环境试验概述

环境试验概述

所谓环境试验，就是将产品暴露在自然环境或人工模拟环境中，从而对它们实际上会遇到的贮存、运输和使用条件下的性能做出评价。通过环境试验，可以提供设计质量和产品质量方面的信息，是质量保证的重要手段。

1、环境试验的意义

对产品的评价不能只看其功能和性能是否优秀，还要综合其各方面条件，例如在严酷环境中，其功能和性能的可靠程度以及维修、成本高低等。在提高产品可靠性方面，环境试验占有重要位置，说的极端一些，没有环境试验，就无法正确鉴别产品的品质、确保产品质量。

在产品的研制，生产和使用中都贯穿着环境试验，通常是设计——环境试验——改进——再环境试验——投产。环境试验越真实准确，产品的可靠性越好。

2、环境试验的作用

1) 用于产品研究性试验：

研究性试验主要用于产品的设计、研制阶段，用于考核所选用的元器件、零部件、设计结构、采用的工艺等能否满足实际环境要求以及存在的问题。为了节省时间和充分暴露产品的薄弱环节，一般都采用加速环境试验方法。

2) 用于产品定型试验：

定型试验是用来确定产品能否在预定的环境条件下达到规定设计技术指标和安全要求。定型试验是最全面的试验，产品可能遇到的环境因素都必须考虑到。

3) 用于生产检查试验：

生产检查试验主要用于检查产品的工艺质量及工艺变更时的质量稳定性。

4) 用于产品的验收试验：

验收试验是指产品出厂时，为了保证产品质量必须进行的一些项目的试验，验收试验通常是抽样进行的。

5) 用于安全性试验：

用环境试验可以检查产品是否危害健康及生命问题，用恒加速度来检查产品安装、连接的牢固性，以防止在紧急情况下被甩出而造成人身伤亡事故或撞坏其它设备。安全试验通常采用较正常试验更严酷的试验等级进行。

6) 用于可靠性试验：

可靠性试验是由环境试验、寿命试验、现象试验和特殊试验等组成，环境试验是其中的主要组成部分。美国MIL-ZTD-781D中明确规定：环境试验是可靠性试验的必要补充内容，也是提高产品可靠性的重要手段。

第一节环境试验的基本概念

一、环境试验

环境试验是为了保证产品在规定的寿命期间,在预期的使用,运输或贮存的所有环境下,保持功能可靠性而进行的活动.是将产品暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用,以评价产品在实际使用,运输和贮存的环境条件下的性能,并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。

1、按环境试验形式分类：

1) 自然暴露试验：

是将样品长期暴露在天然环境中，它分为加负荷和不加负荷两种。

2) 现场试验

为评价、分析产品的可靠性，在使用现场进行的试验叫现场环境试验。

3) 人工模拟试验

是将样品放在人工模拟试验箱中进行的试验。

一般来说，自然暴露试验和现场试验能真实反映产品在实际使用中的性能和可靠性，也是验证人工模拟试验准确性的基础，但这二种试验的不足之处是试验周期长，花费人力物力大，因此只有对可靠性要求较高的产品才进行这项试验。而人工模拟试验是电工电子产品可靠性研究中常见的试验方法。

2、按环境试验性质分类

IEC（国际电工委员会）Tc75环境条件分类委员会于1981年颁布了“环境参数分级标准”，具体如下：

1) 气候环境因素：

温度、湿度、压力、日光辐射、沙尘、雪等。

2) 生物及化学因素：

盐雾、霉菌、二氧化硫、硫化氢等。

3) 机械环境因素：

振动（含正弦、随机）、碰撞、跌落、摇摆、冲击等。

4) 综合环境因素：

温度与湿度，温度与压力、温度、湿度与振动等等。

3、按环境试验项目分类

气候环境试验其项目可分为如下几项：高温、低温、温度循环、温度冲击、低气压、湿热、日光辐射、砂尘、淋雨等，一般将盐雾和霉菌试验包括在其中。

在上述试验项目中又可分为单因素、综合及组合试验

二、环境试验项目

环境试验的常用方法如下：

1、高低温试验：用来考核或确定产品在高、低温环境条件下贮存和（或）使用的适应

性。

2、温度冲击试验：确定产品在一次或连续多次温度变化条件下的适应性及结构的承受能力。

3、湿热试验：主要用于确定产品对湿热的适应性，特别是产品的电气性能和机械性能的变化情况；也可用于检查试验样品耐受某些腐蚀的能力。

恒定湿热试验：一般用于受潮机理以吸附或吸收作用为主、只有渗透（或扩散）而无呼吸作用的产品，目的是评价这些产品在高温高湿条件下能否保持其所要求的电性能和机械性能，或密封绝缘材料等能否起到足够的防护作用。

交变湿热试验：这是一种加速环境试验，用于确定产品在温度循环变化的湿热环境中并通常在其表面上产生凝露时的使用和贮存的适应性。它是利用产品随温度、湿度改变而产生的呼吸作用以改变产品内部的湿度，受试产品在交变湿热试验箱内依次进行升温、高温、降温低温四个阶段试验而构成一次循环，并按技术条件规定进行若干次循环的试验。

4、防腐试验：检查产品对含盐水分或工业大气腐蚀的抵抗能力。防腐试验分为大气暴露腐蚀试验和人工加速腐蚀试验。为了缩短试验周期，多采用人工加速腐蚀试验，其中应用较多的有中性盐雾等试验。盐雾试验主要用于测定防护装饰性镀层在盐雾环境中的抗腐蚀性能。评价各种镀层的质量优劣。

5、霉菌试验：产品长时间在温湿度较高的环境下贮存和使用，表面均可能有霉菌产生，其菌丝易于吸收潮湿气体，分泌有机酸性物质，是产品的绝缘性能遭到破坏，强度下降，光学玻璃的光学性能下降，加速金属零件的腐蚀，恶化产品外观，有时还伴有令人厌恶的霉味。霉菌试验可以评价长霉范围或长霉对产品的性能和使用情况的影响。

6、密封试验：确定产品防尘、防气体、液体渗漏的密封能力。密封可理解为产品外壳的一种防护能力。国际电工电子产品外壳防护能力有二类：第一类是防固体微粒的（如防尘）；第二类是防液体、气体的。防尘试验是检查产品在风沙、灰尘环境中防尘较高的密封性能和工作可靠性。气体、液体密封试验是检查产品在严于工作条件下防止气体、液体渗漏的能力。

7、振动试验：检查产品对正弦振动或随机振动的适应性以及评价其结构的完好性。试验时将产品固定在振动试验台上，使其在三个互相垂直的轴向依次振动。

8、老化试验：考核高分子材料制品抵抗环境条件影响能力。根据环境条件的不同，有大气老化试验、热老化试验、臭氧老化试验等。

大气老化试验是将试样室外大气环境下暴露，一定时间内经受多种因素的综合作用后，观察试样的性能变化，评价其耐候性。试验应在露天的暴露场地内进行，该暴露场地的环境应能代表某些气候特征的最严酷条件或近似于实际应用的条件。

热老化试验是将试样放在热老化试验箱内保持一定时间，取出试样在规定环境条件下放置后测定其性能，并与试验前的性能进行比较。

9、运输包装试验：运输包装试验是评定包装件承受动压力、冲击、振动、摩擦、温度和湿度变化的能力及包装对内装物保护能力的综合试验。

振动和冲击试验：首先在同一个方向进行增强随机振动量级的模拟长寿命试验，其次做冲击试验，最后做功能性随机振动试验。一个方向完成后，再在其它方向进行试验。

第二节环境的主要影响

一、环境影响

暴露在环境中的产品受到的基本影响有：腐蚀、开裂、脆化、潮气的吸附或吸收、氧化等。这些影响可导致材料的物理和化学性质的变化。

下表中列出了单一环境因素主要影响及引起的典型故障，这些环境因素并非都有相应的试验方法，有的还在研究中。

二、通过环境试验的基本条件

环境条件试验后一般在符合下列要求时可认定其通过。

1、产品的技术性能符合技术标准或试验的作业指导性文件的规定要求，产品功能正常，无任何故障和缺陷。电气产品及组件绝缘性能正常。

2、产品及可解体组成部分检查不应有脱落、松动、裂纹、折断、损伤、变形、非正常磨损及其他不应有的缺陷。

3、产品组成部分外观检查，金属件表面涂层不出现剥离、起泡、锈蚀、变色等；非金属件表面不出现膨胀、起泡、开裂、麻斑等；橡胶制品无软化、粘结、老化、龟裂等。

第三节环境试验规程

一、试验程序：

试验程序是指一个试验方法所包括的一套完整过程，通常包括下列各项：

1）预处理：为消除或部分抵消试验样品以前经历的各种效应，在条件试验前对试验样品所做的处理。

2）初始检测：在预处理之后，条件试验之前对试验样品的电性能、机械性能和外观所进行的检查和测量。

3）条件试验：把试验样品暴露到试验环境中，以确定这种环境条件对试验样品的影响。条件试验期间，不得将样品从试验箱内取出，然后重新放入试验箱内。

4）恢复：在条件试验之后，最后检测之前为使试验样品的性能稳定所做的处理。

5）最后检测：在恢复之后对试验样品的电气性能、机械性能和外观所进行的检测。

在条件试验和（或）恢复期间，可要求进行中间检测（中间检测不得将样品取出试验箱）。

二、标准大气条件：

1）基准标准大气条件

如果被测参数随温度和（或）气压而变化的规律是已知的，则应在试验的标准大气条件下测量器参数。必要时，可以通过计算校正到下列基准的标准大气条件下的参数值，由于相对湿度不能通过计算来校正，因此不予规定。

温度：20℃；

气压：101.325kPa。

2）试验的标准大气条件

试验和测量的标准大气条件范围如下：

温度15——35℃，相对湿度45%——75%，气压86——106kPa

当不能在标准大气条件下进行测量时，实际条件应在试验报告中写明。对于一个试验样品做某项试验时，在进行一系列测量期间温度和湿度应保持恒定。

如果相对湿度对试验结果没有影响，则不予考虑。

三、恢复条件

1）恢复条件

在条件试验之后，最后检测之前，试验样品应在测量时的周围温度下到达稳定。

当试验样品的电气参数受吸湿和（或）表面状况的影响且变化很快，则应使用规定“控制的恢复条件”。

当试验样品的电气参数受吸湿和（或）表面状况的影响，变化不快，则恢复应在试验的标准大气条件下进行。

恢复时间按照试验方法中的规定执行。

2）控制的恢复条件

控制的恢复条件：温度是实际实验室温度±1℃，相对湿度73%——77%，气压86——106kPa。恢复时间按照试验方法中的规定执行。控制的恢复条件也可用于预处理。

在条件试验之后10分钟内，把试验样品放入恢复箱。在恢复后，立即进行测试。

恢复箱内温度与实验室温度之差不应超过1℃

如果为了特定情况需要不同的恢复条件，应按有关标准执行。

3) 干燥的标准条件

测量前如要求对试验样品进行干燥，应在下列条件下干燥6小时。温度55±2℃，相对湿度＜20%，气压86——106kPa。

有关标准有规定时，应按有关标准规定执行。

如果不能在干燥的标准条件进行时，实际条件应在试验报告中写明。

四、标准的气候试验顺序

在规定主要适用于元件的气候试验的标准试验顺序时，低温、高湿、低气压和加速湿热试验条件被认为时相互关联的，并称为“气候顺序”，进行这些试验的顺序如下：高温、交变湿热（试验的第一周期）、低温、低气压、交变湿热（试验的其余各周期）。

这些试验中的任何两个试验之间可以有时间间隔，但不能超过3天；交变湿热后接着做低温试验的除外，其时间间隔，包括恢复时间在内不超过2小时。除另有规定外，一般只在气候顺序的开始和结束时进行测量。

除另有规定外，试验样品进行试验时应处在不通电和“准备使用”状况下。

第四节环境试验的试验顺序

一、试验顺序的选择

如果一种试验条件对样品的作用受到前一个暴露条件的影响时，那么试验样品应按规定顺序暴露在各种环境试验中。

在环境试验的顺序中，试验样品暴露到不同试验环境间的时间间隔应以不影响试验样品为限，如果间隔有影响，则严格采用有规定时间间隔的组合试验。

按预期目的，选择试验顺序要多方面考虑，有时可能是矛盾的。

二、环境试验的试验顺序：

1）电机元件的试验顺序

在选择试验顺序时应考虑以下几点：

1、首先进行温度试验

2、其次进行接端强度试验

3、然后进行全部或部分的机械试验，以便强化由温度剧变可能产生的故障，以及引起新故障，例如开裂或裂缝，这类故障可以通过试验顺序最后的气候试验很容易的抽查出来。除非另有规定，这些气候试验应按标准规定的“标准的气候顺序”进行。

4、为了查出温度的短期影响，在气候试验顺序中应把高温和低温试验排在前面，交变湿热会使湿气进入裂缝，低温试验和低气压试验会加强这种影响。继续进行交变湿热，会使更多的湿气进入裂缝，恢复之后，测其电气参数变化可以证实这种影响。

5、有时，可用密封试验快速检测开裂和裂缝。

6、为确定元件在潮湿大气中的长期性能，恒定湿热试验常排在环境试验顺序的最后进行，或不包括在试验顺序内，用另一批试验样品进行试验。

7、本标准的试验顺序内通常不包括腐蚀、跌落和倾倒、太阳辐射试验。如果需要，用另一批试验样品进行这些试验。

2）电机和其他设备的试验顺序

在选择试验顺序时应考虑以下几点：

如有可能，应以实际使用条件的资料为基础决定试验顺序。

如果没有实际使用条件的资料，建议采用能给出最严酷影响的试验顺序。

下表适用于大多数产品类型的一般试验顺序：

注：冲击或碰撞试验和振动试验次序可互换；

恒定湿热和腐蚀应尽可能用不同样品进行。

第五节环境试验的种类及参数

环境试验基本上可分为以下几种类型。

一、恒定低温试验

低温试验是考核产品在低温环境条件下贮存和（或）使用的适应性。

试验的严酷度主要取决于试验采用的温度等级和持续时间的长短。

低温对电机的主要影响，磁钢退磁导致电性能变化，非金属材料发硬、发脆导致破裂、开裂、脆裂，零部件膨胀系数的差异导致零件相互咬死，润滑脂粘度增加，润滑作用减少导致电机转速降低甚至不能正常启动。

二、恒定高温试验

高温试验是考核产品在高温环境条件下贮存和（或）使用的适应性。

试验的严酷度主要取决于试验采用的温度等级和持续时间的长短。

高温对电机的主要影响，机械参数、电气参数发生变化，磁钢的工作点变化导致电性能

变化。非金属材料变形、老化等。

电机在带负载情况下的内部温度分布不仅取决于试验温度，还取决于特定部位的发热能力、表面积、表面辐射系数、其附近的空气速度。因此应当测量试样的重要部位（如绕组、铁芯、轴承等）的温度，以保证其达到试验温度，或防止受到过度热应力。

三、稳态湿热试验

稳态湿热试验是考核产品所用材料，绝缘材料在恒定湿热条件下使用和贮存的适应性。

试验条件是将样品暴露在温度为40℃，相对湿度为95%的环境中，试验的严酷度主要取决于试验持续时间的长短。

恒定湿热对电机的主要影响，材料在吸湿后膨胀，性能变坏，引起物理强度降低及其主要机械性能的变化，吸附了水汽的绝缘材料会引起电性能下降。

四、交变湿热试验

交变湿热试验是考核产品或材料在温度循环变化、产品表面产生凝露的湿热条件下使用和贮存的适应性。

本方法不同于稳态湿热，它是在高湿条件下，利用温度循环引起的反复“凝露”和“呼吸”作用加强耐湿试验的有效性。

试验条件是将样品暴露在温度为25℃，相对湿度为95%环境和选定的高温、相对湿度为95%的环境中不断循环，试验的严酷度主要取决于试验的高温温度和试验周期数的组合。

恒定湿热对电机的主要影响，它是一种加速试验。加速高温高湿对产品的影响。

五、温度冲击试验

温度冲击试验是确定产品暴露与高低温极值下，以及抗御高低温极值交替冲击的能力。考核产品一次或连续多次耐极限温度变化的能力。

试验的严酷度主要取决于低温和高温温度值、低温和高温下的保持时间、转换时间和循环次数。

温度冲击对密封结构影响较大，能快速检测密封元器件的缺陷。

六、温度循环试验

温度循环试验考核产品一次或连续多次耐温度变化的能力和在环境温度变化期间的工作能力。

应力的基本参数是：上限温度、下限温度、温度变化率（上升变化率、下降变化率）、上限温度保持时间、下限温度保持时间和循环次数。

对筛选效果最有影响的参数是温度变化范围、温度变化率和循环次数。

使有缺陷产品出现故障的循环次数要比完好产品出故障所需循环次数少许多。适当的确定热应力的大小，就能剔除故障而不消耗使有寿命。

温度循环对发现参数漂移、污染之类的部件十分有效。

七、机械冲击试验

机械冲击试验是用来揭露产品的机械弱点和（或）性能下降情况，考核产品承受规定严酷等级冲击能力。

试验的严酷度主要取决于脉冲峰值加速度、脉冲持续时间。

冲击试验是将电机固定在试验台上，对电机三个互相垂直方向的每一方向连续施加三次冲击，通过施加突然的作用力，使之发生短暂振动，振动的频率等于产品的固有频率，而其振幅则与摩擦阻力有关。

冲击对于考核结构强度、零部件设计加工的合理性十分有效。

电机在使用、装卸、运输过程中都易经受到冲击。这些冲击的量值变化很大，且具有复杂的性质。冲击试验主要适应于这些非重复性冲击条件。

八、碰撞试验

碰撞试验是用来揭露产品的经受重复冲击所引起的累计损伤和（或）性能下降情况，考核产品承受规定严酷等级重复冲击能力。

试验的严酷度主要取决于脉冲峰值加速度、脉冲持续时间、每方向的碰撞次数。

碰撞试验是将样品通过夹具或直接刚性的固定在碰撞机台面上，使其经受到从连接点输入的受控碰撞脉冲来进行的。

碰撞试验主要适应于可能经受到的重复性冲击的效应，例如安装在车辆上使用和被运输的样品，样品在运输过程中的放置状态又分为紧固和散装状态两种情况，对于散装状态下运输的样品，采用的是弹跳试验方法。

九、倾跌与翻到、自由跌落和弹跳试验

倾跌与翻到是模拟样品在维修工作期间或在工作台由于粗率操作时，可能经受到的敲击或撞击效应的一种试验。

自由跌落是模拟样品由于粗率搬运时，可能经受到的跌落效应的一种试验。

弹跳试验是模拟产品作为散装货物装在轮式车辆上，在不平的路面上运输时，可能经受到的随机冲击效应。

试验的严酷度主要取决于倾跌、翻到、跌落、弹跳高度和试验次数。

进行这些试验时，样品是不固定的。

这些试验主要影响电机的外观、机械尺寸和电性能等。

十、扫频正弦振动试验

扫频正弦振动试验用来确定机械薄弱环节和（或）性能下降情况。

试验的严酷度主要取决于频率范围、振动幅值和耐久试验的持续时间（按扫频循环数或时间给出）和试验轴向次数。

频率范围按照规定选择下限频率和上限频率。

振动幅值按照规定给出位移幅值或加速度幅值或两者都要。

耐久试验的持续时间有扫频耐久时间和定频耐久时间。扫频应是连续的，且频率应随时间按指数规律变化。扫频的速率应为每分钟一个倍频程。

振动轴向次数应在三个互相垂直的轴线上依次经受振动，而且轴向的选择应选最可能暴露故障的方向。

扫频正弦振动能依次用一定时间对产品内重要点加以筛选的部件的共振频率进行激励，产生共振。但由于不是同时激励，作用时间较短，其效果较随机振动低。

正弦振动通常适合于结构简单的元器件，部件和设备通常采用随机振动。

十一、随机振动试验

随机振动试验能更加真实的模拟元件的使用环境条件，更能确定元件经受随机振动环境应力的适应性及结构的完整性。

试验的严酷度主要取决于频率范围、加速度功率谱密度、振动时间、振动轴向次数。

常常也用频谱的加速度均方根值来表示随机振动的强度。

随机振动是在很宽的频率范围上对产品施加振动，产品在不同的频率上同时受到应力，使产品的许多共振点同时受到激励。这意味这具有不同共振频率的部件同时在共振，从而使安装不当的部件受扭曲、碰撞等而损坏的概率增加。振动应力对于激发如松弛、碎屑和固定不牢之类的工艺缺陷更为有利。