電子產(chǎn)品淋雨試驗系統(tǒng)設計方法研究

常猛，付樹明，焦昶，姜震，閆嘉碩

（1.北京東方計量測試研究所，北京 100080；2.北京空間機電研究所，北京 100094）

隨著軍用裝備的使用性能不斷向?qū)崙?zhàn)化看齊，越來越多的裝備型號更加重視實戰(zhàn)前的試驗考核工作。實驗室開展的模擬試驗作為裝備試驗的一個重要環(huán)節(jié)，在裝備的研發(fā)、鑒定、驗收等階段發(fā)揮了重要的作用。當前，許多應用在戶外或其它有水環(huán)境的電子產(chǎn)品，工作或貯存時都將會受到各種水環(huán)境不同程度的影響。例如，暴雨會干擾雷達信號的傳播，損害無線電通訊，降低或削弱光學監(jiān)視；雨滴能侵蝕高速飛行的飛機的表面，降低材料的強度，促使金屬腐蝕，損壞表面涂層；雨水能滲透到設備內(nèi)部，使電氣或電子裝置絕緣下降，工作失常甚至失效損壞?？梢?，降雨對產(chǎn)品的影響是不容忽視的。本文將針對軍用電子產(chǎn)品經(jīng)常開展的淋雨試驗方法開展研究，并提出中小型產(chǎn)品開展淋雨試驗設備的設計方案，為中小型軍用電子產(chǎn)品開展淋雨試驗提供有效的參考和依據(jù)。

1 淋雨試驗標準概述

淋雨試驗主要用于檢驗武器裝備在淋雨條件下，其外殼防止雨水滲透的能力和遭到淋雨時或之后的工作效能。淋雨試驗可以考核軍用電子產(chǎn)品保護罩、殼體和密封墊圈等零部件防止水滲入的有效性，考核裝備暴露于水中時以及暴露之后滿足其規(guī)定性能、功能要求的能力等，進而提高裝備的安全性、可靠性和環(huán)境適應性等。淋雨試驗涉及的國內(nèi)主要標準見表1。

其中GJB 150.8A-2009、GJB 150.8-1986 主要針對軍用電子設備，GB/T 2423.38-2008 針對一般的民用電子產(chǎn)品設備。當前開展淋雨試驗的軍用電子產(chǎn)品種類繁多、規(guī)格大小不一，絕大部分產(chǎn)品選用GJB 150.8A-2009 中的試驗方法，本文將對該試驗方法開展研究，并制定試驗設備的設計方案（如表1）。

表1 標準中淋雨試驗的條件

2 淋雨試驗系統(tǒng)現(xiàn)狀

淋雨試驗是許多電子產(chǎn)品都需要開展的一項試驗，尤其是在汽車、航海、航空等領域。不同的行業(yè)開展淋雨試驗依據(jù)的標準不一樣，試驗開展條件也不一樣，因此，淋雨試驗系統(tǒng)也有所區(qū)別。淋雨試驗是一項常規(guī)試驗，國內(nèi)外很早就對淋雨試驗系統(tǒng)開始了研究。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀60 年代初，美國制定了美軍標810 系列標準，規(guī)定了開展淋雨試驗的方法，當前美國主要的軍用淋雨試驗標準為MIL-STD-810G-2008。早期的淋雨試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能都相對比較簡單，可靠性比較低，隨著科技的發(fā)展，淋雨試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能性能都有了很大程度的提升。當前，國外淋雨試驗系統(tǒng)普遍采用電子設計自動化、計算機輔助制造、計算機輔助測試、數(shù)字信號處理、專用集成電路、表面貼裝技術等技術，系統(tǒng)主要包括電氣系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部分。進行系統(tǒng)建設時，首先采用科學推算的方式，綜合考慮試驗成本和試驗效果，利用仿真軟件設計出最佳方案；其次，搭建與試驗實際參數(shù)一致的可視化模擬窗口，方便用戶及時獲取試驗信息；最后，根據(jù)產(chǎn)品受試面的大小，智能化調(diào)節(jié)噴淋面積，實現(xiàn)試驗成本和試驗效果的有機統(tǒng)一。

國外當前的淋雨試驗系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展相對成熟，在設備自動化、智能化、可靠性方面已經(jīng)取得了顯著的成果，為國內(nèi)淋雨試驗系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)最初開展淋雨試驗的對象主要為汽車，前期的淋雨試驗系統(tǒng)比較簡單，主要由水泵、調(diào)壓閥、管路、噴頭等組成。隨著國防軍事的需要，越來越多的軍品需要進行淋雨試驗，20 世紀80 年代以來，我國也制定了一些與上述國外及國際標準等效的淋雨試驗標準，具體參見表1。當前我國的淋雨試驗系統(tǒng)整體設計方案與國外趨于一致，試驗系統(tǒng)搭建也基本以及成型，一些核心部件已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，系統(tǒng)性能也達到了國際水準。隨著軍用裝備系統(tǒng)級、整機級鑒定/驗收試驗需求的不斷增多，淋雨試驗系統(tǒng)需要適應不同大小的軍用產(chǎn)品。當前的淋雨試驗系統(tǒng)出現(xiàn)了兩級化發(fā)展，不能有效開展中型產(chǎn)品的檢測需求。未來一段時間，淋雨試驗系統(tǒng)將朝著解決中型產(chǎn)品開展試驗的方向發(fā)展。

3 淋雨試驗系統(tǒng)設計方案

3.1 系統(tǒng)組成

GJB 150.8A-2009 中包括三個試驗程序，分別為程序I 降雨和吹雨、程序II 強化、程序III 滴水。降雨和吹雨、滴水試驗項目中，雨滴直徑、水滴末速度要求一致，降雨和吹雨沒有降水強度要求，因此，這兩個項目的降水可以通過同一個滴水結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，通過側(cè)向吹風即可實現(xiàn)降雨和吹雨；強化試驗有壓強要求，因此只能通過建設單獨的管路系統(tǒng)實現(xiàn)。淋雨試驗系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。

3.2 硬件系統(tǒng)

淋雨試驗系統(tǒng)中硬件設計主要包括箱體、滴水裝置、強化裝置、風機系統(tǒng)、供水系統(tǒng)。硬件設計的原則是在滿足標準要求的條件下降低成本、結(jié)構(gòu)合理、操作方便。

（1）箱體設計。按標準要求，滴水高度應確保水滴的最終速度均為9m/s，忽略空氣阻力情況下自由落體公式為：

根據(jù)上述公式可得高度H=4.13m。如樣品最大規(guī)格為1m×1m×1m，滴水盤下端距樣品安裝平臺應為5.13m?？紤]到滴水盤厚度、樣品安裝平臺的高度等，箱體內(nèi)壁高約5.8m，外壁高約6m。程序Ⅱ要求在每0.56m2接受淋雨的表面范圍內(nèi)，需在距試件表面48cm 處有一個噴嘴?？紤]到大型樣品需要“地牛”運輸才能進出箱體，需要留出一定的操作空間，故淋雨箱內(nèi)壁寬為3.2m，深為2m，位置安排見圖1。為了避免風道占用箱體內(nèi)空間，將風機設計在箱體外。樣品放置的平臺為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，確保樣品表面流下來的水經(jīng)網(wǎng)格流入排水裝置，避免將樣品底部泡于水中。箱體主要分為箱架、內(nèi)壁、外壁、箱壁夾層，先焊接淋雨箱架構(gòu)，再將內(nèi)壁與外壁焊接到到箱體架構(gòu)上，夾層需選用保溫材料。

圖1 淋雨箱俯視位置圖

（2）滴水裝置。標準中規(guī)定了滴水盤的結(jié)構(gòu)，滴水盤和滴水針頭采用不銹鋼材料，滴水盤內(nèi)與大氣連通，不進行加壓設計，如圖2 所示。滴水盤升降結(jié)構(gòu)包括支架、絲杠、滑杠、電機、限位開關、托軸器、推力軸承等。支架采用成品鋁合金型材，無須特殊加工；絲杠、滑杠為不銹鋼材料，絲杠直徑足夠大，保證絲杠受力強度。電機選擇減速電機，根據(jù)力矩確定電機型號。

圖2 滴水盤示意圖

（3）強化裝置。程序Ⅱ規(guī)定噴水壓強不小于276kPa，雨滴直徑范圍為0.5 ～4.5mm，噴淋區(qū)域為方格噴淋網(wǎng)陣或其他形式的交錯水網(wǎng)陣，最大程度地增加噴水覆蓋區(qū)域。根據(jù)上述要求，將噴水裝置做成水管形式，噴嘴間距710mm，頂部和側(cè)面噴水裝置見圖3，其中圓形位置為噴嘴。噴嘴選用不銹鋼針頭，水管選用PVC 塑料管。噴水裝置在箱體的后側(cè)和右側(cè)，噴嘴與樣品側(cè)面距離可以通過移動樣品位置調(diào)節(jié)，噴嘴與受試品頂部的距離通過調(diào)解噴水管高度實現(xiàn)，一次試驗可同時考核樣品的3 個面。壓力通過壓力傳感器、水泵、流量計和電磁閥控制。

圖3 強化試驗裝置噴嘴位置

（4）風機系統(tǒng)。程序Ⅰ要求根據(jù)受試品來布置風源位置，使雨水具有水平方向到45°的變化，并均勻地撲打在試件一側(cè)面，且水平風速應不小于18m/s。風機系統(tǒng)主要包括風機、風速傳感器等。由于風機的位置不易移動，所以用調(diào)節(jié)樣品的位置來保證被試品開展試驗的要求。風機安裝在箱體外部，箱體側(cè)面開小孔，使吹入箱體的風從小孔中流出，以保證吹雨的風向。

（5）供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)包括儲水罐、供水管路、水泵、流量計、滴水盤、噴水管、排水裝置等，供水系統(tǒng)流程如圖4 所示。儲水罐選購現(xiàn)有成品，流量計選用普通電磁流量計。水泵的大小需根據(jù)水壓選擇，供水管路采用普通PVC 管，在廠房外的部分做防凍處理。

圖4 供水系統(tǒng)流程圖

3.3 軟件系統(tǒng)

軟件采用PLC 語言編程。開機后進行系統(tǒng)初始化設置，進入人機交互界面，可以選擇不同的試驗程序，隨后輸入具體的試驗條件，如風速、試驗時間等，待輸入完成后可以開始試驗，試驗過程中交互界面將實時顯示當前的參數(shù)值，如風速、壓強等，待達到設定的時間試驗程序自動結(jié)束，如試驗過程中設備有異常情況將會有報警提示，并中斷試驗。軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

3.4 電氣系統(tǒng)

本設計方案中涉及到的水泵、風機、控制器、顯示屏等用電設備都統(tǒng)一接到控制柜上的電氣系統(tǒng)上，再集中從外部引電，且電氣系統(tǒng)須有漏電保護、缺相及相序保護等。漏電保護可保護線路或電動機的過載和短路；缺相及相序保護能自動判別相序，避免電源相序接反導致事故或設備損壞。

4 結(jié)語

本文對電子產(chǎn)品淋雨試驗標準及方法進行了對比及研究，并對國內(nèi)外的淋雨試驗系統(tǒng)發(fā)展情況進行了介紹。結(jié)合國內(nèi)開展中小型軍工電子產(chǎn)品淋雨試驗的需求，從硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等方面對中小型淋雨試驗系統(tǒng)的設計方案進行了詳細的介紹，為中小型淋雨試驗系統(tǒng)建設提供了參考。