Комбинированные испытания
7.5. /. Условия испытаний на комбинированное воздействие внешних факторов и применяемое
испытательное оборудование
В условиях реальной эксплуатации, хранения и транспортирования изделия подвергаются одновременному воздействию ряда внешних факторов, что требует осуществления комбинированных испытаний. Комбинированные испытания могут быть механическими, климатическими, механоклиматическими и др.
К комбинированным механическим испытаниям относятся испытания на совместное воздействие линейного ускорения и вибрации, требующие создания испытательного оборудования, объединяющего вибростенд с центрифугой. Возможны два варианта: установка центрифуги на стол вибростенда или вибростенда на стол центрифуги.
При размещении центрифуги на столе вибростенда 1 (рис. 7.27) для получения определенного суммарного ускорения необходима качественная балансировка изделия 4 и противовеса 2. Ответственными элементами конструкции являются упорный подшипник 5 и коллектор токосъемника, являющийся продолжением приводного вала 3 и обеспечивающий подведение и съем сигналов с испытуемого изделия. Подобная установка позволяет получить вибрации с ускорением до 25g в диапазоне частот 25—2000 Гц, действующие перпендикулярно к направлению действия линейного ускорения до 15#.
При размещении электродинамического вибростенда на столе 2 центрифуги с гидравлическим приводом 1 (рис. 7.28) важным требованием, предъявляемым к такой установке, является обеспечение статической и динамической балансировок стола центрифуги. Для этого на противоположных концах стола размещают два идентичных вибростенда 3. Питание к вибростендам подводится с помощью коллектора токосъемника 7 с контактными кольцами из серебряного сплава. Подача гидравлической жидкости к гидроприводу вращающейся центрифуги осуществляется через шарнирные соединения 8. Испытания можно проводить при линейных ускорениях и вибраци-
|
|
|
|
|
|
|
ях, действующих по оси, нормальной к направлению линейного ускорения.
Иногда возникает необходимость испытаний на воздействие вибрации, действующей в других направлениях, но при этом не допускаются вибрации по оси, касательной (тангенциальной) к направлению вращения стола, из-за возникновения деформации кручения, действующей на стол центрифуги. В данном случае необходимо подвижную катушку вибростенда удерживать в центрированном положении в магнитном поле при расположении оси вибрации в одной плоскости с направлением линейного ускорения. Для этого при нормальных гравитационных нагрузках используется пневматическая пружина, жестко связанная с подвижной системой. Предотвращение приложения моментных нагрузок на стол центрифуги случайным образом по отношению к приложению постоянно направленных перегрузок обеспечивается специальным зажимом 4 для стягивания вибрационных стендов в местах, соответствующих центру тяжести. В конструкции стяжного приспособления 6 предусмотрена также возможность предварительного механического напряжения стола центрифуги, для контроля которого используется тензометрический датчик 5. Для одновременного воздействия механических и температурных факторов испытуемое изделие 10обертывается изоляционным материалом, пропитанным согревающей или охлаждающей жидкостью. Уровень вибронагружения фиксируется вибропреобразователем 9.
К комбинированным климатическим испытаниям можно отнести составное циклическое испытание на воздействие температуры и влажности. Эти испытания проводят для выявления отказов, которые вызываются явлением, иногда называемым «дыханием». Ему подвержены изделия относительно больших габаритных размеров, имеющие зазоры между уплотнениями и металлическими конструкциями или между уплотнениями и проволочными выводами. Наличие зазоров приводит к проникновению в них влаги (воды), которая, замерзая при пониженной температуре, вызывает их увеличение. Этим испытаниям должны подвергаться, в частности, изделия, имеющие полости, которые образуются при опрессовке пластмассой.
Для реализации указанных испытаний используют термовлаго камеры, которые должны обеспечивать выполнение следующих условий:
• повышение температуры от —10±2 до +25±2°С за время не более 90 мин. и от 25±2 до 65±2°С за время 1,5—2,5 ч;
• понижение температуры от 25±2 до — 10±2°С за время, не более 30 мин. и поддержание температуры — 10±2°С в течение 3 ч;
• поддержание относительной влажности 93±3% при постоянной температуре и 80—96% во время пониженной температуры.
Термовлагокамеры построены на тех же принципах, что и камеры тепла и влаги. Возможно построение термовлагокамер с нагревом за счет циркуляции воздуха, нагретого косвенным способом в теплообменнике, и увлажнения инжекционным способом — барботирова- нием (рис. 7.29), а также с косвенным нагревом нагревателями за рубашкой камеры и увлажнением, аналогичным указанному выше (рис. 7.30).
К охладителю К обогревателю
‘ ■ 4 • • ; |
1 « % L* • ** |
* « 1 / *. 9 * > |
• V • • I. |
|
•. * ‘ : *. , .•. |
1 _ НИМ |
•. «* * * <7 |
||
• • , ♦ • • •• •. |
1 " • 1 |
• • .# Ч |
||
lil |
• *• • • • * |
I У |
* • 4 . •« .. |
|
і • •« • . і |
! • *. •. J* • •• V Л •••’,. . *..■ •: • і 7 » f І «•*••• • • # |
V-* . |
£ |
Комбинированно-последовательное испытание на воздействие холода, пониженного атмосферного давления и влажного тепла имитирует условия, возникающие в неотапливаемых и негерметизирован — ных зонах летательных аппаратов. Поскольку с увеличением высоты температура и давление убывают, то при подъеме летательного аппарата происходит интенсивное охлаждение всех изделий, находящихся в некомфортных зонах. При спуске во влажную атмосферу давление и температура повышаются и изделие покрывается инеем. Образо-
Рис. 7.30. Термовлагокамера с косвенным термостатированием, нагревателями в зарубашечном пространстве камеры и увлажнением за счет барботи — рования: 1 — вентилятор; 2 — нагреватель; 3 — осушитель; 4 — холодильная установка; 5 — увлажнитель; 6 — воздушный фильтр; 7 — измеритель количества воздуха; 8 — воздушный насос; 9 — термостат термоносителя; 10 — насос термоносителя |
вавшаяся при оттаивании инея влага или вода проникает внутрь изделия, чему способствует разность давлений. Оставшаяся в изделии вода при соответствующих условиях превращается в лед. Если испытуемое изделие имеет движущиеся части, то вследствие образования льда перемещение их может быть нарушено. Поэтому в испытательной камере должны быть предусмотрены средства контроля за этими перемещениями. Следовательно, в процессе испытаний необходимо сначала воспроизвести воздействие холода и пониженного атмосферного давления не ниже 1 кПа, а затем воздействие повышенных влажности и давления.
Для проведения указанных испытаний необходимо иметь термо- влагобарокамеру, позволяющую соответственно воспроизводить испытательные режимы, предусмотренные при испытаниях на воздействие пониженной (повышенной) температуры и пониженного атмосферного давления, а также относительной влажности более 95%.
Увлажнение осуществляется подачей водяного пара в рабочий объем камеры. Кроме того, камера должна иметь нагревательные приборы, позволяющие нагревать ее до 35°С за период времени, не превышающий 1 ч.
В основе построения термовлагобарокамеры лежат принципы, используемые при создании термовлагокамер и барокамер. В термо- влагобарокамерах при пониженном давлении нагрев может осуществляться только через рубашку (стенку камеры), так как принудительное перемещение воздуха в данном случае неэффективно. Для одновременного установления пониженного давления, температуры и влажности воздуха с относительно высокой стабильностью воздействия данных факторов наиболее целесообразно осуществлять косвенный нагрев камеры с расположением нагревателей за рубашкой камеры (рис. 7.31).
Указанное сочетание внешних воздействующих факторов предъявляет определенные требования к системе регулирования. Непрерывное увлажнение или осушение воздуха в камере создает искусственное натекание воздуха, которое должно постоянно компенсироваться
Рис. 7.31. Термовлагобарокамера: 1 — вентилятор; 2 — датчик температуры; 3 — система регулирования; 4 — вспомогательный воздушный насос; 5 — вентиль; 6 — увлажнитель; 7 — водяной насос; 8 — вакуумный насос; 9 — холодильная установка; 10 — измеритель количества воздуха; 11 — воздушный фильтр; 12 — смеситель со свежим воздухом; 13 — термостат; 14 — насос термоносителя; 15 — нагреватель |
работой вакуумного насоса и комбинацией клапанов, регулирующих давление в камере. Наличие вакуума в камере приводит к тому, что температуру точки росы увлажненного воздуха при нормальном давлении необходимо пересчитывать, так как в вакуумной камере определенное количество водяного пара распределяется в большем пространстве, чем при нормальном давлении. Так, например, воздух при нормальном давлении 101,5 кПа (760 мм рт. ст.) и температуре точки росы т = + 50 °С имеет абсолютную влажность 82 г м”3, а при пониженном давлении, т. е. при 50,7 кПа (380 мм рт. ст.), абсолютная влажность будет 41 г м”3, что соответствует т = 36 °С. Для увлажнения или обезвоживания из системы циркуляции воздуха отводится часть воздушного потока и пропускается через устройство увлажнения или обезвоживания.
Измерение влажности воздуха в рассматриваемых камерах целесообразнее проводить с помощью аспирационного психрометра в канале отходящего воздуха испытательной камеры, т. е. в канале засасывания вакуумного насоса. Такие конструкции являются вакуумно-надежными. Для непрерывного измерения и регистрации целесообразно использовать хлористо-литиевый датчик, который обеспечивает регулировку влажности при изменении температуры точки росы на ±0,5…±1 °С, что соответствует ±3…±5% относительной влажности. Психрометр и хлористо-литиевый датчики обеспечивают заданную точность при давлениях до 53,4 кПа (400 мм рт. ст.), а воспроизводимые результаты измерения — при давлении до 26,7 кПа (200 мм рт. ст).
При измерении температуры необходимо учитывать уменьшение коэффициента теплоотдачи, что приводит к увеличению времени реакции термометра на изменение температуры по сравнению с условиями нормального атмосферного давления и к тому, что нагрев осуществляется в основном посредством излучения. Наличие пространственной нестабильности температуры в вакууме и увеличение влияния теплопроводности приводят к росту погрешностей измерений.
К недостаткам термовлагобарокамер следует отнести указанное выше определенное натекание, а также загрязнение воздуха в камере испарениями рабочей жидкости насоса и вентилей, пылью и водой, содержащимися в нагнетаемом воздухе при восстановлении давления до нормального значения.
Комбинированные механоклиматические испытания предусматривают совместное воздействие вибрации и тепловлажностного фактора. Получили распространение комбинированные испытания на воздействие сухого тепла или холода и синусоидальной вибрации. Испытаниям могут подвергаться тепловыделяющие и нетепловыделяющие изделия. Комбинированное воздействие повышенной температуры и вибрации иногда приводит к повышению температуры сопряженных поверхностей за счет трения, вызываемого вибрацией, что в свою очередь ухудшает некоторые механические свойства изделия.
Комбинированное воздействие вибрации, повышенных температур и влажности приводит к росту интенсивности отказов вследствие попадания влаги внутрь вакуумированных объемов (например, в электровакуумных приборах), вызывая последующее снижение герметичности уплотнительных частей. Кроме того, оно обусловливает ускорение процессов коррозии, ухудшающих качество заземления и повреждающих защитные покрытия, что приводит в ряде случаев к электрическим отказам. Комбинированное воздействие пониженной температуры и вибрации может вызвать изменение свойств у многих материалов. Будучи гибкими и эластичными в нормальных условиях, они под действием холода становятся хрупкими и жесткими, что изменяет их реакцию на воздействие вибрации.
Для реализации, комбинированных механоклиматических испытаний необходимо специальное оборудование, позволяющее воспроизводить воздействие климатических факторов и вибрации. С этой целью в едином комплексе совмещают климатическую камеру и вибростенд, к которому предъявляются следующие основные требования:
• герметичность уплотнения между камерой и подвижными частями вибростенда, что обеспечивает паронепроницаемость, а следовательно, исключает изменение температуры и возникновение конденсации влаги;
• вакуумонепроницаемость при работе камеры в режиме пониженного атмосферного давления;
• отсутствие механической связи вибростенда через уплотнение с камерой, что исключает, с одной стороны, передачу колебаний вибростенда на камеру, а с другой — изменение характера нагрузки вибростенда и соответствующее изменение частот и амплитуд вибрации;
• тепловая изоляция камеры, исключающая теплообмен через уплотнение и обеспечивающая постоянство температуры в камере.
При соединении камеры с вибростендом надо учитывать, что камеры имеют относительно большую толщину изоляции стенок (100— 150 мм), а это приводит к необходимости иметь в ряде случаев достаточно длинный плунжер (более 170 мм), что дает возможность размещать стол вибростенда в камере так, чтобы его верхняя кромка не опускалась ниже уровня пола камеры. Имеется ряд конструктивных решений относительно совместной работы испытательной камеры с вибростендом: например, соединение жестко установленного вибростенда без плунжера с перемещаемой в вертикальной плоскости камерой и в горизонтальной плоскости агрегатной частью (на специальных роликах) (рис. 7.32, а); жестко установленные камера и
‘/
агрегатная часть и перемещаемый на роликах вибростенд с демонтируемым плунжером (рис. 7.32, б). Для испытаний изделий больших габаритных размеров и массы может использоваться специальная камера, имеющая гидравлическое устройство, обеспечивающее ее подъем над неподвижно установленным вибростендом (рис. 7.32, в).
Для соединения плунжера с камерой или корпуса вибростенда с камерой необходимо создать соединяющие элементы, удовлетворяющие сформулированным выше требованиям. Как указывалось, для реализации некоторых соединений нужен специальный плунжер достаточно большой длины, жестко соединенный со столом вибростенда и проходящий через теплоизоляцию. При выборе материала плунжера следует учитывать, что плунжер должен обладать большой жесткостью, иметь малую массу, быть низкотеплопроводным. Указанные требования весьма противоречивы.
Плунжеры могут изготавливаться из магниевых сплавов и коррозионно-стойкой стали. Для сохранения неизменными значений параметров испытательного режима камеры и исключения влияния воспроизводимых в ней воздействий климатических факторов на конструкцию вибростенда необходимо предусмотреть специальную изоляцию. С этой целью между стенкой (полом) камеры и плунжером, а также между стенкой и корпусом вибростенда помещают уплотнение из губчатой резины или полиуретановой пены. Достоинствами последней являются ее паронепроницаемость и влагоустойчивость благодаря наличию закрытых пор. Указанные уплотнения дополняют плоскими или тарельчатыми мембранами, защищающими подвижную систему вибростенда от загрязнений, а также действия конденсированной влаги и инея. При размещении изоляции между стенкой (полом) камеры и корпусом вибростенда отпадает необходимость в создании плунжера, однако возникает задача герметизации внутренних полостей вибростенда, что требует соответствующих соединений между вибростендом и камерой.
Современное комбинированное испытательное оборудование оснащается системой автоматического регулирования и управления, использующей цифровой задатчик программы, построенный на мик — роЭВМ. Автоматический регулятор вибрации обеспечивает цифровую установку заданного режима испытаний и его индикацию.