一种强化光热效应的自然环境加速试验装置及其使用方法与流程

本发明属于自然环境加速试验领域，涉及一种强化光热效应的自然环境加速试验装置及其使用方法。

背景技术：

军工、公共服务等领域的长寿命产品不但需要性能/功能优越，还需要具有优异的长期贮存性能和长期可靠工作的能力，即它们应具有较好的环境适应性。为了提高长寿命产品的环境适应性，增加其耐严酷环境影响的能力，这类产品的研制、生产等单位均会采用一系列试验手段来合理评估其真实的贮存寿命和对环境的敏感性。其目的是通过试验发现影响产品贮存寿命和环境适应能力的薄弱环节，并加以改进，进而提高产品的环境适应性。

在产品环境适应性试验领域，虽然从典型、严酷环境下的常规自然环境试验中获得的试验结果能够真实地反映产品薄弱环节在实际使用过程中的耐环境能力，但对于长达10年或更长寿命要求的产品来说，常规自然环境试验周期难以满足研制、试验和快速评价的要求。而实验室内环境加速试验，由于施加的环境应力有限，获得的试验结果与实际使用过程中的情况等效性尚无法准确评估。此外，针对大部分产品在实际使用过程中主要受环境温度作用的特点，提出了全黑箱自然加速试验装置，但是该类装置的辐射热效应强化倍率不够且加速倍率低，加速倍率仅3倍左右，用于开展含能材料自然加速试验过程中的安全性能差。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种光热效应强化效果好、试验加速倍率高、安全性能好的自然环境加速试验装置。

本发明的目的是采用如下所述技术方案实现的。

一种强化光热效应的自然环境加速试验装置，包括试验箱和设置于试验箱内的温湿度传感器，试验箱设置于太阳跟踪设备上，太阳跟踪设备连接控制器，控制器控制太阳跟踪设备动作以实现太阳高度角和方位角的跟踪，使试验箱顶部始终与太阳光线垂直；

试验箱包括箱体和设置于箱体顶部的箱盖，在箱体上设置有内循环风系统和外循环风系统，在箱体侧壁和底板设置有保温隔热层，在箱盖外表面设置有黑色底漆层，在黑色底漆层表面设置有太阳能吸热涂层；

太阳跟踪设备包括底座，在底座上设置有水平转动部，水平转动部连接翻转部，翻转部连接箱体支撑架，试验箱位于箱体支撑架上；水平转动部驱动翻转部、箱体支撑架和试验箱在水平方向同步转动以跟踪太阳方位角，翻转部驱动箱体支撑架和试验箱同步翻转以跟踪太阳高度角。

其中，水平转动部包括直流减速电机，直流减速电机连接蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构连接斜撑组件，控制器连接第一绝对值编码器，第一绝对值编码器连接蜗轮蜗杆传动机构并用于获取箱体支撑架的水平转动角度；翻转部包括连接斜撑组件和箱体支撑架的转动组件，连接在箱体支撑架上的电动推杆，电动推杆推动箱体支撑架绕着转动组件翻转，控制器连接第二绝对值编码器，第二绝对值编码器连接转动组件并用于获取箱体支撑架的翻转角度。

作为优选，箱盖采用壁厚为1-2mm的铝合金板或不锈钢板，在箱盖外表面设置有带金属粉末的黑色底漆层，如带有铝粉末和/或锌粉末的黑色底漆层，在黑色底漆层表面设置有黑色亚光太阳能吸热涂层，如含纳米尖晶石吸光剂的黑色亚光涂层或含其它吸光剂的黑色亚光涂层，箱盖内表面仅作防腐处理。这样的结构既能够保证漆膜附着力，又能够提高热传导能力，还能够增强光热转换效率。

作为优选，内循环风系统包括位于箱体外壁的电机，电机连接位于箱体内部的风帘风叶，在风帘风叶上部设置有内循环风道；外循环风系统包括位于箱体外壁的离心风机和波纹软管，波纹软管一端连接离心风机、另一端连通箱体内腔。

进一步地，在箱体内腔设置有弹簧式泄压阀，当箱体内腔与箱体外部的压差超过10%时，弹簧式泄压阀自动开启；作为优选，在试验箱内的试验区域四角处各设置一弹簧式泄压阀。

作为优选，温湿度传感器分三组布置在试验箱内的试验区域，第一组布置于离箱盖内壁75mm处的位置，第二组布置于试验区域的几何中心，第三组布置于离箱体底壁75mm处的位置。

作为优选，第一绝对值编码器、第二绝对值编码器均采用4096线绝对值编码器，直流减速电机采用dc24v直流减速电机，蜗轮蜗杆传动机构采用60倍变比涡轮蜗杆，电动推杆的推力为5kn、行程为1m。

作为优选，水平转动部的转动角度区间为0-180°，翻转部的翻转角度区间为0-90°。

本发明的目的之二在于提供上述强化光热效应的自然环境加速试验装置的使用方法，其步骤包括：

步骤1：测试所述试验装置的接地电阻，确保接地电阻小于4欧姆；

步骤2：将试验样品放置于试验箱内的试验区域，试验样品与试验箱内壁的距离不小于75mm,相邻样品间距不小于75mm，关闭并密封箱盖；

步骤3：启动太阳跟踪设备，使试验箱的箱盖外表面始终与太阳光垂直；

步骤4：实时采集试验箱内的温湿度数据，并与预设的温湿度均匀性数据相比较，当任意两点的温湿度差值大于设定值时，启动内循环风机系统，直至试验箱内温度均匀性达到试验要求；当任意一点的温度超过预设的最高温度值时，通过离焦控制或启动外循环风系统的方式降低试验箱内温度，直至试验箱内的试验条件达到试验要求；

步骤5：夜间，试验箱转至水平状态，停止太阳跟踪，内循环风系统、外循环风系统根据试验条件开启或停止。

作为优选，离焦控制步骤包括:停止太阳跟踪设备水平转动，使试验箱在俯仰方向回转20°。

有益效果：本发明将试验箱设置于太阳跟踪底座上，并使试验箱箱盖始终与太阳光线垂直，不仅能够有效提高试验箱内试验区的升温速率和最大温升量值，使辐射热效应强化效果更好、试验加速倍率更高，而且能够确保环境试验结果的准确性，节约用电，降低能耗；本发明试验装置的箱盖采用黑色金属底漆和太阳能吸热面漆组合涂覆，再结合箱体侧壁和底板的保温层结构，充分利用了材料和结构的物理特性对太阳光热效应进行强化，增加了试验箱内试验区高温段时长，提高了温度稳定性；本发明试验装置的试验区域内无电气设备，且试验装置采用小于4欧姆的整体接地方式，能够有效地防止试验装置因漏电和静电火花引起的燃爆危险，安全性好，适用于开展含能材料的环境加速试验；本发明试验装置根据实时温湿度数据控制内循环风系统启停，既保证了试验区的温湿度均匀性，又提高了内循环风系统的工作效率，有效提升了内循环风系统工作寿命；本发明试验装置设计与制造难度小，使用成本低，试验效果好，易于实施。

附图说明

图1是实施例中试验装置的示意图；

图2是图1中试验装置的太阳跟踪设备示意图；

图3是图1中试验装置的试验箱体示意图一；

图4是图1中试验装置的试验箱体示意图二；

图5是图1中试验装置的内循环风道示意图；

图6是图1中试验装置的温湿度传感器安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些非本质的改进和调整，均在本发明保护范围内。

实施例1

一种强化光热效应的自然环境加速试验装置，如图1所示，包括试验箱1和设置于试验箱1内的温湿度传感器2，试验箱1设置于太阳跟踪设备上，太阳跟踪设备连接控制器，控制器控制太阳跟踪设备动作以实现太阳高度角和方位角的跟踪，使试验箱1顶部始终与太阳光线垂直；

如图3和图4所示，试验箱1规格为1.8m×1.2m×0.75m，包括箱体101和设置于箱体101顶部的箱盖102，箱体101与箱盖102的连接部位安装有硅橡胶密封条,在箱体101上设置有内循环风系统和外循环风系统，在箱体101侧壁和底板设置有保温隔热层，在箱盖102外表面设置有黑色底漆层，在黑色底漆层表面设置有太阳能吸热涂层；

其中，箱体101采用夹层结构，外层为1.5mm厚的不锈钢板，内层为1mm厚的不锈钢板，夹层作为保温隔热层，夹层厚150mm，夹层采用聚氨酯发泡处理；

如图2所示，太阳跟踪设备包括底座3，在底座3上设置有水平转动部，水平转动部连接翻转部，翻转部连接箱体支撑架4，箱体支撑架4由50槽铝型材焊接而成，表面阳极氧化后喷塑处理，试验箱1固定安装在箱体支撑架4上；水平转动部驱动翻转部、箱体支撑架4和试验箱1在水平方向同步转动以跟踪太阳方位角，翻转部驱动箱体支撑架4和试验箱1同步翻转以跟踪太阳高度角。

其中，如图2所示，水平转动部包括直流减速电机，直流减速电机连接蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构连接斜撑组件5，斜撑组件5由50槽铝型材焊接而成，控制器连接第一绝对值编码器14，第一绝对值编码器14连接蜗轮蜗杆传动机构并用于获取箱体支撑架4的水平转动角度；翻转部包括连接斜撑组件5和箱体支撑架4的转动组件6，连接在箱体支撑架4上的电动推杆7，电动推杆7推动箱体支撑架4绕着转动组件6翻转，控制器连接第二绝对值编码器15，第二绝对值编码器15连接转动组件6并用于获取箱体支撑架4的翻转角度。

其中，控制器包括安装在斜撑组件5侧方的电气柜16，电气柜16安装有八路温湿度采集模块、两路220v交流电机驱动模块、两路24v直流电机驱动模块、一个跟踪太阳控制模块和相应的供电模块。

其中，箱盖102采用壁厚为1-2mm的铝合金板或不锈钢板，在箱盖102外表面设置有带金属粉末的黑色底漆层，在黑色底漆层表面设置有黑色亚光太阳能吸热涂层，箱盖102内表面仅作防腐处理，如阳极氧化或钝化，颜色为白色或银色。具体地，箱盖102采用壁厚为1.5mm的不锈钢板，整体钝化处理，外表面底层喷涂黑色铝粉底漆，面层喷涂黑色亚光的太阳能吸热涂层。这样的结构既能够保证漆膜附着力，又能够提高热传导能力，还能够增强光热转换效率。

其中，如图3、图4和图5所示，内循环风系统包括位于箱体101外壁的电机8，电机8连接位于箱体101内部的风帘风叶9，风帘风叶9规格为φ150mm、长度1300mm，由箱体101外壁一台375w的电机8驱动，在风帘风叶9上部设置有内循环风道10，内循环风道10的进风口规格为1.5m×0.15m、出风口规格为1.5m×0.05m，内循环风道10的高度为0.85m、深度为0.20m，工作时，箱体102内空气从风道下端吸入，上端吹出，实现箱体102内空气内循环；外循环风系统包括位于箱体101外壁的离心风机11和波纹软管12，波纹软管12一端连接离心风机11、另一端连通箱体101内腔，当需要通风时，由离心风机11将自然环境中的低温空气鼓入箱体内102内的试验区域。

其中，如图3所示，箱体101内腔设置有四个弹簧式泄压阀13，分别在试验箱1内的试验区域四角处各布置一个，当箱体101内腔与箱体101外部的压差超过10%时，弹簧式泄压阀13自动开启排气泄压。

其中，如图6所示，温湿度传感器2分三组布置在试验箱1内的试验区域，第一组布置于离箱盖102内壁75mm处的位置，第二组布置于试验区域的几何中心，第三组布置于离箱体101底壁75mm处的位置。

其中，第一绝对值编码器14、第二绝对值编码器15均采用4096线绝对值编码器，直流减速电机采用dc24v直流减速电机，蜗轮蜗杆传动机构采用60倍变比涡轮蜗杆，电动推杆7的推力为5kn、行程为1m。

本实施例中，水平转动部的转动角度区间为0-180°，翻转部的翻转角度区间为0-90°，可自水平状态转至竖直向下的状态。

实施例2

实施例1中强化光热效应的自然环境加速试验装置的使用方法，步骤包括：

步骤1：测试试验装置的接地电阻，采用整体接地方式，确保接地电阻小于4欧姆；

步骤2：将试验样品放置于试验箱1内的试验区域，试验样品与试验箱1内壁的距离不小于75mm,相邻样品间距不小于75mm，关闭并密封箱盖102，同时需要确保箱体101与箱体支撑架4固定牢固；

步骤3：启动太阳跟踪设备，使试验箱1的箱盖102外表面始终与太阳光垂直；

步骤4：实时采集试验箱1内的温湿度数据，并与预设的温湿度均匀性数据相比较，当任意两点的温湿度差值大于设定值时，启动内循环风机系统，直至试验箱1内温度均匀性达到试验要求；当任意一点的温度超过预设的最高温度值时，通过离焦控制或启动外循环风系统的方式降低试验箱1内温度，直至试验箱1内的试验条件达到试验要求；

步骤5：夜间，试验箱1转至水平状态，停止太阳跟踪，内循环风系统、外循环风系统根据试验条件开启或停止。

其中，离焦控制步骤包括:停止太阳跟踪设备水平转动，使试验箱1在俯仰方向回转20°。

实施例3

采用实施例1中的试验装置，按照实施例2的使用方法在海南万宁环境试验站开展丁晴橡胶密封圈的自然环境加速试验。

丁晴橡胶密封圈采用压缩工装压缩25%，并将压缩工装和丁晴橡胶密封圈一同放置于试验箱的试验区域。设定试验区域最高温度为90℃，温度均匀性小于3℃，试验过程中记录试验区域的温度。

试验结果：试验区域平均温度约为46.9℃，与该地区年平均温度相比，试验装置将试验温度强化了22.3℃，试验区域最高温度为90℃，相对于该地区最高自然温度强化了50℃以上；试验开展1年后，取样测试丁晴橡胶密封圈的高度，计算其压缩永久变形率为42.6%，其与库房贮存1年后的丁晴橡胶密封圈压缩永久变形率5.2%相比，其加速倍率提高了8.2倍，即采用本发明试验装置开展丁晴橡胶密封圈环境加速试验的加速倍率提高了8.2倍。

实施方案中，将试验箱1设置于太阳跟踪设备上，并使试验箱箱盖102始终与太阳光线垂直，不仅能够有效提高试验箱1内试验区的升温速率和最大温升量值，使辐射热效应强化效果更好、试验加速倍率更高，而且能够确保环境试验结果的准确性，节约用电，降低能耗；试验装置的箱盖102采用黑色金属底漆和太阳能吸热面漆组合涂覆，再结合箱体101侧壁和底板的保温层结构，充分利用了材料和结构的物理特性对太阳光热效应进行强化，增加了试验箱1内试验区高温段时长，提高了温度稳定性；试验装置的试验区域内无电气设备，且试验装置采用小于4欧姆的整体接地方式，能够有效地防止试验装置因漏电和静电火花引起的燃爆危险，安全性好，适用于开展含能材料的环境加速试验；试验装置根据实时温湿度数据控制内循环风机系统启停，既保证了试验区的温湿度均匀性，又提高了内循环风机系统的工作效率，有效提升了内循环风机系统工作寿命；整台试验装置设计与制造难度小，使用成本低，试验效果好，易于实施。