李迪凡,景超杰,李景育,2,譚勇,李澤華,舒暢,朱玉琴,李旭
(1.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所,重慶 400039;2.海南萬(wàn)寧大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站,海南 571522)
產(chǎn)品尤其是電器類(lèi)產(chǎn)品在運(yùn)輸及使用過(guò)程中由于受各種振動(dòng)及環(huán)境應(yīng)力的影響,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能退化和功能喪失,在保證產(chǎn)品故障失效模式和失效機(jī)理不變的的前提下高效快速評(píng)估產(chǎn)品的可靠性和使用壽命等技術(shù)指標(biāo),需要開(kāi)展加速試驗(yàn)來(lái)激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷,以期得到更多的可靠性信息[1-8]。單一或少因素環(huán)境試驗(yàn)具有一定局限性[9],不能真實(shí)反映產(chǎn)品的實(shí)際環(huán)境條件,綜合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)軌蚓C合各種環(huán)境因素,能根據(jù)一設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)譜要求施加在產(chǎn)品上,模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中實(shí)際經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力作用并保持失效機(jī)理不變,有效驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)水平、暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用等過(guò)程中存在的薄弱環(huán)節(jié),激發(fā)出單因素或少因素環(huán)境試驗(yàn)難以發(fā)現(xiàn)的故障[9]。可見(jiàn)綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)在自然環(huán)境試驗(yàn)中具有重要地位,研發(fā)多因素乃至全因素綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)具有重大意義。
通過(guò)查閱資料和文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),在所有環(huán)境應(yīng)力中,溫度、濕度、振動(dòng)和鹽霧是影響產(chǎn)品失效的最典型環(huán)境因素[10-18]。據(jù)國(guó)外某知名電子裝備公司技術(shù)資料明確地指出了環(huán)境應(yīng)力在產(chǎn)品失效中所占百分比[10],統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。因此如何研發(fā)出一種四因素綜合試驗(yàn)系統(tǒng)顯得尤為重要。
目前,國(guó)內(nèi)主要是在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件下開(kāi)展溫濕振試驗(yàn),與產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境往往有較大的差距,導(dǎo)致其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定的出入,往往忽略了鹽霧等因素對(duì)產(chǎn)品的影響,而產(chǎn)品在使用過(guò)程中特別是在東南沿海等地區(qū)其壽命周期內(nèi)的所有環(huán)境都會(huì)經(jīng)歷振動(dòng)、溫度、濕度和鹽霧等綜合環(huán)境,而這些環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品的影響非常顯著,如何在產(chǎn)品的研制初期真實(shí)地模擬運(yùn)輸、貯存和使用過(guò)程中的環(huán)境因素,通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,以提高產(chǎn)品的質(zhì)量性能,這就迫切需要研究自然環(huán)境動(dòng)態(tài)加速模擬試驗(yàn)裝置,本文研制的自然環(huán)境動(dòng)態(tài)加速模擬試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)裝置相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先,能真實(shí)的模擬了自然氣候條件的實(shí)際變化規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信;其次,實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的振動(dòng)激勵(lì)與多項(xiàng)自然環(huán)境因素的綜合作用,且對(duì)溫度、濕度環(huán)境因素按真實(shí)的變化規(guī)律適當(dāng)強(qiáng)化,在保證模擬性的前提下加快了暴露問(wèn)題的速度,提高了加速性。本文研發(fā)的溫度、濕度、振動(dòng)、鹽霧四綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)[17],滿(mǎn)足GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》[18]、GB/T 2423《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程》[19]等標(biāo)準(zhǔn)要求,并在車(chē)載電子產(chǎn)品試驗(yàn)中得以驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)基本要求,能夠完成典型環(huán)境應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品或材料的影響研究,為產(chǎn)品的可靠性和快速壽命評(píng)估奠定一定的基礎(chǔ)。
試驗(yàn)前將樣品固定在工作臺(tái)面上,關(guān)閉各個(gè)窗口,使樣品與外界完全隔絕。試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度分別由加熱器和加濕器提供,通過(guò)離心機(jī)將加熱加濕后的空氣送入工作室內(nèi),經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的循環(huán),使工作室的溫濕度均勻且到達(dá)設(shè)定的值,振動(dòng)臺(tái)則根據(jù)所設(shè)試驗(yàn)參數(shù)同時(shí)開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn),由于本試驗(yàn)裝置安裝在海南距海岸線(xiàn)約100 m戶(hù)外環(huán)境條件下,空氣中的鹽霧濃度較高,試驗(yàn)前箱體內(nèi)引入的鹽霧協(xié)同溫度、濕度和振動(dòng)因素加速對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行作用。試驗(yàn)停止后,根據(jù)試驗(yàn)要求打開(kāi)各門(mén)窗使箱體與外界連通,開(kāi)展自然環(huán)境試驗(yàn),動(dòng)態(tài)模擬產(chǎn)品各狀態(tài)下環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品的影響。
加速試驗(yàn)系統(tǒng)主要由自然環(huán)境加速試驗(yàn)分系統(tǒng)、振動(dòng)模擬試驗(yàn)分系統(tǒng)、人機(jī)交互與記錄分系統(tǒng)和環(huán)境防護(hù)分系統(tǒng)四個(gè)分系統(tǒng)組成,試驗(yàn)系統(tǒng)總體布局及組成見(jiàn)圖2。
圖1 環(huán)境應(yīng)力在產(chǎn)品失效中所占百分比
自然環(huán)境加速試驗(yàn)分系統(tǒng)主要用于加速模擬產(chǎn)品在使用過(guò)程中所經(jīng)歷的溫度、濕度、鹽霧三種環(huán)境因素引起的環(huán)境效應(yīng),其中溫度、濕度兩種環(huán)境因素可進(jìn)行加速?gòu)?qiáng)化。振動(dòng)模擬試驗(yàn)分系統(tǒng)主要用于加速模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸及使用時(shí)所經(jīng)歷的振動(dòng)環(huán)境引起的效應(yīng)。人機(jī)交互與記錄分系統(tǒng)集成了上述2個(gè)分系統(tǒng)的控制和顯示功能,記錄整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)中輸入和產(chǎn)生的主要試驗(yàn)信息。環(huán)境防護(hù)分系統(tǒng)為自然環(huán)境加速試驗(yàn)分系統(tǒng)和振動(dòng)模擬試驗(yàn)分系統(tǒng)的控制設(shè)備、人機(jī)交互與記錄分系統(tǒng)提供一個(gè)良好的使用環(huán)境,降低環(huán)境條件對(duì)各設(shè)備性能的消極影響,保證整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。
1.3.1 自然環(huán)境加速試驗(yàn)分系統(tǒng)
自然環(huán)境加速試驗(yàn)分系統(tǒng)主要分為工作室和空調(diào)室,工作室內(nèi)設(shè)有加熱器和加濕器,下部與振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行連接。左右兩側(cè)設(shè)有鹽霧試驗(yàn)用的電動(dòng)風(fēng)門(mén),可根據(jù)試驗(yàn)要求通過(guò)按設(shè)定程序或控制開(kāi)關(guān)對(duì)風(fēng)門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān),在不停止試驗(yàn)的同時(shí)引入戶(hù)外空氣中的鹽霧因素。試驗(yàn)箱的前端和左右兩側(cè)設(shè)有雙合門(mén),便于安裝試件和開(kāi)展自然環(huán)境試驗(yàn),門(mén)上設(shè)有觀(guān)察窗,觀(guān)察窗內(nèi)有照明燈,有利于觀(guān)察試驗(yàn)過(guò)程中樣品情況。
試驗(yàn)箱底部與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面用硅橡膠彈力布密封,根據(jù)試驗(yàn)樣品的實(shí)際試驗(yàn)條件及相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)要求,在試驗(yàn)箱頂部設(shè)計(jì)黑板,吸收太陽(yáng)熱量,也有利于在濕熱試驗(yàn)時(shí),箱內(nèi)黑板上不致于出現(xiàn)凝露現(xiàn)象,黑板下面設(shè)計(jì)有不銹鋼保溫?fù)醢?,濕熱試?yàn)時(shí),可手動(dòng)安裝此擋板。
箱體內(nèi)的溫濕度分別采用不銹鋼鎧裝加熱管和電熱式蒸汽加濕器進(jìn)行升溫和加濕。為了保證箱體內(nèi)溫濕度的均勻性,系統(tǒng)采用了不銹鋼離心風(fēng)機(jī),促使試驗(yàn)箱內(nèi)空氣在工作室和空氣調(diào)節(jié)單元(風(fēng)道)之間循環(huán)流動(dòng),分系統(tǒng)用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制,按照設(shè)置要求調(diào)節(jié)風(fēng)速,滿(mǎn)足不同試驗(yàn)要求,溫濕度控制原理如圖3所示。
1.3.2 振動(dòng)模擬試驗(yàn)分系統(tǒng)
振動(dòng)模擬試驗(yàn)分系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)、擴(kuò)展臺(tái)面、冷卻回路(含水冷柜和水冷機(jī)組)、功率放大器組成,主要用于模擬道路運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì),為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)提供振動(dòng)環(huán)境參數(shù),其試驗(yàn)方框圖如圖4。擴(kuò)展臺(tái)、支撐導(dǎo)向裝置與振動(dòng)臺(tái)的裝配如圖5所示。
圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)總體布局
圖3 試驗(yàn)箱溫濕度控制原理
圖4 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)方框圖
圖5 擴(kuò)展臺(tái)、支撐導(dǎo)向裝置與振動(dòng)臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了50 kN的振動(dòng)臺(tái),采用耳軸隔振、直線(xiàn)軸承導(dǎo)向裝置等先進(jìn)技術(shù),并進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化,為了滿(mǎn)足戶(hù)外環(huán)境試驗(yàn)要求,開(kāi)展了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和防腐處理設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)好的擴(kuò)展臺(tái)面能滿(mǎn)足不同氣候環(huán)境條件和各種不同規(guī)格的試驗(yàn)樣品需求;冷卻系統(tǒng)主要包括水冷柜和水冷機(jī)組,采用多路并聯(lián)二次水冷方式對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行冷卻;功率放大器采用可調(diào)勵(lì)磁裝置和正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)研制而成,可調(diào)勵(lì)磁裝置采用三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu),整流元件采用可控硅,可實(shí)現(xiàn)整流電壓0~500 V和整流電流0~700 A連續(xù)可調(diào),最大輸出功率為60 kVA,信噪比大于65 dB,額定輸出電壓為120 Vrms,正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)能結(jié)合振動(dòng)臺(tái)對(duì)功放的特殊要求,產(chǎn)生一個(gè)由正弦信號(hào)控制占空比的矩形波,再由矩形波控制功率開(kāi)關(guān),將直流電源斬波,再通過(guò)調(diào)解,即可得到一個(gè)能滿(mǎn)足振動(dòng)臺(tái)特殊要求的正弦信號(hào)。
1.3.3 人機(jī)交互與記錄分系統(tǒng)
人機(jī)交互與記錄分系統(tǒng)主要由操控計(jì)算機(jī)數(shù)字式和振動(dòng)控制儀組成,操控計(jì)算機(jī)數(shù)字式采用上位機(jī)和下位機(jī)模式,上位機(jī)將參數(shù)和指令下發(fā)至下位機(jī),下位機(jī)向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)和狀態(tài)。上位機(jī)是基于Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)平臺(tái),處理用戶(hù)參數(shù)的輸入、檢查糾錯(cuò)、參數(shù)轉(zhuǎn)換以及指令的下發(fā),用于試驗(yàn)狀態(tài)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的接收和顯示。下位機(jī)采用基于DSP的單板計(jì)算機(jī)架構(gòu),用于執(zhí)行實(shí)時(shí)控制運(yùn)算,存儲(chǔ)時(shí)域數(shù)據(jù),模擬輸入輸出的控制,上傳試驗(yàn)數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài),系統(tǒng)所有的閉環(huán)控制策略均由下位機(jī)完成。下位機(jī)有4種,分別是振動(dòng)控制下位機(jī)、溫濕度控制下位機(jī)、其他物理量控制下位機(jī)和環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)采集下位機(jī),均通過(guò)以太網(wǎng)方式與上位機(jī)連接。下位機(jī)為S,上位機(jī)為C,執(zhí)行TCP/IP協(xié)議或MODBUS協(xié)議。振動(dòng)控制系統(tǒng)下位機(jī)采集振動(dòng)信號(hào)并對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,溫濕度控制下位機(jī)負(fù)責(zé)采集溫濕度信號(hào)并控制溫濕度調(diào)節(jié)單元。專(zhuān)用下位機(jī)對(duì)空氣交換裝置、攝像頭等其它物理量進(jìn)行控制。外部自然環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)箱內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由前端設(shè)備采集,通過(guò)以太網(wǎng)接入操作計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)發(fā)送讀寫(xiě)命令,收集實(shí)時(shí)的溫濕度和相應(yīng)環(huán)境數(shù)據(jù),并將顯示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于硬盤(pán)。實(shí)現(xiàn)了各個(gè)物理量的控制與采集完全解耦,各自獨(dú)立控制和采集,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議可以兼容所有類(lèi)型的數(shù)據(jù),有非常強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
采用BTHC平衡調(diào)溫調(diào)濕控制方式,溫濕度程序控制器負(fù)責(zé)控制箱內(nèi)的溫濕度,同時(shí)控制進(jìn)/排氣風(fēng)門(mén)的自動(dòng)或手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)環(huán)境鹽霧控制,并負(fù)責(zé)提供標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議(Modbus)及通訊接口(以太網(wǎng)接口),以便與上位機(jī)通信,支持實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史曲線(xiàn)回放等功能。
振動(dòng)控制儀提供振動(dòng)控制所需的激勵(lì)信號(hào),能夠進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)控制,滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求,采樣頻率應(yīng)不低于10 kHz,控制譜線(xiàn)數(shù)不低于800線(xiàn),譜控制帶寬不低于2 000 Hz。
與振動(dòng)實(shí)時(shí)控制相比較,溫濕度控制系統(tǒng)并無(wú)實(shí)時(shí)性要求。本系統(tǒng)溫度顯示精度為0.1 ℃,濕度顯示精度為0.1 %RH,響應(yīng)時(shí)間為0.1 min。試驗(yàn)條件的運(yùn)行方式有定值方式和程序方式兩種選擇,當(dāng)程序方式控制時(shí),溫度、濕度、變化過(guò)程、時(shí)間等參數(shù)可以程序控制,也可預(yù)設(shè)多條溫度、濕度程序供選擇調(diào)用,可編輯存儲(chǔ)1 000組程序,每組程序最多100段,每段設(shè)定最大值為99 h 59 min。有多組PID參數(shù),可由溫、濕度區(qū)域法智能調(diào)用不同的PID號(hào)。在試驗(yàn)箱面板上設(shè)置手動(dòng)開(kāi)關(guān),可通過(guò)開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制空氣交換裝置和攝像頭的開(kāi)啟與關(guān)閉。另外,時(shí)序信號(hào)可根據(jù)試驗(yàn)情況設(shè)置,在程序狀態(tài)下可通過(guò)控制器輸出TS時(shí)序信號(hào)來(lái)控制設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉。
1.3.4 環(huán)境防護(hù)分系統(tǒng)
在試驗(yàn)過(guò)程中,高溫、高濕、鹽霧等因素會(huì)加速試驗(yàn)系統(tǒng)的損壞,同時(shí)由于海南戶(hù)外環(huán)境條件嚴(yán)酷,為延長(zhǎng)裝置的使用壽命,需對(duì)整個(gè)試驗(yàn)裝置進(jìn)行環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)后的環(huán)境防護(hù)分系統(tǒng)主要由控制艙、振動(dòng)臺(tái)防護(hù)罩、空調(diào)等組成。
控制艙為各控制設(shè)備提供密閉環(huán)境,振動(dòng)臺(tái)防護(hù)罩為振動(dòng)臺(tái)(除擴(kuò)展臺(tái)面)提供密閉環(huán)境,空調(diào)起到控制環(huán)境溫濕度的作用。控制艙和振動(dòng)臺(tái)防護(hù)罩外壁和內(nèi)壁材料均采用不銹鋼板靜電雙面噴塑,中間隔熱材料采用硬質(zhì)聚氨酯整體發(fā)泡保溫層;控制艙設(shè)置兩個(gè)外開(kāi)式門(mén),一個(gè)為雙開(kāi)式大門(mén),方便設(shè)備進(jìn)出,除擴(kuò)展臺(tái)面外,振動(dòng)臺(tái)防護(hù)罩能將整個(gè)振動(dòng)臺(tái)置于防護(hù)罩內(nèi)部。振動(dòng)臺(tái)防護(hù)罩與控制艙相鄰面設(shè)空氣交換接口,空氣交換接口設(shè)置可拆卸隔離護(hù)欄,阻隔人員或物品進(jìn)入振動(dòng)臺(tái)工作區(qū)域??刂婆搩?nèi)部安裝空調(diào)掛壁機(jī),用于控制控制艙及其振動(dòng)臺(tái)防護(hù)罩內(nèi)部的環(huán)境溫濕度。
環(huán)境防護(hù)分系統(tǒng)的工作面與地基脫離,地基上設(shè)計(jì)排水地漏。能有效的解決室內(nèi)積水潮濕的問(wèn)題。振動(dòng)臺(tái)冷水機(jī)組與聯(lián)結(jié)的水管及電線(xiàn)敷設(shè)的工作面以下,且脫離地面,工作面上設(shè)計(jì)的是活動(dòng)底板。可方便日后電纜及水管的檢修。
骨架與地面用膨脹螺絲聯(lián)接,讓設(shè)備與地基成為一個(gè)整體,能有效的抵抗20 m/s的風(fēng)速,保證設(shè)備的正常使用,在50 m/s風(fēng)速下設(shè)備不損壞。環(huán)境防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了設(shè)備的性?xún)r(jià)比及環(huán)境適應(yīng)性。暴露在大氣環(huán)境環(huán)境中的外殼(庫(kù)板外壁)選用耐海水及鹽霧腐蝕的不銹鋼材料,并且外殼噴涂耐鹽霧腐蝕的戶(hù)外防護(hù)漆;室內(nèi)內(nèi)壁選用不銹鋼,夾層中的骨架因不會(huì)暴露在大氣環(huán)境中選用強(qiáng)度較高的型材。
圖6 組合試驗(yàn)環(huán)境因素加載示意圖
本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)頻率范圍2~2 500 Hz,最大推力為50 kN,最大振幅為100 mm;溫度最大為80 ℃,溫度偏差≤±2 ℃,相對(duì)濕度最大98 %RH,相對(duì)濕度偏差≤±5 %RH,可控制的鹽霧濃度為海洋大氣環(huán)境鹽霧濃度。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)進(jìn)行了多次組合試驗(yàn),設(shè)計(jì)的組合試驗(yàn)由加速試驗(yàn)階段和自然貯存試驗(yàn)階段兩個(gè)階段組成,加速試驗(yàn)階段又分為振動(dòng)試驗(yàn)階段和溫濕度加速試驗(yàn)階段,根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的試驗(yàn)譜以一定的時(shí)間周期開(kāi)展試驗(yàn),其組合試驗(yàn)環(huán)境因素加載圖如圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明,其試驗(yàn)效果和控制精度經(jīng)鑒定均能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求,可按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展試驗(yàn)。
研發(fā)的一種新型的關(guān)于溫度、濕度、振動(dòng)、鹽霧四綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)具備環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)化、實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、歷史曲線(xiàn)回放等功能,能按一定的試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)譜要求設(shè)置試驗(yàn)條件,動(dòng)態(tài)模擬加速試驗(yàn),也能夠開(kāi)展自然貯存試驗(yàn),通過(guò)了在海南萬(wàn)寧試驗(yàn)站應(yīng)用驗(yàn)證,能夠適應(yīng)惡劣的濕熱海洋環(huán)境,在試驗(yàn)條件控制和試驗(yàn)結(jié)果方面取得了良好的效果,能滿(mǎn)足產(chǎn)品或材料環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證和加速試驗(yàn)要求。