模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗(yàn)設(shè)備研制

向江濤，吳護(hù)林，李鴻飛，李軍念，楊小奎，王茂川，王曉輝

(1.西南技術(shù)工程研究所， 重慶 400039； 2.國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心， 重慶 400039)

1 引言

我國擁有較長海岸線，每年海洋大氣環(huán)境造成的腐蝕、老化非常嚴(yán)重，而熱帶海洋環(huán)境具有高溫、高濕和高鹽霧的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品、金屬和高分子材料等的腐蝕、老化行為更為嚴(yán)重。例如：據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沿海所有電子產(chǎn)品的故障，海洋大氣環(huán)境引起的腐蝕、老化等故障占73%，金屬構(gòu)件在海南的腐蝕速率是內(nèi)陸的2～4倍，由此可見，提高產(chǎn)品的海洋大氣環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)水平，對(duì)保障產(chǎn)品性能、外觀完好性有重要意義。

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)主要有自然環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)，自然環(huán)境試驗(yàn)是目前最可靠、最精確的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法，但是，不同的區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果不同，而且試驗(yàn)周期長，不利于試驗(yàn)結(jié)果推廣于產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，因此，實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)技術(shù)受到產(chǎn)品研制、生產(chǎn)方的重視。針對(duì)海洋大氣環(huán)境，主要試驗(yàn)方法有鹽霧試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、周期浸潤試驗(yàn)以及復(fù)合鹽霧腐蝕試驗(yàn)等，這些試驗(yàn)方法主要針對(duì)自然環(huán)境中某一因素開展加速試驗(yàn)或多因素循環(huán)加速試驗(yàn)，并沒有模擬自然環(huán)境將各因素綜合施加到試驗(yàn)樣品上，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況差異較大。GJB 6117—2007《裝備環(huán)境工程術(shù)語》規(guī)定在“一定的時(shí)間內(nèi)將2個(gè)或2個(gè)以上的環(huán)境因素同時(shí)施加到受試產(chǎn)品上，從而使受試產(chǎn)品經(jīng)受這些環(huán)境疊加產(chǎn)生的、更為嚴(yán)重的破壞作用，以更真實(shí)地模擬實(shí)際環(huán)境影響的試驗(yàn)”。目前，針對(duì)海洋大氣環(huán)境實(shí)現(xiàn)綜合試驗(yàn)技術(shù)需解決的問題是：鹽霧試驗(yàn)箱產(chǎn)生的鹽霧狀態(tài)與自然環(huán)境相差太大，同時(shí)，鹽霧試驗(yàn)過程中溫度、濕度、干燥和噴霧不能同時(shí)施加。

針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)技術(shù)的缺點(diǎn)，本所研制了一種能同時(shí)或順序施加鹽霧氣氛、溫度、濕度和風(fēng)等因素的模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗(yàn)設(shè)備。

2 設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

1) 設(shè)備外接鹽霧發(fā)生器，該鹽霧發(fā)生器通過精細(xì)化噴霧技術(shù)產(chǎn)生鹽霧；然后通過程序控制風(fēng)機(jī)將規(guī)定量的鹽霧抽入一個(gè)鹽霧空氣調(diào)和室；鹽霧空氣調(diào)和室通過內(nèi)循環(huán)方式將鹽霧中的水滴沉降，剩余鹽霧與鹽霧空氣調(diào)和室內(nèi)的空氣充分混合形成鹽霧氣氛；進(jìn)一步將鹽霧氣氛抽入試驗(yàn)箱體，其中鹽霧氣氛進(jìn)入試驗(yàn)箱體的量值由程序控制。當(dāng)鹽霧氣氛進(jìn)入試驗(yàn)箱體后，控制試驗(yàn)箱體內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度保持在規(guī)定誤差范圍內(nèi)；采用掛片法檢測(cè)試驗(yàn)箱體內(nèi)鹽霧沉積量，當(dāng)達(dá)到規(guī)定鹽霧沉積量時(shí)，即可開始試驗(yàn)。

2) 針對(duì)不同模擬環(huán)境，本設(shè)備的鹽霧空氣調(diào)和室和試驗(yàn)箱接受的鹽霧量、鹽霧濃度和鹽霧氣氛量可能不同。鹽霧量、鹽霧濃度和鹽霧氣氛量由確定模擬環(huán)境時(shí)檢測(cè)確定，并固化相關(guān)技術(shù)參數(shù)保存進(jìn)設(shè)備存儲(chǔ)器。

3) 本設(shè)備采用兩級(jí)控制的方式控制試驗(yàn)箱內(nèi)的鹽霧沉積量。第一級(jí)控制進(jìn)入鹽霧空氣調(diào)和室的鹽霧量，使鹽霧空氣調(diào)和室形成規(guī)定濃度的鹽霧氣氛；第二級(jí)控制進(jìn)入試驗(yàn)箱體的鹽霧氣氛量，達(dá)到規(guī)定的鹽霧沉積量。

4) 空氣調(diào)和室安裝有溫度傳感器、濕度傳感器和鹽霧噴霧塔等，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)箱中的溫度、濕度變化，并通過風(fēng)機(jī)將規(guī)定溫度、濕度的空氣與鹽霧氣氛混合后吹入試驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)施加鹽霧沉降同時(shí)，實(shí)時(shí)改變溫度、濕度值，試驗(yàn)條件更符合自然環(huán)境的真實(shí)情況。

5) 無需綜合鹽霧氣氛試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)箱可單獨(dú)開展?jié)駸嵩囼?yàn)和溫度試驗(yàn)等。

模擬海洋大氣氣氛試驗(yàn)設(shè)備原理如圖1所示。

圖1 模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗(yàn)設(shè)備原理示意圖Fig.1 Principle diagram of comprehensive test equipment for simulating salt-fog atmosphere and humidity

2.2 技術(shù)指標(biāo)確定

模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗(yàn)設(shè)備主要針對(duì)熱帶海洋大氣環(huán)境的庫房、棚等設(shè)施的環(huán)境條件設(shè)計(jì)，因此，不模擬太陽輻射條件。其余主要環(huán)境因素以我所建立在海南的萬寧大氣自然環(huán)境試驗(yàn)站的庫房、棚等的環(huán)境因素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)確定設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)。具體技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 溫度。通過長期溫度監(jiān)測(cè)，萬寧大氣自然環(huán)境試驗(yàn)站的庫房、棚等年最低溫度為10 ℃，年最高溫度40 ℃。因此，溫度最小控制范圍為：10～40 ℃。

2) 濕度。萬寧大氣自然環(huán)境試驗(yàn)站的庫房、棚等月均相對(duì)濕度均在70%以上，其中最高相對(duì)溫度98%左右；最小相對(duì)濕度30%左右，因此，設(shè)備的相對(duì)濕度最小范圍應(yīng)為30%RH～98%RH。

3) 鹽霧沉降量。通過統(tǒng)計(jì)，萬寧大氣自然環(huán)境試驗(yàn)站不同海岸距離的庫房、棚等的鹽霧沉降量相差很大，為0.01～21.2(mg/100 cm·d)。

綜合以上數(shù)據(jù)，本設(shè)備模擬的主要環(huán)境因素應(yīng)包括溫度、濕度和鹽霧沉降量。結(jié)合國軍標(biāo)相關(guān)要求、現(xiàn)有鹽霧設(shè)備普遍技術(shù)指標(biāo)以及預(yù)計(jì)試驗(yàn)對(duì)象，確定主要技術(shù)指標(biāo)：試驗(yàn)艙尺寸1 200 mm×1 200 mm×1 500 mm(長×深×高)；溫度為10～75 ℃，溫度波動(dòng)/均勻度：±1 ℃/±2 ℃；相對(duì)濕度為20%～98% RH，相對(duì)濕度分辨率為0.1%RH；鹽霧氣氛沉降量為0.01～22(mg/100 cm·d)；中心風(fēng)速為≤2 m/s(速率可調(diào))。

2.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備采用整體式前后結(jié)構(gòu)，設(shè)備的前部為試驗(yàn)艙，試驗(yàn)艙前端安裝有吸盤式密封膠條；后部為制熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)以及鹽霧氣氛發(fā)生系統(tǒng)；電器控制系統(tǒng)位于箱體前部。設(shè)備頂部安裝離心電機(jī)；試驗(yàn)艙箱體正前方為箱體大門，上方為垂直空氣送風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)備采用減震腳墊減低試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)。設(shè)備的設(shè)計(jì)三維模型如圖2所示。

圖2 模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì) 三維模型示意圖Fig.2 Three-dimensional model of comprehensive test equipment design for simulating salt-fog atmosphere humidity and heat

模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗(yàn)設(shè)備邏輯上由中央控制系統(tǒng)、鹽霧氣氛發(fā)生系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)和風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成。其中主要物理組件包括箱體、控制柜、鹽霧發(fā)生器、空氣調(diào)和室、制冷壓縮機(jī)、加熱器、加濕器、冷凝器和離心風(fēng)機(jī)等，主要輔助設(shè)備包括純凈水機(jī)和計(jì)算機(jī)，有關(guān)模塊如圖3所示。

圖3 模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗(yàn)設(shè)備模塊框圖Fig.3 Block diagram of main modules of comprehensive test equipment for simulating salt fog atmosphere humidity and heat

2.4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 設(shè)備箱體設(shè)計(jì)

設(shè)備箱體設(shè)計(jì)主要有試驗(yàn)艙、大門、測(cè)試孔、溢流孔、底板和擱板設(shè)計(jì)。

1) 試驗(yàn)艙設(shè)計(jì)。試驗(yàn)艙內(nèi)壁采用純鈦板材料，內(nèi)壁設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋以提高箱體強(qiáng)度，內(nèi)壁與外壁之間設(shè)計(jì)有100 mm保溫層。

2) 大門。采用單開門設(shè)計(jì)，可以手動(dòng)從箱體內(nèi)部打開。采用整體成型的吸盤式硅橡膠密封條密封，具有耐高低溫，抗老化，密封性能好，更換和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。大門上設(shè)有一個(gè)尺寸：420 mm×620 mm(寬×高)中空電阻膜加熱防霜觀察窗，觀察窗無水凝、結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象。觀察窗上設(shè)置有一個(gè)照明燈，可手動(dòng)直接開關(guān)控制。

3) 測(cè)試孔。內(nèi)膽滿焊拼接，2個(gè)100 mm測(cè)試孔分布于試驗(yàn)箱左右兩側(cè)、配備2個(gè)測(cè)試法蘭(帶接線，線數(shù)按用戶需求)，法蘭采用卡箍密封。

4) 溢流孔。接水盤位于大門下邊緣，下方安有50 mm溢流孔。

5) 底板。設(shè)計(jì)在試驗(yàn)艙底部，由內(nèi)膽外置加強(qiáng)筋，內(nèi)膽與外殼之間加SU304不銹鋼方鋼構(gòu)成。底板承重能力不小于500 kg/m均勻載荷。

6) 擱板。設(shè)計(jì)帶加強(qiáng)筋鈦板樣品架擱板，樣品架打孔減輕質(zhì)量，同時(shí)便于固定樣品；擱板承重≥50 kg均勻負(fù)載。經(jīng)仿真分析承重≥50 kg。

2.4.2 溫度系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)根據(jù)在空氣調(diào)和室內(nèi)的溫度傳感器采集溫度信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，與設(shè)定的溫度目標(biāo)值比較，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)自動(dòng)控制加熱固態(tài)繼電器或制冷固態(tài)繼電器的通斷，最終達(dá)到控制溫度的目的。另外，本設(shè)備的中央控制器根據(jù)不同的溫度控制點(diǎn)時(shí)，設(shè)備本身和用戶試品所需冷量，通過調(diào)節(jié)制冷劑流量的大小來控制制冷能量大小來控制溫度，無需加熱去平衡制冷，保證了設(shè)備取得很好的控制精度和均勻度，而且使設(shè)備運(yùn)行始終處于相對(duì)低功耗狀態(tài)。

通過計(jì)算，本設(shè)備制冷總負(fù)載為2.23 kW·h，乘以修正系數(shù)1.2，制冷總負(fù)載實(shí)際應(yīng)為2.68 kW·h；制熱總負(fù)載為4.76 kW·h，乘以修正系數(shù)1.2，制冷總負(fù)載實(shí)際應(yīng)為5.71 kW·h。

2.4.3 濕度系統(tǒng)

濕度控制由加濕鍋爐與鹽霧加濕共同控制，當(dāng)設(shè)定濕度值時(shí)，鹽霧噴射頻率根據(jù)不同的濕度設(shè)定值由程序控制在一個(gè)固定對(duì)應(yīng)頻率值，同時(shí)加濕鍋爐工作，系統(tǒng)根據(jù)干濕球濕度計(jì)測(cè)量試驗(yàn)艙相對(duì)濕度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值比較，當(dāng)測(cè)定值大于設(shè)定值時(shí)除濕固態(tài)繼電器閉合，除濕蒸發(fā)器除濕，鹽霧噴射頻率不變；當(dāng)測(cè)定值小于設(shè)定值時(shí)除濕固態(tài)繼電器閉合，鍋爐加濕器加濕，鹽霧噴射頻率。通過PID調(diào)整占空比保持濕度值穩(wěn)定。

通過計(jì)算，設(shè)備最大加濕量2.98 kg/h，設(shè)備蒸發(fā)鍋爐功率應(yīng)≥3 kW。

2.4.4 風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

設(shè)備的風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和風(fēng)向倒流板組成，離心風(fēng)機(jī)將風(fēng)吸入風(fēng)道，經(jīng)風(fēng)向倒流板垂直吹向試驗(yàn)艙的樣品表面，風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，風(fēng)向倒流板如圖5所示。

圖4 風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural of air circulation system

圖5 風(fēng)向?qū)Я靼迦S裝配模型示意圖Fig.5 3D assembly model of wind deflector

通過設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)能使受試樣品表面均勻沉降鹽霧氣氛，并保持試驗(yàn)艙溫度、風(fēng)速有較好的均勻性。

2.4.5 鹽霧氣氛發(fā)生系統(tǒng)

鹽霧氣氛發(fā)生系統(tǒng)由鹽霧發(fā)生器、伸入空氣調(diào)和室的噴霧塔、空氣調(diào)和室(U型通道)組成。其中鹽霧發(fā)生器為外購成品，獨(dú)立放置于設(shè)備外，由管道和設(shè)備連接，鹽霧由噴霧塔進(jìn)入空氣調(diào)和室形成鹽霧氣氛，鹽霧發(fā)生系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 鹽霧發(fā)生系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Main structure of salt fog generate system

2.4.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PLC控制器控制，觸摸屏為人機(jī)交互界面，主要功能包括鹽霧氣氛沉降量、溫度、濕度、風(fēng)速控制；可記錄鹽霧氣氛沉降量、溫度、濕度、風(fēng)速、黑板溫度、濕潤度、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備狀態(tài)；

可自動(dòng)組合加熱系統(tǒng)、加濕/除濕系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、鹽霧氣氛發(fā)生系統(tǒng)等子系統(tǒng)工作；可通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作。

3 結(jié)論

1) 本設(shè)備首先采用傳統(tǒng)的噴鹽霧技術(shù)噴出水狀鹽霧，利用空氣調(diào)和室使較大顆粒鹽霧沉積，或在風(fēng)的作用下與其余噴出的小顆粒鹽霧充分混合于空氣中，形成與自然環(huán)境類似的鹽霧氣氛(及含鹽分的空氣)。并可更據(jù)實(shí)際情況增加空氣調(diào)和室，使水狀鹽霧與空氣更充分融合；

2) 傳統(tǒng)鹽霧試驗(yàn)在噴鹽霧過程中，不能控制箱體內(nèi)濕度和溫度的變化，本設(shè)備在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、鹽霧氣氛發(fā)生原理上進(jìn)行了創(chuàng)新，可以實(shí)時(shí)控制主箱體內(nèi)空氣溫度、濕度的變化，實(shí)現(xiàn)鹽霧、溫度和濕度綜合控制，模擬性進(jìn)一步得到提升；

3) 本設(shè)備在設(shè)計(jì)上主要針對(duì)我國熱帶海洋地區(qū)的室內(nèi)、庫房和棚等環(huán)境，因此可用于模擬海洋島礁庫房、棚等環(huán)境因素，提高試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性；

4) 設(shè)備產(chǎn)生的鹽霧氣氛和自然環(huán)境下的鹽霧狀態(tài)更為相近，因此，鹽霧沉降產(chǎn)生的腐蝕效果更接近真實(shí)情況；

5) 設(shè)備產(chǎn)生的鹽霧氣氛和自然環(huán)境下的鹽霧狀態(tài)更為相近，為含鹽分的空氣，不易在試驗(yàn)樣品上形成大量積液，因此，設(shè)備更易于廣泛推廣應(yīng)用到光電產(chǎn)品的帶電試驗(yàn)中。