Испытания на пониженное атмосферное давление

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 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.