热真空试验箱的故障分析诊断与排除

钱今炀,吴建峰

(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海 200233)

0 引 言

热真空试验箱是在地面上模拟太空环境的环境模拟试验设备。近几年来,热真空试验设备在航天航空业产品的研制和定型中发挥了重要作用。热真空试验箱由于结构复杂,在运行中有时会出现一些异常现象,如果不能及时排除,将延长试验周期,影响产品的研制工作。为此,我们对试验箱的基本工作原理作一些简要阐述,并介绍如何对热真空试验箱的一般故障进行分析判断和排除。

1 热真空试验箱工作原理

下面以CS-1000型热真空模拟设备为例简要介绍其工作过程。试验箱由主泵涡轮分子泵、机械泵、预抽阀、主抽阀等组成真空机组,对真空室进行抽气,从而得到一个较为清洁的高真空试验环境。通过电热丝或液氮将箱体热沉加热或制冷,利用辐射传导的形式在箱体热沉内形成一个较均匀的温度场,从而得到一个既有真空,又有宽范围温度-100℃～125℃太空模拟环境。热真空试验做完后,打开放气阀充入氮气取出试件。试验箱工作原理示意图如图1所示。

图1 试验箱工作原理示意图

2 故障的判断分析

由于试验箱是一个较复杂的机电组合系统,因此,一旦设备出现异常,必须全面而有序地对整个设备进行检查和综合分析。对故障现象的发生,一般先进行先“外”后“里”的原则,即首先排除外部因素,如冷却水、供电等,在完全排除外部因素后,根据故障现象,采用机电关联方法查找故障原因。按照电气原理图查找电气系统及计算机软件的问题,最后查找机械系统的问题,如表1所示。

3 典型故障的分析诊断与排除

3.1 故障现象

例如在 2009年 5月某一试件在做热真空试验时,要求在真空度 2.0×10-3Pa时温度下降至 -55℃并保温 2 h,通常情况下此时的真空度会优于 2.0×10-3Pa,但在降温 5 min后,出现了真空度突然下降到 2.5×10-2Pa的故障现象,如图2所示。为此我们就按表1进行排查。

表1 一些常见故障的分析及处理方法

图2 故障时真空度曲线示意图

3.2 对故障现象的分析诊断与排除

(1)断开制冷控制,制冷阀关闭,检查真空计通讯接口有无松动,分子泵转速有无发生变化,经检查都正常,说明真空机组的问题可以排除。

(2)由于低温降温阶段出现真空曲线异常,先观察在常温和高温状态下高真空曲线是否能够达到高真空度要求,该曲线显示真空度能达到 2.0×10-3Pa以上,工作正常,说明从主电源到各电磁阀的电气线路正常,电气系统没有问题。

(3)虽然电气系统没有问题,但在 2.0×10-3Pa真空条件下通入液氮制冷时,此故障发生说明故障应该发生在试验箱制冷环节。首先对箱体各抽气接口的螺丝拧紧,在液氮入口处充入压力 0.5 kg左右的氮气,观察此时高真空规显示值有微小变化。

(4)结合试验箱的控制过程进一步确认故障原因。因为此设备热沉采用壁厚 1.5 mm紫铜板作腔体料,内部液氮盘管用整根长的紫铜管制作,由于热胀冷缩,在真空室内没有焊缝,故判断液氮进入热沉的外部联接处可能有漏气现象发生。至此,可认为产生此故障的原因是电磁阀与金属波纹管连接真空室的连接处发生漏气。

(5)将连接真空室的金属波纹管拆开电磁阀发现其内部一塑料垫片因长时间高低温试验造成老化开裂,对此电磁阀阀杆重新焊接,在真空环境下对试验箱体热沉充入液氮,真空度显示达到 2.0×10-3Pa以上,试验箱工作正常。