Испытания на воздействие пониженного атмосферного давления

Испытания на воздействие пониженного и повышенного атмосферного давления проводят в целях проверки способности и устойчивости параметров и сохранности внешнего вида изделия в условиях пониженного и повышенного атмосферного давления.

Испытание на воздействие пониженного атмосферного давленияприводят одним из следующих методов: 1) при нормальной температуре; 2) при повышенной рабочей температуре для изделий, предназначенных для работы при давлении 6,7 кПа и выше; 3) при повышенной рабочей температуре для изделий, предназначенных для работы при давлении ниже 6,7 кПа.

Первый метод применяют для испытания нетепловыделяющих изделий, а также для испытания тепловыделяющих изделий, для которых нагрев при электрической нагрузке, нормированной для пониженного атмосферного давления, не является критичным.

Второй и третий методы применяют для испытания тепловыделяющих изделий, для которых нагрев при электрической нагрузке, нормированной для пониженного атмосферного давления, является критичным.

Для обеспечения воспроизводимости результатов испытаний тепловыделяющих изделий на воздействие пониженного атмосферного давления необходимо правильно выбрать соотношения площади поверхности, окружающей изделия, и общей площади поверхности: изделия по ГОСТ 20.57.406–81.

Испытание проводят в барокамере, которая должна обеспечивать испытательный режим с отклонениями, не превышающими указанные в стандарте, ТУ или ПИ.

Способ установки и положение изделий при испытаниях, а также минимально допустимые расстояния между изделиями в барокамере устанавливают в стандартах, ТУ на изделия и ПИ. Определение минимально допускаемых расстояний между тепловыделяющими изделиями в барокамере проводят в соответствии с ГОСТ 20.57.406–81.

Приближенный расчет минимально допустимых расстояний между тепловыделяющими испытуемыми изделиями проведем для параллельно расположенных изделий, имеющих вид параллелепипеда.

При испытании изделий, предназначенных для работы при напряжении ниже 300 В, давление воздуха в барокамеру устанавливают в зависимости от пониженного атмосферного давления и повышенной температуры по ТУ на изделия и ПИ. Затем проводят проверку параметров изделий.

Для изделий, предназначенных для работы при давлении или выше 0,67 кПа и напряжении не ниже 300 В, давление в термобарокамере плавно снижают от 1,33 кПа до значения, установленного в стандартах, ТУ на изделия и ПИ. В течение всего времени изменения давления проверяют параметры, зависящие от электрической прочности воздушных промежутков.

При испытании изделий, предназначенных для работы при давлении не выше 0,67 кПа и напряжении не ниже 300 В, давление в барокамере устанавливают 1,33 кПа. Затем давление плавно снижают до номинального значения, при этом в течение всего времени изменения давления проверяют параметры, зависящие от электрической прочности воздушных промежутков. Перечень этих параметров устанавливают в стандартах, ТУ на изделия и ПИ.

Изделие выдерживают в условиях пониженного давления воздуха и повышенной температуры в течение времени, указанного в стандартах и ПИ. По истечении времени выдержки проверяют параметры, не извлекая изделия из камеры.

Испытание на воздействие повышенного давления воздухаили другого газа проводят следующим образом: изделие помещают в барокамеру, давление в которой доводят до заданного значения, выдерживают при этом давление в течение времени, установленного в стандартах, ТУ или ПИ, и проводят проверку параметров

изделия; давление в камере плавно снижают до нормального, после чего изделие извлекают из камеры, подвергают внешнему осмотру и проверяют параметры.

Изделия считают выдержавшими испытание, если в процессе испытания и после него они удовлетворяют требованиям, установленным в ТУ, стандартах и ПИ для данного вида испытаний.

ИСПЫТАНИЕ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Испытание проводят для проверки сохранности внешнего вида изделий или их отдельных деталей и узлов, а также их параметров после воздействия солнечного излучения. Облучение изделий, их узлов или деталей (кожухов, крышек, ручек, шкал и т.п.) осуществляют в камере СО-1 (0,5) солнечной радиации источниками инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Изделие в камере располагают так, чтобы наиболее уязвимые части его находились под воздействием источника облучения и не было взаимной экранизации. Спектр ультрафиолетового излучения должен лежать в пределах 280…400 нм. Интегральная плотность теплового потока солнечного излучения должна составлять 1120 Вт/м2 ± 10 %, в том числе плотность потока ультрафиолетовой части спектра 68 Вт/м2 ± 25 %. Концентрация озона в камере не должна превышать нормальную (ГОСТ 15150–69).

Если основной целью испытания является проверка воздействия ультрафиолетовой части спектра, испытание проводят следующим образом. Изделия помещают в камеру, включают источники ультрафиолетового излучения, после чего температуру воздуха в камере (в тени) устанавливают 55 ± 2 °С. Изделия облучают в течение 120 ч непрерывно или с перерывами.

Если основной целью испытания является проверка взаимодействия ультрафиолетовой части спектра с нагревом, испытание проводят по режиму, график которого указан на рис. 5, при этом продолжительность испытания составляет 10 циклов.

По окончании испытания изделия вынимают из камеры и проводят их внешний осмотр и измерение параметров указанных в стандартах, ТУ или ПИ. Контролю подлежат только те параметры, стабильность которых зависит от состояния конструктивных деталей или узлов из органических материалов (или имеющих органические покрытия) и подвергающихся непосредственному облучению. Изделия считаются выдержавшими испытания, если в процессе и после испытаний они удовлетворяют требованиям, установленным в стандартах и ТУ на изделия и ПИ для данного; вида испытаний.

Радиационная стойкость характеризует свойство аппаратуры, комплектующих элементов и материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время и после действия ионизирующего излучения (ГОСТ 18298–79).

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.