典型装备温度响应测量及平衡时间研究 杨国辉（中国人民解放军63853 部队，吉林 白城 137001）在装备环境工程中，主要包括环境工程管理、环境分析、环境适应性设计、环境试验与评价4 个方面[1]武器装备在环境试验适应性考核中，需要进行高、低温等多项环境试验，温度应力强度如何选择至关重要，对于温度稳定时间的判定与被试品材质、尺寸、结构和实验室空间等因素都有很大关系GJB 150.1A—2009《军用装备实验室环境试验方法 通用要求》规定，试件工作时，除另有规定外，当试件中具有最大温度滞后效应的功能部件的温度变化率不大于2.0 ℃/h 时，则认为试件达到了工作时的温度稳定；试件不工作时，除另有规定外，当试件中具有最大温度滞后效应的功能部件温度达到试验温度时，则认为试件达到了不工作时的温度稳定这就需要对装备的各部位温度进行测量，并对稳定时间进行判断，来确定试验装备是否达到了温度的稳定温度环境试验的持续时间应从样品在规定的试验温度下稳定的瞬间开始计算，而温度稳定时间则是试验持续时间的判定标准，这个时间通常指试验样品在预定试验温度下达到温度稳定所需要的时间由于进入到环境试验阶段的被试品已经生产完毕，不能加装温度传感器破坏其内部零部件的整体结构，所以无法测得其内部真实温度，而一般实验室室温都已达到预定温度开始计时，这样会导致装备温度平衡后的保温时间不足。
因此，选定了多种装备进行了数据测试，并对3 种典型武器装备进行了详细的温度响应测试在高、低温试验过程中，对热容量最大及敏感、薄弱部件进行实时温度测量，进而确定温度平衡时间，并为相同量级的武器装备试验量级的选取提供数据支持本文在高低温试验的温度量级选取中，以具体试验数据为基础，对军标的相关规定给出了具体合理量化建议，这样会使武器装备环境试验鉴定数据更加科学准确可靠1 温度响应过程分析1.1 温度试验的传热机理温度总是从高温介质传向低温介质物体与周围环境大气之间的传热形式主要是对流换热和辐射换热，其内部的主要传热过程则是不稳态导热过程[2-6]从环境空气温度开始变化，直至被试品的温度达到稳定之前，其内部各点的温度始终处于变化之中被试品的表面首先被加热（或冷却），被试品中热容量最大部位的温度变化最慢，比被试品的表面及其内部的其他部位均有较大滞后，只有当被试品中热容量最大部位的温度与被试品周围环境的温度达到一致时，才可认为被试品的温度达到了稳定[8-15]实验室空气温度、被试品表面温度及被试品中热容量最大部件的温度随时间的变化曲线如图1 所示图1 被试品各部温度随时间的变化曲线Fig.1 Temperature curve of each part of the tested product with time被试品与周围空气之间的对流换热，遵循牛顿冷却公式：被试品与周围空气之间的辐射换热，遵循斯蒂芬–玻尔兹曼定律：用换热系数表示的公式为：被试品内部的不稳态导热，遵循傅立叶定律和能量守恒定律，满足导热微分方程[13-15]：式（1）—（3）中：Q1、Q2、Q3为物体与空气之间的对流换热量、辐射换热量及物体内部的导热量；F为物体的表面温度；ac为对流换热系数；Δt为物体表面与环境空气之间的温差；ε、ρ、λ、c为物体的黑度、密度、导热系数、比热；t为温度变化的时间；q为被试品内部发热流量。
1.2 温度响应过程温度环境试验过程中，被试品与周围环境大气之间的传热形式主要是对流换热和辐射换热，被试品内部的传热过程是不稳态的导热过程[3-19]从环境空气温度开始，直至被试品的温度达到稳定之前，其内部各点的温度始终是变化的，不是稳态的被试品的表面最先被加热（或冷却），而热容量最大部位的温度变化是最慢的，比被试品的表面温度变化有较大滞后典型的高温试验过程主要包括升温、保温、降温、高温工作（检测）、恢复等5 个阶段典型的低温试验过程主要包括降温、保温、升温、低温工作（检测）、恢复等5 个阶段[20-21]各试验项目中的控制温度、空气温度、被试品温度随时间的变化关系如图2 所示图2 温度随时间的变化关系Fig.2 Diagram of temperature over time2 测量设备及方法装备高低温试验中，温度响应特性主要包括装备温度分布、热点分布、装备在规定的环境温度下达到温度稳定的时间、装备热容量最大的部位、装备对冷热敏感的部位和薄弱环节等温度响应特性的测量尽可能地在确定的同一装备上进行，以确保测得数据的准确性目前，确定装备温度环境试验温度平衡时间主要采取以下几种方法[7-16]。
2.1 重量法重量法是按照被试品的重量来确定试验温度的保持时间该方法的主要优势是简单、方便，主要在环境试验的发展早期使用较多目前除了MTL-STD-202F《电子及电气元器件试验方法》、HB67176《飞机电机电器环境试验方法》等极少数标准采用该方法外，国内外大部分标准已不采用[16-19]2.2 热时间常数法在试验中直接用传感器测量被试品中关键部位的温度，将此温度上升（或下降）到试验温度的0.632倍时所需要的时间作为热时间常数，并把该常数的4倍作为温度稳定时间该方法在目前使用最普遍，仍被国际电工协会（IEC）的IEC68 号出版物和GB 2423《电工电子产品基本环境试验规程试验方法》等标准文件使用，作为温度的判定方法[4-18]2.3 直接测量法在试验全过程中，直接用传感器测量被试品中热容量最大部件的温度，以此温度变化到与试验温度的偏差在允许范围内时的这段时间作为温度稳定时间目前，国内外主要标准均采用直接测量法作为温度稳定的判定方法由于对被试品中热容量最大部件的温度进行直接测量，并且考虑到关键部位的温度变化，直接测量法要准确可靠得多目前测温的设备有很多，常采用铂电阻温度计、热电偶温度计和红外测温仪来进行装备温度响应测量[11-20]。
红外测温仪的优势在于非接触式测温，用于极端温度及不能直接测量的环境；电阻温度计是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的，测量范围为–260～600 ℃；热电偶温度计是由2 条不同金属连接着1 个灵敏的电压计所组成，金属接点在不同的温度下，会在金属的两端产生不同的电位差[19-22]采用直接测量法确定被试品的温度稳定时间，至少要测量2 处温度，一处是最大热容量部件的温度，另一处是关键部件（或部位）的温度经试验测量，物体的表面温度与其内部温度之差一般不超过与环境空气温度之差的5%因此，对部件温度的测量，一般只需要测量其表面温度即可[21-27]关键部位温度的测量除采用直接测量法外，如果条件允许，可采用内部测量法进行更为直接的测量大型装备在进行温度环境试验时，重要考核部位主要包括底盘（发动机、变速箱等）、控制等系统，考核其在特定的温度条件下的工作性能内部测量法更为直接，可在发动机、变速箱、液压部件及控制部件布置测温设备，直接测量内部温度的变化过程，可以获得较为真实的数据，但在传感器选用及布设方面存在一定难度，可在条件允许的情况下使用，要视具体情况而定根据装备实际要求来确定测量数据的采样时间，建议敏感部位要缩短时间间隔，这样更能及时反映部件的工作性能，捕捉到性能下降及失效时间点，为后续故障分析处理提供依据。
3 典型装备温度响应测量依据上述测量方法，进行了3 种典型武器装备温度响应的测量此次温度响应的测量主要结合某型系统A、某型系统B 和某型系统C 等3 套系统的6 项高低温试验完成的A 温度试验，主要考核高低温条件下的A 的工作性能，其温度敏感及薄弱部件为计算机、动力柜体、后部、中部、运动转轴、执行器等B 温度试验，主要考核车辆发动及启动、火控、随动等系统在特定的高低温条件下的工作性能，其温度敏感及薄弱部件为雷达、发动机、计算机、液压系统等C 温度试验，考核整体的工作性能，其温度敏感及薄弱部件为天线、计算机、发动机、底盘和控制系统等3.1 测量策略在试验过程中，实验室的室内温度由3 支传感器进行测量后实时传至控制系统，而被试品的温度测量在试验程序中没有要求，故而未配置相关温度巡检设备，所以只能采用直接测量法进行测量此次典型装备温度响应测量所采用的是便携式红外测温仪和点温计3.2 测量设备1）红外测温仪技术指标：温度范围为–40～900 ℃；显示分辨率为0.1 ℃；精度为目标值的±0.75%或±0.75 K，取大值，目标温度低于–5 ℃时，为±2 K；发射率为0.1～1.00 可调；响应时间为250 ms。
发射率校准：利用黑胶布进行发射率校准，黑胶布的发射率为0.95，将长15 cm 的黑胶布贴在被测部位表面，待黑胶布与被测部位表面温度平衡后，将红外测温仪发射率设置为0.95，进行测温记录2）FLUKE 点温计技术指标：温度范围为–200～760 ℃；显示分辨率为0.1 ℃；精度为±1 ℃测量要求：由于受工作环境温度限制，点温计需要保温措施，防止在高低温环境中损坏或产生数据漂移由于热电偶测温时需要一定的稳定时间，所以在进行高温测温时，可用胶布将热电偶探头固定在待测表面，这样能保证测量数据的准确性低温测量时，需手持测量，温度稳定后才能记录3.3 结果及讨论此次温度响应的测量主要结合A、B 和C 等3 套武器装备的6 项高低温试验完成的由于实验室为大型装备的环境试验提供鉴定，容积为1 300 m³，空间较大，降温速率较慢，所以对装备进行温度响应测量的时间间隔设定为1 h1）A 试验指标：–10 ℃保温12 h，–40 ℃保温8 h试验数据详见表1 和图3从表1 的数据中可以看出，开始阶段随着室温的下降，A 暴露在空气中的后部温度下降较快，不完全暴露的计算机和转轴温度下降较慢，而内部热容量最大核心部件的中部和执行器的温度下降最慢。
当室温达到预定温度后，随着时间的推移，A 的后部、中部和转轴的温度开始趋于平衡，而关键部件执行器的温度下降仍然很慢，所以A 整体的温度稳定时间应从核心部件执行器达到预定温度后开始起算，这对于装备的环境适应性考核是至关重要的装备A 关键部件及执行器温度距低温–40 ℃相差较多，最大可达7 ℃，没能达到温度平衡从图5可以看出，执行器在室温达到–40 ℃后5 h 才达到预定温度图3 A 低温试验温度响应测量曲线Fig.3 Temperature response measurement curve for A low temperature test表1 A 低温试验温度响应测量Tab.1 Temperature response measurement for A low temperature test℃2）B 试验指标：70 ℃高温贮存，恒温48 h；50 ℃高温工作，恒温8 h；–40 ℃低温工作，恒温8 h，–43 ℃低温贮存，恒温24 h试验数据详见表2—4 和图4—7从表2 中的数据可以看出，随着室内温度的升高，武器系统B 各个部件的温度响应是不同的，暴露在外的雷达升温最快，发动机和计算机的温度响应较慢，舱内温度和液压温度响应是最慢的，并且在22 h后才达到预定温度70 ℃。
武器装备B 温度响应最慢的舱内温度、液压温度与室内温度随时间的响应测量曲线如图4 所示表2 B 高温贮存温度响应测量Tab.2 Temperature response measurement for B high temperature storage℃图4 B 高温贮存试验温度响应测量曲线Fig.4 Temperature response measurement curve for B high temperature storage武器装备B 高温工作试验温度响应测量数据见表3温度响应与高温贮存相似，但是随着车辆发。