典型裝備溫度響應(yīng)測量及平衡時(shí)間研究

楊國輝

（中國人民解放軍63853 部隊(duì)，吉林 白城 137001）

在裝備環(huán)境工程中，主要包括環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)4 個(gè)方面[1]。武器裝備在環(huán)境試驗(yàn)適應(yīng)性考核中，需要進(jìn)行高、低溫等多項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)，溫度應(yīng)力強(qiáng)度如何選擇至關(guān)重要，對于溫度穩(wěn)定時(shí)間的判定與被試品材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室空間等因素都有很大關(guān)系。GJB 150.1A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 通用要求》規(guī)定，試件工作時(shí)，除另有規(guī)定外，當(dāng)試件中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件的溫度變化率不大于2.0 ℃/h 時(shí)，則認(rèn)為試件達(dá)到了工作時(shí)的溫度穩(wěn)定；試件不工作時(shí)，除另有規(guī)定外，當(dāng)試件中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí)，則認(rèn)為試件達(dá)到了不工作時(shí)的溫度穩(wěn)定。這就需要對裝備的各部位溫度進(jìn)行測量，并對穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行判斷，來確定試驗(yàn)裝備是否達(dá)到了溫度的穩(wěn)定。

溫度環(huán)境試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)從樣品在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下穩(wěn)定的瞬間開始計(jì)算，而溫度穩(wěn)定時(shí)間則是試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的判定標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)間通常指試驗(yàn)樣品在預(yù)定試驗(yàn)溫度下達(dá)到溫度穩(wěn)定所需要的時(shí)間。由于進(jìn)入到環(huán)境試驗(yàn)階段的被試品已經(jīng)生產(chǎn)完畢，不能加裝溫度傳感器破壞其內(nèi)部零部件的整體結(jié)構(gòu)，所以無法測得其內(nèi)部真實(shí)溫度，而一般實(shí)驗(yàn)室室溫都已達(dá)到預(yù)定溫度開始計(jì)時(shí)，這樣會(huì)導(dǎo)致裝備溫度平衡后的保溫時(shí)間不足。因此，選定了多種裝備進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試，并對3 種典型武器裝備進(jìn)行了詳細(xì)的溫度響應(yīng)測試。在高、低溫試驗(yàn)過程中，對熱容量最大及敏感、薄弱部件進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測量，進(jìn)而確定溫度平衡時(shí)間，并為相同量級(jí)的武器裝備試驗(yàn)量級(jí)的選取提供數(shù)據(jù)支持。本文在高低溫試驗(yàn)的溫度量級(jí)選取中，以具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對軍標(biāo)的相關(guān)規(guī)定給出了具體合理量化建議，這樣會(huì)使武器裝備環(huán)境試驗(yàn)鑒定數(shù)據(jù)更加科學(xué)準(zhǔn)確可靠。

1 溫度響應(yīng)過程分析

1.1 溫度試驗(yàn)的傳熱機(jī)理

溫度總是從高溫介質(zhì)傳向低溫介質(zhì)。物體與周圍環(huán)境大氣之間的傳熱形式主要是對流換熱和輻射換熱，其內(nèi)部的主要傳熱過程則是不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程[2-6]。從環(huán)境空氣溫度開始變化，直至被試品的溫度達(dá)到穩(wěn)定之前，其內(nèi)部各點(diǎn)的溫度始終處于變化之中。被試品的表面首先被加熱（或冷卻），被試品中熱容量最大部位的溫度變化最慢，比被試品的表面及其內(nèi)部的其他部位均有較大滯后，只有當(dāng)被試品中熱容量最大部位的溫度與被試品周圍環(huán)境的溫度達(dá)到一致時(shí)，才可認(rèn)為被試品的溫度達(dá)到了穩(wěn)定[8-15]。實(shí)驗(yàn)室空氣溫度、被試品表面溫度及被試品中熱容量最大部件的溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖1 所示。

圖1 被試品各部溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.1 Temperature curve of each part of the tested product with time

被試品與周圍空氣之間的對流換熱，遵循牛頓冷卻公式：

被試品與周圍空氣之間的輻射換熱，遵循斯蒂芬–玻爾茲曼定律：

用換熱系數(shù)表示的公式為：

被試品內(nèi)部的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，遵循傅立葉定律和能量守恒定律，滿足導(dǎo)熱微分方程[13-15]：

式（1）—（3）中：Q1、Q2、Q3為物體與空氣之間的對流換熱量、輻射換熱量及物體內(nèi)部的導(dǎo)熱量；F為物體的表面溫度；ac為對流換熱系數(shù)；Δt為物體表面與環(huán)境空氣之間的溫差；ε、ρ、λ、c為物體的黑度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱；t為溫度變化的時(shí)間；q為被試品內(nèi)部發(fā)熱流量。

1.2 溫度響應(yīng)過程

溫度環(huán)境試驗(yàn)過程中，被試品與周圍環(huán)境大氣之間的傳熱形式主要是對流換熱和輻射換熱，被試品內(nèi)部的傳熱過程是不穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱過程[3-19]。從環(huán)境空氣溫度開始，直至被試品的溫度達(dá)到穩(wěn)定之前，其內(nèi)部各點(diǎn)的溫度始終是變化的，不是穩(wěn)態(tài)的。被試品的表面最先被加熱（或冷卻），而熱容量最大部位的溫度變化是最慢的，比被試品的表面溫度變化有較大滯后。典型的高溫試驗(yàn)過程主要包括升溫、保溫、降溫、高溫工作（檢測）、恢復(fù)等5 個(gè)階段。典型的低溫試驗(yàn)過程主要包括降溫、保溫、升溫、低溫工作（檢測）、恢復(fù)等5 個(gè)階段[20-21]。各試驗(yàn)項(xiàng)目中的控制溫度、空氣溫度、被試品溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2 所示。

圖2 溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 Diagram of temperature over time

2 測量設(shè)備及方法

裝備高低溫試驗(yàn)中，溫度響應(yīng)特性主要包括裝備溫度分布、熱點(diǎn)分布、裝備在規(guī)定的環(huán)境溫度下達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間、裝備熱容量最大的部位、裝備對冷熱敏感的部位和薄弱環(huán)節(jié)等。溫度響應(yīng)特性的測量盡可能地在確定的同一裝備上進(jìn)行，以確保測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前，確定裝備溫度環(huán)境試驗(yàn)溫度平衡時(shí)間主要采取以下幾種方法[7-16]。

2.1 重量法

重量法是按照被試品的重量來確定試驗(yàn)溫度的保持時(shí)間。該方法的主要優(yōu)勢是簡單、方便，主要在環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展早期使用較多。目前除了MTL-STD-202F《電子及電氣元器件試驗(yàn)方法》、HB67176《飛機(jī)電機(jī)電器環(huán)境試驗(yàn)方法》等極少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用該方法外，國內(nèi)外大部分標(biāo)準(zhǔn)已不采用[16-19]。

2.2 熱時(shí)間常數(shù)法

在試驗(yàn)中直接用傳感器測量被試品中關(guān)鍵部位的溫度，將此溫度上升（或下降）到試驗(yàn)溫度的0.632倍時(shí)所需要的時(shí)間作為熱時(shí)間常數(shù)，并把該常數(shù)的4倍作為溫度穩(wěn)定時(shí)間。

該方法在目前使用最普遍，仍被國際電工協(xié)會(huì)（IEC）的IEC68 號(hào)出版物和GB 2423《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)文件使用，作為溫度的判定方法[4-18]。

2.3 直接測量法

在試驗(yàn)全過程中，直接用傳感器測量被試品中熱容量最大部件的溫度，以此溫度變化到與試驗(yàn)溫度的偏差在允許范圍內(nèi)時(shí)的這段時(shí)間作為溫度穩(wěn)定時(shí)間。目前，國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)均采用直接測量法作為溫度穩(wěn)定的判定方法。

由于對被試品中熱容量最大部件的溫度進(jìn)行直接測量，并且考慮到關(guān)鍵部位的溫度變化，直接測量法要準(zhǔn)確可靠得多。目前測溫的設(shè)備有很多，常采用鉑電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)和紅外測溫儀來進(jìn)行裝備溫度響應(yīng)測量[11-20]。紅外測溫儀的優(yōu)勢在于非接觸式測溫，用于極端溫度及不能直接測量的環(huán)境；電阻溫度計(jì)是根據(jù)電阻值隨溫度的變化這一特性制成的，測量范圍為–260～600 ℃；熱電偶溫度計(jì)是由2 條不同金屬連接著1 個(gè)靈敏的電壓計(jì)所組成，金屬接點(diǎn)在不同的溫度下，會(huì)在金屬的兩端產(chǎn)生不同的電位差[19-22]。

采用直接測量法確定被試品的溫度穩(wěn)定時(shí)間，至少要測量2 處溫度，一處是最大熱容量部件的溫度，另一處是關(guān)鍵部件（或部位）的溫度。經(jīng)試驗(yàn)測量，物體的表面溫度與其內(nèi)部溫度之差一般不超過與環(huán)境空氣溫度之差的5%。因此，對部件溫度的測量，一般只需要測量其表面溫度即可[21-27]。

關(guān)鍵部位溫度的測量除采用直接測量法外，如果條件允許，可采用內(nèi)部測量法進(jìn)行更為直接的測量。大型裝備在進(jìn)行溫度環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，重要考核部位主要包括底盤（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等）、控制等系統(tǒng)，考核其在特定的溫度條件下的工作性能。內(nèi)部測量法更為直接，可在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓部件及控制部件布置測溫設(shè)備，直接測量內(nèi)部溫度的變化過程，可以獲得較為真實(shí)的數(shù)據(jù)，但在傳感器選用及布設(shè)方面存在一定難度，可在條件允許的情況下使用，要視具體情況而定。

根據(jù)裝備實(shí)際要求來確定測量數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，建議敏感部位要縮短時(shí)間間隔，這樣更能及時(shí)反映部件的工作性能，捕捉到性能下降及失效時(shí)間點(diǎn)，為后續(xù)故障分析處理提供依據(jù)。

3 典型裝備溫度響應(yīng)測量

依據(jù)上述測量方法，進(jìn)行了3 種典型武器裝備溫度響應(yīng)的測量。此次溫度響應(yīng)的測量主要結(jié)合某型系統(tǒng)A、某型系統(tǒng)B 和某型系統(tǒng)C 等3 套系統(tǒng)的6 項(xiàng)高低溫試驗(yàn)完成的。

A 溫度試驗(yàn)，主要考核高低溫條件下的A 的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為計(jì)算機(jī)、動(dòng)力柜體、后部、中部、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸、執(zhí)行器等。

B 溫度試驗(yàn)，主要考核車輛發(fā)動(dòng)及啟動(dòng)、火控、隨動(dòng)等系統(tǒng)在特定的高低溫條件下的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為雷達(dá)、發(fā)動(dòng)機(jī)、計(jì)算機(jī)、液壓系統(tǒng)等。

C 溫度試驗(yàn)，考核整體的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為天線、計(jì)算機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和控制系統(tǒng)等。

3.1 測量策略

在試驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)溫度由3 支傳感器進(jìn)行測量后實(shí)時(shí)傳至控制系統(tǒng)，而被試品的溫度測量在試驗(yàn)程序中沒有要求，故而未配置相關(guān)溫度巡檢設(shè)備，所以只能采用直接測量法進(jìn)行測量。此次典型裝備溫度響應(yīng)測量所采用的是便攜式紅外測溫儀和點(diǎn)溫計(jì)。

3.2 測量設(shè)備

1）紅外測溫儀。技術(shù)指標(biāo)：溫度范圍為–40～900 ℃；顯示分辨率為0.1 ℃；精度為目標(biāo)值的±0.75%或±0.75 K，取大值，目標(biāo)溫度低于–5 ℃時(shí)，為±2 K；發(fā)射率為0.1～1.00 可調(diào)；響應(yīng)時(shí)間為250 ms。發(fā)射率校準(zhǔn)：利用黑膠布進(jìn)行發(fā)射率校準(zhǔn)，黑膠布的發(fā)射率為0.95，將長15 cm 的黑膠布貼在被測部位表面，待黑膠布與被測部位表面溫度平衡后，將紅外測溫儀發(fā)射率設(shè)置為0.95，進(jìn)行測溫記錄。

2）FLUKE 點(diǎn)溫計(jì)。技術(shù)指標(biāo)：溫度范圍為–200～760 ℃；顯示分辨率為0.1 ℃；精度為±1 ℃。測量要求：由于受工作環(huán)境溫度限制，點(diǎn)溫計(jì)需要保溫措施，防止在高低溫環(huán)境中損壞或產(chǎn)生數(shù)據(jù)漂移。由于熱電偶測溫時(shí)需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，所以在進(jìn)行高溫測溫時(shí)，可用膠布將熱電偶探頭固定在待測表面，這樣能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。低溫測量時(shí)，需手持測量，溫度穩(wěn)定后才能記錄。

3.3 結(jié)果及討論

此次溫度響應(yīng)的測量主要結(jié)合A、B 和C 等3 套武器裝備的6 項(xiàng)高低溫試驗(yàn)完成的。由于實(shí)驗(yàn)室為大型裝備的環(huán)境試驗(yàn)提供鑒定，容積為1 300 m3，空間較大，降溫速率較慢，所以對裝備進(jìn)行溫度響應(yīng)測量的時(shí)間間隔設(shè)定為1 h。

1）A 試驗(yàn)指標(biāo)：–10 ℃保溫12 h，–40 ℃保溫8 h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1 和圖3。從表1 的數(shù)據(jù)中可以看出，開始階段隨著室溫的下降，A 暴露在空氣中的后部溫度下降較快，不完全暴露的計(jì)算機(jī)和轉(zhuǎn)軸溫度下降較慢，而內(nèi)部熱容量最大核心部件的中部和執(zhí)行器的溫度下降最慢。當(dāng)室溫達(dá)到預(yù)定溫度后，隨著時(shí)間的推移，A 的后部、中部和轉(zhuǎn)軸的溫度開始趨于平衡，而關(guān)鍵部件執(zhí)行器的溫度下降仍然很慢，所以A 整體的溫度穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)從核心部件執(zhí)行器達(dá)到預(yù)定溫度后開始起算，這對于裝備的環(huán)境適應(yīng)性考核是至關(guān)重要的。裝備A 關(guān)鍵部件及執(zhí)行器溫度距低溫–40 ℃相差較多，最大可達(dá)7 ℃，沒能達(dá)到溫度平衡。從圖5可以看出，執(zhí)行器在室溫達(dá)到–40 ℃后5 h 才達(dá)到預(yù)定溫度。

圖3 A 低溫試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量曲線Fig.3 Temperature response measurement curve for A low temperature test

表1 A 低溫試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量Tab.1 Temperature response measurement for A low temperature test℃

2）B 試驗(yàn)指標(biāo)：70 ℃高溫貯存，恒溫48 h；50 ℃高溫工作，恒溫8 h；–40 ℃低溫工作，恒溫8 h，–43 ℃低溫貯存，恒溫24 h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2—4 和圖4—7。從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著室內(nèi)溫度的升高，武器系統(tǒng)B 各個(gè)部件的溫度響應(yīng)是不同的，暴露在外的雷達(dá)升溫最快，發(fā)動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)的溫度響應(yīng)較慢，艙內(nèi)溫度和液壓溫度響應(yīng)是最慢的，并且在22 h后才達(dá)到預(yù)定溫度70 ℃。武器裝備B 溫度響應(yīng)最慢的艙內(nèi)溫度、液壓溫度與室內(nèi)溫度隨時(shí)間的響應(yīng)測量曲線如圖4 所示。

表2 B 高溫貯存溫度響應(yīng)測量Tab.2 Temperature response measurement for B high temperature storage℃

圖4 B 高溫貯存試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量曲線Fig.4 Temperature response measurement curve for B high temperature storage

武器裝備B 高溫工作試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量數(shù)據(jù)見表3。溫度響應(yīng)與高溫貯存相似，但是隨著車輛發(fā)動(dòng)工作，艙內(nèi)溫度和液壓溫度響應(yīng)在10 h 后才達(dá)到預(yù)定溫度50 ℃。武器裝備B 溫度響應(yīng)最慢的艙內(nèi)溫度、液壓溫度與室內(nèi)溫度隨時(shí)間的響應(yīng)測量曲線如圖5所示。

表3 B 高溫工作溫度響應(yīng)測量Tab.3 Temperature response measurement for B high temperature working℃

圖5 B 高溫工作試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量曲線Fig.5 Temperature response measurement curve for B high temperature working test

武器裝備B 低溫工作試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量數(shù)據(jù)見表4。車輛工作會(huì)產(chǎn)生很多熱量，對于密封較嚴(yán)的艙內(nèi)系統(tǒng)，溫度響應(yīng)很慢，低溫工作艙內(nèi)溫度（–29.5 ℃）距目標(biāo)溫度（–40 ℃）相差較大，溫差達(dá)10.5 ℃，沒有達(dá)到溫度平衡。武器裝備B 溫度響應(yīng)最慢的艙內(nèi)溫度與室內(nèi)溫度隨時(shí)間的響應(yīng)測量曲線如圖6 所示。由于B 的低溫貯存試驗(yàn)溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)與低溫工作數(shù)據(jù)類似，故只給了低溫貯存的溫度響應(yīng)測量曲線（如圖7 所示）。圖7 表明，在武器裝備B 的低溫貯存中，密封的艙內(nèi)溫度在24 h 后達(dá)到了溫度平衡。

圖6 B 低溫工作試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量曲線Fig.6 Temperature response measurement curve for B low temperature working test

圖7 B 低溫貯存試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量曲線Fig.7 Temperature response measurement curve for B low temperature storage test.

表4 B 低溫工作溫度響應(yīng)測量Tab.4 Temperature response measurement for B low temperature working℃℃

3）C 試驗(yàn)指標(biāo)。50 ℃高溫工作。試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表5 和圖8。從表5 可以看出，武器系統(tǒng)C 各個(gè)部件的溫度響應(yīng)是不同的，暴露在外的天線升溫最快，關(guān)鍵部件發(fā)動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)的溫度響應(yīng)較慢，艙內(nèi)溫度響應(yīng)是最慢的，并且在10 h 后才達(dá)到預(yù)定溫度50 ℃。C 高溫50 ℃工作試驗(yàn)階段保溫時(shí)間偏短，整體溫度都沒有達(dá)到平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度距50 ℃相差較多，最大可達(dá)7 ℃，沒能達(dá)到溫度平衡。武器裝備C 關(guān)鍵部件發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度與室內(nèi)溫度隨時(shí)間的響應(yīng)測量曲線如圖8 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度滯后于室內(nèi)溫度，大約10 h 后達(dá)到目標(biāo)溫度（40 ℃）。

表5 C 高溫工作溫度響應(yīng)測量Tab.5 Temperature response measurement for C high temperature working℃

圖8 C 高溫工作試驗(yàn)溫度響應(yīng)測量曲線Fig.8 Temperature response measurement curve for C high temperature working test

分析以上測量數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

1）3 種典型裝備的應(yīng)力大小選取準(zhǔn)確，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）被試品艙門狀態(tài)對溫度平衡影響較大，熱容量較大部件溫度響應(yīng)較慢，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地敞開武器裝備的密閉空間，加快熱交換，以縮短達(dá)到溫度平衡的時(shí)間。

3）根據(jù)GJB 150A—2009 進(jìn)行武器裝備高低溫試驗(yàn)時(shí)，被試品溫度穩(wěn)定后，高溫要求繼續(xù)貯存2 h，低溫繼續(xù)貯存4 h[1]。

對于被試品達(dá)到溫度穩(wěn)定的判斷，其實(shí)是很模糊的，也是很難判斷的。本文經(jīng)過對3 種典型裝備的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)分析后提出如下建議：高溫工作的整體保溫時(shí)間在原有的基礎(chǔ)上再延長大約10 h；高溫貯存時(shí)間（48 h）偏短，應(yīng)延長大約4 h；低溫貯存時(shí)間偏短，不能夠達(dá)到溫度平衡的要求，應(yīng)適當(dāng)延長4～6 h；低溫工作時(shí)間的保溫時(shí)間應(yīng)當(dāng)延長大約10 h。

4 結(jié)論

本文通過對3 種典型裝備環(huán)境試驗(yàn)溫度響應(yīng)進(jìn)行分析和研究，得出以下結(jié)論。

1）對裝備溫度響應(yīng)測量及平衡時(shí)間進(jìn)行分析研究是十分重要的，在實(shí)際試驗(yàn)中，要根據(jù)裝備自身性能特點(diǎn)，獲得裝備的真實(shí)溫度響應(yīng)特性，對關(guān)鍵及敏感部件應(yīng)實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度響應(yīng)測量，保證試驗(yàn)量級(jí)選取的科學(xué)合理。

2）以軍標(biāo)為基礎(chǔ)，給出溫度試驗(yàn)的量級(jí)選取的建議，為裝備環(huán)境分析及試驗(yàn)方案的制定提供參考依據(jù)。

3）需要結(jié)合后續(xù)進(jìn)場試驗(yàn)的大量武器裝備的溫度環(huán)境試驗(yàn)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，建立一套數(shù)據(jù)庫，形成定性定量的判斷方法，這樣才更能使武器裝備環(huán)境試驗(yàn)鑒定數(shù)據(jù)更加科學(xué)準(zhǔn)確可靠。