环境加速试验的条件.doc

环境加速试验的条件
1  摘  要
当前，人们已经用寿命过程的物理模拟技术为产品的环境加速试验条件建立了战略与战术基
础。这些条件使产品能快速获得精确的信息来实行可靠性评价与预计、技术开发以及费用划
算和富于竞争的销售。
2  引  言
环境应力试验可用作独立种类的应力试验，也可用作可靠性试验的组成部分。在第二种情况
下，它还可以与加速可靠性试验的其它部分(机械、电气等)一起使用。
不过，环境加速试验没有用得太频繁。因为试验室条件所获得的结果通常与现场试验结果不
对应。用包括环境试验在内的普通加速试验方法获得的信息通常不能很精确地用于可靠性评
价与预计，以及用于减少产品的研制时间和费用、解决其它可靠性问题。
在试验室中，环境试验通常只得到一小部分好处，而并不是环境加速试验所能获得的最大好
处。
试验箱中的模拟是现场环境对自然产品影响的物理模拟。
环境的物理模拟可在各种标准试验箱中再生：1)冷；2)热；3)冷和热；4)气候箱(冷、热和
潮湿)；5)热冲击；6)冷、热与振动；7)盐雾；8)压力(压缩箱)；9)冷、热与压力；10)太阳
辐射与腐蚀(热与有害气体)等等。
如果需要，人们可以使用非标准试验箱。
3  环境加速试验评价条件的策略
本文所述的环境加速试验方法是以试验室的模拟原理为依据的：温度(包括温度变化)、湿度
、污染、辐射、空气、水或气压、输入电压、雨水、雪和风等等。模拟影响的种类要看试样
受到的现场影响的种类而定。上述环境条件对产品影响的结果包括：金属腐蚀、聚合物、橡
胶和木材遭受破坏，润滑油和油漆的防护效果减弱等等。这些结果会导致产品质量(强度、
耐磨性、易修性、失效、可靠性等)下降。
为模拟而获得现场环境对产品影响和精确信息的原理如下：
1)在实际使用中，产品受到完整组合的环境因素的影响。
2)这些环境因素是互相联系的。
3)产品所受到的作用是环境因素相互作用的结果。
4)产品所受作用的结果(失效数，可靠性)是对环境因素组合的累积反应。
现场工作条件下环境条件的作用可用试验箱——环境加速试验设备来作物理模拟。
不过，人们千万不要忘记上述原理，以便模拟之后为可靠性问题的解决而获得精确的信息。

这种作用可用所需量度的标准来确定。例如：
C／L，D／L，G／L，P／L
其中，
C为腐蚀量度
D为聚合物、橡胶、木材等的毁坏量度
G为润滑油和油漆的老化量度
P为强度下降量度
L为等效于受工作条件影响的年数的数值。
在试验箱中，环境因素的强度可以加大，试验室的环境数据与现场环境数据之比可加以测定
。
各种试验箱可进行调整，以便与国际标准或国家标准相对应。
为了精确地评价加速试验的环境条件，试验箱中的模拟条件应等效于自然条件。但实际上这
两种条件是有差别的。如果产品在工作条件下所受影响与试验室中所受影响相差不超过一个
固定极限，那么，试验箱中受影响的结果就与现场的结果相对应。现场中的失效数与试验获
得的相差不超过一个预测值。
本策略最重要的方面是求出环境加速试验的最佳条件。
首先，必须考虑两个基本问题。第一，试验箱不能模拟与现场相同的过程，它们只能模拟这
些过程的基本特性：
AB 其中，
“A”为现场中特性影响的组合(湿度，温度，污染等等)；
“B”为试验箱中特性影响的组合。
第二个问题是试验箱模拟现场环境影响所允许的误差值。
试验箱中状态与现场的适配性可用下列方法来确定：
根据假定的偏差，得出：
(C／L)n－(C／L)s］≤Δ1；
［(P／L)n－(P／L)s］≤Δ2；
［(G／L)n－(G／L)s］≤Δ3；
［(D／L)n－(D／L)s］≤Δ4； 
其中，
Δ1、Δ2、Δ3和Δ4为金属、油漆、聚合物和润滑油老化假定的偏差；
“n”和“s”为自然环境的等级与试验箱模拟等级。
如果我们从环境加速试验中获得的结果表明Δ1、Δ2、Δ3和Δ4不大于允许误差，
我们就能评价它们对产品的影响。如果不是这样，我们就必须改进试验状态。
环境条件的物理模拟的基本步骤如下：
1)分析产品在实际使用中受到的输入环境影响；
2)分析哪一种影响是重要的；
3)拟定和使用模拟所需的试验室条件。
环境加速试验条件的选择可通过试样在现场中的工作和贮存情况的分析来进行评价。因此，
评价现场影响的统计特性的效应至关重要，人们需要这种效应来建立试验箱模拟条件的物理
模型。
例如，笔者所获得的试验结果显示，如果试验箱中状态(环境条件)参数如下：
温度＝30℃
湿度＝90%
每隔55分钟喷洒含0.01NKCL的水溶液5分钟，在此试验箱中的金属腐蚀可用下式计算：
C＝0.546·Nw0.97 其中
C＝金属腐蚀量(g／cm2)；
Nw＝润湿数(Nw＝100－500)
0.97＝试验系数
4  太阳辐射对聚合物和橡胶的影响机理以及这些影响的模拟
下列各种环境影响的研究较少，因此，我们集中讨论这些因素。
4.1  辐射对聚合物质量受损的影响
辐射是现场中聚合物受损的其中一个基本环境因素。
地面上太阳辐射的日光包括：
——波长达290～400nm的紫外线(UV)部分(占共辐射能的5.5%)；
——波长达400～750nm的可视辐射部分(占共辐射能的40%)；
——波长超过750nm的红外(IR)部分(占共辐射能的54.5%)。
由于有氧气的情况下吸收太阳辐射导致的光氧化过程，聚合物的性质受到破坏。
在若干气候区内，生物因素也会对聚合物产生负面影响。这些因素包括霉菌、昆虫和啮齿动
物。这些因素在热带地区所起的作用特别明显，霉菌可分泌出分解聚合物的产物，某些种类
的昆虫还会吃聚合物材料。
太阳辐射导致聚合物受损的基本原因是UV辐射的作用。UV辐射导致颜料的薄膜生成、光氧化
和化学变化，结果造成光泽损耗和变色。
大气条件下的太阳辐射可导致温度升高，温度升高又会使聚合物的物理与化学特性发生变化。
这些变化过程是在70℃以上温度下发生的，但温度和辐射的同步作用可加速这些变化过程。
湿度(空气、雨、雪、雾等)也会对聚合物的物理和化学特性产生负面影响。因湿度造成的聚
合物的化学变化取决于水解和光致水解过程。通过提高湿度、温度以及酸碱污染程度就可加
速水解过程。
降低聚合物耐光性的基本环境因素是太阳辐射、温度和湿度。
4.2  使聚合物和橡胶毁坏的化学因素
太阳辐射能足以分解某些种类的化学粘合剂。此外，光与氧气可使有机物质产生自由基或过
氧化物，这样就有可能使有机物质发生化学变化。例如，聚合物可在3个月后开始变坏，一
年之后其强度可下降50%。
PVC经过3个月的太阳辐射之后也开始变坏，使之变坏最有效的是波长达220～250nm的辐射，
在有污染的情况下，破坏作用随波长的增加而加大。
在大气氧气、臭氧、热和太阳辐射的作用下，橡胶也会受到破坏。在大气条件下，橡胶会失
去延展性，太阳辐射可把这个过程加速5倍或更多倍。
波长接近300nm的日光可加速橡胶的氧化，并破坏其磁化特性。
因此，太阳辐射对聚合物的作用可导致强度和粘性的永久损耗。
4.3  太阳模拟的光源
电灯可提供大部分日光源，现有耐久白色灯泡和气体放电灯泡供试验使用。后一种对于加速
试验箱来说是较为理想的。与耐久白色灯泡相比，它们的光效率高5～10倍，耐久性高10～2
0倍。辐射光谱也较为理想。
对于各种气候放电灯泡的加速环境试验来说，最好是用氙灯，它们有下列优点：
——功率范围较大；
——辐射光谱包括UV、IR和可视区(在可视区中，光谱离太阳光相差不远)；
——网络的功率系数1；
——能在较大环境温度范围内工作而不改变特性；
——在生态学上得到认可；
——可通过冷却或真空来保持稳定性；
——可容许短暂的超载；
——可通过保持专用辐射分布的稳定性来调整功率；
——可防止爆炸。
必须规定有UV光束的高频试验。为了实现这个目标，试验装置中应装有低功率UV灯。
5  环境加速试验的设备与方法
许多不同种类的试验箱现已广泛用于环境加速试验中。
例如，汽车工业就有：
——热带条件模拟试验箱。这种设备可提供温度和湿度调整的可能性，调整范围为20℃／30
%～55℃／97%。这种设备通常有一条气动管来产生速度相当于车速(1／100哩／小时)的风，
并采用了太阳辐射与热大气辐射(0～1100KKal／m2hr，地面级)模拟器以及保护装置(0～8
0℃)。
——低温试验设备。这种设备通常可模拟＋10～－40℃的温度和高达95%的空气湿度。这种
试验用来检验发动机在低温条件下的初始质量，还用来分析汽车在低温条件下的工作特性、
供油系统以及润滑和保护状态。
——全天候试验箱。这种试验箱有温度(－40～＋55℃)和湿度(30%～99%)调整系统。这种试
验箱通常有这些条件下的热辐射装置：大气(0～1200KKal／m2h，地面级)、道路表面(0～
80℃)、雪(15kg／m2hr)、雨(200mm／hr)、污染、UV辐射等，并还有气动管和功率吸收装
置。这种多功能设备有助于测定不同气候条件下汽车的工作特性。
——可模拟环境和振动条件的试验箱。汽车电子设备有下列各种试验：
1)高温贮存试验；
2)高温寿命试验；
3)靠温度和振动条件实施的长期动态试验；
4)热冲击试验等等。
汽车工业所用的试验设备的容积为0.5～500m3。
6  环境条件模拟技术开发的趋势
为了获得准确的试验数据，许多公司都采用标准试验方法和试验设备。
目前，研究人员和设计师正在继续开发现场环境条件的模拟技术，特别是物理模拟技术，以
获得更精确的信息来解决产品的各种可靠性与维修性问题。
产品在现场使用中，会受到经复杂组合的环境条件的影响。这些影响互相联系，它们在产品
上所起的作用是各种影响相互作用的结果。
为了在试验室中模拟产品所经受的实际环境条件，人们不可能非常精确地获得加速试验结果
。因此，这样获得的信息对于实际失效数的评价与预计来说并不充足。这样，要想对产品实
行很精确的可靠性评价和预计是不容易的。
在这种情况下，环境条件的物理模拟技术的开发就尤其重要。为此，Lev M.Klyatis研制出
若干台“三文治”型气候试验箱，这些试验箱可模拟4个基本环境参数：温度、湿度、污染(
包括盐雾)和太阳辐射。它们可用于单独样品、零件、组件和整机的加速环境试验。
这些试验箱有专门的系统来模拟、调整和控制环境参数即温度、湿度、污染与太阳辐射。它
们还有通风与冷却系统，废水与腐蚀性蒸气排放系统，喷洒系统以及电源与报警系统。
这些试验箱的部分技术数据如下：
温度范围：5～60±1℃
湿度范围：40～97±3%.
温度变化速率：0.7℃／min
太阳辐射范围：光谱范围28～400nm(42W／m2)
污染：以盐水和氨溶液等喷洒。
今天，我们所作的加速环境试验的加速系统相当于实际寿命试验的15～25倍。