面上以圖形、表格、文檔等形式顯示、存儲(chǔ)和打印。是一個(gè)集測(cè)試、真空、環(huán)境模擬等技術(shù)于一體一的綜合性試驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：斯特林制冷機(jī)；環(huán)境試驗(yàn)箱；可靠性實(shí)驗(yàn)；真空

Abstract：A reliability test system for Stirling cryocooler is introduced in this paper.The large number of test parameters such as simulating environmental temperature, cold head Dewar vacuum, achieved lowest temperature, and cooling time can be recorded in the industrial computer.These parameters can be displayed, stored, and exported in the form of chart, table and document.It is a comprehensive advanced reliability test system integrated measurement, vacuum, and environmental simulation.

Key words：Stirling cryocooler; environment test chamber; reliability test; vacuum

引言

1）建立可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的

斯特林制冷機(jī)在完成裝配調(diào)試后要進(jìn)行常溫可靠性運(yùn)行實(shí)驗(yàn)和模擬工作環(huán)境溫度的可靠性運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到加速壽命驗(yàn)證和長(zhǎng)壽命可靠性檢測(cè)的目的。

2）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能包括一下內(nèi)容：①檢測(cè)制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的輸入輸出的動(dòng)態(tài)參數(shù)；②檢測(cè)制冷機(jī)的輸入功率；③檢測(cè)制冷機(jī)的降溫時(shí)間；④檢測(cè)制冷機(jī)的制冷溫度；⑤檢測(cè)制冷機(jī)的制冷功率；⑥制冷機(jī)機(jī)殼溫度檢測(cè)；⑦保障冷指氣缸的高真空狀態(tài)；⑧檢測(cè)冷指氣缸的真空度；⑨高低溫環(huán)境模擬以及高低溫快速變溫循環(huán)；⑩UPS電源；各項(xiàng)參數(shù)的采集、處理、存儲(chǔ)和輸出。

3）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由真空獲得與保持系統(tǒng)、高低溫（快變）環(huán)境模擬提供系統(tǒng)、交流和直流電源系統(tǒng)、參數(shù)采集及處理系統(tǒng)、操作與控制系統(tǒng)、UPS電源、臺(tái)架結(jié)構(gòu)等組成。實(shí)驗(yàn)工位共有12個(gè)和6套檢測(cè)儀表，其中常溫實(shí)驗(yàn)工位6個(gè)，高低溫環(huán)境模擬工位6個(gè)且與常溫工位共用檢測(cè)儀表。

1 可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的指標(biāo)要求（見(jiàn)表1）

2 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)指標(biāo)要求，每個(gè)工位都要有大功率直流供電電源、制冷量測(cè)量用對(duì)抗電源、功率計(jì)、低溫溫度測(cè)量?jī)x表、機(jī)殼溫度測(cè)量?jī)x表以及真空閥門(mén)等儀器和操作閥件，且每個(gè)工位的儀表測(cè)試線和真空管道都有可能連接到高低溫快變?cè)囼?yàn)箱中，如果六個(gè)工位順序排列將造成個(gè)別工位的測(cè)量接線以及真空管道過(guò)長(zhǎng)，不方便實(shí)驗(yàn)人員的操作，因此六個(gè)工位采取三個(gè)工位為一組，分別置于高低溫快變?cè)囼?yàn)箱的左右兩側(cè)的布局方式。真空管道系統(tǒng)布置于臺(tái)架下方，且從高低溫快變?cè)囼?yàn)箱的底板下穿過(guò)?？傮w布局示意圖如圖1所示。

表1 可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的指標(biāo)要求

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高低溫快變?cè)囼?yàn)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在前述總體布局設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)箱在中間位置，為方便操作以及連接管道和線纜的方便，試驗(yàn)箱的測(cè)試孔開(kāi)在左右兩側(cè)，每側(cè)設(shè)計(jì)三個(gè)直徑80 mm的測(cè)試孔以便滿足兩側(cè)工位儀表的接線盒真空管道的連接。如此，試驗(yàn)箱的箱門(mén)設(shè)計(jì)成前置平開(kāi)式，控制柜和制冷機(jī)組均置于試驗(yàn)空間的后側(cè)。操作屏設(shè)計(jì)成搖臂懸掛式置于箱體的一側(cè)便于在連接真空管道時(shí)不互相干擾。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體示意圖

試驗(yàn)箱的有效空間尺寸為1 000×1 000×1 000（mm），箱體底架下底面距離地面要保證300 mm的空間，留做真空管道的過(guò)道。為保證實(shí)驗(yàn)人員的可操作性，試驗(yàn)空間不能距離地面過(guò)高，因此，制冷機(jī)組就只能后置而不能置于試驗(yàn)空間的下部底架中。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)真空系統(tǒng)流程圖

4 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 真空系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

本真空系統(tǒng)要求無(wú)油，且真空度要求高于5E-3Pa，故選擇干泵和分子泵組合泵組來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)真空度的要求（計(jì)算從略）。管道系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)處于常壓狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)干泵工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管道的低真空抽空任務(wù)。當(dāng)管道中氣壓達(dá)到一定的真空度時(shí)，啟動(dòng)分子泵繼續(xù)抽空從而實(shí)現(xiàn)高真空的目標(biāo)。低真空管道和高真空管道分別連接到各個(gè)工位，且每種管道上都設(shè)置真空閥門(mén)用于低真空和高真空抽氣轉(zhuǎn)換過(guò)程的切換和鎖定。每一個(gè)工位的冷指真空腔體設(shè)置一個(gè)放氣閥用于工位真空腔體的壓力恢復(fù)。在低真空管道上安裝真空壓力變送器，在高真空管道上安裝真空復(fù)合規(guī)，配合主控面板上的真空計(jì)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)的控制和顯示。

4.2 真空系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

4.3 真空管道系統(tǒng)示意圖（如圖3、4所示）

5 控制系統(tǒng)的工位面板和主控制面板的設(shè)計(jì)

圖3 真空管道系統(tǒng)示意圖

圖4 真空管道系統(tǒng)示意圖

5.1 工位面板

每個(gè)工位分上下兩部分，上部面板為儀器儀表，下部面板為工位操作閥扭等配置。上部面板配置本工位的驅(qū)動(dòng)電源、低溫冷頭溫度計(jì)、對(duì)抗電源、功率計(jì)、機(jī)殼溫度顯示儀表。驅(qū)動(dòng)電源和機(jī)殼溫度輸入端子從快插接入，其他設(shè)備的輸入端子從儀表前面板直接接入。下部面板配置兩個(gè)五孔插座、測(cè)試工位電源、工位抽空開(kāi)關(guān)、工位放氣開(kāi)關(guān)，快插端子。測(cè)試臺(tái)面預(yù)留一個(gè)KF16抽空接口，如圖5所示。

5.2 主控制面板

其上有總電源開(kāi)關(guān)、分子泵控制器，干泵1和2、分子泵1和2的啟停按鈕以及故障報(bào)警指示燈，如圖6所示。

6 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理

1）機(jī)表溫度：通過(guò)數(shù)顯溫度采集儀傳給PLC，再通過(guò)PLC傳輸給工控機(jī)，數(shù)顯溫度采集儀放置在面板上，傳感器為PT100。

2）驅(qū)動(dòng)電源、對(duì)抗電源、功率計(jì)、冷頭溫度計(jì)、高低溫試驗(yàn)箱、分子泵等通過(guò)通信的方式和工控機(jī)連接，可以把驅(qū)動(dòng)電源電壓和電流、對(duì)抗電源電壓電流、功率計(jì)的電壓電流和功率、冷頭溫度計(jì)溫度值、高低溫試驗(yàn)箱的試驗(yàn)溫度等傳輸給工控機(jī)顯示、儲(chǔ)存、控制。

3）低真空和高真空的真空度通過(guò)PLC模擬量模塊采集，并上傳給工控機(jī)，工控機(jī)同步顯示。

4）控制：在工控機(jī)上操作，通過(guò)PLC對(duì)電氣部分（泵，閥門(mén)等）進(jìn)行監(jiān)控。

5）數(shù)據(jù)處理：相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)Labview軟件處理，可實(shí)現(xiàn)數(shù)值顯示、圖表顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，方便拷貝和查看。

6）報(bào)警：故障報(bào)警在現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，工控機(jī)上同步顯示。

控制系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖7。

7 結(jié)論

建立的斯特林制冷機(jī)可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)要求中的各項(xiàng)功能，解決了大容量數(shù)據(jù)的通信困難。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在中央控制臺(tái)可以用圖形、表格或文檔等方式進(jìn)行查閱和導(dǎo)出， 為設(shè)計(jì)人員對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行壽命分析以及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在平臺(tái)的設(shè)計(jì)研制過(guò)程中有以下諸方面的創(chuàng)新：

1）高低溫快變?cè)囼?yàn)箱兩側(cè)設(shè)計(jì)了連接制冷機(jī)的真空管道；

2）高低溫快變?cè)囼?yàn)箱整體進(jìn)行抬高設(shè)計(jì)，真空管道下穿試驗(yàn)箱；

圖5 工位面板示意圖

圖6 主控面板示意圖

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)流程圖

3）在中央工控機(jī)上可以操作、顯示、存儲(chǔ)試驗(yàn)箱的試驗(yàn)參數(shù)；

4）真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)工位能夠獨(dú)立進(jìn)行抽空和壓力恢復(fù)而不影響其他工位的試驗(yàn)工作；

Research on the Test Bench of Low Temperature Durability Performance for Tire

WU Wen-chao1, ZHOU Wei1, CAO Yong1, PU Long-feng2
(1.Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2.Suzhou Xubo Testing Service Co., Ltd., Suzhou 205101)

According to the cold cracking of tire in endurance test in winter, and the environmental limitation of the test, a test bench is designed for simulating tire’s working state of full vehicle in low temperature.There are four parts about the test bench system: low temperature environment chamber, low temperature control system, executive and control mechanism.The testing speed, environmental temperature, operation loads, orientation angle, operation cycles and operation miles is determined according to the winter actual road testing in Heihe.This test bench is verified by comparing roller testing results with actual road testing results.The results indicate that the error of roller testing is within 10 % when the failure rate is 10 %.This test bench provides an effective way to check the low-temperature performance of same type tire.

cold cracking; test bench; low-temperature performance of tire; failure rate

Development of Reliability Test System for Stirling Crycooler

MA Xue-huan, WANG Kun, ZHANG Zong-feng, CHEN Gen-zhong, ZHAO Shuai, ZHANG Ai-hong
(Anhui Yirui Cryogenic Energy Technology Co., Ltd., The 16th Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230043)

V467

A 文章編號(hào)：1004-7204（2016）05-0119-05

武文超(1979-)，男，漢族，上海，本科，高級(jí)工程師。主要從事汽車(chē)試驗(yàn)技術(shù)研究。

B657.3 TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1004-7204（2016）05-0124-05