超大型综合环境试验系统设计

周 芳，陈良勇，陈津虎，牛建朝

（北京强度环境研究所，北京，100076）

超大型综合环境试验系统设计

周 芳，陈良勇，陈津虎，牛建朝

（北京强度环境研究所，北京，100076）

随着综合环境试验技术认可度的提高，许多型号的大型系统级产品的综合环境验证试验需要设计建设容积100 m3以上的超大型综合环境试验系统来满足产品的考核需求。超大型综合环境试验系统需要从箱体结构、设备性能指标、地基基础和悬吊支撑系统4个方面入手，并结合气候环境、结构强度和厂房建筑等多学科专业知识，设计超大型综合环境试验系统建设完成后经使用证明，其模块拼接的使用方式，可以提供不同规格设备间的多种组合使用模式，与初期的设计预期相符，是一种值得推广使用的综合环境试验系统构建模式。

综合环境；箱体结构；试验系统

0 引 言

综合环境试验系统是进行航天军工产品可靠性试验的必要设备，系统主要包括综合环境试验箱和振动系统，系统构成后能够实现温度、湿度、振动3种应力的同时施加，满足战略战术导弹武器系统、航天运载器、飞机等武器装备的环境模拟考核需求，在型号研制中得到广泛应用和认可[1]。历经近30年的发展，中国已具备大量综合环境试验系统，通常，按照使用容积可分为：4 m3及以下容积的小型试验系统，可开展单机级产品试验；4～20 m3的中型试验系统，可开展战术导弹半弹和VXI机箱类产品；20～40 m3的大型试验系统，可开展战术全弹及车载、舰载测试机柜。随着可靠性试验技术的日趋成熟，近年来，以战术导弹箱弹系统、新兴的舰面垂直发射系统、大型舰面控制装置为代表的、长度超过10 m、高度超过3 m、总质量超过6 t的大尺寸产品，陆续提出了全系统、多剖面、多点并激的可靠性试验验证需求。现有的中型、大型综合环境试验系统难以应对迅速发展的型号需求，需要在现有大、中型多用途组合式综合环境试验系统的基础上，进一步建设超大型通用化综合环境试验系统，以满足当前大型武器系统的综合环境试验考核需求，并预留拓展空间，满足未知型号的试验需求。

1 超大型综合环境试验系统核心建设思想

超大型综合环境试验设备即使用容积超过100 m3，最大可提供3台16～30 t振动台并激，满足整车、整弹全武器系统验证需求的试验系统。在此设备建设构思过程中，需要解决的核心问题是通用性的问题，即如何构建一套大型综合环境试验设备，使其满足不同外形、不同质心和不同激励要求的大尺寸产品的综合环境（温度、湿度和振动综合应力）试验要求，且同时满足安装过程的简便性和安全性。

通常情况下，综合环境试验系统由试验箱和振动台两部分组成。但是，当产品需要采用多点激励方式施加振动应力，或是产品质量超过振动台系统承载能力时还要通过柔性吊装和机械解耦装置为这些设备和装置提供合理的接口，这就使得综合环境试验设备必须预留多个活动接口。这些接口的使用状态和非使用状态的密封方式转换决定了超大型综合环境试验设备的构建要从箱体结构、设备性能指标、箱体基础建设和悬吊支撑系统4个方面以模块式拼接及立体空间思维方式综合考虑，在满足快速发展的产品试验需求的同时，保证10～20年的行业领先地位。

2 超大型综合环境试验系统设计思路及建设效果

2.1 发展现状及未来目标

从20世纪40年代以后，为了适应航空、航天、兵器及其它产品的发展，国外先后建立了各种类型和不同规模的环境模拟设备和实验室。其中具有代表性的是美国麦金利试验室和俄罗斯的国家火箭中心试验基地。麦金利试验室主模拟室容积为93 000 m3（长76 m、宽61 m、中心高21 m），附属面积为18 m×26 m，在主模拟室内可以进行不同规模的试验。

俄罗斯的国家火箭中心，拥有水平式箱体和垂直式箱体可以开展试验。水平式箱体尺寸为20 m×4 m× 4 m，垂直式箱体尺寸为4.5 m×9 m×12.2 m，箱内温度测量范围为-70～120 ℃，误差为±3 ℃，相对湿度20%～90%（在40～60 ℃时）。

中国的环境考核验证试验技术已经开展了近30年，目前航天、航空和兵器研制、试验单位拥有各类型试验系统。其中常见的大型试验水平系统箱体尺寸约为10 m×3 m×2.5 m，箱内温度测量范围为-70～100 ℃，误差为±3 ℃，相对湿度20%～95%（20～60 ℃），在温、湿度应力施加的同时由2台10 t推力振动台提供振动应力。

由此可见，相较于国外设备，中国的设备针对性更强，更多以小型战术全弹为试验对象，发展空间受限。故确定超大型综合环境试验系统需具有以下能力：

a）箱体结构：整箱容积224 m3，箱内尺寸为16 m×4 m×3.5 m。

b）设备性能指标[2]：

1）温度范围：-70～180 ℃；

2）温度控制精度：±2 ℃；

3）温度变化率：5 ℃/min。

4）湿度范围：20%～95%（20～850 ℃）；

5）湿度控制精度：±3%；

6）箱体基础建设：箱体基础采用钢混结构，可为主流的5 ～30 t振动台提供支持和接口。

c）悬吊支撑系统：采用移动横梁组成的额定载荷5×6 t的悬吊系统。

2.2 试验箱设计

试验箱采取落地方式设计，整体框架结构，底板承重为600 kg/m2，顶部架设围栏。为提高试验箱的运行效率，满足不同外形尺寸产品的试验空间使用要求，避免能源浪费，试验箱内部设双层隔断门，可以将试验箱分割为独立的A、B、C 3个部分（见图1）。试验箱可实现A、B、C单箱运行，AB、BC双箱运行和ABC整箱运行3种运行模式。试验箱配备了多级复叠式机组，可以实现单级独立工作或多级同时工作，实现设备不停机维修的要求。

2.2.1 结构空间

试验箱内部设隔断门，隔断门可拆卸，可以将试验箱分割为独立的3部分。通过调整隔断位置，可使试验箱容积实现56～224 m3共5种状态切换，以满足不同外形尺寸产品的试验需求。试验箱运行模式相应可以分为单箱运行、双箱运行和整箱运行3种运行模式。隔断门具有隔热和密封性能。双箱或整箱使用时，保证各试验箱间温度、湿度不相互渗漏（最大允许温差达到100 ℃）。

2.2.2 开门方式

大型试验产品在试验过程中通常采用行吊完成试品的装配工作，常规综合环境试验箱采用前开门方式，使得吊车和专用吊具吊装时，无法避免地与试验箱顶板干涉，出现“歪拉斜吊”现象，大大提高了大型试验件的安装难度和危险系数。本次试验箱的设计过程中采用了三面开门方式，分别为顶门、大门和侧门。作为独立试验箱使用时各门都可以独立开启关闭，各试验箱之间互不干涉，可以独立运行。大门和侧门为常规设计开门，顶门开启方式首次设计并应用实施，由厂房行吊开启，无需人力搬运。

2.2.3 顶部开槽吊装

试验箱顶部门板中央开槽，开槽位于试验箱使用空间中央。使用时可以手工开启放入吊钩，用于产品吊装。不使用时可以满足试验箱的隔热和密封要求，不影响试验箱技术指标。

2.2.4 底 部

试验箱底板开通槽，预留放置5～30 t推力振动台台面面积。通槽上采用拼接式的密封方式进行密封，可以实现振动台在试验箱长轴方向任意位置的安装使用要求。设计开槽尺寸长度分别满足大于3 000 mm和5 000 mm的要求，与振动台基础“凸”字形预留空间相匹配，并与顶部吊孔和底部开槽位置对应。沿开槽方向在试验箱内部设计承力轨道，承载设计为5 t/m，便于试验过程中的产品放置。

2.2.5 透波窗

通常情况下由于试验箱体内壁多采用彩钢板类金属结构制造，导致光学或微波类产品测试时，易受到箱壁反射和折射现象干扰，难以满足测试精度要求。为了满足这一要求，在试验箱侧壁设计安装可替换观察窗，必要时替换为具有全频段透波功能的镀膜透波材料，覆盖多种类产品试验的测试需求。

2.2.6 温度、湿度控制系统

按照GB/T 5170.2—2008《电工电子产品环境试验设备检验方法 温度试验设备》[3]中的规定，试验箱指标见表1。

表1 试验箱指标

为保证温度控制稳定性，设备运行的关键制冷负荷主要包括以下部分[4]：箱内空气循环热负荷Q1，补充新空气热负荷Q2，箱体结构热负荷Q3（含导轨和箱内壁材料），被测物体热负荷Q4（单箱使用时3 000 kg铝负载），风扇热负荷Q5，蒸发器热负荷Q6。总负荷Q总=（Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6）×1.2（保险系数）

根据计算得到的耗冷量，试验箱制冷系统采用5组共8套复叠式机组构成，制冷剂选用R404A和R23。试验箱内温度控制方式通过强制循环通风完成。

在控制方式上采用3套独立的控制系统，分别安装在3个电控箱内，可以单独使用，也可以组合使用（不能实现AC组合）。组合使用时，其中一套控制器为主动控制，其余的为协同控制，即在使用时，操作主动控制面板，再通过主动控制器将指令传递给协同控制器，协同控制器通过主动控制器的指令来完成箱体的控制。控制屏安装在箱体上的正面并设置有急停开关，根据条件判断A、B、C箱压缩机的启动。同区压缩机的启停可以做延时启动，不同区的压缩机不能保证延时启动。

2.3 地基基础设计

大型综合环境试验系统与通常情况下的步入式试验箱对于地基设计要求不同，由于试验箱下部需要预留振动台安装、调试和维修空间，地基设计复杂。而综合环境试验实施过程中，根据不同产品所需的振动“推力”不同，需要提供5 t、10 t、16 t乃至30 t等不同推力振动台，地基基础使用空间要满足最大空间使用需求。

因此，地基基础设计要解决两部分问题：

a）解决试验箱自重结构承载和系统稳定性问题，为此地基基础采用钢筋混凝土编织浇筑完成，强度满足承载力140 t要求。地基设计为“凸”字形，基础总体深度2 500 mm（满足30 t振动台使用要求），预留宽度与试验箱匹配，全长大于20 m。试验箱底板装配于“凸”字形上表面，并与预设钢筋编织横梁和接口焊接，分散试验箱自身载荷质量，使其大部分分布于地基，确保结构不变形。

b）解决振动台系统减震、隔离、更换和固定问题，在“凸”字形地基内部设计振动台基础，基础预留空间可满足5～30 t振动台的安装使用，振动台基础与试验箱地基间设计防水等级一级的隔振池，分离振动台基础和试验箱基础。振动台基础采用混凝土浇筑结构，底面预设3道承力地轨。有效承载振动台质量，使用过程中振动台与承力地轨连接，达到固定作用。

2.4 悬吊支撑系统设计

2.4.1 基本设计思路

悬吊支撑系统用于试验系统内大型产品悬挂及保护作用。由于本超大型综合环境试验系统主要针对细长体产品和大型试验产品开展综合环境试验，在产品重量都超出了振动台的承重能力的情况下，为保证振动应力在自由状态下输出及机械解耦装置的正直，必须采用悬吊支撑系统才能保证振动应力的传递。

为满足试验中试验件吊装保护目的，试验系统设计悬吊支撑系统。在“凸”字形地基上表面试验箱前后两侧各预留承载力大于10 t/m、全长16 000 mm的地轨2根，用于安装固定悬吊支撑系统，该地轨可保证悬吊支撑系统沿试验箱长轴向实现线性连续变化，为有不同吊装要求的产品试验提供吊装保护接口。

悬吊支撑系统（见图2）主体包括：4个高度6.5 m的可变支撑位置支腿、2根长度16 m的可变跨度主梁、5根长度8.5 m且单根最大承载6 t的可移动横梁和5个额定承载16 t试验台底座。覆盖试验系统吊装空间使用需求。

2.4.2 载荷计算

根据设计思路，悬吊支撑系统选用钢结构搭建。钢结构采用焊接结构，主要钢结构材料采用Q345B低合金结构钢。

为校核悬吊支撑系统的承载能力，对由4个可变支撑位置支腿、2根可变跨度主梁、5根可移动横梁组成的额定载荷5×6 t的悬吊系统进行有限元分析计算。系统满载后，最大垂直变形8.1 mm。

系统满载时，包括系统自重，最大应力值位于支腿和主梁连接处及中间横梁载荷作用位置处。其结果远远小于材料屈服极限，悬吊支撑满足材料特性要求。该系统设计在满足使用功能的前提下，使用安全性得以保障。

2.5 设计方案验证

系统建设完成后，由专业机构对其全部技术指标进行验收，全部指标符合设计技术要求，符合JJF1270-2010《温度、湿度、振动综合环境试验系统校准规范》[5]中的规定。

试验系统正式投入使用后陆续开展了某箱弹系统、发射装置、仪器舱段等大型系统级产品的10余项系统级综合环境试验项目，全系统运行状况良好，参试试品外形各异，长度差异跨越3.5～11 m，高度差涵盖0.6～3 m不等，最大质量6 t，其中多项试验为中国首次开展。

3 结束语

超大型通用化综合环境试验系统的设计建设，填补了中国容积100 m3以上综合环境试验系统的空白。该试验系统是目前中国最大的综合环境可靠性试验系统，同时具备模块化特点，通过单箱、双箱和整箱运行方式，不但可以满足分系统级产品试验需求，更能满足各型大尺寸、全系统产品综合环境可靠性试验要求。

根据使用验证，设计中，一方面要注意加强箱体内底板结构强度，防止使用后出现局部变形情况；另一方面可以考虑与地基连接面采用嵌入式设计方式，使箱体内底面与试验室地面平齐，可以更加便于人员和产品的进出。

[1] 朱曦全. 联体式综合环境试验箱的选型和应用[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2004(05): 41-44.

[2] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 10592—2008高低温试验箱技术条件[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[3] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 5170.2—2008电工电子产品环境试验设备检验方法温度试验设备[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[4] 胡小弟, 朱伟繁. 步入式高低温湿热试验箱技术要求的确定及论证[J].环境技术, 2004(05): 10-11.

[5] 全国振动冲击转速计量技术委员会. JJF1270—2010温度、湿度、振动综合环境试验系统校准规范[S]. 北京: 中国计量出版社, 2011.

[6] 中国人民解放军总装备部. GJB150A—2009军用装备试验室环境试验方法[S]. 中国人民解放军总装备电子信息基础部, 2009.

[7] 陈汝东, 岳孝方. 制冷技术与应用[M]. 上海: 同济大学出版社, 2005.

[8] 杨烈生, 王巧静, 赵碧, 郭华云. 钢结构设计浅析[J]. 有色金属设计, 2002, 29(03): 12-17.

Design of Super Complex Environment Test System

Zhou Fang, Chen Liang-yong, Chen Jin-hu, Niu Jian-chao
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076)

With the comprehensive environmental test technology to improve the degree of approval, many models have put forward the requirement of comprehensive environmental test for large scale system level products. Super large comprehensive environmental test system from the structure, equipment performance index, the foundation and the suspension support system in 4 aspects, and the comprehensive climate environment, structural strength and building more scientific and professional knowledge, can achieve the desired effect. After the construction of the super large comprehensive environmental test system, it is proved that the module splicing is used, which can provide a variety of combinations between different specifications of the use of the model.

Complex environment; Hanging-back box; Test system

V57

A

1004-7182(2017)03-0097-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170321

2016-08-14；

2016-10-20

周 芳（1976-），女，高级工程师，主要研究方向为环境、可靠性试验设计与研究