Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология испытаний технических систем. Учебное пособие.pdf
RT
Mgh
еPP
−
⋅=
0
kT
P
N
м
=
6. Солнечное излучение представляет собой электромагнитные волны
длинами 0,2–5 мкм. На ультрафиолетовую область (длина волны
до 0,4 мкм) приходится 9 % энергии, на видимую (длина волны 0,4–
0,7 мкм) ‒ 41 % и на инфракрасную (длина волны 0,72 мкм) – 50 % солнечной энергии. Влияние солнечного излучения на изделие заключается
в его нагреве и химическом разложении некоторых органических материалов. Наибольшее воздействие оказывают ультрафиолетовые лучи, которые обладают высокой энергией. Под действием этих лучей происходит
поверхностное окисление материалов, частичное разложение полимеров,
содержащих хлор, расщепление органических молекул, быстрое старение
пластмассы, ее растрескивание.
7. Атмосферное давление создается массой воздуха в данном месте.
Колебания атмосферного давления вследствие изменения погоды ±7 %,
а при тропических бурях превышают ±10 %.
Изменение давления вызывает опасность пробоев воздушных промежутков электрических установок в связи с изменением диэлектрической
проницаемости воздуха. Плотность атмосферы характеризуется числом
молекул, содержащихся в 1 см3 воздуха на данной высоте над уровнем
моря. Она пропорциональна давлению лежащего выше слоя. Если предположить состав атмосферы однородным, а температуру постоянной, то
плотность и давление будут равномерно изменяться с высотой. При этом
давление определяется по формуле
,
где Р0 – давление вблизи поверхности Земли; М – масса грамм-молекулы
газа; g – ускорение свободного падения; h – высота над поверхностью моря; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.
Плотность атмосферы на данной высоте
,
где k – постоянная Больцмана; Р – давление.
В действительности состав воздуха и температура изменяются с высотой, что приводит к отклонению распределения плотности и давления
от определяемого по формулам (табл. 6.1).
91
Высота над уровнем моря,
Давление,
2
4
3
1
5 3 2
1
4
5
Рис. 6.1. Испытательная камера
Рис. 6.2. Испытательная камера
Таблица 6.1
Значения барометрического давления
в зависимости от высоты над уровнем моря
м
мм рт. ст.
0 1000 5000 10000 20000 30000 40000
760,0 674,1 405,1 198,2 41,00 8,46 2,15
Таким образом, нами рассмотрены основные климатические факторы,
учитываемые при организации испытаний.
6.2. ИСПЫТАНИЯ НА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ
Испытания на теплоустойчивость проводят для проверки работоспособности изделия и сохранения его внешнего вида в период до и после
воздействия повышенной температуры, установившейся при эксплуатации. Воспроизведение условий испытаний, близких к реальным, осуществляется в испытательных камерах, которые бывают двух типов:
1) с прямым нагревом электронагревателями (рис. 6.1);
2) с прямым нагревом за счет циркуляции воздуха (рис. 6.2).
1 – датчик температуры; 2 – рубашка
с прямым нагревом
электронагревателями:
камеры; 3 – вентилятор;
4 – регулятор температуры;
5 – электронагреватель
с прямым нагревом
за счет циркуляции воздуха:
1 – датчик температуры;
2 – вентилятор; 3 – регулятор
температуры; 4 – электронагреватель;
5 – деталь
92
В первой схеме обеспечивается равномерность распределения температуры и высокая ее стабильность при сравнительно небольшой скорости
движения воздуха, что создает условия, близкие к свободному обмену
воздуха в камере. К достоинствам этой схемы можно отнести минимальное время достижения предельных температур и восстановления температурного режима камеры после помещения в нее испытываемых изделий.
Однако необходимость при большом объеме иметь большую мощность
нагревателей ограничивает применение данного способа. В связи с этим
получили применение камеры с принудительной циркуляцией воздуха.
Применение второй схемы несколько упрощает конструкцию камеры.
В этом случае для получения однородного потока воздуха вентилятор, создающий повышенное давление, размещают в камере. К недостаткам данной конструкции камеры можно отнести большую продолжительность
нагрева и большой потребляемый объем воздуха.
Испытания на теплоустойчивость проводят следующим образом: изделия помещают в камеру, включают под нагрузку и устанавливают температуру согласно техническим условиям. Изделие выдерживают до полного прогрева по всему объему, после чего снова контролируют параметры. Затем прерывают работу изделия, а температуру в камере повышают
до предельного значения. После выдержки температуру в камере понижают до нормальной, а изделие оставляют при этой температуре до его
полного остывания. Затем производят контрольные проверки.
Термоносители могут быть жидкими и газообразными веществами.
В испытательных камерах в основном применяются жидкие термоносители и нагреватель располагается в теплообменном аппарате – термостате.
Термостат представляет собой бак с расположенным в нем нагревателем.
Для поддержания определенного температурного режима внутри камеры
и для исключения влияния окружающей температуры между стенками
камеры располагают теплоизоляционный материал с малым коэффициен-
том теплопроводности (λ = 0,035–0,15 Вт⋅м–1⋅К–1) и малой плотностью
(ρ = 25–300 кг⋅м–3).
Принудительная циркуляция воздуха в камере зависит от ее аэродинамики, определяемой местом расположения вентилятора и конструкцией
воздуховодов. В конструкциях камер предусматриваются внутреннее освещение, специальные отверстия для подведения по кабелям питающего
напряжения к испытываемым изделиям.
93
6.3. ИСПЫТАНИЯ НА ХОЛОДОУСТОЙЧИВОСТЬ
Для проведения испытаний на воздействие пониженной температуры
применяют испытательные камеры холода, которые бывают двух видов:
а) шкафные;
б) сундучковые.
Особенностью сундучковых камер является расположение дверок
в верхней части камеры, что облегчает ее загрузку изделиями больших габаритных размеров и масс.
Получение пониженной температуры в камере достигается искусственным охлаждением находящегося в ней воздуха двумя способами.
Оба способа основаны на использовании одного из следующих физических процессов: испарения, кипения, плавления, сублимации. Все эти процессы протекают с поглощением тепла из окружающей среды. Кроме того, искусственное охлаждение может быть основано на таких физических
явлениях, как термоэлектрический эффект и адиабатическое расширение газа.
По способу охлаждения различают камеры с непосредственным
и косвенным охлаждением. При этом охлаждение может осуществляться
путем введения твердого или жидкого хладагента в рабочий объем камеры. В качестве твердого хладагента применяют углекислоту, имеющую
температуру точки замерзания 78,5 ºС. Поглощая теплоту из окружающей
среды, твердая углекислота нагревается и превращается в безвредный, не
вызывающий коррозии газ. Недостатками данного способа охлаждения
являются:
‒ непостоянство температуры в камере вследствие плохой теплопередачи путем конвекции;
‒ зависимость температуры в камере от количества, габаритных размеров и массы загруженных в нее изделий.
Установка в камеру вентилятора несколько уменьшает эти недостатки.
Достоинствами данного способа охлаждения являются его простота,
быстрая установка температуры, бесшумность и т. д. Из жидких хладагентов наиболее широкое применение получил азот. Схема камеры с использованием азота показана на рис. 6.3.
94
8
9
3
азот
4
7
5
6
10
1
2
сигнал от системы
управления
Рис. 6.3. Схема камеры с использованием азота:
1 – нагреватель азотного испарителя; 2 – сосуд Дьюара; 3 – ручной вентиль;
4 – манометр; 5 – соленоидный вентиль; 6 – воздухоохладитель; 7 – предохра-
нительный клапан; 8 – реле; 9 – пусковое устройство; 10 – камера
Для испытания изделий с целью оценки работоспособности в процессе
эксплуатации при пониженных температурах их помещают в камеру,
в которой устанавливается температура, равная заданной. Скорость пони-
жения температуры не должна превышать 1 ºС⋅мин–1. Достигают температурного равновесия, после чего аппаратуру отключают и проверяют значения параметров, предусмотренных НТД. Изделия должны оставаться в камере до момента, пока температура в ней не превысит точки замерзания.
После извлечения изделий из камеры производится их внешний осмотр.
Воздействия повышенной влажности воздуха на изделия могут быть
постоянными и циклическими в соответствии с суточными колебаниями
температуры и влаги. Примером постоянного воздействия повышенной
влажности (98–100 %) является эксплуатация, хранение и транспортировка изделий в странах с тропическим климатом.
Для испытаний на воздействие повышенной влажности применяют
камеры двух типов: инжекционные и неинжекционные. Инжекционными
6.4. ИСПЫТАНИЯ НА ВЛАГОУСТОЙЧИВОСТЬ
95
2
1
5
6
7
3
4
9
10
11
13
8
12
называются камеры, повышение влажности в которых создается путем
введения (инжектирования) в их рабочий объем влажного воздуха. Реализуется закрытый способ увлажнения, основанный на циркуляции воздуха,
прошедшего через увлажняющее устройство. Неинжекционными называ-
ются камеры, повышение влажности в которых создается за счет испарения влаги с открытой поверхности. Реализуется открытый способ увлажнения, основанный на испарении влаги со свободной поверхности воды
или насыщенных солевых растворов.
Наибольшее применение получили инжекционные камеры, в которых
увлажнение воздуха происходит за счет его непрерывного прохождения
через специальную ванну с водой и насыщения влагой (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Схема инжекционной камеры:
1 – термодатчик; 2 – регулятор температуры; 3 – вентилятор; 4 – канал циркуляции
воздуха; 5 – силикогелевый осушитель; 6 – вентиль регулирующий; 7 – холодильная
установка; 8 – испаритель холодильной установки; 9 – измеритель количества
воздуха; 10 – воздушный фильтр; 11 – воздушный насос; 12 – нагреватель; 13 – ванна
96
При выходе из ванны воздух имеет 100%-ю относительную влаж-
ность и температуру точки росы. Если необходимо обеспечить повышенную влажность в камере при температурах точки росы, близких или ниже
+2 ºС, то поток влажного воздуха пропускается через силикогелевый осушитель, обеспечивающий его обезвоживание в соответствии с установленной температурой точки росы.
Возможны способы, обеспечивающие относительно быстрое изменение влажности в испытательной камере, в которой увлажнение происходит за счет распыления нагретой воды или за счет введения в камеру паровоздушной среды.
Распыление воды может осуществляться с помощью специальных форсунок или механическим путем, например с применением специальной
центрифуги. Распыленная вода нагревается электронагревателем и с помощью вентилятора нагнетается в камеру. Образовавшаяся паровоздушная
смесь, циркулируя и обогащаясь влагой, обеспечивает заданный режим
нагружения. Однако недостатком способа распыления воды и введения
в камеру паровоздушной смеси является наличие водяных капель и неопределенное аэрозольное состояние.
Для измерения влажности воздуха применяют приборы, называемые
гигрометрами. Для измерения и автоматического регулирования влажности воздуха наибольшее применение находят следующие методы:
‒ психрометрический;
‒ точки росы;
‒ сорбционный.
Психрометрический метод основан на определении разности температур, измеренных двумя термометрами: «сухим», измеряющим температуру воздуха, и «мокрым», измеряющим температуру тела, с поверхности
которого происходит испарение воды. По показаниям «сухого» и «мокрого» термометров с помощью психрометрических таблиц или диаграмм
определяется относительная влажность воздуха.
Метод точки росы основан на определении температуры, до которой
необходимо охладить ненасыщенный водяной пар для доведения его до
состояния насыщения, характеризуемого точкой росы. Температура точки
росы определяется по началу конденсации водяного пара на плоской поверхности твердого тела, охлаждаемой в атмосфере влажного воздуха.
97
Сорбционные методы, получившие практическое применение, осно-
ваны на применении гигроскопических тел, изменяющих свои свойства
в зависимости от количества поглощенной влаги.
Испытания на влагоустойчивость могут быть длительными, ускорен-
ными и кратковременными. Длительные испытания являются основными
и проводятся на этапах разработки изделия или его освоения в производстве. Ускоренные испытания проводят на изделиях серийного производ-
ства, проверяемых периодически. Ускорение процесса испытаний достигается за счет повышения температуры, которое приводит к насыщению
влажного воздуха, его конденсации и выпадению росы. При этом увеличивается абсолютная влажность воздуха и растет парциальное давление
водяных паров, что способствует их проникновению во все трещины и капилляры изделия.
Аналогично осуществляются кратковременные испытания на влаго-
устойчивость, целью которых является выявление технологических дефектов.
По окончании испытаний, проводимых по любому из рассмотренных
методов, проводят оценку коррозионных разрушений изделий в соответствии с установленными требованиями.
98
7. ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ
Классификация основных направлений методов испытания изделий
на надежность представлена на рис. 7.1.
Основные направления методов
Сокращение времени
испытаний
Ускоренные испытания
испытаний на надежность
Сокращение
объема выборки
Испытания
по сокращенным программам
Форсиро-
ванные
испытания
Испытания
в нормальном
режиме
Испытания
в форсирован-
ном режиме
Сравнительные
испытания
Метод
«перекрытия»
Метод
«доламывания»
Рис. 7.1. Классификация основных направлений методов испытаний на надежность
Сокращение объема испытаний на надежность проводят, в основном,
по двум направлениям:
1) сокращение объема выборки;
2) сокращение времени испытаний.
Рассмотрим более подробно эти направления.
99
( )
( )
TI
TS
1
2
≥
2
2
2
2
2
x
p
p
x
v
q
u
U
C
n =
∆
=
7.1. СОКРАЩЕНИЕ ОБЪЕМА ВЫБОРКИ
Точность оценок зависит от объема испытаний. Сокращение объема
выборки дает уменьшение объема испытаний, однако приводит к понижению точности оценки. Это выражается в увеличении дисперсии оценки
искомого параметра. Существует нижний предел дисперсии, ниже которого дисперсия не может быть получена при увеличении объема выборки.
Нижний предел дисперсии связан с количеством информации, полученной
от испытаний, зависимостью
,
где S2(T) – нижний предел дисперсии оценки определяемого параметра Т;
I(T) – количество информации, содержащейся в испытаниях.
Из этой формулы видно, что всякое уменьшение числа испытаний,
влекущее за собой уменьшение информации, приводит к увеличению дисперсии, снижая тем самым точность оценки определяемого параметра Т.
Однако отсюда следует обратный, не менее важный вывод: при прекращении роста информации, т. е. при насыщении информацией испытаний,
дальнейшее увеличение числа опытов не приводит к увеличению точности
оценки испытаний, так как достигается нижний предел дисперсии S2(T).
Обоснование необходимого (достаточного) объема испытаний с заданной степенью точности является основной задачей планирования любых испытаний. При определении минимально необходимого объема испытаний n следует исходить из целей испытаний. Если испытания проводятся с целью оценки математического ожидания каких-либо свойств материала, то объем выборки в предположении нормального закона распределения определится по формуле
где С
стики;
,
2
– коэффициент вариации определяемой испытаниями характери-
v
2
∆
– относительная ошибка при оценке среднего значения;
x
2
u
– квантиль функции распределения;
р
100