模拟盐雾气氛湿热综合试验设备研制

向江涛，吴护林，李鸿飞，李军念，杨小奎，王茂川，王晓辉

(1.西南技术工程研究所， 重庆 400039； 2.国防科技工业自然环境试验研究中心， 重庆 400039)

1 引言

我国拥有较长海岸线，每年海洋大气环境造成的腐蚀、老化非常严重，而热带海洋环境具有高温、高湿和高盐雾的特点，对产品、金属和高分子材料等的腐蚀、老化行为更为严重。例如：据调查发现，沿海所有电子产品的故障，海洋大气环境引起的腐蚀、老化等故障占73%，金属构件在海南的腐蚀速率是内陆的2～4倍，由此可见，提高产品的海洋大气环境适应性试验水平，对保障产品性能、外观完好性有重要意义。

环境适应性试验主要有自然环境试验和实验室模拟加速试验，自然环境试验是目前最可靠、最精确的环境适应性试验方法，但是，不同的区域试验结果不同，而且试验周期长，不利于试验结果推广于产品的环境适应性设计，因此，实验室模拟加速试验技术受到产品研制、生产方的重视。针对海洋大气环境，主要试验方法有盐雾试验、湿热试验、周期浸润试验以及复合盐雾腐蚀试验等，这些试验方法主要针对自然环境中某一因素开展加速试验或多因素循环加速试验，并没有模拟自然环境将各因素综合施加到试验样品上，导致试验结果与实际情况差异较大。GJB 6117—2007《装备环境工程术语》规定在“一定的时间内将2个或2个以上的环境因素同时施加到受试产品上，从而使受试产品经受这些环境叠加产生的、更为严重的破坏作用，以更真实地模拟实际环境影响的试验”。目前，针对海洋大气环境实现综合试验技术需解决的问题是：盐雾试验箱产生的盐雾状态与自然环境相差太大，同时，盐雾试验过程中温度、湿度、干燥和喷雾不能同时施加。

针对现有试验技术的缺点，本所研制了一种能同时或顺序施加盐雾气氛、温度、湿度和风等因素的模拟盐雾气氛湿热综合试验设备。

2 设计

2.1 设计原理

1) 设备外接盐雾发生器，该盐雾发生器通过精细化喷雾技术产生盐雾；然后通过程序控制风机将规定量的盐雾抽入一个盐雾空气调和室；盐雾空气调和室通过内循环方式将盐雾中的水滴沉降，剩余盐雾与盐雾空气调和室内的空气充分混合形成盐雾气氛；进一步将盐雾气氛抽入试验箱体，其中盐雾气氛进入试验箱体的量值由程序控制。当盐雾气氛进入试验箱体后，控制试验箱体内空气温度、相对湿度保持在规定误差范围内；采用挂片法检测试验箱体内盐雾沉积量，当达到规定盐雾沉积量时，即可开始试验。

2) 针对不同模拟环境，本设备的盐雾空气调和室和试验箱接受的盐雾量、盐雾浓度和盐雾气氛量可能不同。盐雾量、盐雾浓度和盐雾气氛量由确定模拟环境时检测确定，并固化相关技术参数保存进设备存储器。

3) 本设备采用两级控制的方式控制试验箱内的盐雾沉积量。第一级控制进入盐雾空气调和室的盐雾量，使盐雾空气调和室形成规定浓度的盐雾气氛；第二级控制进入试验箱体的盐雾气氛量，达到规定的盐雾沉积量。

4) 空气调和室安装有温度传感器、湿度传感器和盐雾喷雾塔等，可实时监测试验箱中的温度、湿度变化，并通过风机将规定温度、湿度的空气与盐雾气氛混合后吹入试验箱，实现施加盐雾沉降同时，实时改变温度、湿度值，试验条件更符合自然环境的真实情况。

5) 无需综合盐雾气氛试验时，试验箱可单独开展湿热试验和温度试验等。

模拟海洋大气气氛试验设备原理如图1所示。

图1 模拟盐雾气氛湿热综合试验设备原理示意图Fig.1 Principle diagram of comprehensive test equipment for simulating salt-fog atmosphere and humidity

2.2 技术指标确定

模拟盐雾气氛湿热综合试验设备主要针对热带海洋大气环境的库房、棚等设施的环境条件设计，因此，不模拟太阳辐射条件。其余主要环境因素以我所建立在海南的万宁大气自然环境试验站的库房、棚等的环境因素监测数据为依据确定设备主要技术指标。具体技术指标如下：

1) 温度。通过长期温度监测，万宁大气自然环境试验站的库房、棚等年最低温度为10 ℃，年最高温度40 ℃。因此，温度最小控制范围为：10～40 ℃。

2) 湿度。万宁大气自然环境试验站的库房、棚等月均相对湿度均在70%以上，其中最高相对温度98%左右；最小相对湿度30%左右，因此，设备的相对湿度最小范围应为30%RH～98%RH。

3) 盐雾沉降量。通过统计，万宁大气自然环境试验站不同海岸距离的库房、棚等的盐雾沉降量相差很大，为0.01～21.2(mg/100 cm·d)。

综合以上数据，本设备模拟的主要环境因素应包括温度、湿度和盐雾沉降量。结合国军标相关要求、现有盐雾设备普遍技术指标以及预计试验对象，确定主要技术指标：试验舱尺寸1 200 mm×1 200 mm×1 500 mm(长×深×高)；温度为10～75 ℃，温度波动/均匀度：±1 ℃/±2 ℃；相对湿度为20%～98% RH，相对湿度分辨率为0.1%RH；盐雾气氛沉降量为0.01～22(mg/100 cm·d)；中心风速为≤2 m/s(速率可调)。

2.3 总体结构设计

设备采用整体式前后结构，设备的前部为试验舱，试验舱前端安装有吸盘式密封胶条；后部为制热系统、制冷系统以及盐雾气氛发生系统；电器控制系统位于箱体前部。设备顶部安装离心电机；试验舱箱体正前方为箱体大门，上方为垂直空气送风系统。设备采用减震脚垫减低试验时振动。设备的设计三维模型如图2所示。

图2 模拟盐雾气氛湿热综合试验设备设计 三维模型示意图Fig.2 Three-dimensional model of comprehensive test equipment design for simulating salt-fog atmosphere humidity and heat

模拟盐雾气氛湿热综合试验设备逻辑上由中央控制系统、盐雾气氛发生系统、温度控制系统、湿度控制系统和风循环系统组成。其中主要物理组件包括箱体、控制柜、盐雾发生器、空气调和室、制冷压缩机、加热器、加湿器、冷凝器和离心风机等，主要辅助设备包括纯净水机和计算机，有关模块如图3所示。

图3 模拟盐雾气氛湿热综合试验设备模块框图Fig.3 Block diagram of main modules of comprehensive test equipment for simulating salt fog atmosphere humidity and heat

2.4 分系统设计

2.4.1 设备箱体设计

设备箱体设计主要有试验舱、大门、测试孔、溢流孔、底板和搁板设计。

1) 试验舱设计。试验舱内壁采用纯钛板材料，内壁设计有加强筋以提高箱体强度，内壁与外壁之间设计有100 mm保温层。

2) 大门。采用单开门设计，可以手动从箱体内部打开。采用整体成型的吸盘式硅橡胶密封条密封，具有耐高低温，抗老化，密封性能好，更换和调节方便等优点。大门上设有一个尺寸：420 mm×620 mm(宽×高)中空电阻膜加热防霜观察窗，观察窗无水凝、结露、结霜现象。观察窗上设置有一个照明灯，可手动直接开关控制。

3) 测试孔。内胆满焊拼接，2个100 mm测试孔分布于试验箱左右两侧、配备2个测试法兰(带接线，线数按用户需求)，法兰采用卡箍密封。

4) 溢流孔。接水盘位于大门下边缘，下方安有50 mm溢流孔。

5) 底板。设计在试验舱底部，由内胆外置加强筋，内胆与外壳之间加SU304不锈钢方钢构成。底板承重能力不小于500 kg/m均匀载荷。

6) 搁板。设计带加强筋钛板样品架搁板，样品架打孔减轻质量，同时便于固定样品；搁板承重≥50 kg均匀负载。经仿真分析承重≥50 kg。

2.4.2 温度系统

中央控制系统根据在空气调和室内的温度传感器采集温度信号，经A/D转换后，与设定的温度目标值比较，输出调节信号自动控制加热固态继电器或制冷固态继电器的通断，最终达到控制温度的目的。另外，本设备的中央控制器根据不同的温度控制点时，设备本身和用户试品所需冷量，通过调节制冷剂流量的大小来控制制冷能量大小来控制温度，无需加热去平衡制冷，保证了设备取得很好的控制精度和均匀度，而且使设备运行始终处于相对低功耗状态。

通过计算，本设备制冷总负载为2.23 kW·h，乘以修正系数1.2，制冷总负载实际应为2.68 kW·h；制热总负载为4.76 kW·h，乘以修正系数1.2，制冷总负载实际应为5.71 kW·h。

2.4.3 湿度系统

湿度控制由加湿锅炉与盐雾加湿共同控制，当设定湿度值时，盐雾喷射频率根据不同的湿度设定值由程序控制在一个固定对应频率值，同时加湿锅炉工作，系统根据干湿球湿度计测量试验舱相对湿度，经A/D转换后与设定值比较，当测定值大于设定值时除湿固态继电器闭合，除湿蒸发器除湿，盐雾喷射频率不变；当测定值小于设定值时除湿固态继电器闭合，锅炉加湿器加湿，盐雾喷射频率。通过PID调整占空比保持湿度值稳定。

通过计算，设备最大加湿量2.98 kg/h，设备蒸发锅炉功率应≥3 kW。

2.4.4 风循环系统

设备的风循环系统由离心风机、风道和风向倒流板组成，离心风机将风吸入风道，经风向倒流板垂直吹向试验舱的样品表面，风循环系统结构如图4所示，风向倒流板如图5所示。

图4 风循环系统结构示意图Fig.4 Structural of air circulation system

图5 风向导流板三维装配模型示意图Fig.5 3D assembly model of wind deflector

通过设计计算验证，该结构能使受试样品表面均匀沉降盐雾气氛，并保持试验舱温度、风速有较好的均匀性。

2.4.5 盐雾气氛发生系统

盐雾气氛发生系统由盐雾发生器、伸入空气调和室的喷雾塔、空气调和室(U型通道)组成。其中盐雾发生器为外购成品，独立放置于设备外，由管道和设备连接，盐雾由喷雾塔进入空气调和室形成盐雾气氛，盐雾发生系统主要结构如图6所示。

图6 盐雾发生系统主要结构示意图Fig.6 Main structure of salt fog generate system

2.4.6 控制系统

控制系统采用PLC控制器控制，触摸屏为人机交互界面，主要功能包括盐雾气氛沉降量、温度、湿度、风速控制；可记录盐雾气氛沉降量、温度、湿度、风速、黑板温度、湿润度、运行时间、设备状态；

可自动组合加热系统、加湿/除湿系统、制冷系统、盐雾气氛发生系统等子系统工作；可通过计算机远程控制系统工作。

3 结论

1) 本设备首先采用传统的喷盐雾技术喷出水状盐雾，利用空气调和室使较大颗粒盐雾沉积，或在风的作用下与其余喷出的小颗粒盐雾充分混合于空气中，形成与自然环境类似的盐雾气氛(及含盐分的空气)。并可更据实际情况增加空气调和室，使水状盐雾与空气更充分融合；

2) 传统盐雾试验在喷盐雾过程中，不能控制箱体内湿度和温度的变化，本设备在设计结构、盐雾气氛发生原理上进行了创新，可以实时控制主箱体内空气温度、湿度的变化，实现盐雾、温度和湿度综合控制，模拟性进一步得到提升；

3) 本设备在设计上主要针对我国热带海洋地区的室内、库房和棚等环境，因此可用于模拟海洋岛礁库房、棚等环境因素，提高试验结果的真实性；

4) 设备产生的盐雾气氛和自然环境下的盐雾状态更为相近，因此，盐雾沉降产生的腐蚀效果更接近真实情况；

5) 设备产生的盐雾气氛和自然环境下的盐雾状态更为相近，为含盐分的空气，不易在试验样品上形成大量积液，因此，设备更易于广泛推广应用到光电产品的带电试验中。