可靠性環(huán)境試驗(yàn)箱的選擇(環(huán)境可靠性實(shí)驗(yàn))
如何選用可靠性環(huán)境試驗(yàn)箱
一、設(shè)備選擇依據(jù)
存在于地球表面及大氣層空間中的自然環(huán)境因素和誘發(fā)環(huán)境因素的種類(lèi)，目前還無(wú)法統(tǒng)計(jì)出一個(gè)確切的數(shù)目，其中對(duì)工程產(chǎn)品(設(shè)備)的使用及壽命影響較大的因素不下十幾種。從事工程產(chǎn)品環(huán)境條件研究的工程師們將自然界存在以及人類(lèi)活動(dòng)所誘發(fā)的環(huán)境條件整理歸納為一系列的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，用以指導(dǎo)工程產(chǎn)品的環(huán)境及可靠性試驗(yàn)。如指導(dǎo)軍工產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)GJB150――中華人民共和國(guó)國(guó)家軍工標(biāo)準(zhǔn)《軍工設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》，指導(dǎo)電工電子產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的GB2423――中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)方法指南》等。因此，我們選擇環(huán)境及可靠性試驗(yàn)設(shè)備時(shí)主要的依據(jù)是工程產(chǎn)品的試驗(yàn)規(guī)范和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
其次，為了規(guī)范試驗(yàn)設(shè)備中環(huán)境試驗(yàn)條件的容差，保證環(huán)境參數(shù)的控制精度，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)及各工業(yè)部門(mén)還制訂了一系列的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)儀器儀表的檢定規(guī)程。如中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5170《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法》，又如國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒布實(shí)施的JJG190-89《電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)試行檢定規(guī)程》等。這些檢定規(guī)程也是選擇環(huán)境及可靠性試驗(yàn)設(shè)備的重要依據(jù)，不符合這些檢定規(guī)程要求的試驗(yàn)設(shè)備是不允許投入使用的。
二、設(shè)備選擇基本原則環(huán)境及可靠性試驗(yàn)設(shè)備的選擇應(yīng)遵循以下五條基本原則：
1、環(huán)境條件的再現(xiàn)性
在試驗(yàn)室內(nèi)完整而精確地再現(xiàn)自然界存在的環(huán)境條件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差范圍之內(nèi)，人們完全可以正確而近似地模擬工程產(chǎn)品在使用、貯存、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中所經(jīng)受的外界環(huán)境條件。這段話用工程的語(yǔ)言概括，就是“試驗(yàn)設(shè)備所創(chuàng)造的圍繞被試產(chǎn)品周邊的環(huán)境條件(含平臺(tái)環(huán)境)應(yīng)該滿足產(chǎn)品試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境條件及其容差的要求”。如用于軍工產(chǎn)品試驗(yàn)的溫度箱不僅要滿足軍標(biāo)GJB150.3-86、GJB150.4-86中根據(jù)不同的均勻性和溫度控制精度的要求。只有這樣，才能保證在環(huán)境試驗(yàn)中環(huán)境條件的再現(xiàn)性。
2、環(huán)境條件的可重復(fù)性
一臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備可能用于同一類(lèi)型產(chǎn)品的多次試驗(yàn)，而一臺(tái)被試的工程產(chǎn)品也可能在不同的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)，為了保證同一臺(tái)產(chǎn)品在同一試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)條件下所得試驗(yàn)結(jié)果的可比較性，必然要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所提供的環(huán)境條件具有可重復(fù)性。這也就是說(shuō)，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備施用于被試驗(yàn)產(chǎn)品的應(yīng)力水平(如熱應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力等)對(duì)于同一試驗(yàn)規(guī)范的要求是一致的。
環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所提供環(huán)境條件的可重復(fù)性是由國(guó)家計(jì)量檢定部門(mén)依據(jù)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)所制定的檢定規(guī)程檢定合格后提供保證。為此，必須要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備能滿足檢定規(guī)程中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及精度指標(biāo)的要求，并且在使用時(shí)間上不超過(guò)檢定周期所規(guī)定的時(shí)限。如使用非常普遍的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)除滿足激振力、頻率范圍、負(fù)載能力等技術(shù)指標(biāo)外，還必須滿足檢定規(guī)程中規(guī)定的橫向振動(dòng)比、臺(tái)面加速度均勻性、諧波失真度等精度指標(biāo)的要求，而且每次檢定后的使用周期為二年，超過(guò)二年必須重新檢定合格后才能投入使用。
3、環(huán)境條件參數(shù)的可測(cè)控性
任何一臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所提供的環(huán)境條件必須是可觀測(cè)的和可控制的，這不僅是為了使環(huán)境參數(shù)限制在一定的容差范圍之內(nèi)，保證試驗(yàn)條件的再現(xiàn)性和重復(fù)性的要求，而且從產(chǎn)品試驗(yàn)的安全出發(fā)也是必須的，以便防止環(huán)境條件失控導(dǎo)致被試產(chǎn)品的損壞，帶來(lái)不必要的損失。目前各種試驗(yàn)規(guī)范中大體要求參數(shù)測(cè)試的精度不應(yīng)低于試驗(yàn)條件允許的誤差的三分之一。
4、環(huán)境試驗(yàn)條件的排它性
每一次進(jìn)行環(huán)境或可靠性試驗(yàn)，對(duì)環(huán)境因素的類(lèi)別、量值及容差都有嚴(yán)格的規(guī)定，并排除非試驗(yàn)所需的環(huán)境因素滲透其中，以便在試驗(yàn)中或試驗(yàn)結(jié)束后判斷和分析產(chǎn)品失效與故障模式時(shí)，提供確切的依據(jù)，故要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備除提供所規(guī)定的環(huán)境條件外，不允許對(duì)被試產(chǎn)品附加其它的環(huán)境應(yīng)力干擾。如電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)檢定規(guī)程中所限定的臺(tái)面漏磁，加速度信噪比、帶內(nèi)帶外加速度總均方根值比。隨機(jī)信號(hào)的檢驗(yàn)、諧波失真度等精度指標(biāo)都是為了保證環(huán)境試驗(yàn)條件的而制定的檢定項(xiàng)目。
5、試驗(yàn)設(shè)備的安全可靠性
環(huán)境試驗(yàn)，特別是可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)的對(duì)象有時(shí)是價(jià)值很高的軍工產(chǎn)品，試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員經(jīng)常要在現(xiàn)場(chǎng)周?chē)僮餮惨暬驕y(cè)試工作，因此要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備必須具有運(yùn)行安全、操作方便、使用可靠、工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，以確保試驗(yàn)本身的正常進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備的各種保護(hù)、告警措施及安全連鎖裝置應(yīng)該完善可靠，以保證試驗(yàn)人員、被試產(chǎn)品和試驗(yàn)設(shè)備本身的安全可靠性。
三、溫濕度箱的選擇
1、容積的選擇
將被試產(chǎn)品(元器件、組件、部件或整機(jī))置入氣候環(huán)境箱進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，為了保證被試產(chǎn)品周?chē)鷼夥漳軡M足試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)條件，氣候箱工作尺寸與被試產(chǎn)品外廓尺寸之間應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)規(guī)定：
a)被試產(chǎn)品的體積(W×D×H)不得超過(guò)試驗(yàn)箱有效工作空間的(20～35)%(推薦選用20%)。對(duì)于在試驗(yàn)中發(fā)熱的產(chǎn)品推薦選用不大于10%。
b)被試產(chǎn)品的迎風(fēng)斷面積與該斷面上試驗(yàn)箱工作室總面積之比不大于(35～50)%(推薦選用35%)。
c)被試產(chǎn)品外廓表面距試驗(yàn)箱壁的距離至少保持100～150mm，(推薦選用150mm)。
上述三點(diǎn)規(guī)定實(shí)際上是相互依存和統(tǒng)一的。以1立方米正方體箱子為例，面積比為1：(0.35～0.5)相當(dāng)于體積之比為1：(0.207～0.354)。距箱壁100～150mm相當(dāng)于體積之比為1：(0.343～0.512)?？偫ㄉ鲜鋈c(diǎn)規(guī)定，氣候環(huán)境試驗(yàn)箱的工作腔容積至少應(yīng)是被試產(chǎn)品外廓體積的3～5倍。作出這種規(guī)定的理由有以下幾點(diǎn)：
1〕被試驗(yàn)件置入箱體后擠占了流暢的通道，通道變窄將導(dǎo)致氣流流速的增加。加速氣流與被試驗(yàn)件之間的熱交換。這與環(huán)境條件的再現(xiàn)不符，因?yàn)樵谟嘘P(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)涉及溫度環(huán)境試驗(yàn)都規(guī)定試驗(yàn)箱內(nèi)試驗(yàn)樣件周?chē)目諝饬魉俨粦?yīng)超過(guò)1.7m/s，以防止試驗(yàn)樣件和周?chē)鷼夥债a(chǎn)生不符合實(shí)際的熱傳導(dǎo)。在空載時(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)平均風(fēng)速為0.6～0.8m/s，不超過(guò)1m/s，滿足a)、b)兩點(diǎn)要求所規(guī)定的空間及面積比時(shí)，流場(chǎng)的風(fēng)速可能增大(50～100)%，平均最高風(fēng)速為(1～1.7)m/s。滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。如果在試驗(yàn)中不加限制地加大試驗(yàn)件的體積或迎風(fēng)斷面積，則實(shí)際試驗(yàn)時(shí)氣流風(fēng)速將增大到超出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最高風(fēng)速，其試驗(yàn)結(jié)果的有效性將受到懷疑。
2〕氣候箱工作腔內(nèi)環(huán)境參數(shù)〔如溫度、濕度、鹽霧沉降率等〕的精度指標(biāo)都是在空載狀態(tài)下檢測(cè)的結(jié)果，一旦置入被試驗(yàn)件后，對(duì)試驗(yàn)箱工作腔內(nèi)環(huán)境參數(shù)的均勻性將產(chǎn)生影響，試驗(yàn)件占有的空間越大，這種影響也就越嚴(yán)重。實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，流場(chǎng)中迎風(fēng)面與背風(fēng)面的溫差可達(dá)到3～8℃，嚴(yán)重時(shí)可大到10℃以上。因此，必須盡量滿足a〕、b〕兩項(xiàng)要求，以保證被試產(chǎn)品周?chē)h(huán)境參數(shù)的均勻性。
3〕根據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，箱壁附近氣流的溫度通常與流場(chǎng)中心溫度相差2～3℃，在高低溫的上下限時(shí)，還可能達(dá)到5℃。箱壁的溫度與箱壁附近流場(chǎng)的溫度又相差2～3℃(視箱壁的結(jié)構(gòu)和材料而定)試驗(yàn)溫度與外界大氣環(huán)境相差越大，上述溫差也越大，因此，距箱壁(100～150mm)距離內(nèi)的空間是不可利用空間。
2、溫度范圍的選擇
目前，國(guó)外溫度試驗(yàn)箱的范圍大體上為-73～+177℃，或-70～+180℃。國(guó)內(nèi)多數(shù)廠家一般為-80～+130℃，-60～+130℃，-40～+130℃，也有高溫到150℃。這些溫度范圍通?？梢詽M足國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)軍工、民用產(chǎn)品溫度試驗(yàn)的需要，除非確有特殊需要，如安裝位置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)等熱源的產(chǎn)品外，不可盲目提高溫度上限。因?yàn)樯舷逌囟仍礁?，箱體內(nèi)外的溫差越大，箱體內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性也越差?？衫玫墓ぷ魇殷w積也就越小。另一方面，上限溫度值越高，對(duì)箱壁夾層中保溫材料(如玻璃棉等)的耐熱性要求越高。箱體密封性的要求也越高，使箱體的制作成本增加。