一种用于砂尘试验箱的新型抽真空系统装置研究

2014-03-25张迎新刘云鹤

环境技术 2014年6期

张迎新，靳鑫，刘云鹤

（广州特种机电设备检测研究院，广州 510663）

引言

广泛分布的砂尘环境，对产品的性能具有严重影响，主要产生磨蚀、阻塞、冲击、渗透、腐蚀等破坏效应。砂尘破坏作用的主要表现形式包括：能够使运动部件活动受阻甚至卡死，使防护层剥落，阻塞油路和气路，造成电气设备内部短路和断路，破坏电绝缘，造成轴承磨损，减弱光学仪器的反光和透光效果，降低热传导等等。进行砂尘环境试验的目的就是为了考核产品对砂尘环境条件的环境适应性[1]。通过对产品进行环境试验，研究产品在特定环境条件下贮存、运输和使用中存在的缺陷及其失效机理，不断改进产品的设计，确保产品的环境适应性，对提高产品的质量、节约成本具有极其重要的意义[2]。现行的国内砂尘试验标准采用的是GB 4208-2008 IP《防护等级》中规定的试验方法，其试验条款是等同采用的IEC 60529:2001[3]中的条款。标准中对一类外壳类型防尘试验时有如下规定：被试外壳放在试验箱内，壳内压力用真空泵保持低于大气压。试验目的是利用压差把箱内空气抽入被试设备内，抽气量为80倍被试外壳容积，抽气速度每小时不超过60倍外壳容积。任何情况下压差不得超过2kPa。如抽气速度为每小时40～60倍外壳容积，则试验进行2h。如最大压差为2kPa，而抽气速度低于每小时40倍外壳容积，则应连续抽满80倍容积或抽满8h后，试验才可停止[4]。

可见，标准中对被试外壳内的压差、抽真空的抽气速度和抽气量做了相关规定。这三个变量中，试验时被试外壳内的压差不超过2kPa是必须满足的。目前，很多国内厂家生产的砂尘试验箱没有针对被试外壳内部的抽真空系统，或者抽真空系统达不到实验要求，导致无法满足标准中的这一规定。本文针对这一情况做了相关研究，并开发了一套抽真空系统。

1 标准解读

标准测试是需要严格遵循标准要求的方法而做的，正确的理解、解读标准中规定的内容将有助于我们更好的研究。

GB 4208-2008 IP《防护等级》中对一类外壳类型作了规定：设备正常工作周期内壳内的气压低于周围大气压力，例如因热循环效应引起的[4]。这里的热循环效应指的是电气设备由于外壳内部电气工作时发热，停止后内部冷却产生的冷缩效应，即外部压力大于内部压力，这对于粉尘进入设备外壳内是有利的。但是，由于电气设备发热量有限，内外温差引起的压差最大不应超过标准中规定的2kPa。如果压力过大引起的粉尘进入壳内超出了电气设备的实际防尘等级要求，则会使电气设备的防尘等级不能正确表现实际工况。所以，在做防尘等级砂尘试验时需要对被试设备外壳内的压差控制，使其不超过2kPa。

标准中对抽气量和抽气速度的规定如下：抽气量为80倍被试外壳容积，抽气速度每小时不超过60倍外壳容积。任何情况下压差不得超过2kPa。如抽气速度为每小时40～60倍外壳容积，则试样进行2h。如最大压差为2kPa，而抽气速度低于每小时40倍外壳容积，则应连续抽满80倍容积或抽满8h后，试验才可停止[1]。实际上，真空泵对被试外壳进行抽气时，外界环境中的空气总是要向一些密封不好之处漏气，例如外壳接合的缝隙处。[3]显然，抽气量=抽气速度×抽气时间，对于一个抽气速度稳定的抽真空系统，等到抽气速度稳定后在一定时间内是可以算出抽气量的。标准中规定了试验停止的两种情况，第一种是抽气量达到80倍外壳容积，第二种是抽满8h。理论上，抽真空系统对被试外壳作用时，压差应与抽气速度成正相关的关系，即当被试外壳出气量大于进气量时，外壳内部相较于大气压压差变小。所以，控制抽气速度即调节真空系统的流量阀可以降低抽气速度用以稳定被试外壳内的压差，当流速降低到每小时40倍外壳容积以下时，可以抽满80倍容积或抽满8h后停止。所以，做砂尘抽真空试验时的关键参数即是通过流速调节控制外壳内压差不差过2kPa。

标准中推荐了相关测试装置示意图，其控制原理是通过阀门调节抽真空的流速，来实现整个测试过程。如图1所示。

试验证明，当通过流速调节被试外壳内压差不超过2kPa时，抽真空系统的抽气速度通常会被降低到一个很低的水平，低于每小时40倍外壳容积，则试验要进行8h，使原本2h的时间增加了4倍，大大延长了整个砂尘试验的时间。所以，保证压差的同时，控制好抽真空系统的抽气速度可以提高整个实验的效率。

2 新型抽真空系统的研究

本文针对抽真空系统既能保证压差达到标准要求，又可以使系统的抽速处在每小时40倍外壳容积以上，即系统可以实现压差和抽速的无极控制做了相关研究。

2.1 电子式真空比例阀

电子式真空比例阀采用ITV209系列，可以无极控制与电气信号成比例的空气压力，其动作原理是输入信号增大，真空压用电磁阀为ON，大气压用电磁阀变为OFF状态。由此，通过VAC.和先导室，先导室的压力变为负压，并作用在膜片的上面。由此结果，与膜片连动的真空压阀芯打开，VAC.与OUT.接通，设定压力变为负压。此负压通过压力传感器，反馈至控制回路。在这里进行修正动作，直到真空压力与输入信号成比例。从而得到与输入信号成比例的真空压力。其装置示意图和逻辑框图如图2和图3所示。[5]

图1 检验外壳防尘试验装置

2.2 差压流量控制抽真空系统

本文研究的新型抽真空系统对差压和流量的控制采用了电子式真空比例阀，分别通过流量传感器、差压表测量流速和压差，其示意图如图4所示。

被试工件放置于防尘箱中，其B通气口与抽真空装置的B口相接，抽真空装置的A口置于试验箱外作为参考压力。开启抽真空系统之后，试验箱内的气体通过被试工件进入抽真空系统，通过过滤器过滤抽真空管路系统中的尘埃及水分，并经由电子式真空比例阀，气体缓冲罐及流量传感器将装置内的气体抽出，形成负压。对于压差的控制可以通过泵及电子式真空比例阀共同调节，对于流量的控制可以通过控制真空泵的转速来调节。