陳蕊，萬(wàn)先鋒，王志杰，佘昌偉，劉偉

（1.西安昆侖工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710043； 2.廣州克萊美特儀器設(shè)備科技有限公司，廣州 511458）

引言

某火炮結(jié)冰結(jié)霜環(huán)境試驗(yàn)是考核火炮在高低溫結(jié)冰結(jié)霜環(huán)境下零部件的強(qiáng)度、機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性、以及射擊指標(biāo)能否滿足火炮作戰(zhàn)要求。GJB《某火炮***壽命試驗(yàn)方法》結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)要求，要求火炮在-50℃保存6 h后，將火炮移至常溫條件下放置1～1.5 h或待其外表面結(jié)霜蒙上濕氣并開(kāi)始出現(xiàn)水珠為止，將表面、膛內(nèi)水珠擦拭干凈后，再將火炮移入低溫-50 ℃的低溫環(huán)境環(huán)境箱出現(xiàn)結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象后保低溫1 h后進(jìn)行實(shí)彈射擊。在以往結(jié)冰結(jié)霜射擊試驗(yàn)一般采用人工手動(dòng)拆卸移出辦法，即操作人員進(jìn)入-50 ℃低溫環(huán)境箱首先把火炮從炮架上拆下，然后手動(dòng)抬出環(huán)境箱至常溫下。此方法對(duì)小型火炮來(lái)說(shuō)適用，從拆卸到移出大約10 min左右，對(duì)于大型火炮來(lái)說(shuō)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大、重量較大，操作復(fù)雜，整個(gè)操作過(guò)程1 h以上，一是人員不能長(zhǎng)時(shí)間待低溫環(huán)境箱，需頻繁更換操作人員，二是頻繁拆裝某火炮增加了火炮的故障率。三，環(huán)境箱密封嚴(yán)實(shí)，箱內(nèi)空氣干燥；在冬天，如果室外空氣干燥，即使將火炮移至常溫下，也很難結(jié)霜凝露。常規(guī)環(huán)境箱要實(shí)現(xiàn)結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)一般采用噴淋方式，而噴淋方式與自然空氣溫差結(jié)霜蒙濕氣不同，無(wú)法滿足GJB《火炮自動(dòng)機(jī)壽命試驗(yàn)方法》試驗(yàn)要求。同時(shí)，普通環(huán)境箱一般要求箱內(nèi)空氣干燥，避免在溫度較低情況下蒸發(fā)器結(jié)霜引起壓縮機(jī)結(jié)霜結(jié)冰導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。因此開(kāi)展火炮結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)相對(duì)困難。

1 結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)技術(shù)

鑒于上述情況，一，試驗(yàn)箱自身密封的局限，二火炮拆卸困難，我們考慮能否突破此兩項(xiàng)桎梏，尋求第三方資源，引入加熱加濕新風(fēng)吹風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)利用自然環(huán)境變化資源來(lái)解決問(wèn)題。我們將高低溫環(huán)境箱設(shè)計(jì)為快速升溫模式，即在低溫情況下溫度迅速回升，同時(shí)引入加熱加濕新風(fēng)吹風(fēng)系統(tǒng)，而此系統(tǒng)僅對(duì)火炮進(jìn)行吹掃，無(wú)需將火炮移出，完成結(jié)冰結(jié)霜射擊試驗(yàn)。

1.1 快速升溫模式

在試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)初我們將設(shè)備設(shè)計(jì)為快速升溫模式，即升溫速率≥10 ℃/min，這樣設(shè)計(jì)的理念就是利用自然環(huán)境規(guī)律來(lái)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，空氣中只有在溫差變化較大的情況下，才可出現(xiàn)結(jié)霜凝珠現(xiàn)象，火炮在-50 ℃保存6 h甚至更長(zhǎng)時(shí)間，試件已完全凍透，在快速升溫過(guò)程中，僅環(huán)境箱內(nèi)空氣溫度迅速上升，而火炮溫度則無(wú)法這么快速響應(yīng)，試驗(yàn)箱從-50 ℃升至0 ℃需要5 min，而此時(shí)火炮溫度可能為-40 ℃左右，甚至更低，在-40 ℃與0 ℃的溫差下，火炮表面自然會(huì)有結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生。隨著環(huán)境箱內(nèi)溫度的迅速上升，火炮表面結(jié)霜凝露至水珠出現(xiàn)，從而達(dá)到考核火炮的目的。如果升溫速率為1℃/min，或者更低，那么，試驗(yàn)箱從-50 ℃升至0 ℃需要50 min甚至更長(zhǎng)時(shí)間，此時(shí)火炮溫度和箱內(nèi)溫度同步上升，行不成較大溫差，試驗(yàn)失敗。上面研究是從大自然環(huán)境理論的角度來(lái)分析，而實(shí)際工況是在相對(duì)密閉箱體內(nèi)空氣較干燥，濕度較低，尤其在北方干燥的冬季，幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，因此我們引入加熱加濕新風(fēng)系統(tǒng)。

1.2 加熱加濕新風(fēng)系統(tǒng)

環(huán)境箱長(zhǎng)時(shí)間保高溫、保低溫試驗(yàn)，箱內(nèi)空氣相對(duì)干燥，濕度低，在溫差較大的情況下，也無(wú)法完成結(jié)霜凝珠試驗(yàn)。新風(fēng)吹風(fēng)系統(tǒng)主要將實(shí)時(shí)環(huán)境空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾、加濕、加熱后引入環(huán)境箱。具體包含塵過(guò)濾器、加濕鍋爐、加熱器、離心分輪、風(fēng)機(jī)、進(jìn)出口溫度濕度傳感器等。其主要工作原理圖見(jiàn)圖1所示。

塵過(guò)濾器主要材質(zhì)為縱橫交錯(cuò)的波形不銹鋼網(wǎng)組成，過(guò)濾網(wǎng)多層次交叉將空氣中沙粒、粉塵、揚(yáng)塵以及氣態(tài)污染物經(jīng)過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)形成的鹽類(lèi)顆粒物濾除掉。加濕鍋爐主要是通過(guò)蒸汽加濕，它的作用是將過(guò)濾后的干燥空氣增加濕度，增加空氣中水分子含量，在溫差變化大的情況下極易結(jié)霜凝露。利用PID算法來(lái)控制加濕量，加濕量從0～100 %PH進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確控制。在北方冬天或者溫度相對(duì)低的環(huán)境下，空氣溫度皆在0 ℃以下，加熱器功能是將空氣溫度按設(shè)定的溫度值進(jìn)行加熱，加熱器一般采用鎳鉻絲進(jìn)行加熱，離心風(fēng)輪就是強(qiáng)制空氣對(duì)流熱換，達(dá)到恒定溫度、恒定濕度并將空氣送出。風(fēng)機(jī)設(shè)有擋位調(diào)整，分為低中高三檔進(jìn)行可調(diào)，以此控制出風(fēng)口風(fēng)流量。進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口位置分別安裝溫度、濕度傳感器，溫度傳感器采用K型熱電偶，濕度傳感器采用電容式濕度傳感器，溫濕度傳感器皆有響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)風(fēng)口溫度、濕度主要用于檢測(cè)外部引入空氣溫度濕度值，即為當(dāng)下環(huán)境溫度濕度值，出風(fēng)口溫度、濕度主要用于控制加熱器、加濕鍋爐輸出。出風(fēng)口溫濕度值可根據(jù)結(jié)霜凝露情況進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)置。當(dāng)環(huán)境溫濕度值大于設(shè)置溫濕度值，系統(tǒng)加熱器加濕鍋爐不工作，此過(guò)濾后的空氣可直接作為新風(fēng)源使用。其中一項(xiàng)高于設(shè)定值則該項(xiàng)加熱器或加濕鍋爐不參與工作，低于設(shè)定值參與工作。整個(gè)循環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)PLC精準(zhǔn)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 加熱加濕新風(fēng)系統(tǒng)工作原理圖

1.3 通風(fēng)管路

我們?cè)O(shè)計(jì)引入的新風(fēng)系統(tǒng)主要是引入高溫、高濕空氣，目的為了與環(huán)境箱內(nèi)火炮形成溫差，另外一個(gè)重要的原因就是引入的新風(fēng)可獨(dú)立對(duì)火炮進(jìn)行吹掃，如果將新風(fēng)引入整個(gè)箱體，那么箱體頂部蒸發(fā)器同火炮一樣也出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，這樣導(dǎo)致壓縮機(jī)結(jié)霜整個(gè)制冷系統(tǒng)性能下降，甚至損壞壓縮機(jī)導(dǎo)致環(huán)境箱故障。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了獨(dú)立吹掃通風(fēng)管路。

環(huán)境箱頂部預(yù)留出風(fēng)口，新風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)口與環(huán)境箱頂部用普通通風(fēng)管連接，箱頂出風(fēng)口與火炮之間用可隨意拉伸硅橡膠管連接，硅橡膠管耐溫范圍為-73～180 ℃，硅橡膠管一端與箱頂出風(fēng)口連接，另一端與不銹鋼管連接，不銹鋼管口設(shè)計(jì)為喇叭口，便于擴(kuò)大吹掃面積，如圖2所示。

圖2 通風(fēng)管路系統(tǒng)工作示意圖

2 火炮結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)

2.1 低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)

按火炮環(huán)境試驗(yàn)要求，將火炮試件移入低溫環(huán)境箱，并安裝完好，進(jìn)行低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。

2.2 結(jié)霜凝珠試驗(yàn)

當(dāng)火炮低溫保溫結(jié)束后，將環(huán)境箱溫度控制設(shè)置為自動(dòng)升溫模式，即最大升溫速率模式，目標(biāo)溫度可根據(jù)試驗(yàn)情況設(shè)置為20 ℃或者30 ℃，可調(diào)節(jié)，并啟動(dòng)升溫試驗(yàn)。同時(shí)啟動(dòng)加熱加濕新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)系統(tǒng)濕度、溫度設(shè)置可隨意調(diào)節(jié)，根據(jù)火炮表面結(jié)霜緩慢程度進(jìn)行設(shè)置。將通風(fēng)管拉伸至火炮位置，不銹鋼喇叭口對(duì)著火炮表面進(jìn)行來(lái)回吹掃，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃，引入高溫加濕新風(fēng)空氣，火炮表面出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，當(dāng)結(jié)霜達(dá)到一定要求時(shí)，關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)，完成火炮產(chǎn)品GJB結(jié)霜考核要求。隨著箱內(nèi)環(huán)境溫度迅速上升，此時(shí)火炮自身溫度恢復(fù)緩慢，當(dāng)環(huán)境溫度高于0 ℃，火炮表面慢慢蒙上濕氣，隨著溫度繼續(xù)上升，直至達(dá)到設(shè)定溫度值，此時(shí)，環(huán)境箱停止升溫，保持此溫度值，火炮表面及膛內(nèi)由蒙上濕氣到出現(xiàn)凝珠現(xiàn)象，此時(shí)達(dá)到了GJB凝珠環(huán)境考核要求，關(guān)閉環(huán)境箱控制系統(tǒng)。

2.3 低溫結(jié)冰保存

用干凈棉紗將火炮表面、膛內(nèi)水珠擦拭干凈，然后，將環(huán)境箱溫度控制設(shè)置為程序控制模式，降溫速率設(shè)置為1 ℃/min，低溫目標(biāo)溫度設(shè)置為試驗(yàn)要求溫度，并進(jìn)行低溫保存。由于火炮膛內(nèi)及一些零部件拐角位置處有部分地方水珠不易擦拭，在低溫保存時(shí)產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，達(dá)到GJB低溫結(jié)冰環(huán)境考核要求。

2.4 實(shí)彈射擊試驗(yàn)

低溫保存結(jié)束后，打開(kāi)環(huán)境箱射擊窗口，完成實(shí)彈射擊試驗(yàn)，完成整個(gè)結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)考核。

3 結(jié)論

由于在-50～20 ℃采用了快速升溫模式，空氣溫度迅速回溫，而火炮溫度恢復(fù)緩慢，造成了一定的溫差，于此同時(shí)引入加濕加熱過(guò)濾后的新風(fēng)空氣，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)霜結(jié)冰試驗(yàn)。環(huán)境箱在常規(guī)設(shè)置基礎(chǔ)上引入新風(fēng)系統(tǒng)，并對(duì)火炮單獨(dú)吹掃，實(shí)現(xiàn)了僅火炮完成結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)。同時(shí)避免了因拆裝火炮帶來(lái)的火炮故障隱患，人員低溫操作帶來(lái)的安全隱患。

該試驗(yàn)箱完成多項(xiàng)火炮結(jié)冰結(jié)霜試驗(yàn)，試驗(yàn)箱運(yùn)作穩(wěn)定，結(jié)冰結(jié)霜效果顯著，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)試驗(yàn)箱開(kāi)展結(jié)冰結(jié)霜這一重要功能。