秦杰， 鄒祁峰， 李光健， 陳暉， 謝俊杰， 陳藝天

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展， 航空航天領(lǐng)域的裝備日趨于大型化、 復(fù)雜化， 發(fā)熱量大， 并不斷地向高可靠性產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。 相應(yīng)的低氣壓綜合試驗箱的研制也在往大型化方向發(fā)展來滿足試驗需求， 例如： 在大容積的低氣壓環(huán)境下注入大流量輔助冷卻空氣時能有較大的抽真空能力來穩(wěn)定箱內(nèi)的壓力變化， 因此研制大型、 大抽真空能力的綜合低氣壓試驗箱尤為重要， 而其中最為關(guān)鍵的就是大型真空泵。 本文以大型水環(huán)真空泵在低氣壓試驗設(shè)備中的使用為研究方向， 如何控制和調(diào)節(jié)大型水環(huán)真空泵的抽真空能力使其在降壓過程中不過沖， 注入大流量輔助冷卻空氣時能保持期間的壓力值穩(wěn)定， 滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗要求。

1 水環(huán)式真空系統(tǒng)的低氣壓值不可控問題分析

1.1 試驗條件剪裁

目前國內(nèi)模擬機載設(shè)備在其工作中遇到的溫度、 壓力急劇變化環(huán)境的適應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)多是以GJB 150.6—1986 《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法 溫度-高度試驗》[1]作為剪裁， 該標(biāo)準(zhǔn)中對試驗要求及實施方法做出了相關(guān)描述和規(guī)定。 而作為剪裁標(biāo)準(zhǔn)GJB 150 標(biāo)準(zhǔn)具有很大的靈活性[2]。

剪裁條件分為兩個階段， 如下所述。

a） 第一階段為低溫低氣壓試驗階段， 在-55 ℃和7.5 kPa 下保持4 h， 然后加電1 h 進行性能測試， 期間通風(fēng)散熱， 完成后結(jié)束[2]。

b） 第二階段為高溫低氣壓試驗階段， 在60 ℃和11.5 kPa 下保持4 h， 然后加電1 h 進行性能測試， 期間通風(fēng)散熱， 完成后結(jié)束； 散熱是采用直接風(fēng)冷散熱方式， 輔助冷卻空氣為5 ℃、144 Nm3/h[2]。

根據(jù)上述的方法歸納出試驗程序， 如表1所示。

表1 試驗程序

1.2 試驗條件實施難度

機載設(shè)備分別在低溫低氣壓試驗段和高溫低氣壓試驗段進行性能測試， 期間要進行散熱通風(fēng)， 而輔助冷卻空氣由風(fēng)管注入機載設(shè)備中并排到低壓環(huán)境中， 因低壓環(huán)境下突然注入大流量的空氣， 導(dǎo)致真空泵的抽氣壓能力不能滿足通風(fēng)量要求， 造成箱內(nèi)的低氣壓值波動甚至恢復(fù)到常壓。

目前國內(nèi)對于機載設(shè)備低壓環(huán)境下注入輔助冷卻空氣有兩種解決方法： 1） 從機載設(shè)備的前端進再從末端的風(fēng)管出， 使風(fēng)形成一個閉環(huán)送出箱外；2） 將輔助冷卻空氣的風(fēng)量盡量地控制在真空泵的抽真空能力內(nèi)。 不過， 當(dāng)面臨較大的輔助冷卻空氣風(fēng)量和機載設(shè)備末端的出風(fēng)口無法接風(fēng)管并將風(fēng)排出箱外時， 以上兩種方法均無法實現(xiàn)。

1.3 水環(huán)真空泵存在的問題

目前， 國內(nèi)環(huán)境試驗設(shè)備廠商面對低氣壓環(huán)境下需注入大流量的輔助冷卻空氣的試驗需求， 以及整機和大型試樣開展試驗需要低氣壓環(huán)境的需求， 正在積極開展?jié)M足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的大型低氣壓綜合試驗設(shè)備的研究。 本論文以佶締納士真空泵某系列的液環(huán)水環(huán)真空泵抽真空為研究方向， 其真空泵抽氣壓值理論指標(biāo)是3.3 kPa， 實際運用在10 m3的設(shè)備時， 低氣壓值最低達2 kPa （左右其中包含設(shè)備連接密封處的漏氣）， 基本涵蓋了機載設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的低氣壓范圍。

由于水環(huán)真空泵自身結(jié)構(gòu)工作方式的原因， 導(dǎo)致實際使用中雖然設(shè)置了規(guī)定值， 但是抽氣壓時還是會有超過設(shè)定值的情況。 例如： 對上述試驗條件中的7.5 kPa 進行抽氣壓的時候， 在接近7.5 kPa后會繼續(xù)往下降到2.8 kPa 左右， 如圖1 所示。 因此滿足不了試驗要求， 更滿足不了不同的低氣壓環(huán)境下注入不同的輔助冷卻空氣時能保持低氣壓值的穩(wěn)定的要求， 如果應(yīng)用到低氣壓試驗設(shè)備中， 就極容易因為實際值超過設(shè)定值而造成試驗樣品損壞，嚴(yán)重時甚至?xí)斐砂踩鹿省?后來嘗試調(diào)整PLC控制系統(tǒng)的參數(shù)來改變真空泵的工作特性又導(dǎo)致抽氣壓時間延長、 壓力降不下去、 輔助冷卻空氣注入箱內(nèi)時會恢復(fù)常壓等問題。 如何將水環(huán)真空泵的抽氣壓控制在規(guī)定的試驗要求下， 這是需要進行研究的問題。

圖1 低氣壓值超過設(shè)定值

2 水環(huán)式真空泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

對于有諸多形式的真空泵， 水環(huán)式真空泵具有結(jié)構(gòu)簡單、 運行經(jīng)濟和適用范圍廣等特點， 它由葉輪“泵體” “吸排氣口” 輔助管道等組成[3]， 具體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 從圖2 中可以看出， 葉輪被偏心地安裝在泵體中。 當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時， 在離心力的作用下， 水被拋向四周， 形成一個與泵腔形狀相似的封閉水環(huán)。 水環(huán)的外表面和泵腔接觸， 內(nèi)表面與葉片接觸， 葉輪輪轂與水環(huán)之間形成若干個月牙形小腔。 當(dāng)葉輪順時針旋轉(zhuǎn)時， 由于偏心布置的影響， 單個小腔的容積由小變大， 腔室內(nèi)的壓強不斷地降低， 當(dāng)壓強低于被抽容器內(nèi)的氣體壓強時， 氣體就從吸入口進入小腔， 這就是吸氣過程[3]。 隨著葉輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 小腔的容積逐漸地減小， 壓強不斷地增大， 直到氣體的壓強大于排氣壓強時， 被壓縮的氣體從排氣口被排出[3]。 這樣， 在泵的連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中， 氣體沿著葉輪的軸向不斷地被吸入和排出， 從而達到連續(xù)抽氣的目的[3]。

圖2 真空泵結(jié)構(gòu)

正是水環(huán)真空泵這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無法通過變頻器來調(diào)節(jié)控制氣壓值。 例如： 試驗中會要求改變氣壓值， 將相對規(guī)定轉(zhuǎn)速改為變速運行時， 會造成臨界壓縮比下降； 低速工作導(dǎo)致頻率太低時， 電機轉(zhuǎn)速慢， 液環(huán)無法建立； 抽真空效果變差， 導(dǎo)致真空泵腔內(nèi)面臨水和空氣的阻力， 嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致泵超電流燒壞。 如果高速工作時頻率過高， 而水泵腔內(nèi)的容積太小會造成滯后現(xiàn)象， 致使容積損失增加，導(dǎo)致泵閥撞擊嚴(yán)重而造成真空泵的磨損。

3 水環(huán)真空系統(tǒng)低氣壓值控制方法

3.1 真空泵抽速公式推導(dǎo)

設(shè)試驗箱內(nèi)膽體積為v， 其內(nèi)氣壓值為P1， 內(nèi)膽與真空泵之間無管道連接， 故試驗箱內(nèi)膽中和出氣口處的氣體壓強在任何時刻都等于真空泵入氣口處壓強。 真空泵從內(nèi)膽中的氣壓等于外界環(huán)境氣壓P1=P1＇， 開始抽氣， 內(nèi)膽中的氣壓便開始下降； 經(jīng)過dt 時間， 真空泵抽走的氣體量等于內(nèi)膽中氣體減少的量， 也等于內(nèi)膽出氣口處的抽氣量， 即：

式（1） 中： SN——真空泵的抽速， 單位為L/s。

將式（1） 變?yōu)橄率剑?即：

真空泵對內(nèi)膽進行抽氣時， 外界環(huán)境中的空氣總是要向內(nèi)膽一些密封不好之處漏氣， 例如： 試驗箱的大門與箱內(nèi)接合處。 隨著內(nèi)膽中氣體的壓強降低， 單位時間漏入內(nèi)膽的氣體隨之增加， 在單位時間里真空泵抽走的氣體量減去漏入內(nèi)膽的氣體量等于內(nèi)膽氣體實際減少的量， 即：

式（3） - （4） 中： U漏為內(nèi)膽漏氣處的漏導(dǎo)，它是由內(nèi)膽密封不好之處的尺寸而定的， 當(dāng)抽氣時間達到試驗箱規(guī)定的時間t=t0時， 內(nèi)膽中的氣壓相應(yīng)地要達到規(guī)定的最低氣壓P1=P1″； U漏的單位為L/s。

由于真空泵抽氣時間t=t0時， 內(nèi)膽中的氣壓P=P1″， 使得真空泵抽走的氣體量等于外界環(huán)境漏入內(nèi)膽的氣體量， 此時內(nèi)膽中的氣體量不發(fā)生變化， 即內(nèi)膽中的氣壓對時間的變化率為零， 即：

式（5） - （6） 中： P1是外界環(huán)境的氣壓， 對于試驗箱， 一般P1＞P1″， 很顯然SNmin＞U漏， 因此真空泵在抽氣過程中SN＞U漏。

經(jīng)上述公式分析， 簡單歸化得出下式：

由公式（7） 可以看出， 當(dāng)漏氣U漏固定時，真空泵的有效抽速SN與需要達到的預(yù)氣壓值P1″呈反比例關(guān)系。 SN越大， 需要預(yù)氣壓值P1″ 越小，這就是造成P1″ 的實際值大于設(shè)定值的原因。

由SN=U漏/P1″ 可以得出P1″ =U漏/SN， 從該式中可以看出， 假設(shè)真空泵的有效抽速SN是固定最大上限， 將真空系統(tǒng)的漏氣U漏作為調(diào)節(jié)量， 增加它的漏氣量， 從而保證預(yù)氣壓值P1″ 線性下降規(guī)定的值并保持不變的目的。

3.2 水環(huán)真空泵系統(tǒng)的改造

針對水環(huán)真空泵的抽壓速率過強和固定的問題， 通過增加適當(dāng)?shù)穆膺M行了抵消。 在大真空泵真空主管道焊接出數(shù)量合理的管道并在末端處安裝電動調(diào)節(jié)球閥， 如圖3 所示。 并在進氣端加裝消聲器來提高安全性和減少噪聲。 將電動調(diào)節(jié)球閥電源線和信號線與箱體PLC 控制器系統(tǒng)相連， PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)I/O 檢測到的壓力值和電動調(diào)節(jié)閥開合度等數(shù)據(jù)經(jīng)過PID 運算， 并通過PID 控制通道合理地調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)球閥組的進氣量， 以平衡水環(huán)真空泵的抽速固定和過強保證氣壓值的穩(wěn)定性， 而且注入的風(fēng)量只到真空泵管道而不到箱內(nèi)， 不影響箱內(nèi)的真空和溫度環(huán)境。 改造后的真空系統(tǒng)示意圖和改造結(jié)構(gòu)如圖4-5 所示。

圖3 電動球閥

圖4 改造結(jié)構(gòu)

由此一來， 就解決了水環(huán)大真空泵抽氣壓過沖和穩(wěn)定性的問題。

圖5 真空系統(tǒng)示意圖

4 應(yīng)用案例結(jié)果

通過加裝電動調(diào)節(jié)球閥后， 通風(fēng)量在250 Nm3/h 時， 低氣壓值最低可降到7.5 kPa。 將剪裁的試驗條件進行實踐驗證， 在接近7.5 kPa 氣壓后注入流量153 Nm3/h、 5 ℃的輔助冷空氣， 氣壓緩慢地下降， 到達7.5 kPa 后壓力值穩(wěn)定沒有波動， 誤差控制在0.5 kPa 內(nèi)， 如圖6a 所示。

根據(jù)本試驗程序的條件分別在7.5、 11.5 kPa處注入輔助冷卻空氣時均能控制低氣壓值的穩(wěn)定，試驗結(jié)果滿足要求， 如圖6b 所示。

在低氣壓值26.4 kPa 時注入208 Nm3/h 的輔助冷卻空氣均能使低氣壓值穩(wěn)定， 如圖6c 所示。

圖6 實踐驗證的試驗曲線

5 調(diào)節(jié)極限低氣壓值方法

5.1 控制供水量

通過改變水環(huán)真空泵腔室內(nèi)注水量的大小來控制氣壓值， 以實現(xiàn)水環(huán)真空泵的抽真空能力大小。水是液環(huán)形成的重要因素， 水和真空泵腔內(nèi)的容積有一定的比例關(guān)聯(lián)， 所以腔內(nèi)的水量是有合理范圍的， 供水量過大會導(dǎo)致電機超載和啟動時容易把機械密封頂壞； 太少又不能形成真空， 或者把機械密封干磨造成損壞。 所以能調(diào)節(jié)的真空范圍有限， 適合固定或者極限的氣壓值。

5.2 控制供水溫

通過控制注入水環(huán)真空泵腔內(nèi)的供水水溫來控制氣壓值。 水溫度過高的話， 循環(huán)水會發(fā)生汽化現(xiàn)象， 由液態(tài)轉(zhuǎn)換成汽態(tài)， 水環(huán)式真空泵所抽的氣體包含了箱內(nèi)氣體與泵腔內(nèi)的氣體， 所以氣壓值偏高。 反之， 想要氣壓值更低， 則需降低水溫。 水溫一般以5~35 ℃為宜。 適合固定或者極限氣壓值。

6 結(jié)束語

目前， 國內(nèi)對大型低氣壓綜合設(shè)備的研制還處于不太完善階段， 本文通過對真空泵的抽速公式的推導(dǎo)對大型水環(huán)真空泵系統(tǒng)進行了改造， 結(jié)果表明： 實施較為簡單的改造就能夠解決水環(huán)真空泵的抽氣壓過沖的難題， 從而拓寬了設(shè)備抽氣壓的范圍， 使得試驗設(shè)備滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的溫度-濕度-高度帶輔助冷卻空氣的單應(yīng)力或多應(yīng)力組合的試驗要求， 并且能將氣壓的變化速率控制在一定的時間內(nèi)， 保持氣壓值的穩(wěn)定性。 另外還從多方面分析了影響水環(huán)氣壓值的因素。 大型水環(huán)真空泵應(yīng)用在環(huán)境可靠性試驗設(shè)備中的優(yōu)點是含水蒸汽環(huán)境提供大抽力運行， 不用擔(dān)心抽低氣壓時水蒸汽對真空泵的影響， 相較于其他類型真空泵也易以保養(yǎng)和維護，其結(jié)構(gòu)簡單、 成本低、 經(jīng)濟實惠。 本論文結(jié)合試驗工程應(yīng)用中的案例進行了試驗實施， 從而為水環(huán)真空泵在大型低氣壓綜合試驗設(shè)備中的應(yīng)用提供了理論研究基礎(chǔ)， 也給大型低氣壓綜合試驗設(shè)備的設(shè)計人員提供了一些思路。