一种温度、湿度、振动、盐雾四因素动态模拟加速环境试验系统的研制

李迪凡，景超杰，李景育，2，谭勇，李泽华，舒畅，朱玉琴，李旭

（1.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039；2.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，海南 571522）

引言

产品尤其是电器类产品在运输及使用过程中由于受各种振动及环境应力的影响，会导致产品性能退化和功能丧失，在保证产品故障失效模式和失效机理不变的的前提下高效快速评估产品的可靠性和使用寿命等技术指标，需要开展加速试验来激发产品潜在缺陷，以期得到更多的可靠性信息[1-8]。单一或少因素环境试验具有一定局限性[9]，不能真实反映产品的实际环境条件，综合环境试验能够综合各种环境因素，能根据一设计好的试验参数和试验谱要求施加在产品上，模拟产品在运输、储存和使用过程中实际经受的环境应力作用并保持失效机理不变，有效验证产品的可靠性平均无故障工作时间（MTBF）水平、暴露产品设计、生产、使用等过程中存在的薄弱环节，激发出单因素或少因素环境试验难以发现的故障[9]。可见综合环境试验系统在自然环境试验中具有重要地位，研发多因素乃至全因素综合环境试验系统具有重大意义。

通过查阅资料和文献发现，在所有环境应力中，温度、湿度、振动和盐雾是影响产品失效的最典型环境因素[10-18]。据国外某知名电子装备公司技术资料明确地指出了环境应力在产品失效中所占百分比[10]，统计结果如图1所示。因此如何研发出一种四因素综合试验系统显得尤为重要。

目前，国内主要是在实验室试验条件下开展温湿振试验，与产品的实际使用环境往往有较大的差距，导致其试验结果与实际结果有一定的出入，往往忽略了盐雾等因素对产品的影响，而产品在使用过程中特别是在东南沿海等地区其寿命周期内的所有环境都会经历振动、温度、湿度和盐雾等综合环境，而这些环境因素对产品的影响非常显著，如何在产品的研制初期真实地模拟运输、贮存和使用过程中的环境因素，通过进行试验验证，以提高产品的质量性能，这就迫切需要研究自然环境动态加速模拟试验装置，本文研制的自然环境动态加速模拟试验装置与传统实验室环境试验装置相比具有明显的优势。首先，能真实的模拟了自然气候条件的实际变化规律，试验结果真实可信；其次，实现了平台的振动激励与多项自然环境因素的综合作用，且对温度、湿度环境因素按真实的变化规律适当强化，在保证模拟性的前提下加快了暴露问题的速度，提高了加速性。本文研发的温度、湿度、振动、盐雾四综合环境试验系统[17]，满足GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》[18]、GB/T 2423《电工电子产品基本环境试验规程》[19]等标准要求，并在车载电子产品试验中得以验证。试验数据表明，该系统能够满足试验基本要求，能够完成典型环境应力对产品或材料的影响研究，为产品的可靠性和快速寿命评估奠定一定的基础。

1 动态模拟加速试验系统的设计

1.1 工作原理

试验前将样品固定在工作台面上，关闭各个窗口，使样品与外界完全隔绝。试验箱内的温湿度分别由加热器和加湿器提供，通过离心机将加热加湿后的空气送入工作室内，经过无数次的循环，使工作室的温湿度均匀且到达设定的值，振动台则根据所设试验参数同时开展振动试验，由于本试验装置安装在海南距海岸线约100 m户外环境条件下，空气中的盐雾浓度较高，试验前箱体内引入的盐雾协同温度、湿度和振动因素加速对产品进行作用。试验停止后，根据试验要求打开各门窗使箱体与外界连通，开展自然环境试验，动态模拟产品各状态下环境因素对产品的影响。

1.2 加速试验系统组成

加速试验系统主要由自然环境加速试验分系统、振动模拟试验分系统、人机交互与记录分系统和环境防护分系统四个分系统组成，试验系统总体布局及组成见图2。

图1 环境应力在产品失效中所占百分比

自然环境加速试验分系统主要用于加速模拟产品在使用过程中所经历的温度、湿度、盐雾三种环境因素引起的环境效应，其中温度、湿度两种环境因素可进行加速强化。振动模拟试验分系统主要用于加速模拟产品在运输及使用时所经历的振动环境引起的效应。人机交互与记录分系统集成了上述2个分系统的控制和显示功能，记录整个试验系统中输入和产生的主要试验信息。环境防护分系统为自然环境加速试验分系统和振动模拟试验分系统的控制设备、人机交互与记录分系统提供一个良好的使用环境，降低环境条件对各设备性能的消极影响，保证整个系统的平稳运行。

1.3 分系统结构设计

1.3.1 自然环境加速试验分系统

自然环境加速试验分系统主要分为工作室和空调室，工作室内设有加热器和加湿器，下部与振动台进行连接。左右两侧设有盐雾试验用的电动风门，可根据试验要求通过按设定程序或控制开关对风门进行开关，在不停止试验的同时引入户外空气中的盐雾因素。试验箱的前端和左右两侧设有双合门，便于安装试件和开展自然环境试验，门上设有观察窗，观察窗内有照明灯，有利于观察试验过程中样品情况。

试验箱底部与振动台台面用硅橡胶弹力布密封，根据试验样品的实际试验条件及相关环境试验要求，在试验箱顶部设计黑板，吸收太阳热量，也有利于在湿热试验时，箱内黑板上不致于出现凝露现象，黑板下面设计有不锈钢保温挡板，湿热试验时，可手动安装此挡板。

箱体内的温湿度分别采用不锈钢铠装加热管和电热式蒸汽加湿器进行升温和加湿。为了保证箱体内温湿度的均匀性，系统采用了不锈钢离心风机，促使试验箱内空气在工作室和空气调节单元（风道）之间循环流动，分系统用变频器对风机进行控制，按照设置要求调节风速，满足不同试验要求，温湿度控制原理如图3所示。

1.3.2 振动模拟试验分系统

振动模拟试验分系统主要由振动台、扩展台面、冷却回路（含水冷柜和水冷机组）、功率放大器组成，主要用于模拟道路运输时产生的振动激励，为整个试验系统提供振动环境参数，其试验方框图如图4。扩展台、支撑导向装置与振动台的装配如图5所示。

图2 试验系统总体布局

图3 试验箱温湿度控制原理

图4 振动试验系统方框图

图5 扩展台、支撑导向装置与振动台安装结构图

根据试验对象及试验技术要求，设计了50 kN的振动台，采用耳轴隔振、直线轴承导向装置等先进技术，并进行了改进优化，为了满足户外环境试验要求，开展了结构强度设计和防腐处理设计，设计好的扩展台面能满足不同气候环境条件和各种不同规格的试验样品需求；冷却系统主要包括水冷柜和水冷机组，采用多路并联二次水冷方式对振动台进行冷却；功率放大器采用可调励磁装置和正弦脉冲宽度调制技术研制而成，可调励磁装置采用三相桥式全控整流电路结构，整流元件采用可控硅，可实现整流电压0～500 V和整流电流0～700 A连续可调，最大输出功率为60 kVA，信噪比大于65 dB，额定输出电压为120 Vrms，正弦脉冲宽度调制技术能结合振动台对功放的特殊要求，产生一个由正弦信号控制占空比的矩形波，再由矩形波控制功率开关，将直流电源斩波，再通过调解，即可得到一个能满足振动台特殊要求的正弦信号。

1.3.3 人机交互与记录分系统

人机交互与记录分系统主要由操控计算机数字式和振动控制仪组成，操控计算机数字式采用上位机和下位机模式，上位机将参数和指令下发至下位机，下位机向上位机上传数据和状态。上位机是基于Windows操作系统的计算机平台，处理用户参数的输入、检查纠错、参数转换以及指令的下发，用于试验状态、试验数据的接收和显示。下位机采用基于DSP的单板计算机架构，用于执行实时控制运算，存储时域数据，模拟输入输出的控制，上传试验数据及运行状态，系统所有的闭环控制策略均由下位机完成。下位机有4种，分别是振动控制下位机、温湿度控制下位机、其他物理量控制下位机和环境数据检测采集下位机，均通过以太网方式与上位机连接。下位机为S，上位机为C，执行TCP/IP协议或MODBUS协议。振动控制系统下位机采集振动信号并对振动台进行实时控制，温湿度控制下位机负责采集温湿度信号并控制温湿度调节单元。专用下位机对空气交换装置、摄像头等其它物理量进行控制。外部自然环境数据监测和试验箱内部环境监测数据由前端设备采集，通过以太网接入操作计算机，由计算机发送读写命令，收集实时的温湿度和相应环境数据，并将显示的数据存储于硬盘。实现了各个物理量的控制与采集完全解耦，各自独立控制和采集，网络数据协议可以兼容所有类型的数据，有非常强的可扩展性。

采用BTHC平衡调温调湿控制方式，温湿度程序控制器负责控制箱内的温湿度，同时控制进/排气风门的自动或手动开启或关闭，实现环境盐雾控制，并负责提供标准通讯协议（Modbus）及通讯接口（以太网接口），以便与上位机通信，支持实时监控、历史曲线回放等功能。

振动控制仪提供振动控制所需的激励信号，能够进行随机振动控制，满足实时性要求，采样频率应不低于10 kHz，控制谱线数不低于800线，谱控制带宽不低于2 000 Hz。

与振动实时控制相比较，温湿度控制系统并无实时性要求。本系统温度显示精度为0.1 ℃，湿度显示精度为0.1 %RH，响应时间为0.1 min。试验条件的运行方式有定值方式和程序方式两种选择，当程序方式控制时，温度、湿度、变化过程、时间等参数可以程序控制，也可预设多条温度、湿度程序供选择调用，可编辑存储1 000组程序，每组程序最多100段，每段设定最大值为99 h 59 min。有多组PID参数，可由温、湿度区域法智能调用不同的PID号。在试验箱面板上设置手动开关，可通过开关手动控制空气交换装置和摄像头的开启与关闭。另外，时序信号可根据试验情况设置，在程序状态下可通过控制器输出TS时序信号来控制设备的开启与关闭。

1.3.4 环境防护分系统

在试验过程中，高温、高湿、盐雾等因素会加速试验系统的损坏，同时由于海南户外环境条件严酷，为延长装置的使用寿命，需对整个试验装置进行环境防护设计，设计后的环境防护分系统主要由控制舱、振动台防护罩、空调等组成。

控制舱为各控制设备提供密闭环境，振动台防护罩为振动台（除扩展台面）提供密闭环境，空调起到控制环境温湿度的作用。控制舱和振动台防护罩外壁和内壁材料均采用不锈钢板静电双面喷塑，中间隔热材料采用硬质聚氨酯整体发泡保温层；控制舱设置两个外开式门，一个为双开式大门，方便设备进出，除扩展台面外，振动台防护罩能将整个振动台置于防护罩内部。振动台防护罩与控制舱相邻面设空气交换接口，空气交换接口设置可拆卸隔离护栏，阻隔人员或物品进入振动台工作区域。控制舱内部安装空调挂壁机，用于控制控制舱及其振动台防护罩内部的环境温湿度。

环境防护分系统的工作面与地基脱离，地基上设计排水地漏。能有效的解决室内积水潮湿的问题。振动台冷水机组与联结的水管及电线敷设的工作面以下，且脱离地面，工作面上设计的是活动底板。可方便日后电缆及水管的检修。

骨架与地面用膨胀螺丝联接，让设备与地基成为一个整体，能有效的抵抗20 m/s的风速，保证设备的正常使用，在50 m/s风速下设备不损坏。环境防护系统结构设计上充分考虑了设备的性价比及环境适应性。暴露在大气环境环境中的外壳（库板外壁）选用耐海水及盐雾腐蚀的不锈钢材料，并且外壳喷涂耐盐雾腐蚀的户外防护漆；室内内壁选用不锈钢，夹层中的骨架因不会暴露在大气环境中选用强度较高的型材。

图6 组合试验环境因素加载示意图

2 试验系统验证

本系统可以实现频率范围2～2 500 Hz，最大推力为50 kN，最大振幅为100 mm；温度最大为80 ℃，温度偏差≤±2 ℃，相对湿度最大98 %RH，相对湿度偏差≤±5 %RH，可控制的盐雾浓度为海洋大气环境盐雾浓度。为了验证该系统进行了多次组合试验，设计的组合试验由加速试验阶段和自然贮存试验阶段两个阶段组成，加速试验阶段又分为振动试验阶段和温湿度加速试验阶段，根据试验对象的试验谱以一定的时间周期开展试验，其组合试验环境因素加载图如图6。试验结果表明，其试验效果和控制精度经鉴定均能满足试验要求，可按照相应标准开展试验。

3 结论

研发的一种新型的关于温度、湿度、振动、盐雾四综合环境试验系统具备环境应力强化、实时在线监测、历史曲线回放等功能，能按一定的试验参数和试验谱要求设置试验条件，动态模拟加速试验，也能够开展自然贮存试验，通过了在海南万宁试验站应用验证，能够适应恶劣的湿热海洋环境，在试验条件控制和试验结果方面取得了良好的效果，能满足产品或材料环境适应性验证和加速试验要求。