НТСиТР_Акимов_учебник. Учебное пособие Надежность технических систем и техногенный риск

• Название: Учебное пособие Надежность технических систем и техногенный риск
• Анкор: НТСиТР_Акимов_учебник.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 7.5 Mb.
• Имя файла: НТСиТР_Акимов_учебник.doc
• Тип: Учебное пособие; #1925
• страница: 6 из 27

§ 3. Роль внешних факторов, воздействующих на формирование отказов технических систем
3.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В зависимости от условий эксплуатации изменяются показатели надежности и безотказности системы.

Отказы технических устройств по их физической природе - следствие физико-химических процессов, непосредственно или косвенно влияющих на работоспособность элементов и возникновение отказов; определяются: типом материала; местом протекания процесса; видом энергии, определяющей характер процесса; эксплуатационным воздействием; внутренним механизмом процесса.

С позиций энергоэнтропийной концепции опасности следует выделить три источника воздействия:

- действие энергии окружающей среды, включая человека, выполняющего функции оператора или технического персонала;

- внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в системе, так и с работой отдельных частей системы;

- потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и элементах системы в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

Различные виды энергии вызывают в элементах системы процессы, связанные со сложными физико-химическими явлениями, приводящими к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. Возникновение повреждений влечет за собой изменение выходных параметров системы и отказ.

Процессы, приводящие к изменению начальных свойств, протекают в материалах, из которых изготовлены элементы, а также в смазочных материалах, топливе, которые также участвуют в рабочем процессе.

Механические свойства материалов (прочность, относительное удлинение и т.д.), электрические (электрическая проводимость, напряженность электрического поля пробоя, электрическая прочность, коэффициент электрических потерь, диэлектрическая проницаемость, остаточная поляризация, удельное сопротивление и др.) и магнитные свойства материалов (магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, остаточная магнитная индукция и др.) существенно зависят от температуры, механических напряжений, влажности, напряженности электрического поля, газовой среды, рассеиваемой мощности, длительности работы и других воздействующих факторов.

Для многих элементов накопление энергии внешних воздействующих факторов является монотонным. Используя связь между нагрузкой и плотность потока энергии воздействующего фактора, зная время воздействия, можно получить вероятность безотказной работы за это время при данном воздействующем факторе (обычно выбирают превалирующий фактор), а также определить значения интенсивности отказов элементов. Полученная оценка вероятности в отличие от обычно применяемых позволяет учесть эффект превалирующих воздействующих факторов с помощью энергетической характеристики воздействия, определяющей количество "внесенной" энергии воздействия, а также допустимые пределы изменения и статистические характеристики элемента, определяющие его способность противостоять воздействующим факторам.

При наличии зависимостей, отражающих влияние условий эксплуатации и нагрузки на надежность элемента, их следует применять в методах расчета, известных в теории надежности.

Отказы в технических системах и развитие аварии могут происходить и по причине внешних воздействий, не связанных с производственными процессами. Сюда относятся внешние воздействия, связанные:

- с автомобильным и железнодорожным транспортом (особенно при перевозке опасных грузов);

- с работой станций по заправке горючим;

- с работой соседних предприятий, в особенности тех, которые используют легковоспламеняющиеся или взрывоопасные вещества;

- с механическими ударами, как, например, при обрушении конструкций.

Такие ситуации зачастую избежать невозможно, их вероятность следует учитывать при планировании размещения предприятия на местности, а также при создании легко повреждаемых элементов установок.

Внешние воздействия могут быть связаны с действием сил природы. Наиболее важными из них являются: ветер, наводнения, землетрясения, оседание почвы в результате горных работ или эксплуатации тепловых коммуникаций, очень сильный мороз или очень сильная жара, удар молнии.

Если известно, что в местах расположения предприятия вероятны такие природные воздействия, следует принимать определенные профилактические меры.

На любом опасном производстве могут иметь место акты обмана или саботажа работающего персонала или диверсии. Защита систем в этом случае осложнена и никогда не может быть идеальной. Однако такие возможности следует учитывать при проектировании производств.

Умение персонала обеспечивать нормальную работу представляется очень важным не только для предприятий, использующих малоавтоматизированные технологические процессы, но и для высокоавтоматизированных и механизированных предприятий, требующих вмешательства человека только в аварийных обстоятельствах.

Однако ошибки, совершаемые персоналом, так же разнообразны, как и конкретные производственные функции. Наиболее часто встречающиеся ошибки следующие:

- ошибки обнаружения;

- ошибки в оценке ситуации и принятии решения;

- ошибки выполнения действия (последовательности, пропуск, включение лишнего, нарушение правил);

- ошибки в ориентации (недостаток информации, избыток информации);

- ошибки связи.

Также разнообразны и причины, приводящие к ошибочным действиям человека. Ошибки происходят вследствие того, что работающий персонал не имеет информации об опасностях, не обладает достаточной квалификацией для выполнения данного вида работ, безопасный труд не поощряется руководством, человек может находиться в состоянии психического расстройства, болезни или переутомления, не соблюдаются эргономические принципы обеспечения безопасности и т.д.

В данной главе будут рассмотрены природно-климатические факторы, а "Человеческий фактор" будет проанализирован в главе седьмой.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ

Для обеспечения надежной работы сложных систем необходимо обеспечить надежную работу входящих в них простых элементов, это зависит от умения оценивать ожидаемое воздействие внешней среды.

В зависимости от характера воздействий на изделия внешние воздействующие факторы (ВВФ) делят на семь классов: механические, кинематические и другие природные ВВФ, биологические, радиационные, ВВФ электромагнитных полей, ВВФ специальных сред, термические. Каждый класс в зависимости от физической, биологической или химической сущности явлений, лежащих в основе ВВФ, делят на группы, а каждую группу - на виды, с соответствующими характеристиками.

Для элементов технических систем, расположенных на земной поверхности, определяющими и дестабилизирующими внешними факторами являются климатические. Класс климатических факторов подразделяют на группы и виды факторов (табл. 3.2.1).

Таблица 3.2.1

Класс климатических и других природных ВВФ



Для конкретных типов или групп технических изделий виды воздействующих климатических факторов и их значение устанавливают в зависимости от макроклиматических районов, в которых будут эксплуатироваться системы.

Формирование климата обусловливается воздействием режима солнечной радиации, циркуляции атмосферного воздуха, влагооборота, физико-географических особенностей, воздействием человека, а также географическим положением территории. Основные характеристики климатических районов даны в табл.3.2.1.

Воздействие климатических факторов вызывает определенного вида отказы, интенсифицирует потоки отказов, возникающих в результате случайных перегрузок, несовершенства структурной схемы машины и др.

На машины, механизмы и аппараты технических систем при эксплуатации на открытом воздухе действуют климатические факторы и атмосферные явления, которые вызывают изменение физических и химических свойств конструкционных и эксплуатационных материалов.

Ухудшение эксплуатационных свойств материалов и условий работы механизмов машин вызывает пусковые и нагрузочные отказы и ускоряет появление внезапных и постепенных отказов.

Поскольку под действием климатических факторов снижается надежность элементов систем (прежде всего, изменяются свойства конструкционных и эксплуатационных материалов), следует рассмотреть влияние климатических факторов на эти материалы

3.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Влияние низких и высоких температур на свойства материалов в большинстве случаев носит диаметрально противоположный характер. Кроме того, быстрое изменение этих температур (в течение суток или нескольких часов) увеличивает эффект вредного их воздействия на машины.

Таблица 3.3.1

Основные характеристики климатических районов



Тепловые воздействия возникают как снаружи системы - солнечная радиация, тепло от близко расположенных источников, так и внутри системы - выделение тепла электронными схемами, при трении механических узлов, химической реакции и др. Особенно вреден нагрев узлов при повышенной влажности окружающей среды, а также при циклическом изменении этих факторов.

Различают три вида тепловых воздействий:

Непрерывное. Рассматривают при анализе надежности систем, работающих в стационарных условиях.

Периодическое. Рассматривают при анализе надежности систем при повторно-кратковременном включении аппаратуры и изделий под нагрузку и при резких колебаниях условий эксплуатации, а также при суточном изменении внешней температуры.

Апериодическое. Оценивают при работе изделий в условиях теплового удара, следствием чего являются внезапные отказы.

Повреждение изделий, вызванное стационарным тепловым воздействием, обусловлено, в основном, превышением при эксплуатации предельно допустимого значения температуры.

Деформации изделий, возникающие при периодических тепловых воздействиях, приводят к возникновению повреждений. На некоторые изделия одновременно с периодическим нагревом и охлаждением действуют и резкие изменения давления, что и приводит к повреждениям.

Высокая скорость изменения температуры (тепловой удар), имеющие место при апериодических воздействиях тепла, приводит к быстрому изменению размеров материалов, что является причиной повреждений. Этот факт чаще проявляется при недостаточном учете коэффициентов линейного расширения сопрягаемых материалов. В частности, при повышенных температурах заливочные материалы размягчаются, происходит расширение сопрягаемых с ними материалов, а при переходе к отрицательным температурам происходит сжатие заливочных материалов и растрескивание их в местах соприкосновения с металлами. При отрицательных температурах возможна значительная усадка заливочных материалов, следовательно, у электроизделий повышается возможность электрического перекрытия. Низкие температуры непосредственно ухудшают основные физико-механические свойства конструкционных материалов, повышают возможность хрупкого разрушения металлов. Низкие температуры существенно влияют на свойства полимерных материалов, вызывая процесс их стеклования, высокие же температуры изменяют упругость этих материалов. Нагрев полимерных изоляционных материалов резко снижает их электрическую прочность и сроки службы.

При оценке показателей надежности технических изделий, входящих в системы, необходимы данные об изменениях температуры окружающего воздуха во времени.

Характер изменения температуры во времени описывается случайным процессом:



где - средняя температура, соответствующая времени t, °С;

t - время от 0 ч 1 января до 24 ч 31 декабря;

y - случайная составляющая температуры, соответствующая времени t, °С.

Среднее значение рассчитывают по формуле:



где А₀ - коэффициент численно равный математическому ожиданию средней годовой температуры, °С;

А_i, В_i - амплитуды колебаний математического ожидания температуры, соответствующие частоте w_i .

При резком изменении температуры воздуха происходит неравномерное охлаждение или нагрев материала, что вызывает дополнительные напряжения в нем. Наибольшие напряжения возникают при резком охлаждении деталей. Относительное удлинение или сжатие отдельных слоев материала определяется зависимостью

,

где a_t - коэффициент линейного расширения;

t₁ - температура в первом слое;

t₂ - температура во втором слое; t₂ = t₁ + (¶t / ¶l)Dl;

Dl - расстояние между слоями.

Дополнительные (температурные) напряжения в материале

,

где Е - модуль упругости материала.

Зависимость удельной электропроводности материала от его температуры определяется уравнением ,

где s_эо - удельная электропроводность при t = 0 °С,

a - температурный коэффициент.

Скорость процессов механического разрушения нагруженного твердого тела и, соответственно, время до разрушения зависят от структуры и свойств тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры.

Предложен ряд эмпирических формул, описывающих зависимость времени до разрыва t (или скорости разрушения u₂) от этих факторов. Наибольшее признание получила установленная экспериментально для многих материалов (чистых металлов, сплавов, полимерных материалов, полупроводников органического и неорганического стекла и др.) следующая температурно-временная зависимость прочности - между напряжением s, температурой Т и временем t от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца:

,

где t₀ , U₀ , g - параметры уравнения, характеризующего прочностные свойства материалов.

Графики зависимости lgt от s для различных Т представляют собой семейства прямых линий, сходящихся при экстраполяции в одной точке при lgt = lgt₀ (рис. 3.3.1).



Рис. 3.3.1. Типичная зависимость долговечности материала от напряжения при различных температурах (Т₁<Т₂<Т₃<Т₄)
Для скорости процесса разрушения, следовательно, можно написать:

.

Все изменения прочностных свойств материалов, проходящие при изменении их чистоты, при тепловой обработке и деформации, связаны с изменением только величины g. Значения g может быть вычислено из временной зависимости, полученной при одной температуре:

g = a R T ,

где a - тангенс угла наклона прямой lg = f(s).
Как говорилось выше, низкие температуры изменяют физико-механические свойства конструкционных и эксплуатационных материалов. Результатами воздействия низких температур являются:

– увеличение вязкости дизельного топлива;

– снижение смазывающих свойств масел и густых смазок;

– застывание механических жидкостей, масел и смазок;

– замерзание конденсата и охлаждающих жидкостей;

– снижение ударной вязкости нехладостойких сталей;

– отвердевание и охрупчивание резин;

– уменьшение сопротивления электропроводников;

– обледенение и покрытие инеем элементов машин.

Последствиями этих факторов являются:

– ухудшение условий работы узлов трения и устройств машины;

– снижение несущей способности элементов;

– ухудшение эксплуатационных свойств материалов;

– воздействие дополнительных нагрузок;

– пробой изоляции обмоток электрических машин систем.

Перечисленные влияния низких температур на свойства материалов вызывают увеличение параметров пусковых, нагрузочных и рабочих отказов, а также снижение сроков службы элементов машин.

3.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

На открытом воздухе поверхности изделий подвергаются действию прямых солнечных лучей. В материалах, используемых в конструкциях систем, под действием солнечной радиации возникают сложные процессы, вызывающие старение этих материалов. Кроме того, солнечная радиация является основным фактором формирования теплового режима атмосферы и поверхности земли. Поэтому влияние на свойства материалов высоких и низких температур воздуха определяется, в конечном счете, влиянием солнечной радиации на тепловой режим воздуха.

Приход солнечной радиации определяется, прежде всего, астрономическими факторами: продолжительностью дня и высотой солнца. Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, является одним из основных климатических факторов. В свою очередь, она в значительной степени зависит от циркуляции атмосферы и особенностей подстилающей поверхности.

Воздействие солнечной радиации на технические изделия определяется диапазоном электромагнитных волн, достигающих их поверхности.

Спектр излучаемой Солнцем энергии состоит из нескольких частей. На волны ультрафиолетовой части спектра (l<3900×10^-10 м) приходится около 9% энергии солнечного излучения, на волны видимой части спектра (l=3900×10^-10 ... 7600×10^-10 м) - около 41% и на инфракрасные волны (l=7600×10^-10 ... 1000000×10^-10 м) - около 50%.

Атмосфера, окружающая Землю, поглощает около 19% солнечной энергии (водяным паром, озоном, углекислым газом, пылью и другими составляющими атмосферы). Около 35% энергии поглощается в космическом пространстве. Земной поверхности достигает только 45% солнечной энергии, но наличие облаков уменьшает количество солнечной энергии, достигающей Земли, примерно на 75% по сравнению с ясными днями.

Поверхностная плотность теплового потока суммарной радиации зависит от состояния облачности. Зависимо от высоты солнца (6-44,9°) в летние месяцы поток суммарной радиации изменяется в безоблачную погоду от 11,2×10^-3 до 78,4×10^-3 Вт×см^-2, при наличии солнца и облаков в 9,8×10^-3 до 80,5×10^-3 Вт×см^-2, при сплошной облачности от 4,2×10^-3 до 25,9×10^-3 Вт×см^-2.

Поток суммарной радиации также зависит и от самих облаков, если солнце просвечивает через перистые облака, то поток суммарной радиации будет изменяться от 4,9×10^-3 до 64,4×10^-3 Вт×см^-2, если же облака слоистые - от 3,5×10^-3 до 38,5×10^-3 Вт×см^-2. Влияние на величину суммарной радиации оказывает также высота облаков, если облака высокие, поток изменяется от 5,6×10^-3 до 49,7×10^-3 Вт×см^-2, если низкие - от 6,3×10^-3 до 27,3×10^-3 Вт×см^-2.

Интегральная плотность теплового потока солнечной радиации зависит от высоты. До 15 км интегральная плотность теплового потока составляет 1125 Вт/м², в том числе плотность потока ультрафиолетовой части спектра (l=280-400 мкм) - 42 Вт/м², свыше 15 км - 1380 Вт/м², плотность потока ультрафиолетовой части спектра - 10,0 Вт/м².

Изменение плотности теплового потока солнечной радиации оценивается отношением ее максимального значения к минимальному, выраженному в %. Наименьшие суточные изменения наблюдаются в пустынных районах, для которых характерна безоблачность.

Наличие паров воды и пыли в воздухе существенно уменьшает плотность теплового потока солнечной радиации. Наиболее сильное действие на материалы и изделия оказывают солнечные лучи, перпендикулярно падающие на поверхность.

Повреждения от солнечных лучей можно разделить на две группы: фотохимические и фотоокислительные процессы.

При повреждении металлических поверхностей существенную роль играет фотоокислительное расщепление. Одновременное воздействие кислорода и влаги создает посредством окислительных процессов дополнительные количества энергии. Поверхность металлов при ультрафиолетовом облучении активируется, поэтому подвергается опасности коррозии. Для расщепления молекулярной структуры необходима определенная частота излучения, т.к. энергия фотона соответствует произведению постоянной Планка на частоту.

Под действием солнечных лучей в органических материалах происходят сложные фотолитические процессы - процессы разложения химических соединений, в результате чего меняются свойства материалов.

Солнечная радиация (особенно ее ультрафиолетовая часть) достаточна для разрушения многих, даже очень сильных, связей в молекулах полимеров, отчего происходит старение и возникают определенные отказы. Процесс старения полимерных материалов ускоряют тепло, влага, кислород воздуха (атмосферное старение), излучения высоких энергий и др. В свою очередь, скорость старения под действием солнечной радиации зависит от ее интенсивности, доли ультрафиолетового излучения в солнечном спектре и лучепоглощающей способности полимеров. Установлено, что разрыв молекулярных связей и процессы старения большинства полимеров происходят при интенсивности радиации, превышающей 16,8 кДж/(м²×мин). Известно, что в основе старения полимерных материалов лежат два одновременно протекающих процесса: деструкция - разрыв связей между атомами молекул и образование осколков молекул полимера, и структурирование - образование новых связей между атомами и осколками молекул, возникших в результате деструкции. В результате старения полимерных материалов изменяются их механические и электрические свойства, цвет и др.

Основное действие солнечного излучения - нагрев поверхности изделий и, как следствие, повышение температуры внутри устройства. Нагрев тела солнечными лучами зависит от интенсивности солнечной радиации, температуры окружающей среды и от отражательной способности тела. Будучи нагретым, тело само становится источником излучения. Закономерность теплообмена поверхностей удобно проследить на теплообмене тонкостенного металлического кожуха. Для случая матового черного кожуха, внутри которого нет источника, излучение энергии можно представить схемой на рис.3.4.1



Рис. 3.4.1 Схема для определения баланса излучения стенок кожуха
Толщина стенок кожуха мала, поэтому можно допустить, что температуры наружных и внутренних поверхностей стенок кожуха одинаковы. Пользуясь уравнением Стефана-Больцмана, составляем баланс излучения стенок кожуха.

Верхняя крышка кожуха, поглощающая тепло солнечных лучей, излучает его наружу и внутрь кожуха (d ). Нижняя стенка кожуха (дно) поглощает тепло, излучаемое верхней крышкой, и излучает его внутрь кожуха и наружу (d ). При расположении кожуха на почве нижняя стенка отдает тепло почве и может получать тепло от нее (d ).

При температурном равновесии системы справедливы следующие математические зависимости:

dТ_В⁴= d/2 (Т_D⁴- Т_В⁴);

dТ_D⁴= 1/2(1,6+dТ_В⁴),

где Т_В- температура крышки кожуха, К;

Т_D- температура дна кожуха, К;

Т_S- температура почвы, К;

d - постоянная излучения.

3.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЛАЖНОСТИ

При анализе воздействия внешних факторов окружающей среды на конструкционные материалы важны данные об относительной влажности воздуха.

Характер неблагоприятного влияния влажности воздуха на материал зависит от процентного содержания влаги в воздухе. При большом содержании влаги в воздухе (более 90%) она снижает служебные свойства материалов, проникая внутрь этих материалов или образуя на их поверхности пленки жидкости. При малом содержании влаги в воздухе (ниже 50%), влага, содержащаяся в материалах, испаряется в воздух, что также изменяет свойства материалов: они становятся хрупкими, в них появляются трещины.

При оценке показателей надежности технических изделий необходимы данные об изменении относительной влажности воздуха во времени. Характер изменения относительной влажности описывается случайным процессом с математическим ожиданием



где С₀ - коэффициент, численно равный математическому ожиданию средней годовой относительной влажности, %;

С_j, D_j - амплитуды колебаний математического ожидания влажности, соответствующие частоте w_j.

Наиболее активно влагу из воздуха поглощают гигроскопические материалы, например изоляционные, изготовленные на основе хлопка и бумаги. Внутрь материала влага может проникать при поглощении ее материалом (капиллярная конденсация) или проникновения в структуру полимера (в межмолекулярные промежутки), а также через трещины и крупные поры в материале.

Насыщение влагой таких материалов, как резина и некоторых других, происходит путем осмоса.

Скорость проникания влаги в материалы увеличивается при повышении температуры окружающего воздуха. Влага, поглощенная материалом или проникшая в него другими путями, резко снижает его объемное сопротивление (рис. 3.5.1). Зависимость удельной электропроводимости диэлектриков от их влажности определяется:

^{æ (z-z 0)},

где s_эо - удельная электропроводимость при t = 0°С;

z - абсолютная влажность материала;

æ - коэффициент, зависящий от материала.



Рис. 3.5.1. Изменение удельного объемного сопротивления гетинакса в зависимости от длительности увлажнения при относительной влажности воздуха 70-98% и температуре 35°С
Оседая на поверхности материала, влага образует тонкую пленку, в результате поверхностное сопротивление материалов снижается на несколько порядков (рис. 3.5.2). Наибольшее снижение поверхностного сопротивления изоляторов происходит при загрязнении пленки продуктами газов и пыли.



Рис. 3.5.2. Зависимость поверхностного сопротивления R изоляции керамической детали от влажности воздуха
При осаждении влаги на металлические поверхности создаются благоприятные условия для атмосферной коррозии металлов. Этот вид коррозии является наиболее распространенным, и на его долю приходится около половины общих потерь металла от коррозии.

Увлажнение материалов повышает скорость протекания коррозионных процессов:



где y - толщина окисной пленки;

С_n^p - концентрация реагента (кислорода, влаги, агрессивной среды);

k_p - коэффициент, характеризующий скорость протекания коррозии;

Е_k - энергия активации коррозионного процесса.
Зависимость времени наступления предельного состояния материалов от воздействия внешних условий и качества примененных материалов можно представить в виде

t = 1/k₀(r×C₀, C_кр, æ², r)exp{-E / RT},

где k₀ - постоянный коэффициент,

(rC₀, C_кр, æ², r) - функция, зависящая от внутренних параметров материала.
При повышении влажности воздуха, плотности тумана и оседании росы увеличивается толщина пленки влаги на поверхности металла, которая определяет виды атмосферной коррозии (рис. 3.5.3). Сухая коррозия (участок I) происходит при отсутствии пленки влаги на поверхности металла вследствие окисления поверхностного микрослоя металла кислородом воздуха, что и определяет малую скорость этого вида коррозии. При влажной коррозии (участок II) скорость коррозии резко повышается с увеличением толщины пленки влаги, образующейся на поверхности вследствие конденсации. Эта конденсация может быть капиллярной, адсорбционной или ионной. При мокрой коррозии (участок III) толщина пленки влаги наибольшая (при 100% влажности воздуха). Снижение скорости коррозии в этом случае объясняется затруднительностью диффузии кислорода воздуха через толстую пленку влаги. Участок IV отвечает случаю погружения металла в жидкость.



Рис. 3.5.3. Зависимость скорости v атмосферной коррозии от толщины  пленки влаги на поверхности металла

Кроме того, влага может вызывать изменение физических свойств материалов - их плотности, температуры плавления, снижать грибостойкость материалов.

3.6. ВОЗДЕЙСТВИЕ ДАВЛЕНИЯ

На конструкционные материалы немаловажное значение оказывает атмосферное давление.

Атмосферное (барометрическое) давление значительно меняется с изменением высоты местности над уровнем моря.

Изделия наземной техники должны сохранять надежность и заданные эксплуатационные характеристики в пределах изменения атмосферного давления от 505 до 1080 гПа. Верхний предел соответствует давлению, наблюдаемому на уровне моря, нижний - давлению, рассчитанному для максимальной высоты (4,6 км), на которой возможны эксплуатация, хранение, перевозка изделий.

Наибольшее влияние атмосферное давление оказывает на конструкционные материалы систем, используемых при работе в высокогорных условиях. С ростом высоты снижается электрическая прочность воздуха. При значительном уменьшении атмосферного давления воздуха уменьшается напряжение пробоя воздушного промежутка между проводниками. Вероятность пробоя увеличивается на 30% при снижении давления с 1013 до 709 гПа (с 1 до 0,7 атм.), что отвечает подъему на высоту около 3000 м над уровнем моря. Пониженное давление также влияет на полупроводники, вызывая ухудшение теплоотдачи и уменьшение пробивного напряжения.

3.7. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРА И ГОЛОЛЕДА

На надежность технических систем ветер оказывает разнообразное влияние: в одних случаях - благоприятное, в других - неблагоприятное влияние на процессы в материалах машин. Кроме того, ветер при больших скоростях действует как силовой (нагрузочной) фактор, создавая дополнительные напряжения. Сила ветра зависит от перепада давлений воздуха, т.е. от расстояния между изобарами.

На технические изделия, расположенные вне помещений, действует ветер и гололед. При обледенении увеличивается размер и масса изделий, что приводит к возрастанию действующих на них аэродинамических и физических нагрузок. Кроме того, гололед и гололедица, действуя на влажные гигроскопические материалы, вызывают образование частичек льда в порах, что снижает электрическое сопротивление этих материалов. Наиболее опасна гололедица, возникающая после оттепели и дождя при резком похолодании. При замерзании влаги, проникшей в материал, происходят микроразрушения этого материала, вызываемые увеличением объема льда.

Оценка влияния гололедно-ветрового режима (ГВР), формируемого случайными метеорологическими факторами (МФ), проводится вероятностно-статистическими методами.

Для расчета интенсивности х параметров гололедно-ветрового режима используют распределение Гудрича:

,

где К_хГ, n_xГ - параметры уравнения Гудрича, аппроксимирующие распределение вероятной интенсивности х (определяется по экспериментальным результатам климатологических воздействий).

Исследования статистических связей между толщиной стенки d эквивалентного гололеда (ЭГ) и максимальными скоростями ветра v при гололедно-изморозительных образованьях (ГИО) показывают, что связь между этими переменными незначительна и уравнение двумерного распределения накопленных относительных частот сочетаний d и v имеет вид



где К_dГ, n_dГ, К_vГ, n_vГ - параметры уравнения Гудрича, характеризующие режимы ЭГ и ГИО соответственно;

d_ср, v_ср - среднее значение толщины стенки ЭГ и скорости ветра при ГИО соответственно.

При расчете прочности изделий используют метод эквивалентных нагрузок, основанных на обработке графиков загрузки изделий во времени. Для построения этих графиков (рис. 3.7.1) необходимы сведения о суммарной продолжительности ветра и эквивалентного гололеда (ЭГ) (суммарная продолжительность действий интервала интенсивности МФ).



Рис. 3.7.1. Зависимость толщины стенки ЭГ  от суммарной продолжительности гололеда
При переходе льда в жидкую фазу увеличенные размеры пор во многих случаях сохраняются, что создает рыхлость материала. Лед или вода снижают сопротивление электрических проводников. Сухой снег при метелях оказывает истирающее воздействие на поверхности материалов.

Как уже говорилось, ветер оказывает силовое динамическое воздействие на элементы систем.

Распределенная ветровая нагрузка р на 1 м³ наветренной поверхности определяется зависимостью

р=q₀n_hcb,

где q₀ - динамическое давление ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, Па;

n_h - поправочный коэффициент на увеличение динамического давления в зависимости от высоты над поверхностью земли;

с - аэродинамический коэффициент, зависящий от аэродинамических свойств элементов машины;

b - коэффициент, учитывающий воздействие, вызываемое пульсацией динамического давления ветра.
Динамические нагрузки вызывают наибольшие напряжения, когда частота пульсации ветра совпадает с частотой собственных колебаний элементов.

Скорость ветра во времени изменяется непрерывно и в широких пределах, изменяется и динамическое давление ветра q₀. На пульсацию давления влияет неоднородность атмосферы, характеристика циркуляции воздуха. Интенсивность пульсации по высоте некоррелирована и пульсации динамического давления ветра близки к нормальному закону распределения.

Пульсация динамического давления ветра может рассматриваться как стационарный случайный процесс, и при этом дисперсия пульсаций давления ветра характеризуется уравнением по М.Ф. Барштейну:



где m(y_s) - коэффициент пульсации динамического давления;

q_ps - среднее значение динамического давления на S-м участке;

k_w - число средних квадратичных отклонений;

y_s - координаты точки S.
Динамическая нагрузка, определяемая пульсацией динамического ветра с учетом собственных колебаний элемента, будет определяться зависимостью



где М_s - масса S-го участка металлоконструкций;

n - число степеней свободы металлоконструкций;

_j - среднее значение коэффициента, учитывающего формы деформации металлоконструкции при свободных колебаниях j-го тона;

- среднее значение коэффициента динамичности при колебаниях j-го тона.


3.8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРИМЕСЕЙ ВОЗДУХА

Воздух представляет собой смесь составных частей (азот, кислород, аргон, углекислый газ, неон, гелий, криптон, ксенон), а также содержит некоторое количество различных примесей. Эти примеси образуются из морской воды, от песчаных бурь, от сжигания топлива. В воздухе имеются также бактерии, грибковые споры, космические частицы, неорганические соли и т.д.

Как следствие песчаных бурь, в воздухе периодически содержится значительное количество песка. Перемещаясь в воздухе, частицы твердых веществ (как правило, минералов) диаметром 0,1-2000 мкм при контакте с открытыми поверхностями материалов оказывают на них истирающее воздействие. Твердые частицы пыли и песка способны многократно увеличивать скорости абразивного изнашивания контактирующих поверхностей. Попадая в смазочные материалы, частицы пыли и песка прилипают к слоям защиты поверхности. В результате наблюдается заедание или увеличение "мертвого хода" в подшипниках.

Прочно спекаясь, пыль благоприятствует накоплению электропроводной влаги и снижает сопротивление изоляции. Осаждение пыли облегчает появление токов утечки у твердых изоляционных материалов.

Существенное влияние на конструкционные материалы оказывают содержащиеся в атмосфере коррозионные агенты. Основными повреждающими веществами являются катион водорода Н⁺, диоксид серы, оксиды азота, формальдегид, озон, пероксид водорода. Их повреждающее действие непосредственно обусловлено интенсивностью каталитических реакций с участием металлов, а также синергизмом.

Скорость коррозии металлов в атмосфере определяется продолжительностью увлажнения их поверхности и концентрацией коррозионно-активных компонентов.

Чистый влажный воздух даже при относительной влажности, равной 100%, слабо действует на железо и медь, однако при наличии в атмосфере всего лишь 0,01% SO₂ скорость коррозии возрастает в 100 раз.

Сернистый газ образуется в основном в результате сгорания низкосортных топлив. После сгорания образуется сернистый ангидрид SO₂, который окисляется в воздухе, образуя в нем серный ангидрид SO₃, соединяясь с водой SO₃ образует сернистую кислоту H₂SO₃ и серную кислоту H₂SO₄, которые обладают разрушающим действием. Для определения условия воздействия загрязнений используют зависимость в координатах "концентрация-повреждение". Скорость старения материала, как правило, рассматривают во времени (рис.3.8.1).



Рис. 3.8.1. Разрушающее действие на материал и сокращение срока службы изделия t:

1 – уровень окончательного разрушения;

2 – суммарное повреждение от климатических факторов и кислотных дождей; 3 – повреждение в отсутствие кислотных дождей
Высокая эффективность сернистого газа, как катодного деполяризатора, способного конкурировать с кислородом и в сочетании с хорошей растворимостью в воде, обусловливает его высокую коррозионную активность.

Соли морского происхождения (большей частью хлориды натрия) в основном оказывают влияние на коррозионные разрушения наружных деталей объектов.

Высокая гигроскопичность хлористого натрия способствует наличию пленки электролита на поверхности даже при сравнительно низкой влажности воздуха. Растворяясь в пленке влаги, хлористый натрий повышает ее электропроводность. Кроме того, ион хлора обладает способностью активно разрушать защитные окисные пленки продуктов коррозии, замещая кислород.

Для процессов атмосферной коррозии характерно несколько основных видов взаимодействия:

–       сухая поверхность - газовые примеси; скорость процессов определяется кинетикой сорбции кислых газов и их последующим растворением с образованием кислот;

–       влажная поверхность - газовые примеси; скорость процесса лимитируется растворением газов в слое воды, образованием кислоты и скоростью ее взаимодействия с поверхностью металла;

–       сухая или влажная поверхность - мелкодисперсные частицы; особенности их действия связаны с осаждением твердых частиц кислотного характера на поверхности с последующим образованием кислот при взаимодействии с влагой;

–       прямое действие катионов H⁺, содержащихся в осадках.

При воздействии осадков и газов наиболее часто наблюдается равномерная коррозия, вследствие чего уменьшается толщина. Скорость коррозии можно охарактеризовать ее глубиной П, т.е. глубиной проникновения коррозионного разрушения в металл (в мм) за единицу времени (1 год):
П = (8,76 / g) К ,

где g - плотность металла;

К - массовый показатель коррозии.

3.9. ВОЗДЕЙСТВИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Большое воздействие на конструкционные материалы оказывают биологические факторы. Наиболее опасными являются плесневые грибы, споры которых находятся в воздухе. Грибковые образования относятся к низшим растениям, не обладающим свойством фотосинтеза. Взаимодействуя с материалами, грибковые образования выделяют продукты обмена веществ, состоящие главным образом из различного вида кислот, вызывающих разложение изоляционных материалов и пластмасс.

Под действием плесневых грибов ухудшается механическая прочность материалов и изделий. В электронных приборах под действием плесневых грибов нарушаются электрические соединения, и ускоряется коррозия контактов.

Следует отметить большую скорость распространения плесени и огромную (до 40000) разновидность плесневых грибков. Для ее образования необходимы питательная среда, тепло и малая вентиляция (ее отсутствие) воздуха. Особенно благоприятные условия для образования плесени возникают при функционировании систем в районах с повышенной влажностью и температурой (тропики, субтропики, районы южных морей и крупных озер). Особенно подвержены действию грибковой плесени пластмассы на целлюлозной основе. Плесень появляется и на неорганических изоляционных материалах, стекле и металле.

Защита от грибковой плесени заключается в создании конструкций, препятствующих проникновению влаги, в обеспечении хорошей вентиляции и покрытии уязвимых элементов специальными защитными лаками.

3.10. СТАРЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Анализ физических процессов, происходящих в материалах элементов систем, показывает, что их состояние и надежность полностью определяются свойствами материалов, комплексным характером внешних воздействий и факторов нагрузки.

Для основных материалов имеются зависимости протекания физико-химических процессов, вызывающих старение и изменение механических, электрических и магнитных свойств материалов, от характера и количественных показателей воздействующих факторов.

Старение материалов обусловлено в основном рекристаллизацией материалов, диффузией, хемосорбцией, химическими реакциями, коррозионными процессами и увлажнением, вызывающих изменение начальных свойств материалов, из которых изготовлены элементы. Эти изменения могут привести к повреждению элемента и к опасности возникновения критического отказа системы.

Старение материалов вызывает снижение значений их характеристик во времени. Характер этого снижения определяется начальными свойствами, напряженным состоянием материала, интенсивностью воздействия внешних факторов. Во всех случаях старение материалов представляет собой необратимый процесс.

В общем виде процесс снижения свойств материалов может быть представлен некоторыми кривыми (рис. 3.10.1). В зависимости от назначения материала снижение его свойств допустимо до некоторых предельных значений Хпр, это и определяет продолжительность использования материала.



Рис. 3.10.1. Схема снижения свойств материалов в процессе старения
Протекание процесса старения. Для расчета надежности необходимо знать скорость протекания процесса повреждения f или степень данного повреждения U(t) в функции времени.

Такие зависимости могут быть получены на основе рассмотрения физики процесса или экспериментальным путем.

В табл. 3.10.1 для металлов представлены типовые закономерности протекания процессов старения во времени. Они относятся к одностадийным процессам, когда в течение рассматриваемого периода не происходит изменения физико-химической картины процесса.

В табл. 3.10.2 дана классификация процессов старения по месту их протекания и внешнему проявлению и указаны основные разновидности каждого процесса. Наиболее просто протекают стационарные процессы, когда скорость процесса постоянна или колеблется относительно среднего значения. Это происходит в том случае, если факторы, влияющие на скорость процесса, стабилизировались и нет причин, изменяющих интенсивность процесса. Зависимость U(t) имеет обычно линейный или близкий к нему характер. Такая закономерность характерна для установившегося периода изнашивания, для некоторых видов коррозии и других процессов. Если при старении возникают факторы, которые интенсифицируют или, наоборот, замедляют скорость его протекания, т.е. скорость процесса ? изменяется монотонно, функция U(t) будет иметь нелинейный вид и соответственно описывать ускорение или затухание процесса повреждения материала. Ход процесса в этом случае связан с тем, что его скорость зависит не только от внешних факторов, но и от степени повреждения U. Поэтому сам процесс (его результат) влияет на интенсивность дальнейшего его протекания. Это условие можно записать как:

dU/dt = f(U). 
В некоторых случаях, когда на скорость процесса одновременно действует ряд равноценных факторов, которые претерпевают изменение во времени, зависимость ?(t) может иметь экстремум (максимум или минимум). В этом случае функция U(t) имеет точку перегиба. Такая зависимость характерна, например, для перераспределения внутренних напряжений и деформаций в отливках в процессе их эксплуатации.
Таблица 3.10.1

Типовые закономерности протекания во времени процессов старения



Таблица 3.10.2


Существует определенная категория процессов, для которых вначале происходит накопление каких-то внутренних повреждений, а затем с некоторым запаздыванием начинается сам процесс.

Если в процессе с запаздыванием время до начала процесса (порог чувствительности) является основным периодом эксплуатации элемента, а сам процесс протекает с большой интенсивностью, то такое явление воспринимается обычно как спонтанный (самопроизвольно возникающий) процесс. Так, хрупкое разрушение металлов носит лавинообразный характер и возникает после накопления внутренних напряжений или при неблагоприятном сочетании внешних воздействий.

Если скорость процесса меняет знак, что характерно для сложных физико-химических процессов, протекающих в материале, функция U(t), характеризующая степень повреждения, будет иметь экстремум.

При протекании различных процессов старения могут быть случаи, когда изменяется физическая сущность процессов и, соответственно, меняется и закономерность, описывающая данные явления. Такие процессы называются многостадийными. Для их описания, как правило, применяют законы для каждой стадии процесса γ(t) и U(t).

Все рассмотренные функциональные зависимости, определяющие протекание процесса старения, проявляются при эксплуатации систем как случайные процессы. Это связано с двумя основными причинами. Во-первых, начальные свойства материала и параметры элемента имеют рассеяние, так как являются продуктом некоторого технологического процесса, который может функционировать лишь с определенной точностью и стабильностью. Во-вторых, стохастическая природа процесса старения связана с широкой вариацией режимов работы и условий эксплуатации. В результате, зависимости, описывающие процессы старения, становятся функциями случайных аргументов - нагрузок, скоростей, температур и т.п.

Поэтому скорость процесса старения γ является случайной величиной и ее полной характеристикой будет закон распределения f(γ). Для получения f(γ) экспериментальным методом применяется физико-статистическое моделирование, при котором испытание производят при различных значениях внешних факторов, а значения этих факторов принимают в соответствии с законом их распределения, отражающим условия эксплуатации. Применяя метод статистического моделирования (метод Монте-Карло), определяют закон распределения и его характеристики для искомой величины - скорости процесса повреждения.

3.11. ФАКТОРЫ НАГРУЗКИ
Эти факторы связаны с режимом работы элементов системы, свойственным им независимо от того, наблюдается воздействие того или иного фактора (климатического, биологического и др.) на элемент или это воздействие отсутствует, и энергией, накопленной материалом элементов системы.

Механическая энергия приводит к изнашиванию сопряжений, искажению первоначальной формы элементов и при достижении определенных отклонений от первоначальных значений возникает отказ. Таким образом, нарушается основное условие, предопределяющее безопасную работу оборудования, которое заключается в том, что его составные части должны выдерживать заданные рабочие нагрузки и, таким образом, обеспечивать безопасность окружающей среды.

К причинам механических повреждений элементов и систем в целом относятся:

- конструкции, не обеспечивающие их целостность при перепадах внутреннего давления, действия внешних сил, коррозии, изменения температуры, знакопеременных нагрузках;

- механические поломки вследствие коррозии и ударов;

- поломки таких узлов, как насосы и компрессоры, вентиляторы;

- неисправности в системе контроля (датчики давления и температуры, индикаторы уровня, приборы управления и т.д.);

- неисправности в системе безопасности (предохранительные клапаны, системы сброса давления, системы нейтрализации и т.д.);

- нарушение сварных швов и соединительных фланцев.

В механических системах изменение силы, воздействующей на элементы, изменяет нагрузку, приходящуюся на эти элементы, что приводит к большему или меньшему накоплению признаков усталости, а следовательно, к изменению величины вероятности разрушения элемента за определенный промежуток времени.

Параметром, определяющим степень нагрузки составляющих систему элементов, зависящей от его режима работы, является коэффициент нагрузки, представляющий собой отношение рабочей нагрузки (А_р), действующей на элемент, к номинальному значению нагрузки (А_н), обусловленному нормативами (техническими условиями): К_н=А_р /А_н. Расчеты значений К_н для элементов различных систем не всегда просты, и в ряде случаев необходимы экспериментальные исследования.

Химическая энергия вызывает процессы коррозии в резервуарах и трубопроводах агрегатов химической промышленности. Повреждение стенок резервуаров может привести вначале к ухудшению выходных параметров агрегата (загрязнение химических веществ, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем при разрушении стенок - к полному выходу из строя системы.

В радиоэлектронной и электрической аппаратуре в различных режимах ее работы может изменяться электрическая нагрузка на составные элементы, в связи с чем (при прочих равных условиях эксплуатации) меняется значение интенсивности их отказов.