Испытания на воздействие пониженного атмосферного давления
Условия испытаний и применяемое испытательное оборудование. Использование изделий на различных высотах приводит к необходимости проведения испытаний в условиях пониженного атмосферного давления и различных температур.
Атмосферное давление, иногда называемое барометрическим, обусловлено воздействием слоев атмосферы, находящихся над точкой измерения. При этом пренебрегают действием инерционных сил, вызванных движением масс воздуха. Поскольку с увеличением высоты изменяются барометрическое давление и плотность, то одинаковым приращениям высоты соответствуют все меньшие изменения давления воздуха, т. е. с высотой давление убывает тем быстрее, чем тяжелее газ (больше ц) и чем ниже температура. С ростом высоты атмосферное давление уменьшается, и его называют вакуумметри — ческим или разреженным. Разреженный воздух (газ), с которым имеют дело в процессе испытаний на пониженное атмосферное давление, по своим свойствам мало отличается от идеального газа, поэтому для характеристики происходящих при испытании процессов можно пользоваться уравнением состояния следующего вида:
где р — давление; V — объем; N — число молекул; т — масса одной молекулы; М — масса газа; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
В основу определения степени разрежения (степени вакуума) положено сравнение средней длины X свободного пробега молекул газа с характерным линейным размером d (объема камеры). Различают следующие степени вакуума: низкая при X « d; высокая при X » d; средняя, когда X и d различаются незначительно; сверхвысокая, характеризующаяся предельно низкими абсолютными значениями.
Ниже приводятся предельные значения атмосферных давлений, соответствующие определенным степеням вакуума:
101,5 кПа—133,3 Па
133.3 Па—133,3 мПа
133.3 мПа—13,3 мкПа 1,33 мкПа
Под действием пониженного атмосферного давления возникают:
• тепловые повреждения, вызванные ухудшением условий охлаждения;
• электрические повреждения, такие как снижение электрической прочности воздуха, приводящие к опасности возникновения дугового и поверхностного коронного разрядов с образованием озона;
• механические повреждения вследствие образования перепадов давления между воздухом внутри и снаружи изделия, нарушения герметичности, появления течи и т. д.
Таким образом, изменяются характеристики, влияющие на безопасность изделий, вызванные изменениями диэлектрических свойств воздуха (плотности воздуха и подвижности ионов).
Воздействие холода или теплоты при пониженном атмосферном давлении увеличивает изменение характеристик материалов (хрупкости, пластичности), вызывающих деформацию или появление трещин в герметичных уплотнениях аппаратуры или корпусов некоторых изделий. Одновременное воздействие температуры и пониженного атмосферного давления способствует испарению пластификаторов и продуктов расщепления из пластмасс, что приводит к изменению их механических и электрических свойств, а также к конденсации этих продуктов испарения на поверхностях соседних изделий, вследствие чего изменяются их свойства или возникает коррозия. Указанное воздействие вызывает испарение смазочных материалов, что увеличивает трение и торможение движущихся частей. Таким образом, анализ воздействия внешних факторов указывает на ряд причин, вызывающих возникновение отказов.
Для испытаний на воздействие пониженного атмосферного давления и температуры используют термобарокамери, воспроизводящие пониженное атмосферное давление при нормальной, повышенной или пониженной температурах. Основными параметрами, характеризующими термобарокамеры, являются: диапазон значений (пределы изменения) атмосферного давления; точность поддержания давления; скорость откачки газа из рабочего объема камеры S = ДК0/(Д/), где AV0 — объем воздуха, поступающий в единицу времени Дt из камеры в трубопровод при давлении р в ней; время выхода на режим; состав остаточных газов. Помимо указанных параметров для оценки работы камеры пользуются параметрами, характеризующими температурные режимы.
Для создания пониженного атмосферного давления в рабочем объеме камеры используются вакуумные насосы. Перед включением камеры давление в системе «камера-соединительный трубопровод — насос» одинаковое и воздух неподвижен. При включении насоса начинается откачка, воздух из рабочего объема камеры перемещается в насос, который непрерывно выбрасывает его в окружающее пространство. Поскольку объем системы и температура остаются неизменными, давление понижается. При этом у конца трубопровода, обращенного к насосу, впускное (входное) давление р2 падает быстрее, чем выпускное давление р{ у конца трубопровода в рабочем объеме камеры. Следовательно, на концах трубопровода создается разность давлений Р- Pi, которую называют движущей разностью давлений, причем рх> р2.
Насосы характеризуются следующими основными параметрами:
• скоростью откачки 50;
• начальным впускным (входным) давлением насоса, определяемым давлением, начиная с которого обеспечивается его нормальная работа;
• предельным остаточным давлением насоса, при котором впускное (входное) давление достигается после достаточно длительной откачки системы, не имеющей ни натекания извне, ни газовыделения внутренних стенок. Нижнее предельное давление насоса определяется тем, что в процессе работы системы наступает момент, когда воздушный поток, поступающий из камеры в насос, становится равным обратному потоку газообразных веществ, поступающих из насоса в камеру, и насос начинает работать вхолостую. Обратный поток определяется газоотделением внутренних стенок насоса, недостаточной герметичностью, выделением газов из рабочих жидкостей;
• наибольшим выпускным (выходным) давлением вакуумного насоса, определяемым давлением у его выпускного отверстия, при превышении которого насос прекращает нормальную работу ввиду прорыва газа с выпускной стороны;
• подачей QH насоса, оцениваемой произведением номинальной скорости SH откачки насоса на впускное (входное) давление:
Он = $нР2 •
Помимо указанных параметров для характеристики насосов пользуются также следующими параметрами: потребляемой мощностью электродвигателя, количеством заливаемой рабочей жидкости (если она используется в насосе), размерами насоса, числом ступеней и т. д.
Помимо насоса в вакуумную систему термобарокамеры входят клапаны, предназначенные для выполнения следующих функций:
• выравнивания давления на входном и выходном патрубках насоса с рабочей жидкостью во время его остановки;
• отключения испытательной камеры от насоса после достижения в ней рабочего давления;
• обеспечения дросселирования процесса откачки для предотвращения перегрева насоса;
• напуска воздуха в испытательную камеру;
• подключения течеискателя, предназначенного для определения наличия натекания воздуха, и т. д.
Возможны два принципа построения термобарокамер: с расположением теплоизоляции снаружи или внутри стенок камеры. При наружном расположении теплоизоляции вне вакуумированной части уменьшаются требования к производительности систем нагрева и охлаждения, поскольку уменьшаются потери теплоты на нагрев теплоизоляции, обладающей большой массой и хорошей теплоемкостью. При внутреннем расположении теплоизоляции возможны такие отрицательные явления, как загрязнение воздуха в камере испарениями, выделяемыми теплоизоляцией, ее увлажнение и ряд других. Вследствие этого первая конструкция является предпочтительней.
Важным является выбор толщины стенок вакуумированной части, которая при разрежении, соответствующем 133 Па, должна выдерживать воздействие внешнего атмосферного давления не менее 101 кПа. Необходимость в минимальной толщине стенок объясняется тем, что нагрев (охлаждение) осуществляется с помощью терморубашки, так как термовоздействие на испытательное пространство при вакууме в камере практически невозможно. Принудительная циркуляция воздуха в термобарокамерах затруднена, поэтому используются мощные аксиальные вентиляторы. Время снижения давления на 99,6 кПа составляет около 20 мин. Современные термобарокамеры имеют задающие устройства, обеспечивающие воспроизведение определенного закона изменения давления и температуры.
Для испытания изделий под электрической нагрузкой в стенке камеры монтируют герметичные вводы (соединители), расстояние между которыми выбирают из условия, исключающего возникновение ионизационных процессов при пониженном давлении и заданных напряжениях, подаваемых на изделия.
Методы испытаний на воздействие пониженного атмосферного давления. Целью испытаний изделий на воздействие пониженного атмосферного давления является определение их пригодности для эксплуатации в наземных или летных условиях на больших высотах при атмосферных давлениях не ниже 1,33 кПа. Испытания на воздействие пониженного атмосферного давления, действующего в пределах стратосферы, осуществляются одним из методов, определяемых температурой окружающей среды. Различают испытания при нормальной, повышенной или пониженной рабочих температурах.
Испытаниям на воздействие пониженного атмосферного давления при нормальной температуре подвергают тепло — и нетепловыделя — ющие изделия, находящиеся в рабочем состоянии, для которых температурные воздействия не являются критичными, так как не влияют на их тепловой режим.
Испытаниям на воздействие пониженного атмосферного давления при повышенной (пониженной) температуре подвергают тепловыделяющие изделия, для которых температурное воздействие при электрической нагрузке является критичным. Одним из важных условий обеспечения воспроизводимости результатов испытаний тепловыделяющих изделий является правильный выбор соотношения площади поверхности, окружающей изделия, и общей площади поверхности изделия.
Испытания на воздействие пониженного атмосферного давления и повышенной (рис. 6.35) или пониженной температуры проводятся с соблюдением приводимых ниже методик, различных для тепло — и нетепловыделяющих изделий. Разница заключается в том, что тепловыделяющие изделия предпочтительно испытывать в камере без принудительной циркуляции воздуха, а нетепловыделяющие изделия — в камере с принудительной циркуляцией воздуха. Испытания следует проводить при комбинациях значений атмосферного давления, температуры и длительности их воздействия, приведенных в табл. 6.6.
Рассмотрим метод испытаний на воздействие пониженного атмосферного давления при нормальной температуре, для реализации которого используются барокамеры или термобарокамеры. Процесс испытаний складывается из приводимых ниже операций, отличающихся от показанных на рис. 6.35 постоянством нормальной температуры.
Операция /. Процесс испытаний начинается с предварительной выдержки в нормальных атмосферных условиях (если другое не предусмотрено нормативной документацией), завершающейся первоначальными измерениями, предусматривающими внешний осмотр, измерение значений электрических параметров и проверку механических характеристик.
Рис. 6.35. Режим испытаний на воздействие повышенной температуры ЮГ и пониженного атмосферного давления: а — нетепловыделяющих изделий; б — тепловыделяющих изделий; / — время, в течение которого температура в камере достигнет значения, лежащего в пределах, установленных для нормальных атмосферных условий
Операция 1. Температура Заданная температура испытания * Температура в лаборатории |
2. Атмосферное давление Атмосферное давление в лаборатории Заданное атмосферное * давление при испытании 3.Питание включено 4. Проверка работоспособности и (или) внешний осмотр |
I** |
Операция 1. Температура Заданная температура испытания * Температура в лаборатории |
0*1 fJ. |
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|
||||
|
|
|
|||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
Таблица 6.6 Предпочтительные комбинации минусовой или плюсовой температуры, атмосферного давления и длительности
Примечание. Допустимый разброс предельных отклонений плюсовых температур ±3 до 100 °С и ±5 до 200 °С. |
Операция II. Изделие без упаковки, в готовом для эксплуатации состоянии помещают в камеру и устанавливают в рабочем или другом особо оговоренном положении. Однако если предусмотрено одновременное испытание группы тепловыделяющих изделий, то для их установки определяют минимально достижимые расстояния между ними. Включают питание тепло — и нетепловыделяющего изделия или включают их под электрическую нагрузку. По достижении изделием теплового равновесия проводят контроль его работоспособности, после чего нетепловыделяющие изделия могут быть выключены.
Операция III. В камере устанавливают пониженное атмосферное давление, предусмотренное нормативной документацией, зависящее от условий реальной эксплуатации. Значение давления определяется по табл. 6.6 в соответствии с известным пониженным атмосферным давлением и повышенной температурой. Давление в камере снижают до определенного значения со скоростью, не превышающей 10 кПа-мин”1. В процессе понижения давления проверяют параметры изделий, зависящие от электрической прочности.
Операция IV. Это операция выдержки, в течение которой давление поддерживается неизменным. Во время выдержки нетепловыделяющие изделия могут оставаться в рабочем состоянии или быть выключены в соответствии с требованиями нормативной документации. Для оценки работоспособности или промежуточных измерений значений параметров изделия, испытуемого в нерабочем состоянии, оно включается на необходимое время. Во время выдержки тепловыделяющие изделия могут оставаться во включенном состоянии или включаться в соответствующее время перед измерениями. Оценка их работоспособности или промежуточные измерения проводятся только после достижения изделием теплового равновесия. Последние промежуточные измерения должны выполняться в течение последнего часа выдержки.
Операция V Давление в камере восстанавливается до значения, соответствующего нормальным атмосферным условиям. Давление повышается со скоростью, не превышающей 10 кПа-мин”1.
Операция VI. Восстановление.
Операция VII. Заключительные измерения.
При испытаниях на одновременное воздействие пониженного атмосферного давления и температуры (повышенной или пониженной) следует внести в операции //, IV и К ряд изменений (рис. 6.35, 6.36). В операцию II необходимо добавить включение системы нагрева (охлаждения) камеры для установления в ней температуры, соответствующей заданной в нормативной документации степени жесткости. Скорость изменения температуры в камере не должна превышать 1 °С*мин.“1. При выполнении данной операции изделие выдерживают при заданной температуре до установления теплового равновесия, после чего оно включается и проверяется его работоспособность. Во время операции III в камере снижается давление со скоростью, не превышающей 10 кПа-мин.”1, до значения, соответствующего заданной степени жесткости. При этом изделие должно быть включено и находиться в рабочем состоянии. Во время выполнения операции IVследует поддерживать одновременно с давлением и заданное значение температуры. Рекомендуемые длительности выдержки 5 мин., 30 мин., 2 ч, 4 ч и 16 ч. В процессе восстановления нормальных атмосферных условий (операция V) следует одновременно с повышением давления изменять температуру до нормальной со скоростью, не превышающей 1 вС мин.”1.
При проведении рассмотренных испытаний состав атмосферы в испытательной камере не соответствует естественным условиям. Он в значительной степени определяется типом насосов, применяемых для понижения атмосферного давления, содержанием водяных паров, приводящих к конденсации влаги, что недопустимо. При необходимости влажность может быть измерена прибором, определяющим температуру точки росы. Таким образом, различие в составе естественной и искусственной атмосферы может приводить к погрешности коэффициента конвекции ак, которая не должна превышать 10%. Необходимо учитывать, что к отрицательным побочным воздействиям на испытуемые изделия могут также приводить следующие факторы:
|
|||||||
|
|
||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|
||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
|
• загрязнение воздуха в камере испарениями рабочей жидкости насоса и испарениями, выделяемыми вспомогательными частями камеры (вентилями, теплоизоляционными материалами и т. д.);
• загрязнение пылью или водой, содержащейся в нагнетаемом воздухе при восстановлении давления до нормального.
Особое внимание следует обратить на измерения температуры в термобарокамере. Наличие пониженного атмосферного давления снижает эффективность теплообмена между испытательной средой и чувствительным элементом термометра за счет уменьшения коэффициента теплоотдачи (конвекции) ак, что приводит к увеличению времени реакции термометра на изменение температуры. Кроме того, при испытании тепловыделяющих изделий появляется или возрастает погрешность измерения, вызванная уменьшением коэффициента теплоотдачи ак воздушной среды в камере. При пониженном давлении термометр будет в меньшей мере подвержен воздействию тепловой энергии, что приведет к росту погрешности измерений. Применение экранов, защищающих термометр от излучения, может снизить данную погрешность.