溫度沖擊試驗(yàn)應(yīng)用概述

魏晶，孔巧玉，楊龍，王妍

（貴陽航空電機(jī)有限公司，貴陽 550009）

引言

裝備在其生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸及使用過程中會(huì)遇到很多環(huán)境應(yīng)力的影響，包括單因素和多因素共存的情況，這些都對裝備的性能提出很大的挑戰(zhàn)。某一環(huán)境因素不僅會(huì)影響裝備的性能，還可能會(huì)因?yàn)楦鞣N應(yīng)力的影響，使裝備的外形、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部的器件等造成損壞，造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

對裝備在整個(gè)壽命過程中可能會(huì)遇到的環(huán)境因素進(jìn)行分析，溫度試驗(yàn)是所有裝備都必須經(jīng)歷的過程，因此，本文就溫度試驗(yàn)中的溫度沖擊試驗(yàn)進(jìn)行討論。

1 溫度沖擊試驗(yàn)的基本要素

1.1 溫度沖擊試驗(yàn)的目的

溫度沖擊試驗(yàn)是考核設(shè)備在經(jīng)受周圍大氣環(huán)境的極速變化時(shí)，設(shè)備外觀、設(shè)備電性能等是否會(huì)遭受影響，或者失效的過程。

1.2 溫度沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用

本試驗(yàn)應(yīng)用于裝備周圍可能會(huì)發(fā)生溫度急劇變化的情況。用來評(píng)價(jià)溫度的急劇變化對裝備內(nèi)部的器件、結(jié)構(gòu)以及外觀等造成的影響。典型情況如下：

1）裝備在高溫和低溫之間的轉(zhuǎn)換。

2）將裝備從地面的高溫環(huán)境快速升到高空的低溫環(huán)境。

3）將裝備從處在高空和低溫條件下熱的飛機(jī)防護(hù)殼體內(nèi)向外空投。

1.3 溫度沖擊試驗(yàn)的幾個(gè)重要因素

1.3.1 暴露條件

應(yīng)依據(jù)裝備在實(shí)際應(yīng)用過程中所處的地理位置情況、現(xiàn)場數(shù)據(jù)等確定試驗(yàn)溫度，也可根據(jù)其最極端的非工作溫度要求確定試驗(yàn)溫度。

GJB 150中規(guī)定了高低溫試驗(yàn)溫度分別為70 ℃、-55 ℃。而GJB 150A中則建議使用能夠反應(yīng)裝備實(shí)際應(yīng)用地域的溫度情況，不只僅限于一個(gè)特定的極值范圍。

高溫：選用裝備實(shí)際應(yīng)用的工作和貯存地理區(qū)內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)的高溫。首選實(shí)測值，若沒有實(shí)測值，則選用其地面高溫極值條件。

低溫：選用飛機(jī)在空中飛行工作期間的最低溫度（受裝備周圍環(huán)境條件、飛行條件和機(jī)上環(huán)境控制系統(tǒng)的性能的影響）。首選實(shí)測值，若沒有實(shí)測值，則選用高空極端低溫。

1.3.2 高低溫持續(xù)時(shí)間

本試驗(yàn)的目的是確定快速的溫度變化對裝備的影響，因此，試件暴露于極值溫度的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為裝備的實(shí)際工作時(shí)間或溫度穩(wěn)定的時(shí)間。

GJB 150中規(guī)定持續(xù)時(shí)間一般為1 h，或者是溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，當(dāng)溫度穩(wěn)定的時(shí)間超過1 h，則使用溫度穩(wěn)定時(shí)間。

試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間（沖擊次數(shù)）的確定，應(yīng)根據(jù)裝備實(shí)際應(yīng)用過程中遇到的情況來確定。因此可以分為如下幾種情況的沖擊試驗(yàn)，見圖1～圖3。

圖1 基于恒定極值溫度的單方向溫度沖擊

圖3 基于恒定極值溫度的多循環(huán)沖擊

1）基于恒定極值溫度的單方向溫度沖擊，對暴露于單方向溫度沖擊可能性很小的設(shè)備，在每種相應(yīng)的條件下至少進(jìn)行一次沖擊；

2）基于恒定極值溫度的單循環(huán)沖擊，對暴露于溫度沖擊環(huán)境可能僅為一次的設(shè)備；

3）基于恒定極值溫度的多循環(huán)沖擊，當(dāng)預(yù)計(jì)設(shè)備更頻繁的暴露于沖擊環(huán)境時(shí)，幾乎沒有可用的數(shù)據(jù)可用于證實(shí)具體的沖擊次數(shù)。

1.3.3 轉(zhuǎn)換時(shí)間

GJB 150中要求高低溫極值之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于5 min；而GJB 150A中要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，沒有合理理由，轉(zhuǎn)換時(shí)間要求不大于1 min，以達(dá)到最大的溫度沖擊效果。有時(shí)因試件尺寸等原因而必須使用運(yùn)送設(shè)備來完成轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)換時(shí)間可能超過1 min，當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間超過1 min時(shí)，應(yīng)說明超過的時(shí)間的合理性。

1.3.4 溫度變化速率

GJB 150中規(guī)定，對于溫度沖擊試驗(yàn)，要求產(chǎn)品在高低溫箱之間快速轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于等于5 min；而GJB 150A中則要求溫度變化速率小于3 ℃/min。

1.4 常見的幾種溫度沖擊試驗(yàn)設(shè)備及方法

按照溫度沖擊試驗(yàn)的基本要求及實(shí)施過程，實(shí)驗(yàn)室常見的幾種溫度沖擊試驗(yàn)設(shè)備包括：

1）使用兩臺(tái)獨(dú)立的高、低溫試驗(yàn)箱（圖4）建立并保持試驗(yàn)條件，通過試件的轉(zhuǎn)運(yùn)達(dá)到溫度沖擊的過程；

圖4 兩臺(tái)獨(dú)立的高低溫試驗(yàn)箱

2）一臺(tái)獨(dú)立的雙室試驗(yàn)箱（圖5），試驗(yàn)箱內(nèi)分為高溫區(qū)和低溫區(qū)，可將樣件放入高溫區(qū)內(nèi)，分別調(diào)整試驗(yàn)箱高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度，通過吊籃實(shí)現(xiàn)樣件在高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的轉(zhuǎn)換；

圖2 基于恒定極值溫度的單循環(huán)沖擊

圖5 一臺(tái)獨(dú)立的雙室試驗(yàn)箱

3）樣件不移動(dòng)的單室試驗(yàn)箱（圖6），將樣件擺放在一個(gè)固定的溫度場內(nèi)，試驗(yàn)箱內(nèi)包含兩個(gè)獨(dú)立的高、低溫蓄能區(qū)，通過兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)氣、抽氣的氣動(dòng)活門調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫場。

圖6 一臺(tái)樣件不移動(dòng)的單室試驗(yàn)箱

2 溫度沖擊試驗(yàn)的過程中容易出現(xiàn)的問題

2.1 相對濕度的控制

相對濕度在大部分試驗(yàn)中都需要控制。但是溫度沖擊試驗(yàn)過程中，由于相對濕度可能會(huì)對某些多孔滲水材料有影響，滲入的濕氣可能在裝備內(nèi)部發(fā)生移動(dòng)甚至膨脹。部分試驗(yàn)箱通過箱內(nèi)的濕度傳感器或加入液氮來控制相對濕度。除專門提出要求外，否則不必考慮控制相對濕度。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備在完成轉(zhuǎn)換后重新達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間

GJB 150中要求試驗(yàn)設(shè)備在完成轉(zhuǎn)換后重新達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間，為轉(zhuǎn)換后試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)不超過試驗(yàn)溫度保持時(shí)間的10 %，而GJB 150A中要求為轉(zhuǎn)換后試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)不超過5 min。

試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過程中容易將此時(shí)間誤認(rèn)為溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間，轉(zhuǎn)換的時(shí)間實(shí)際是要求樣件在此時(shí)間內(nèi)達(dá)到了一次溫度沖擊的過程。而若樣件內(nèi)部包含溫度滯后性較大的器件，在樣件進(jìn)行溫度沖擊的轉(zhuǎn)換后，樣件本身帶有很大的熱容量，會(huì)影響試驗(yàn)箱內(nèi)溫度的穩(wěn)定過程及時(shí)間，那么就需要設(shè)備具有一定的能力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度穩(wěn)定。若存在多個(gè)此類型的樣件同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，樣件表面的溫度對試驗(yàn)箱的影響更大，溫度更不容易達(dá)到穩(wěn)定，即溫度穩(wěn)定的時(shí)間更長，因此不建議在同一臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行，以減少設(shè)備溫度穩(wěn)定的時(shí)間，保證試驗(yàn)?zāi)軌虬凑諛?biāo)準(zhǔn)要求準(zhǔn)確完成。

2.3 溫度沖擊試驗(yàn)方向的選擇

2.3.1 GJB 150中試驗(yàn)方向的選擇

溫度沖擊試驗(yàn)方向的選擇在標(biāo)準(zhǔn)中有不同的解析方式，GJB 150中規(guī)定裝備在常溫狀態(tài)下放入高溫試驗(yàn)箱，再轉(zhuǎn)入低溫試驗(yàn)箱，進(jìn)行三個(gè)循環(huán)后裝備處于低溫試驗(yàn)箱內(nèi)。若此時(shí)將裝備從低溫試驗(yàn)箱內(nèi)轉(zhuǎn)出，裝備本身的低溫狀態(tài)至于常溫狀態(tài)下，可能會(huì)使裝備內(nèi)表面產(chǎn)生冷凝水，造成裝備的性能損壞。為避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，就需要將裝備放置在50 ℃左右的高溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行烘干處理，待裝備的冷凝水消除后再恢復(fù)至常溫待溫度穩(wěn)定后再進(jìn)行性能測試。但此操作過程增加烘干處理無形中增加了裝備的試驗(yàn)周期，因此建議裝備實(shí)際試驗(yàn)過程中先放入低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，那么試驗(yàn)將會(huì)在高溫試驗(yàn)箱結(jié)束， 可直接恢復(fù)至常溫進(jìn)行測試，縮短了裝備的試驗(yàn)周期。

2.3.2 GJB 150A中試驗(yàn)方向的選擇

GJB 150A標(biāo)準(zhǔn)中程序Ⅰ和程序Ⅱ人為的規(guī)定從低溫開始，但若更為接近實(shí)際的話，也可從高溫開始。試驗(yàn)曲線見圖7。

圖7 溫度沖擊試驗(yàn)過程

標(biāo)準(zhǔn)中要求先將試件放入試驗(yàn)箱，以不超過3 ℃/min的速率將箱內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)到技術(shù)文件中的低溫極值（圖中的a），保持此溫度至技術(shù)文件中規(guī)定的時(shí)間（圖中的a～b）；然后在1 min之內(nèi)（圖中的b～c）將試件轉(zhuǎn)移到溫度為T2的大氣環(huán)境中，以產(chǎn)生技術(shù)文件中規(guī)定的溫度沖擊，并按技術(shù)文件的規(guī)定保持此溫度（圖中的c～e）；此為基于恒定極值溫度的單方向溫度沖擊，若技術(shù)文件有要求，在可行的范圍內(nèi)評(píng)價(jià)溫度沖擊對試件的影響；

若要求反方向進(jìn)行其他循環(huán)，則在1 min之內(nèi)將試件轉(zhuǎn)換到T1環(huán)境中（圖中的e～f），并按技術(shù)文件要求達(dá)到穩(wěn)定（圖中的f～g），至此為基于恒定極值溫度的單循環(huán)沖擊，必要時(shí)可評(píng)價(jià)溫度沖擊的影響，然后繼續(xù)試驗(yàn)；

若要求做基于恒定極值溫度的多循環(huán)沖擊，則需要重復(fù)進(jìn)行b～g的整個(gè)循環(huán)過程，以致完成技術(shù)文件的循環(huán)次數(shù)要求。

循環(huán)結(jié)束后，則將試件以不大于3 ℃/min的溫度變化速率返回到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件。

由上述試驗(yàn)過程可見，標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)從T1環(huán)境1 min之內(nèi)轉(zhuǎn)換到T2環(huán)境開始，至返回至T1環(huán)境保持規(guī)定的時(shí)間為一個(gè)循環(huán)過程（圖7中b～g）。試驗(yàn)開始時(shí)試件從標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境降溫至T1環(huán)境溫度，在T1環(huán)境下保持此溫度至技術(shù)文件中規(guī)定的時(shí)間。此過程為試驗(yàn)的預(yù)處理階段，因此若試驗(yàn)從低溫段開始，則試驗(yàn)結(jié)束在低溫段；若試驗(yàn)從高溫段開始，則試驗(yàn)結(jié)束在高溫段。為防止試件在試驗(yàn)結(jié)束后表面產(chǎn)品凝露，需要增加烘干恢復(fù)的過程，同時(shí)增加了試驗(yàn)周期，建議試驗(yàn)從高溫段開始。

3 不同類型溫度沖擊試驗(yàn)設(shè)備在試驗(yàn)的過程中容易出現(xiàn)的問題

3.1 兩臺(tái)獨(dú)立的高低溫試驗(yàn)箱

使用兩臺(tái)獨(dú)立的高、低溫試驗(yàn)箱建立并保持試驗(yàn)條件，通過試件的轉(zhuǎn)運(yùn)達(dá)到溫度沖擊的過程。

此方法在試驗(yàn)過程中要求兩臺(tái)試驗(yàn)箱之間的距離盡量短，以實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)溫度沖擊的過程；并且要求兩個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)箱放入樣件后重新達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 獨(dú)立的雙室試驗(yàn)箱

使用一臺(tái)獨(dú)立的雙室試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，分別對兩個(gè)箱室進(jìn)行高、低溫的控制，在試驗(yàn)的過程中需要防止樣件在兩個(gè)箱室之間轉(zhuǎn)換的過程中，不應(yīng)出現(xiàn)樣件移動(dòng)導(dǎo)致樣件外觀受損影響試驗(yàn)結(jié)果的問題發(fā)生。通過拉籃實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的過程是否完整，即樣件是否完全轉(zhuǎn)換至高溫箱室或低溫箱室。

還應(yīng)注意兩個(gè)箱室分別溫度控制的范圍是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，例如GJB 150A要求樣件從室溫升至或降至初始溫度，試驗(yàn)結(jié)束后由低溫或高溫恢復(fù)至室溫。以及若低溫結(jié)束需要對樣件進(jìn)行烘干處理如何實(shí)現(xiàn)的過程。

3.3 樣件不移動(dòng)的單室試驗(yàn)箱

不作高低溫分區(qū)的單室試驗(yàn)箱，將樣件擺放在一個(gè)固定的溫度場內(nèi)，試驗(yàn)箱內(nèi)包含兩個(gè)獨(dú)立的高、低溫蓄能區(qū)，通過兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)氣、抽氣的氣動(dòng)活門調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫場。

該類型設(shè)備在試驗(yàn)過程中需要將原試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度經(jīng)過抽氣活門抽走，再打開另外一個(gè)蓄能區(qū)的活門將空氣放進(jìn)去，此過程容易造成溫場內(nèi)溫度穩(wěn)定的時(shí)間不能滿足要求。但此類型設(shè)備由于樣件是固定不動(dòng)的，所以較適用于過程中需要測試的樣件的試驗(yàn)。

4 總結(jié)

通過以上內(nèi)容可以得知，溫度沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是由樣件所處的真實(shí)環(huán)境因素決定的，試驗(yàn)設(shè)備的選取不但要考慮是否滿足具體的技術(shù)條件指標(biāo)，還應(yīng)考慮試驗(yàn)的過程是否會(huì)加劇樣件的試驗(yàn)過程及對樣件產(chǎn)生的影響。而沖擊方向的確定須由設(shè)計(jì)人員考慮，從試驗(yàn)周期考慮建議試驗(yàn)從高溫段開始，則高溫段結(jié)束。在技術(shù)文件無明確要求的情況下，實(shí)驗(yàn)室在實(shí)際過程中可依據(jù)樣件的實(shí)際情況選用合適的試驗(yàn)設(shè)備，確定試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間、沖擊次數(shù)及試驗(yàn)方法。