交變濕熱試驗(yàn)對(duì)艦載裝備的影響及相應(yīng)防護(hù)措施研究

廖帆，曾武，尹子源

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

軍工裝備從生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝卸、儲(chǔ)存、作戰(zhàn)等過(guò)程中都經(jīng)歷著各種復(fù)雜的自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境的考驗(yàn)，只有能經(jīng)受各種惡劣環(huán)境考驗(yàn)的裝備才是合格的裝備，才能有效發(fā)揮其工作性能。而海軍艦載裝備（本文研究對(duì)象即海軍艦載裝備，以下簡(jiǎn)稱裝備）在交付后仍需經(jīng)受潮濕、鹽分的考驗(yàn)，因此開(kāi)展裝備的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)有著極其重要的意義。環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)又分為以下幾個(gè)階段，即低溫貯存、低溫工作、高溫貯存、高溫工作、濕熱試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)等。

在環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中濕熱試驗(yàn)周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大，問(wèn)題多，且交變濕熱試驗(yàn)比恒溫濕熱試驗(yàn)更為嚴(yán)苛。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：自由空氣條件的情況下，如果氣溫高于30°C，相對(duì)濕度超過(guò)95%的濕熱環(huán)境下，幾乎不會(huì)出現(xiàn)或保持很長(zhǎng)時(shí)間的裝備[1]。因此，交變濕熱是環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中的關(guān)鍵。

本文以某裝備為研究對(duì)象，針對(duì)交變濕熱試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱交變濕熱），從試驗(yàn)方法、試驗(yàn)人員、設(shè)備要求入手，結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中的故障問(wèn)題詳細(xì)分析了裝備絕緣性能下降、部分設(shè)備故障的原因，并針對(duì)故障原因提出了相應(yīng)防護(hù)措施，以提高裝備的環(huán)境適應(yīng)性能力，從而確保裝備的可靠性。

1 交變濕熱方法簡(jiǎn)述

本文以《GJB150.9A-2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第9部分:濕熱試驗(yàn)》作為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[10]，詳細(xì)介紹了某裝備交變濕熱的方法及試驗(yàn)中高低溫試驗(yàn)箱（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)箱）、操作人員、被試裝備注意事項(xiàng)。

■1.1 某裝備交變濕熱試驗(yàn)方法

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：《GJB150.9A-2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第9部分:濕熱試驗(yàn)》

試驗(yàn)溫度（T）：高溫60℃±3℃，低溫30℃±3℃。

相對(duì)濕度(RH)：95%（備注：除在溫度下降期間相對(duì)濕度可以降至85%外，在其他試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)保持為95%±3%）。(備注：RH :Relative Humidity,相對(duì)濕度的英文簡(jiǎn)寫)

試驗(yàn)周期：10個(gè)（一個(gè)周期為24h,共計(jì)240h；其中一個(gè)周期內(nèi)高溫8h,低溫16h）。

某項(xiàng)目交變濕熱試驗(yàn)方法如下：

第一步：初始檢測(cè)，將被試裝備放入試驗(yàn)箱內(nèi)，在常溫下通電工作，按技術(shù)要求檢測(cè)設(shè)備，待確認(rèn)設(shè)備工作正常后，關(guān)閉電源；

第二步：預(yù)處理，完成初始檢測(cè)后，將被試裝備置于溫度23±2℃，相對(duì)濕度50±5%的條件下24h；

第三步：試驗(yàn)，在2h內(nèi)，將試驗(yàn)箱溫度由30℃升到60℃，相對(duì)濕度升到95%,該狀態(tài)下保持6h。在8h內(nèi)，將試驗(yàn)箱溫度由60℃降到30℃，相對(duì)濕度升到95%,該狀態(tài)下保持8h。一個(gè)周期結(jié)束，如此反復(fù)10個(gè)周期，交變濕熱溫濕度控制曲線如圖1所示。

圖1 交變濕熱溫濕度控制曲線

第四步：中間檢測(cè)，在第5和第10周期檢測(cè)點(diǎn)時(shí)刻，試驗(yàn)箱溫度為30℃，相對(duì)濕度不下于95%，按照技術(shù)要求進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備是否工作正常。

第五步：恢復(fù)，被試裝備在23±2℃，相對(duì)濕度50%的條件下放置12~24h。

第六步：最后檢測(cè)，恢復(fù)結(jié)束后，在23±2℃，相對(duì)濕度50%的條件下，按技術(shù)要求再次檢測(cè)，工作正常則合格通過(guò)，本試驗(yàn)結(jié)束。

■1.2 交變濕熱對(duì)操作人員及試驗(yàn)箱的要求

高低溫試驗(yàn)箱是一套特殊并有著嚴(yán)格操作規(guī)范的制冷設(shè)備，該試驗(yàn)箱可完成高低溫、濕熱試驗(yàn)。被試裝備在交變濕熱過(guò)程中，操作人員應(yīng)按照被試單位提供的試驗(yàn)大綱開(kāi)展操作，并嚴(yán)格控制試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度曲線，只有這樣才能確保試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性，本文通過(guò)多次交變濕熱總結(jié)了以下幾條注意事項(xiàng)：

（1）試驗(yàn)箱的選擇；試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)被試裝備的容積大小，科學(xué)合理的選擇試驗(yàn)箱。試驗(yàn)箱過(guò)大會(huì)增加試驗(yàn)成本，導(dǎo)致資源浪費(fèi)；試驗(yàn)箱過(guò)小，被試裝備受熱不均勻，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。根據(jù)某試驗(yàn)中心多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，對(duì)于發(fā)熱的被試裝備，試驗(yàn)過(guò)程中其體積應(yīng)該占試驗(yàn)箱有效容積的10%，而不發(fā)熱的被試裝備，其體積應(yīng)占試驗(yàn)箱有效容積的20%[2]。

（2）被試裝備的擺放；試驗(yàn)前，被試裝備的擺放不能堵塞試驗(yàn)箱的出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口，且被試裝備要與溫濕度傳感器保持一定的距離，被試裝備不止一臺(tái)時(shí)，應(yīng)保持被試裝備之間的間距，切忌間距太小。被試裝備與箱壁、被試裝備之間的間距至少保持20cm以上距離，試驗(yàn)箱內(nèi)機(jī)柜擺放示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)箱內(nèi)機(jī)柜擺放示意圖

（3）交變濕熱過(guò)程的完整性；試驗(yàn)過(guò)程中，切忌輕易中斷試驗(yàn)及開(kāi)啟、關(guān)閉箱門，因交變濕熱過(guò)程中，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度與外界溫度存在較大溫差。若開(kāi)啟箱門，導(dǎo)致內(nèi)部與外界的空氣交換，設(shè)備表面產(chǎn)生大量的凝露，破壞了試驗(yàn)箱內(nèi)溫濕度曲線，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

（4）交變濕熱結(jié)束后的干燥處理；被試裝備結(jié)束交變濕熱后，應(yīng)在60 ℃，濕度50%的環(huán)境內(nèi)，進(jìn)行干燥處理，處理時(shí)間至少1h。干燥處理是為了保證被試裝備后續(xù)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可靠性。

（5）被試裝備與試驗(yàn)箱良好接地；試驗(yàn)過(guò)程中被試裝備與試驗(yàn)箱必須良好接地，關(guān)閉試驗(yàn)箱箱內(nèi)照明設(shè)備，并安排專業(yè)人員值守，確保試驗(yàn)箱正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最大限度地避免因靜電感應(yīng)而導(dǎo)致設(shè)備、人員的損壞。

2 交變濕熱對(duì)裝備的影響及原因分析

交變濕熱是指在一個(gè)周期內(nèi)，溫度交替進(jìn)行變換，主要分為高溫高濕與低溫高濕兩個(gè)過(guò)程。它不僅具備恒溫濕熱吸附、吸收和擴(kuò)散作用，還具備呼吸作用與升溫階段的凝露、蒸發(fā)。

因電源機(jī)柜處于裝備的前級(jí)，負(fù)責(zé)給其它裝備供電，且其功率大、電壓高、內(nèi)部電子設(shè)備、元器件多、電氣連接復(fù)雜，對(duì)交變濕熱的研究具有指導(dǎo)意義。本節(jié)將某電源柜作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了試驗(yàn)過(guò)程中故障現(xiàn)象、原因分析以及機(jī)理分析，以便于提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

■2.1 輸入絕緣性能下降

《GJB5394A-2018 電子對(duì)抗裝備電源設(shè)備通用要求》中規(guī)定了絕緣電阻電源交流輸入端與機(jī)殼、交流輸入端與直流輸出端的絕緣電阻不低于100MΩ，濕熱條件下應(yīng)不低于2 MΩ[11]。

故障現(xiàn)象：在交變濕熱中間時(shí)刻性能檢測(cè)時(shí)，利用絕緣測(cè)試表測(cè)試電源柜的輸入、輸出絕緣性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，交流輸入對(duì)地阻抗、直流輸出對(duì)地阻抗均低于2 MΩ，不符合上電工作要求。

原因分析：通過(guò)逐一排查法，檢查發(fā)現(xiàn)電源柜輸入輸出絕緣性能降低是因?yàn)閮?nèi)部某一電源模塊輸入端、輸出端的絕緣阻抗降低，拆開(kāi)該電源模塊，發(fā)現(xiàn)其機(jī)殼表面、PCB板表面存在大量水珠，影響了電源模塊輸入、輸出連接器處絕緣性能，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)柜的輸入、輸出絕緣性能降低。

■2.2 交流接觸器損壞

故障現(xiàn)象：待絕緣性能恢復(fù)正常后，上電檢查電源柜功能時(shí)，發(fā)現(xiàn)按下啟動(dòng)按鈕后，電源柜輸出無(wú)響應(yīng)，電源柜內(nèi)部交流接觸器無(wú)法正常吸合，判斷交流接觸器損壞。

原因分析：檢查電源柜內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)交流接觸器上方恰好有一個(gè)豎直隔板用以安裝諧振濾波器，在交變濕熱升溫階段過(guò)程中由于凝露作用，機(jī)柜內(nèi)壁產(chǎn)生了大量積水，該積水沿著隔板壁向下流動(dòng)并滴入交流接觸器引線端口，當(dāng)交流接觸器內(nèi)部積累大量水珠后，破壞了其內(nèi)部輔助線圈絕緣性能，導(dǎo)致上電后無(wú)法正常吸合。

上述兩處故障機(jī)理分析：在升溫階段，由于機(jī)柜體積、重量較大，內(nèi)部設(shè)備較多，其熱容量大，導(dǎo)致機(jī)柜表面及其內(nèi)部設(shè)備的溫度低于周圍空氣溫度，相對(duì)濕度為 95% 的氣體遇到冷物體時(shí)，很快形成飽和氣體并產(chǎn)生凝露。機(jī)柜外表和內(nèi)部設(shè)備的凝露沿機(jī)殼縫隙滲透至設(shè)備內(nèi)部，形成積水。在高溫階段，機(jī)柜及設(shè)備內(nèi)的積水產(chǎn)生蒸發(fā)，但由于氣流不暢，水汽不容易排出，周而復(fù)始，形成積水。

若機(jī)柜內(nèi)部絕緣材料的表面凝露或者表面吸附了一定數(shù)量的潮氣后，會(huì)引起表面電阻降低、泄漏電流增大以及介質(zhì)損失角增大，因此絕緣材料吸收潮氣后會(huì)產(chǎn)生各種電性能的變化，例如介電強(qiáng)度降低、絕緣電阻下降、介質(zhì)損失角增大、電容量增大等，進(jìn)而影響內(nèi)部模塊的電氣性能與絕緣性能。

3 相應(yīng)的改善措施研究

根據(jù)上述的故障現(xiàn)象、原因分析以及機(jī)理分析，本文提出了以下措施對(duì)裝備交變濕熱試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)：

（1）增加必要的防護(hù)罩殼，將電氣電子設(shè)備進(jìn)行必要的防護(hù)，避免凝露水直接滴在電子設(shè)備上。例如將空氣開(kāi)關(guān)、交流接觸器等暴露在外的電氣設(shè)備增加防護(hù)罩，避免凝露水滴入該設(shè)備中破壞其絕緣性能；

（2）對(duì)絕緣要求性能高的設(shè)備，做好密封處理，尤其是接口處的密封，可采用環(huán)氧膠進(jìn)行必要的密封處理。例如諧振濾波器等外殼設(shè)計(jì)均采用的是環(huán)氧全密封處理；

（3）機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計(jì)導(dǎo)水槽。在交變濕熱試驗(yàn)過(guò)程中，將機(jī)柜及設(shè)備內(nèi)表面因凝露、蒸發(fā)產(chǎn)生的積水進(jìn)行導(dǎo)流，避免長(zhǎng)期吸附在設(shè)備表面破壞設(shè)備的電器性能；

（4）嚴(yán)格控制三防工藝，對(duì)大功率、高電壓、大電流的電路板噴涂三防漆，必要時(shí)采用浸漬的方式進(jìn)行，嚴(yán)防濕熱產(chǎn)生的水汽對(duì)電路的影響；

（5）密閉機(jī)柜設(shè)計(jì)。如果條件允許可將機(jī)柜設(shè)計(jì)成密閉型采用水冷散熱。該方式可防止外部空氣進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部，當(dāng)進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)時(shí)因無(wú)空氣對(duì)流可防止凝露發(fā)生，避免濕熱對(duì)裝備絕緣性造成影響。

4 結(jié)論

交變濕熱試驗(yàn)過(guò)程中，因存在溫度濕度的變化，使設(shè)備表面產(chǎn)生冷凝水，設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生水汽、結(jié)露，嚴(yán)重影響了就是設(shè)備的絕緣性能，使設(shè)備本身的安全可靠性降低。

本文以某項(xiàng)目艦載裝備作為研究對(duì)象，從交變濕熱試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備等要求著手研究，分析了某試驗(yàn)過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，并根據(jù)問(wèn)題展開(kāi)了具體分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)完善措施，經(jīng)十個(gè)周期試驗(yàn)結(jié)果表明，該措施有效，確保了某項(xiàng)目順利通過(guò)交變濕熱試驗(yàn)，極大的提高了設(shè)備的可靠性。本文完整詳細(xì)分析了濕熱試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，為相關(guān)產(chǎn)品的試驗(yàn)提供了一定的借鑒價(jià)值。