ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

УДК 551.5:629.1.04

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ УСТРОЙСТВ И ОБОРУДОВАНИЯ

И.В. Приходько,кандидат технических наук,

доцент кафедры «Экология и энергоэффективность в техносфере»; А.Н. Кошко, магистрант

Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта» (УО «БелГУТ»), Гомель, Республика Беларусь,

Аннотация. В работе рассмотрен актуальный вопрос эксплуатации устройств и технологического оборудования в условиях воздействия предельных значений ряда макроклиматических параметров, а также в случаях их циклического изменения в заданном диапазоне. Проведен анализ последствий их воздействия на физико-механические свойства элементной базы, а также на качество входных и выходных параметров, приводящих к изменению электрических и магнитных свойств. Оценена значимость проведения сертификационных испытаний объектов транспортной отрасли для обеспечения надежности и безопасной работы.

Ключевые слова: климатические условия, температура, влажность воздуха,управляющие системы, элементная база, безопасность, надежность, механические свойства, электрические характеристики.

ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF CLIMATE PARAMETERS ON THE PERFORMANCE OF DEVICES AND EQUIPMENT

I.V. Prihodzko,candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department «Ecology and energy efficiency in the technosphere»;

А.Н. Koshko, graduate student

Belarusian state university of transport (BSUT), Gomel, Republic of Belarus

Аbstract.The article deals with the actual issue of operation of devices and technological equipment under the influence of limit values of a number of macroclimatic parameters, as well as in cases of their cyclic changes in a given range. The analysis of the consequences of their influence on the physical and mechanical properties of the element base , as well as on the quality of input and output parameters that lead to changes in electrical and magnetic properties. The significance of carrying out certification tests of transport industry facilities to ensure reliability and safe operation is assessed.

Keyword:climate conditions, temperature, humidity, control systems, element base, safety, reliability, mechanical properties, electrical characteristics.

Введение

На сегодняшний день очень трудно представить отрасли народного хозяйства без применения техники. Оборудование позволяет автоматизировать процессы, повысить объемы производства, сделать технологические процессы более энергоэффективными и экологически чистыми. Техника осуществляет добычу, транспортировку и переработку различного сырья. И все это стало возможно с введением в эксплуатацию «умной техники», построенной на основе микропроцессоров, полупроводниковой (ПП) элементной базы (ЭБ). Сегодня уже мало кого можно удивить машинами и механизмами способными работать самостоятельно без участия оператора. Это большое достижение, особенно когда речь идет о вредных или опасных условиях труда, там, где выполнение должностных обязанностей связано с риском для жизни или вредно для здоровья. К таким условиям можно отнести работу в условиях низких или высоких температур, а также в условиях их циклического изменения. К примеру, к территориям с холодными очень холодным климатомможно отнести области, где температура воздуха опускается на достаточно долгое время до минус 40°С,а иногда и ниже[1]. Для таких областей свойственны частые переходы относительно 0°С,что приводит кпоявлению тумана, образованию инея или обледенения. Такой климат предполагает сложные условия работы.Но не только людям тяжело нормально работать в таких условиях. Так при определенных

143

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

температурах могут возникать отказы в работе оборудования, снижается стабильность сигналов (качество электрических параметров с точки зрения электромагнитной совместимости).

Влияние микроклиматических параметров можно считать наиболее распространенными в части дестабилизации работы оборудования. Отклонении от нормальных условий ухудшает работу ЭБ. Это обусловлено изменением физико-химических свойств материалов, из которых изготовлены элементы систем контроля и управления. Повышение или понижение температуры может в значительной мере менять механические свойства объектов, чтоприводит к появлениюдеформированного состояния, изменение твердости, прочности и упругости материалов, а также их электромагнитных свойств. Это может привести к недопустимымискажениямсигналов или разрушению отдельных элементов,что влечет за собой остановку технологического оборудования и технологического процесса или даже, если это связано с движением, привести к аварийной ситуации, связанной с риском для жизни.

Влияние температуры на деформационные характеристики

Любые материалы при изменении температуры подвергаются в той или иной мере деформации.В основном, ее величина зависит от физических свойств материала, а именно от температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Геометрическиеразмеры однородного тела в зависимости от температуры определяются соотношением (1):

где lиl0– длинна тела в нагретом (охлажденном) состоянии (t)и при нормальных условиях (t0) соответственно;

α– температурный коэффициент линейного расширения; t –температура нагретого (охлажденного)объекта.

Таким образом, изменение геометрических размеров тел∆l, подвергшихся изменению

температуры в следствии нагревания или охлаждения окружающей среды можно вычислить по следующей формуле:

где ∆t - изменение температуры окружающей среды [2].

Анализ формулы (2) позволяет сделать вывод, что деформация тела одинаково зависит как от ТКЛР, так и от изменения температуры∆t. В таком случае очень важна однородность материала изделия, потому как в однородном изделии не возникает внутренних напряжений в силу того, что его температура изменяется на одинаковую величину. Если конструкция состоит из нескольких блоков из различных веществ, то при изменении температуры их размеры могут изменятся в различной степени. Это может привести к возникновению разрушительной деформации.

У большинства материалов, используемых в ПП устройствах,ТКЛРварьируется в диапазоне (1 – 300)·10-6 1/K. У металловТКЛРсоответствует диапазону (1 – 40)·10-6 1/K, ау неорганических

диэлектриков (керамика, стекло, кварц, слюда и др.) как правило, ТКЛР не превышает10·10-6 1/K.

Наибольшее значение ТКЛР, доходящее до 300·10-6 1/K, имеют различные органические диэлектрики. Различие ТКЛР, например, у металлов и пластмасс, приводит к образованию каналов между этими материалами. Эти каналы создают пути для проникновения влаги. При низкой температуре вода замерзаети, расширяясь примерно на 10% в объеме, это вызывает дальнейшее увеличение трещин и зазоров. При действии тепла и холода на припой, соединяющий одну деталь с другой, в нем могут возникнуть такие усилия, которые нарушат целостность цепи. В результате может нарушиться электрический контактрадиодетали (РД) или радиокомпонента (РК) со схемой [2].

Так если не учесть значительную разницу величин ТКЛР различных,используемых совместно, веществ, то изменение температуры может вызвать деформацию всегоблока в сборе ипривести к разрушению и прекращению его дальнейшего функционирования.

Зависимость свойств материалов от температуры и влажности окружающей среды

Изменение температуры значительно влияет на некоторые свойства материалов. К примеру, при повышении температуры происходит возрастание сопротивления металлов, а также уменьшается модуль упругости и предел прочности. Понижение температуры ведет к снижению пластичности и появлению хрупкости металла, а также к изменению индуктивности высокочастотных катушек и дросселей и сопротивления резисторов, выполненных из металлической проволоки. А главное, температура значительно влияет на электрические характеристики диэлектрических материалов.Рост температуры приводит к резкому падению сопротивления изоляции, наблюдается рост диэлектрических потерь, снижается величина диэлектрической проницаемости, а отдельные диэлектрические материалытеряют свои прочностные характеристики.

Электрическая прочность большинства диэлектриков при действии тепла вначале увеличивается, а механическая прочность уменьшается вследствие удаления влаги. Затем наблюдается значительное снижение электрической прочности иконечным результатом является физическое разрушение диэлектрика. Изоляционные материалы под действием циклического воздействия тепла

144

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

и холода подвергается интенсивному старению, сопровождающемуся изменением электрических и физических свойств материалов. Больше всего подвержены старению органические изоляционные материалы: повышение рабочей температуры на каждые 8 – 10°С вдвое сокращает их срок службы.Длительное воздействие температуры уменьшает механическую прочность органических материалов, в результате чегоони становятся более хрупкими и, в конечном счете, могут быть разрушены под действием даже небольшого удара или вибрации[3]. Термостарение элементов считается одним из факторов увеличивающим процент отказов оборудования, так как значительно уменьшается срок их службы.

Действие высоких или низких температур может привести как к обратимому,так и к необратимому изменению физических и химических свойств подвергаемых воздействию материалов. В случае обратимых измененийгеометрические и электрические параметры элементной базы устройстввосстанавливаются после прекращаетсявлиянияэкстремальных значений температур. В противном случае свойства материалов не восстанавливаются[4]. Значительноеуменьшение температуры может привести к аварийномуснижению качества и стабильности характеристик и возникновению отказовэлементов.

Изоляционные покрытиякоммутационных проводов также выполняются из диэлектрических материалов (полимеров)сопротивление изоляции которых также как и у РД имеют в значительнойстепени зависимость от микроклиматических параметров: температуры и влажностьвоздуха. В основном это касается изоляции, выполненной из волокнистых материалов. Попадание влаги снижает диэлектрические характеристики изоляционного материала и требует его сушки. Рост температуры эксплуатации также значительно снижает сопротивление изоляции покрытий, ипроверка егосостоянияявляется однойиз главных вопросов связанных с возможностью дальнейшей эксплуатации диэлектрических материалов (рисунок 1).

Достаточно восприимчивыми к изменению климатических параметров, а именно колебаниям температуры, являются ПП приборы. В качестве примера можно привести германиевые транзисторы. Изменение температуры на 10 оС приводит к возрастанию обратного тока через переход коллектора практически в два раза. Таким образом, температура является одним из дестабилизирующих факторов в работе как отдельных элементов, так и всего объекта управления в целом. Рост температуры эксплуатации ведет к снижению сопротивления изоляции печатных плат, на которых, собственно, базируется вся рабочая схема (рисунок 2). Это ведет к изменению тангенса угла диэлектрических потерь и возрастанию ее паразитной емкости, что в совокупности значительно отражается на качестве и стабильности ее работы. Негативному влиянию температурного воздействия могут подвергаться и интегральные схемы, не смотря на их более высокую надежность в отличие от РД и РК. Но, тем не менее, они не застрахованы от возрастания сопротивления контактов или адсорбции молекул воды, что снижает качество их работы. Среди интегральных схем можно выделить схемы в керамических корпусах как наиболее устойчивые к такому воздействию.Однако, построить все устройство только на таких элементах увы невозможно и в его схеме всегда найдутся ПП элементы или РД более подверженные климатическому воздействию, что снижает надежность всего устройства в целом.

Негативное влияние климатических факторов может увеличиться, если к воздействию температуры еще добавится высокая влажность воздуха, хотя в реальных условиях они зачастую сопутствующие факторы. Под действием влажности воздуха интенсифицируются коррозионные процессы, снижаются диэлектрические свойства изоляционных материалов, а также в результате

145

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

конденсации влаги на поверхности схемы может просто произойти короткое замыкание. Нормальные климатические условия атмосферного воздуха характеризуются 65 % влажности, но даже при таких условиях все предметы имеют на своей поверхности тончайшую водную пленку в несколько нанометров. Вследствие естественной ионизации и взаимодействия влаги с окружающей средой (растворению в ней солей и кислот) такая пленка на поверхности изоляционных материалов значительно уменьшает их поверхностное сопротивление, а при проникновении молекулполучившихся растворов в объем материала снижает величину объемного сопротивления. Таким образом, учет влияния микроклиматических параметров является важным условием, которое необходимо учитывать при проектировании систем управления. Помимо того, важной задачей является проведение испытаний на воздействие этих факторов в процессе приемочных и сертификационных испытаний.

Проведение испытаний на стойкость к климатическим воздействиям

Основной целью проведения испытаний на климатические воздействия является контроль работоспособности оборудования в условиях действия верхних и нижних значений температур, в условиях воздействия изменения температуры, а также влажности воздуха при эксплуатации, транспортировке и хранении. Программу проведения климатических испытаний и методику их проведения составляют и подбирают таким образом, чтобы испытания проводилось наиболее близко к тем условиям, в которых осуществляется дальнейшая эксплуатация оборудования. Важно чтобы испытания не только соответствовали по величине значениям температур и диапазонам влажности, но и продолжительности их воздействия, достаточнойскорости изменения и необходимогоколичества циклов чередования микроклиматических параметров. Допускается проведение испытаний как при воздействии параметров в отдельности, так и в совокупности, в зависимости от того на сколько это может позволить испытательное оборудование или методики испытаний. Помимо того, в качестве дополнения к испытаниям в сложных климатических условиях могут быть добавлены еще и специальные испытания, такие как воздействие соляного тумана, динамического воздействия пыли и воды. Нормативные значения показателей и продолжительность проведения испытаний определяется нормативной и технической документацией.

В зависимости от степени жесткости устанавливаются различные значения климатических параметров для проведения испытаний.В соответствии с [5] при эксплуатации оборудования верхнее значение температуры воздуха устанавливаетсяпятнадцать степеней жесткости, а, соответственно, для нижнего значениятолько девять.

Достаточно важным условием качества проведения испытаний является правильный подбор очередности их проведения. Стойкость к климатическим воздействиям следует проводить после осуществления внешнего механического воздействия, так как после действия механических факторов могут появиться микротрещины, развитость которых может усугубиться в процессе климатических испытаний [6, 7].А вот проверку сопротивления и электрической прочности изоляции следует проверять до и после климатического воздействия, чтобы оценить устойчивость материала к такого рода негативным факторам.

Заключение

Таким образом, важным условием является учет влияния микроклиматических факторов на стадии разработки и проектирования оборудования и техники.А перед вводом в эксплуатацию необходимо проведение приемочных и сертификационных испытаний. Особенно это должно касаться техники, которая эксплуатируется в тяжелых климатических условиях. Ведь неправильная оценка условий эксплуатации и не в полной мере учет последствий влияния экстремальных значений микроклиматических параметров может привести как к значительному прямому и косвенному экономическому ущербу, так и к возникновению риска для жизни персонала.

Библиографический список

1.ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды: межгосударственный стандарт: дата введения 1971-01-01. – М.: Межгосударственный стандарт : Стандартинформ, 2006. – 60 с.

2.Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 1985. – 432 с.

3.Митрейкин, Н.А. Надежность и испытания радиодеталей и радиокомпонентов / Н.А. Митрейкин,А.И. Озерский.

–М.: Радио и связь, 1981. – 272 с.

4.Бондаренко, И.Б. Электрорадиоэлементы. Часть 1. Резисторы / И.Б. Бондаренко. – СПб.: СПб. НИУ ИТМО,

2012. – 108 с.

5.ГОСТ 16962-71. Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний: государственный стандарт союза ССР: дата введения 1971-01-01. – Изд. официальное.– М.: Издательство стандартов, 1897. – 103 с.

6.ГОСТ 17516.1-90. Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим

внешним воздействующим факторам: межгосударственный стандарт: дата введения 1991-01-01.– Изд. официальное.– Минск: Государственный стандарт Республики Беларусь: Госстандарт, 1990. – 76 с.

7. Приходько, И.В. Влияние вибрации на надежность и безопасность электрических машин / И.В.Приходько // Горная механика и машиностроение. – 2019. – № 4. – С. 74-80.

146