王云開++夏遠哲++李健

摘 要：低壓環(huán)境艙用于模擬不同溫度、濕度下低壓環(huán)境，要求壓力滿足GJB要求，對壓力的穩(wěn)定性、升降速率都有一定的要求。該文針對0～5 000 m海拔要求，設計了真空系統(tǒng)和復壓系統(tǒng)，較好地完成了低溫低壓環(huán)境艙對壓力的要求。

關鍵詞：低壓環(huán)境艙 壓力系統(tǒng) 真空系統(tǒng) 復壓系統(tǒng)

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0028-02

我國地域遼闊，環(huán)境情況多樣，是車輛使用環(huán)境復雜的國家之一，特別是高原地區(qū)海拔最高、面積最大。眾所周知，高原海拔高、空氣稀薄、晝夜溫差大、氣候多變、紫外線強、地貌復雜等特點。為了提高產品的開發(fā)進度，減少開發(fā)費用，在高原實際環(huán)境試驗之前，一般在人為模擬的高溫、高濕、低壓、低溫環(huán)境下進行試驗研究。低氣壓環(huán)境倉是一個密封低壓艙，一般包括溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、新風系統(tǒng)、保護監(jiān)控系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、艙體、熱交換系統(tǒng)等。其中壓力的實現是由壓力控制系統(tǒng)實現的。在控制系統(tǒng)的控制下，真空泵用于負壓的建立，通過變頻器改變真空泵的轉速，實現不同的抽氣速度，實現不同壓力的建立和保持。

1 壓力控制系統(tǒng)設計

高低壓環(huán)境艙設計參數如下。

模擬環(huán)境箱模擬海拔高度變化范圍在當地海拔高度0～5 000 m之間，因此壓力系統(tǒng)只有真空系統(tǒng)一個部分，真空系統(tǒng)用于模擬高海拔狀態(tài)下對應的真空度，同時要保證升降壓速率要求。壓力系統(tǒng)主要由真空泵組、電動調節(jié)閥、電動閥組、傳感器、截止閥等組成。壓力系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 真空系統(tǒng)設計

真空系統(tǒng)用來實現低氣壓、高低溫、高濕環(huán)境箱所需的低氣壓環(huán)境，系統(tǒng)由真空機組、閥件及其他附屬設備組成。壓力控制子系統(tǒng)原理如下。

在不同的流動狀態(tài)下，管道中的氣體流量和導氣能力計算方法不同，由于在真空抽氣過程中湍流的出現時間較短，常常不加以單獨考慮，而是將其歸入粘滯流態(tài)。其他流動狀態(tài)的判別可用克努曾數λ/d 或管道中平均壓力p與幾何尺寸d的乘積pd作為判據。

當粘滯流滿足λ/d<1/100的條件時，pd>1 Pa·m；當中間流滿足1/100<λ/d<1/3的條件時，0.03 Pa·m

根據以上分析，環(huán)境箱真空系統(tǒng)在常用工作高度內，主要為粘滯流，因此，系統(tǒng)設計中流導按粘滯流進行計算。

環(huán)境箱為單室試驗設備，其有效容積約為10 m3，最大工作高度5 000 m（54.0 kPa），高度升降速率按5 m/s計，則箱內海拔高度由當地（按101 kPa）升至5 000 m所需時間最少為1 000 s。

在真空泵的選型計算：

式中：s為泵的計算抽速（m3/h）；V為箱體的最大箱容（L）；t為高度上升時間（s）；P1為箱體初始壓力（kPa）；P2為箱體最終壓力（kPa）。

一般情況下，泵的名義抽速取泵計算抽速的1.3倍。

式中：S名為指泵的名義抽速（m3/h）；S為指泵計算抽速 （m3/h）。

即按最大上升速率計算所需真空泵的名義抽速為25 m3/h。

3 復壓系統(tǒng)設計

需要恢復壓力時，中央控制器按最終壓力目標或升壓速率自動調節(jié)真空泵的開啟或高真空閥的開閉時間，以達到所需升壓速率或最終壓力。具體計算如下。

低氣壓、高低溫、高濕環(huán)境箱需下降高度時，依靠向艙內補充常壓空氣實現，因復壓速率為182.6 kPa/h，環(huán)境箱高度為 54 kPa，高度恢復100 kPa的時間為30 min。

在艙內絕對壓力為54 kPa，要使艙內壓力升至100 kPa，即將艙室內空氣轉換為常壓狀態(tài)，假設在此過程中忽略溫度變化的影響，根據理想氣體定律有：P1V1= P2V2，則變化后的空氣量為：

式中：P1為初始壓力；P2為終始壓力；V1為變化前容積（m3）；V2為標準狀態(tài)下艙內氣體的容積（m3）。

則需要補充的新風量=9.36-4.99= 4.37m3，因艙室高度（海拔）下降到當地海拔高度的時間為30 min=0.5 h，則新風流量為4.37/0.5 =8.74 m3/h。為保證系統(tǒng)具有良好的可調節(jié)性能（實現不同的降壓速率），因此系統(tǒng)設置電動調節(jié)閥進行流量調節(jié)（見表1）。

在新風補充的過程中，艙內壓力是不斷變化的，初始時可資用壓力（管道兩端壓差）遠大于空氣流動所需的動壓，此時流速高于計算流速，實際的風量大于設計流量。因此計算結果完全可以滿足下降速率的要求。

4 結語

該低壓環(huán)境艙實現了海拔高度變化范圍為0～5 000 m（54.0 kPa），高度控制精度為±3 kPa（3%～4%）；高度升、降速率≤5 m/s。較好地滿足了GJB150A中試驗的要求。

參考文獻

[1]達道安.真空設計手冊[M].國防工業(yè)出版社，2014.

[2]施振球，趙廷元.動力管道手冊[M].機械工業(yè)出版社，1997.