VM800型熱真空試驗設備的研製咗

VM800型熱真空試驗設（shè）備的研製

隨著我國航天工程的發展，各種航天器件及整機的研發也層（céng）出不窮，隨之而來的用於航天器件及整機試驗設備的需求也越來越多（duō）。由於航天器件工作環境的特殊性，航天器件在升必須在模擬環境中進行各種空間環境模擬（nǐ）試驗（yàn），進行產品的熱真空高低溫及熱平衡等多種（zhǒng）綜合性（xìng）能測試，以驗證航（háng）天器件及整機在熱真（zhēn）空環境下的（de）應用可行性、可靠性。我們為中（zhōng）國電科某研宄所設（shè）計（jì）、製造（zào）的VM800型熱真空試驗設備主要用於星載器件的空間環境模（mó）擬試驗，在高真空環境下對試（shì）驗器件進行高低溫循環衝擊、高溫保持、低溫保持等全過（guò）程試驗，考察器件（jiàn）的可靠性。該試驗箱實現了操作人機界麵化，具（jù）有功能全麵、操作簡單直觀、運行成本低等特點。　　2.1設備組成（chéng）試驗設（shè）備包括高真空艙（cāng）體、真空的獲得和保障（zhàng）係統、低溫製冷係統（tǒng）、高溫加熱係統、數據采集和顯示控製係統及冷卻水、氣源等（děng）輔助係統等6部分組成。　　準600mmx700mm；設備極限壓力：小於5xPa；工作壓力：小於1.3xPa；溫度範圍：-65T~+150T；升降溫速率：在-55T~+125T範圍內，空載時平均升（shēng）降溫速率2T/min. 3技術方案3.1真空艙體的設計本試驗設備真（zhēn）空（kōng）度指（zhǐ）標高，其真空艙體及（jí）內部結構件（jiàn）所用的材料應滿（mǎn）足一般真空的要求，即（jí）氣密性好、工（gōng）作溫度（dù）下的飽和蒸汽壓低、內部含氣量及（jí）表麵吸氣量盡量少、化學及熱穩定性好、機械強度好等，除此以外，還要滿足高真空的要求，即：烘烤溫度下材料不喪失其機械性能；烘烤溫度下（xià）材料蒸汽壓低（dī）、滲透率低、加熱不變形、表麵易拋光等。　　綜上所述，我們選用0Cr18Ni9不鏽鋼作為（wéi）真空（kōng）艙體及內部結構件（jiàn）的用材（cái），並對其內壁進行了光處理。觀察窗（chuāng）采用石英玻璃，密封圈采用耐烘烤及放氣（qì）率低的氟橡膠。　　真空筒體內徑準（zhǔn）800mm，直段長（zhǎng）800mm；對於筒形殼體，當外壓為P時（shí），由（yóu）穩定性條件，壁厚5按下式計算：其中：Et-材料溫度（dù）為t時的彈性（xìng）模量，MPa；-筒體計算長度，m，-壁厚附加量（liàng）；筒體內徑（jìng），m；P-真空容器外壓力，MPa.根據計算結果取5=5mm.選用0Cr18Ni9不鏽鋼（gāng）材料製造。　　真空艙體組成結構真（zhēn）空艙體包括真空筒體、大門、熱沉、輻射屏、試件平台等。真空艙體為圓筒臥式結構，大門和尾部均為蝶形封頭結構，整體置於馬鞍式支撐結（jié）構上。真空艙（cāng）體（tǐ）上分別設置多個（gè）接口法蘭（lán），用於安裝真空泵、測量、冷熱媒介質循環等接口（kǒu）。真空艙體內安裝熱沉、輻射屏、試件平台等部件（如）。　　真空筒（tǒng）體由直段部分和封頭焊接而成，內裝輻射屏、熱沉及試件平台。大（dà）門由法蘭和封頭焊接（jiē）而成。大門（mén）通過具有腰形槽的不鏽鋼（gāng）鉸鏈與筒體法蘭相連（lián）接。大門與筒體間采用O型氟橡（xiàng）膠密封圈密封，用3個活動C形卡鉗（qián）鎖緊裝置提供密（mì）封圈的預緊力。在大門（mén）封頭上安裝輻射屏及熱沉，此熱沉的冷熱媒管道通過軟管與（yǔ）真空筒體熱沉相連。　　熱沉主要由筒體熱沉和大門熱沉組成，其作用是模（mó）工作活塞靠自重（chóng）向下運動擬宇宙空（kōng）間的冷（lěng）黑環境。熱沉材料為紫（zǐ）銅板（bǎn）和紫銅管（guǎn），紫銅（tóng）管盤繞於紫銅板卷成的筒體上。紫銅管的兩側采用銅釺焊方式，一為固（gù）定管道（dào），二為增加（jiā）導熱麵積。熱沉內表麵塗專用航空黑（hēi）漆來增加發射率。熱沉底部設置滾輪置於真空筒體內導軌上，便於抽出維（wéi）護（hù）。　　試件平（píng）台由紫銅板製造，支撐係統選用不鏽鋼材料，安裝在真空艙體內設置的支撐結構上（shàng）。　　32真空係統的設計3.2.1管路設計真空係統（tǒng）的（de）性能參數主要（yào）是其所（suǒ）能獲（huò）得（dé）的極限真空度和對容器的有效抽速。真空係統對容器的有效（xiào）抽（chōu）速取決於（yú）真空（kōng）泵的（de）抽速（sù），以及真空（kōng）係統管路對（duì）氣體（tǐ）的導通性能，即流導。根據流（liú）量的定義有（1）泵口壓力為P2，泵的抽（chōu）速（sù）為Sp，泵抽走的氣流量為Q=SpP2（2）管道入口壓力為（wéi）A，有效抽速為S，通過管道入口的別（bié）為管路的入（rù）口壓力和出口壓力；表示真空係統對（duì）容器的有效抽（chōu）速。　　在動態平衡時，流（liú）經任意（yì）截麵的氣體流量相等，由式從式（4）和（5）可知，如果（guǒ）管路的流導U很大，即U遠大於泵的抽（chōu）速Sp，則S=SP，此時有效抽速S隻受泵的限製。若U遠小於泵的抽速Sp，」SU，此時有效抽速就受到管道流導的限製。根據圓形管道的流道公式知道，流道U與管道直徑的多次方成正比（bǐ），與長（zhǎng）度（dù）成（chéng）反比（bǐ）。由此可見，要提（tí）高泵的（de）有效抽速，必須使管道（dào）的流導盡可能增大（dà），真空管路應（yīng）該做得短而粗。　　3.2.2真空泵的選擇真空係統選取主泵的主要依據是：空載時真空（kōng）室所需要達到的極限（xiàn）真空度根（gēn）據真空室所需要的極限真空確定主泵的類型。通常選取主泵的極限真（zhēn）空要比（bǐ）真空室所需要的極限真空高半個（gè）到一個數量級。　　真空室進行試驗時所需要的工作（zuò）壓力工作壓力要保證在主泵的佳（jiā）抽速壓力範圍（wéi）內。所需要的主（zhǔ）泵（bèng）抽（chōu）速由試驗過程中放出的氣體量、係統漏氣量及所需要的工作壓力來確定。　　O）被抽氣體種類（lèi）、成分以及含灰塵雜質情況（kuàng）真空室對汙染程度的要（yào）求投資及運行經濟指標根據上述原則，經過計算（suàn），結合造價考慮，選取（qǔ）抽速S=5000L/s的（de）萬瑞冷電科技有（yǒu）限公司生產（chǎn）的CP300型（xíng）低（dī）溫泵作為本（běn）係統的主（zhǔ）抽泵，配備（bèi）一台國產（chǎn）FF-2500/1600型（xíng）分子泵作為輔助泵，實現高真空的獲得和保障。用一台萊寶D30C真空泵作為分子（zǐ）泵的前級泵和真空艙體的粗抽泵，同時兼做低溫泵的預抽泵。萊寶D30C真空泵與前級（jí）泵以及和（hé）真空艙體的連接管道均用不鏽鋼波紋管（guǎn），既可吸收振動，又便於裝卸。　　33高低溫實現方式（shì）及流程設計高溫的實現。高溫加熱係統采用艙外給高溫（wēn）導熱（rè）油（yóu）加熱，高溫導熱油通過熱油驅動泵輸送（sòng）至艙內熱沉，從而實現對熱沉進行加（jiā）熱升（shēng）溫的目的。此種方（fāng）式不同於以往的用可控矽晶閘管電源給（gěi）艙體內加熱龍加熱（rè）升溫方式，其特點是成本低、加熱裝置易於維修。加熱（rè）係統由高溫導熱油加熱保溫槽、不鏽鋼（gāng）加熱管、管道、閥門（mén）、熱油驅動（dòng）泵等組成。　　低溫的實現。要實現-65C的低溫，的製冷（lěng）方式（shì）就（jiù）是製（zhì）冷效率高又經濟的蒸汽壓縮複疊製冷方式。通過熱負荷的計算，選取了德國穀輪半封閉壓縮機及進口高效釺焊板式換熱器等進口製冷配件，設（shè）計加工了冷（lěng）卻冷媒酒精的翅片管式換熱器等製冷部件。其工作原理（lǐ）是：高溫級製冷劑R404A經過高溫級壓縮機壓縮後（hòu）變成高溫高壓的製冷劑蒸（zhēng）汽，製冷劑蒸（zhēng）汽在冷（lěng）凝器中被冷凝成液體，液（yè）體經過膨脹閥後在冷凝蒸發器中膨（péng）脹吸熱，冷卻來自低溫級壓縮機的高（gāo）溫高壓的製冷劑蒸汽R23，在冷凝蒸發器中R23被冷凝成液體，此（cǐ）液體經過膨脹閥膨脹後在（zài）蒸發器中吸熱（rè）製冷，從而達到降（jiàng）溫（wēn）的目的。本（běn）係統中蒸發器放置在酒精槽內，製冷劑在蒸發器中蒸發吸熱使槽（cáo）內的酒精冷卻（què）降溫。低溫酒精再由磁力驅動泵送入試（shì）驗箱內熱沉中對熱（rè）沉進行冷卻降溫（wēn）。　　流程（chéng）設計。對熱（rè）真空試驗箱來講，溫（wēn）度實現方案的製（zhì）定是一個（gè）非常重要的環節，它直接影響到整個係（xì）統的結構、成本（běn）和控製等方麵。本高低溫係統創新地引入了冷卻水、酒精、導熱油、熱風等元素，經（jīng）過（guò）合理組織實（shí）現了高低溫升降溫（wēn）循環試驗功能。降（jiàng）溫循環流程的工作原（yuán）理是：當試驗箱從（cóng）高溫試驗（yàn）轉到低溫試驗時，從熱油驅動（dòng）泵出來（lái）的高溫導熱（rè）油經過換熱器被冷卻水冷卻，溫度逐漸下降（jiàng），當導熱油溫度降到某一溫度點（diǎn）時（熱沉溫度同時下降）關閉冷卻水、熱油驅動泵以及熱油供給閥門，停止熱沉的熱油循環。同時啟動磁力驅動泵、酒精供給閥門，將（jiāng）經過預（yù）冷的低溫酒精輸送到熱沉開始（shǐ）酒精循環，熱沉溫（wēn）度繼續下降，直到設（shè）定的低溫試驗溫度。升（shēng）溫循（xún）環（huán）流程（chéng）的溫度、真（zhēn）空度試驗曲線工作原理是：當（dāng）試驗（yàn）箱從（cóng）低溫試驗轉到高溫試（shì）驗時，從試驗箱熱沉（chén）出來的低溫酒精經過換熱器（qì）被高溫（wēn）熱風加熱，溫度不斷升高，當酒精溫度升（shēng）高到某一溫度點後（熱沉溫（wēn）度同（tóng）時（shí）升高），熱風發生器停止（zhǐ）工作、關閉（bì）磁力驅動泵和酒精供給閥門（mén），停止熱沉的酒精循環。同時啟（qǐ）動熱油驅動泵、熱油供給閥門，將經過預熱的導（dǎo）熱油輸送到熱沉開始熱油循環，熱沉溫度不斷升高，直到設定的高溫試驗溫度。如此往複，實現高溫和低（dī）溫的溫（wēn）度循環試驗（見）。　　3.4控製係統設計本控製係統分為就地控製和遠程控製（zhì）兩種方式。采用溫度模塊和模擬量模塊檢測設備的真空度和溫度信號，然（rán）後通過PLC的控製，進行相應的泵閥啟停、製冷機的啟停和加熱器的開（kāi）關控製等（děng）。　　就地控製（zhì）可以在控製櫃麵板上進行手動操作，按動（dòng）相（xiàng）應控製（zhì）按（àn）鈕，控製各類真空閥門、機械泵（bèng）、分子泵、低溫泵的啟閉，製（zhì）冷和加熱的（de）啟停。　　遠程控製方式與就地控製基（jī）本相符，主要是對試驗設備進行（háng）遠程自動控製（zhì）。控製係統（tǒng）的核心部件采用SIEMENS公司S係（xì）列可編程控製器。上位機（jī）采用SIEMENS公司WINCC組態軟件，實現中（zhōng）文對話界麵。整個控（kòng）製係統自動化程（chéng）度高如果企業的銷（xiāo）售不順暢，可靠性高。在上位機顯示界麵（miàn）上可直（zhí）接啟停各級真空泵、真空（kōng）閥門、製冷和加熱（rè）係（xì）統等；米集（jí）顯示酒精槽內酒精溫度、導熱油槽內導熱油溫度、試驗箱內熱沉不同部位溫度、試件平台溫度（dù）以及試件溫度（dù）等，及時（shí）地反映出試（shì）驗設備各個（gè）部件的運行情況，實現設備運行狀態、故障和報警信息的（de）顯示，試（shì）驗數據的記（jì）錄、存儲、以及打（dǎ）印等功能（néng）。　　本試驗設備在中國電科（kē）某研究所進行了某批次產（chǎn）品的實際（jì）帶載測試，依據標準（zhǔn）GB1027A- 2005運載器（qì）、上麵級、航天器試驗要求及GB2438A混合（hé）集成電（diàn）路通用（yòng）規範。　　試（shì）驗要求：試驗（yàn）壓力（lì）不高於1.3xPa，試驗溫度及保持時間：低溫2h，高溫6h循環次數3次。　　空度達到了7.0xPa，高溫125C時真（zhēn）空度好能達到2.1x104Pa，溫度控製精度優於（yú）1C.如所示（shì）。　　5結論本試驗設備在高低溫循環中設計了內外（wài）循環方式，高溫熱媒和低溫冷媒都可以根（gēn）據試驗的需要進行預熱和預冷，使降溫和升溫速（sù）率加快（kuài）。低溫循環中製（zhì）冷劑不進入（rù）試驗箱，製冷劑的（de）回路行（háng）程（chéng）短，蒸汽壓力損失小，有（yǒu）利於壓縮機係統的穩定（dìng）運行。同時，壓縮機製冷係統的維護也變得較為方便。同樣，高溫加熱裝（zhuāng）置的維護也很便捷（jié）。　　在高低（dī）溫工作流程設計方麵，創新地引入了冷卻水、酒精、導熱油、熱風等元素，為熱真空試驗設（shè）備的設計提供（gòng）了一個新的選擇手段。該流程優點是造價低、運行成本低、維護方便，缺（quē）點是（shì）係統複雜。另外，酒精（jīng）乃易燃物質，需充分做好（hǎo）安全防範措施。　　本熱真空試驗設備通過實際工作證明其設計（jì）合理、性能優良、滿（mǎn）足用戶使用要求。　　楊世銘，陶（táo）文銓。傳熱學（xué）。北京：高等教育出6、實驗（yàn）終了後,請關閉電源版社，1998.達道安。真空設計手冊。北（běi）京（jīng）：國防工業出版社，1991.吳業正，韓寶琦。製冷原理及設備。西安（ān）：西安（ān）交通大學出版馬慶芳。實用熱物理性質（zhì）手冊。北京（jīng）：中國農業出版社（shè），1986.黃本誠，馬有禮。航（háng）天器空（kōng）間環（huán）境（jìng）試驗技術。北京：國防工業（yè）驗設備的（de）研發工作。