一種用于砂塵試驗(yàn)箱的新型抽真空系統(tǒng)裝置研究

張迎新，靳 鑫，劉云鶴

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣州 510663）

引言

廣泛分布的砂塵環(huán)境，對產(chǎn)品的性能具有嚴(yán)重影響，主要產(chǎn)生磨蝕、阻塞、沖擊、滲透、腐蝕等破壞效應(yīng)。砂塵破壞作用的主要表現(xiàn)形式包括：能夠使運(yùn)動部件活動受阻甚至卡死，使防護(hù)層剝落，阻塞油路和氣路，造成電氣設(shè)備內(nèi)部短路和斷路，破壞電絕緣，造成軸承磨損，減弱光學(xué)儀器的反光和透光效果，降低熱傳導(dǎo)等等。進(jìn)行砂塵環(huán)境試驗(yàn)的目的就是為了考核產(chǎn)品對砂塵環(huán)境條件的環(huán)境適應(yīng)性[1]。通過對產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，研究產(chǎn)品在特定環(huán)境條件下貯存、運(yùn)輸和使用中存在的缺陷及其失效機(jī)理，不斷改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計，確保產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，對提高產(chǎn)品的質(zhì)量、節(jié)約成本具有極其重要的意義[2]?，F(xiàn)行的國內(nèi)砂塵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用的是GB 4208-2008 IP《防護(hù)等級》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)條款是等同采用的IEC 60529:2001[3]中的條款。標(biāo)準(zhǔn)中對一類外殼類型防塵試驗(yàn)時有如下規(guī)定：被試外殼放在試驗(yàn)箱內(nèi)，殼內(nèi)壓力用真空泵保持低于大氣壓。試驗(yàn)?zāi)康氖抢脡翰畎严鋬?nèi)空氣抽入被試設(shè)備內(nèi)，抽氣量為80倍被試外殼容積，抽氣速度每小時不超過60倍外殼容積。任何情況下壓差不得超過2kPa。如抽氣速度為每小時40～60倍外殼容積，則試驗(yàn)進(jìn)行2h。如最大壓差為2kPa，而抽氣速度低于每小時40倍外殼容積，則應(yīng)連續(xù)抽滿80倍容積或抽滿8h后，試驗(yàn)才可停止[4]。

可見，標(biāo)準(zhǔn)中對被試外殼內(nèi)的壓差、抽真空的抽氣速度和抽氣量做了相關(guān)規(guī)定。這三個變量中，試驗(yàn)時被試外殼內(nèi)的壓差不超過2kPa是必須滿足的。目前，很多國內(nèi)廠家生產(chǎn)的砂塵試驗(yàn)箱沒有針對被試外殼內(nèi)部的抽真空系統(tǒng)，或者抽真空系統(tǒng)達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求，導(dǎo)致無法滿足標(biāo)準(zhǔn)中的這一規(guī)定。本文針對這一情況做了相關(guān)研究，并開發(fā)了一套抽真空系統(tǒng)。

1 標(biāo)準(zhǔn)解讀

標(biāo)準(zhǔn)測試是需要嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)要求的方法而做的，正確的理解、解讀標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)容將有助于我們更好的研究。

GB 4208-2008 IP《防護(hù)等級》中對一類外殼類型作了規(guī)定：設(shè)備正常工作周期內(nèi)殼內(nèi)的氣壓低于周圍大氣壓力，例如因熱循環(huán)效應(yīng)引起的[4]。這里的熱循環(huán)效應(yīng)指的是電氣設(shè)備由于外殼內(nèi)部電氣工作時發(fā)熱，停止后內(nèi)部冷卻產(chǎn)生的冷縮效應(yīng)，即外部壓力大于內(nèi)部壓力，這對于粉塵進(jìn)入設(shè)備外殼內(nèi)是有利的。但是，由于電氣設(shè)備發(fā)熱量有限，內(nèi)外溫差引起的壓差最大不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的2kPa。如果壓力過大引起的粉塵進(jìn)入殼內(nèi)超出了電氣設(shè)備的實(shí)際防塵等級要求，則會使電氣設(shè)備的防塵等級不能正確表現(xiàn)實(shí)際工況。所以，在做防塵等級砂塵試驗(yàn)時需要對被試設(shè)備外殼內(nèi)的壓差控制，使其不超過2kPa。

標(biāo)準(zhǔn)中對抽氣量和抽氣速度的規(guī)定如下：抽氣量為80倍被試外殼容積，抽氣速度每小時不超過60倍外殼容積。任何情況下壓差不得超過2kPa。如抽氣速度為每小時40～60倍外殼容積，則試樣進(jìn)行2h。如最大壓差為2kPa，而抽氣速度低于每小時40倍外殼容積，則應(yīng)連續(xù)抽滿80倍容積或抽滿8h后，試驗(yàn)才可停止[1]。實(shí)際上，真空泵對被試外殼進(jìn)行抽氣時，外界環(huán)境中的空氣總是要向一些密封不好之處漏氣，例如外殼接合的縫隙處。[3]顯然，抽氣量=抽氣速度×抽氣時間，對于一個抽氣速度穩(wěn)定的抽真空系統(tǒng)，等到抽氣速度穩(wěn)定后在一定時間內(nèi)是可以算出抽氣量的。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了試驗(yàn)停止的兩種情況，第一種是抽氣量達(dá)到80倍外殼容積，第二種是抽滿8h。理論上，抽真空系統(tǒng)對被試外殼作用時，壓差應(yīng)與抽氣速度成正相關(guān)的關(guān)系，即當(dāng)被試外殼出氣量大于進(jìn)氣量時，外殼內(nèi)部相較于大氣壓壓差變小。所以，控制抽氣速度即調(diào)節(jié)真空系統(tǒng)的流量閥可以降低抽氣速度用以穩(wěn)定被試外殼內(nèi)的壓差，當(dāng)流速降低到每小時40倍外殼容積以下時，可以抽滿80倍容積或抽滿8h后停止。所以，做砂塵抽真空試驗(yàn)時的關(guān)鍵參數(shù)即是通過流速調(diào)節(jié)控制外殼內(nèi)壓差不差過2kPa。

標(biāo)準(zhǔn)中推薦了相關(guān)測試裝置示意圖，其控制原理是通過閥門調(diào)節(jié)抽真空的流速，來實(shí)現(xiàn)整個測試過程。如圖1所示。

試驗(yàn)證明，當(dāng)通過流速調(diào)節(jié)被試外殼內(nèi)壓差不超過2kPa時，抽真空系統(tǒng)的抽氣速度通常會被降低到一個很低的水平，低于每小時40倍外殼容積，則試驗(yàn)要進(jìn)行8h，使原本2h的時間增加了4倍，大大延長了整個砂塵試驗(yàn)的時間。所以，保證壓差的同時，控制好抽真空系統(tǒng)的抽氣速度可以提高整個實(shí)驗(yàn)的效率。

2 新型抽真空系統(tǒng)的研究

本文針對抽真空系統(tǒng)既能保證壓差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，又可以使系統(tǒng)的抽速處在每小時40倍外殼容積以上，即系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壓差和抽速的無極控制做了相關(guān)研究。

2.1 電子式真空比例閥

電子式真空比例閥采用ITV209系列，可以無極控制與電氣信號成比例的空氣壓力，其動作原理是輸入信號增大，真空壓用電磁閥為ON，大氣壓用電磁閥變?yōu)镺FF狀態(tài)。由此，通過VAC.和先導(dǎo)室，先導(dǎo)室的壓力變?yōu)樨?fù)壓，并作用在膜片的上面。由此結(jié)果，與膜片連動的真空壓閥芯打開，VAC.與OUT.接通，設(shè)定壓力變?yōu)樨?fù)壓。此負(fù)壓通過壓力傳感器，反饋至控制回路。在這里進(jìn)行修正動作，直到真空壓力與輸入信號成比例。從而得到與輸入信號成比例的真空壓力。其裝置示意圖和邏輯框圖如圖2和圖3所示。[5]

圖1 檢驗(yàn)外殼防塵試驗(yàn)裝置

2.2 差壓流量控制抽真空系統(tǒng)

本文研究的新型抽真空系統(tǒng)對差壓和流量的控制采用了電子式真空比例閥，分別通過流量傳感器、差壓表測量流速和壓差，其示意圖如圖4所示。

被試工件放置于防塵箱中，其B通氣口與抽真空裝置的B口相接，抽真空裝置的A口置于試驗(yàn)箱外作為參考壓力。開啟抽真空系統(tǒng)之后，試驗(yàn)箱內(nèi)的氣體通過被試工件進(jìn)入抽真空系統(tǒng)，通過過濾器過濾抽真空管路系統(tǒng)中的塵埃及水分，并經(jīng)由電子式真空比例閥，氣體緩沖罐及流量傳感器將裝置內(nèi)的氣體抽出，形成負(fù)壓。對于壓差的控制可以通過泵及電子式真空比例閥共同調(diào)節(jié)，對于流量的控制可以通過控制真空泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。

圖2 電子式真空比例閥裝置示意圖

圖3 電子式真空比例閥邏輯框圖

圖4 新型抽真空系統(tǒng)示意圖

整套抽真空系統(tǒng)通過信號控制實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控，可以對流量、流速、壓差等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時顯示，并通過電子式真空比例閥實(shí)現(xiàn)了對這三個參數(shù)的調(diào)節(jié)，方便了使用者的操作，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

3 小結(jié)

本文通過對GB 4208-2008 IP《防護(hù)等級》中砂塵試驗(yàn)箱抽真空系統(tǒng)的規(guī)定解讀，分析了標(biāo)準(zhǔn)制訂的初衷，探討了抽真空系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意的問題，并研發(fā)出了一套新型的抽真空系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控以及無極改變壓差與流量等參數(shù)，增加了對被測設(shè)備防塵能力檢驗(yàn)的可靠性與易用性。

[1]張開平，劉學(xué)斌. 大型吹砂吹塵綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].環(huán)境技術(shù)，2013(6)：6-8.

[2]安長暖，孫洪拓. 電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)概述[J].環(huán)境技術(shù)，2009(6)：54-58.

[3]IEC 60529，Degrees of protection provided by enclosures(IP Code)[S].

[4]GB 4208-2008，外殼防護(hù)等級（IP 代碼）[S].

[5]SMC.ITV 系列[EB/OL].(2004-10)http://www.smcqidong.cn/ /smc_itv.pdf.