CC BY
30
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE. 2018. No. 3
УДК 551.594.221.001.6 DOI 10.23683/0321-3005-2018-3-63-68
ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ И ПРОВЕДЕНИЯ НАТУРНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБЪЕКТОВ ТЕХНИКИ И МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ
© 2018 г. С.И. Бакшаев1, А.Х. Аджиев2, Г.В. Куповых3
1Центральный научно-исследовательский институт Военно-воздушных сил Минобороны России, Щелково, Россия,
2Высокогорный геофизический институт, Нальчик, Россия, 3Южный федеральный университет, Таганрог, Россия
PECULIARITIES OF ORGANIZING AND CONDUCTING FULL-SCALE CLIMATIC TESTING OF EQUIPMENT AND MATERIALS IN HIGH ALTITUDE CONDITIONS
S.I. Bakshaev1, A.H. Adzhiev2, G.V. Kupovykh3
1Central Research Institute of the Air Force, Ministry of Defense of Russia, Shchelkovo, Russia, 2 High-Mountain Geophysical Institute, Nalchik, Russia, 3Southern Federal University, Taganrog, Russia
Бакшаев Сергей Иванович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Центральный научно-исследовательский институт Военно-воздушных сил Минобороны России, ул. Аэродромная, 2, корп. 5, г. Щелково, Московская область, 141103, Россия, e-mail: [email protected]
Аджиев Анатолий Хабасович - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом стихийных явлений, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, Россия, e-mail: [email protected]
Куповых Геннадий Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики, Инженерно-технологическая академия, Южный федеральный университет, пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, 347928, Россия, e-mail: [email protected]
Sergey I. Bakshaev - Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, Central Research Institute of the Air Force, Ministry of Defense of Russia, Aerodromnaya St., 2, Build 5, Shchelkovo, Moscow Region, 141103, Russia, e-mail: [email protected]
Anatoly H. Adzhiev - Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of the Department of Natural Phenomena, High-Mountain Geophysical Institute, Lenina Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: [email protected]
Gennady V. Kupovykh - Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of the High Mathematics Department, Academy for Engineering and Technologies, Southern Federal University, Nekrasovskii Lane, 44, Taganrog, 347928, Russia, e-mail: [email protected]
Приводится анализ проведения экстремальных натурных климатических испытаний объектов техники и материалов в высокогорных условиях на пике Терскол (3000 м н.у.м.) в Приэльбрусье. В качестве комплекса физико-географических условий, влияющих на объекты техники, рассматриваются радиационный режим, циркуляция атмосферы и подстилающая поверхность. Под действием солнечной радиации, особенно ультрафиолетовой компоненты, изделия из резины, лакокрасочные покрытия, органическое стекло, ткани и др. разрушаются в 2 раза быстрее, чем на равнине. Нагрев и большая разница температур (более 100 С) лицевой и тыльной сторон объектов испытаний являются мощным разрушительным фактором для средств защиты от коррозии металлических поверхностей. В условиях низкого атмосферного давления вероятность пробоя воздушного промежутка между проводниками увеличивается на 30 %. Зона максимального выпадения осадков (зимой в виде снега) располагается на высоте 3000 м и превышает 1000 мм. На ветровой режим сильно влияют рельеф местности и подстилающая поверхность. Максимальные значения порывов ветра превышают 50 м/с. Таким образом, в условиях высокогорья наиболее экстремальными климатическими факторами являются солнечная радиация, нагрев поверхности солнечными лучами, пониженное атмосферное давление, снеговая и ветровая нагрузки.
Ключевые слова: техника, материалы, натурные испытания, высокогорье, солнечная радиация, нагрев, атмосферное давление, снеговая и ветровая нагрузки, брезент, резина, коррозия.
An analysis is given of carrying out extreme full-scale environmental testing of equipment and materials in high-altitude conditions at the peak of Terskol (3000 m above sea level) in the Elbrus region. As a complex of physical and geo-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2018. No. 3
graphical conditions affecting the objects of technology, the radiation regime, the circulation of the atmosphere and the underlying surface are considered. Under the influence of solar radiation, especially the ultraviolet component, rubber products, paintwork, organic glass, cloth, etc. are destroyed 2 times faster than on the plain. Heating and large temperature difference (more than 1000 °C) of the front and back sides of the test objects is a powerful destructive factor for co r-rosion protection of metal surfaces. In conditions of low atmospheric pressure, the probability of breakdown of the air gap between conductors is increased by 30 %. The zone of maximum precipitation (in the winter in the form of snow) is located at an altitude of 3000 m and exceeds 1000 mm. The wind regime is strongly influenced by the terrain and the underlying surface. The maximum values of wind gusts exceed 50 m/s. Thus, in conditions of high mountains, the most extreme climatic factors are solar radiation, heating of the body surface by solar beams, reduced atmospheric pressure, snow and wind loads.
Keywords: technique, materials, full-scale tests, high altitude, solar radiation, heating, atmospheric pressure, snow and wind loads, tarpaulin, rubber, corrosion.
Показатели долговечности и сохранности объектов техники во многом определяются их стойкостью к воздействию климатических и биологических факторов внешней среды [1-8]. Оценка климатической стойкости объектов техники и материалов может быть осуществлена при проведении как испытаний в лабораторных условиях, так и климатических испытаний в натурных (естественных) условиях. Также необходимо отметить, что климатические испытания объектов техники и материалов являются составной частью системы контроля качества [1, 9, 10].
Находясь на натурных испытаниях, объекты техники подвергаются естественно возникающим воздействиям климатических факторов, что дает возможность выявить комплексное влияние этих факторов на качество материалов, защитных покрытий, средств временной противокоррозионной защиты, на изменение параметров, а также на их работоспособность [5, 7, 8, 11-13].
Проведение натурных испытаний должно максимально приближаться по воздействию климатических факторов внешней среды к реальным условиям эксплуатации. Поэтому выбор условий для проведения испытаний будет базироваться на анализе требований к изделиям по категориям исполнения в части воздействия климатических факторов, согласно ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15151-69, эксплуатационным характеристикам, условиям и режимам их эксплуатации, а также климатическим характеристикам различных районов и зон, в которых возможно применение этих изделий.
При организации натурных климатических испытаний объектов техники и материалов при выборе места проведения испытаний необходимо руководствоваться характеристиками жесткости климата и выбор оставлять за наиболее жесткими.
Объекты техники, предназначенные для повсеместной эксплуатации на территории России, рекомендуется испытывать во всех климатических зонах и типах атмосфер или в экстремальных для данного объекта техники климатических условиях.
Одной из экстремальных климатических зон для объектов техники являются климатические районы высокогорья. Сегодня практически отсутствуют возможности проведения натурных климатических испытаний объектов техники в этих условиях. Существует только одна климатическая площадка для проведения подобных испытаний - это станция «Пик Терскол», расположенная на высоте 3100 м над уровнем моря в регионе Центрального Кавказа.
Рассмотрим климатические характеристики района высокогорья.
Климат исследуемого района формируется под воздействием комплекса физико-географических условий, из которых наиболее важными являются радиационный режим, циркуляция атмосферы и подстилающая поверхность [13]. Разберем отдельно влияние на объекты техники и материалы наиболее экстремальных климатических факторов.
В Приэльбрусье более 300 солнечных дней в году. Интенсивность суммарной солнечной радиации составляет от 1,3-1,5 кал/(см2-мин). Воздействие солнечной радиации на объекты техники и материалы определяется диапазоном электромагнитных волн, достигающих их поверхности. В условиях высокогорья наряду с видимой и инфракрасной областью излучения существенное влияние на состояние техники оказывает ультрафиолетовая компонента с длинами волн 280-315 нм.
Солнечная радиация оказывает отрицательное влияние на резинотехнические изделия, лакокрасочные покрытия, органическое стекло, ткани и другие неметаллические материалы. Воздействие прямых солнечных лучей приводит к образованию микротрещин в изделиях из органического стекла (серебрение) и резины.
На рис. 1-3 приведены изменения, которые происходят под действием солнечной радиации. В горных условиях деструктивные процессы могут происходить в 2 раза быстрее, чем на равнинной местности. Так, полиэтиленовые пленки (150...200 мкм) могут разрушиться за 1,5-2,0 месяца.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2018. No. 3
a/a
б/b
Рис. 1. Льняная брезентовая ткань после 3 месяцев испытаний (а), в сравнении с контрольным образцом (б) / Fig. 1. Linen canvas fabric after 3 months of testing (a), in comparison with the control sample (b)
Рис. 2. Разрушение ЛКП после 6 месяцев испытаний / Fig. 2. Destruction of LCP after 6 months of testing
Рис. 3. Растрескивание резины после одного года испытаний / Fig. 3. Cracking of rubber after 1 year of testing
Другим климатическим фактором, который относится к экстремальным, является температура поверхности объектов техники и материалов. Нагрев тела солнечными лучами зависит от интенсивности солнечной радиации, температуры окружающей среды и от отражательной способности тела. В летние месяцы поток суммарной радиации может достигать 78,4-10 3 Вт-см-2. Особо хочется отметить большую разницу температур лицевой и тыльной сторон объектов испытаний. В некоторых случаях такая разница достигает более 100 °С.
На рис. 4 показано разрушение средств защиты от коррозии на металлических поверхностях после одного года испытаний (деструкция защитного состава (керосин с присадкой АКОР -1) на магниевой пластине (а), пленкообразующие защитные составы типа «водно-восковые» (б) на
закорродированной стальной пластине и ПИНС (в, г) на стальных пластинах). На рисунке приведена лицевая сторона пластин, тыльная сторона осталась без изменений.
На конструкционные материалы немаловажное значение оказывает атмосферное давление. Атмосферное (барометрическое) давление значительно меняется с изменением высоты местности над уровнем моря.
На высоте порядка 3000 м над уровнем моря атмосферное давление составляет около 525 мм рт. ст. (700 гПа). 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.).
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2018. № 3
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2018. No. 3
в/с г/d
Рис. 4. Разрушение средств защиты от коррозии на металлических поверхностях после одного года испытаний (пояснения в тексте) / Fig. 4. Destruction of corrosion protection means on metal surfaces after 1 year of testing
Пониженное давление также влияет на полупроводники, вызывая ухудшение теплоотдачи и уменьшение пробивного напряжения; снижает механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий материалов.
Распределение осадков по территории Приэль-брусья крайне неравномерно, особенно в горных районах, где на величину осадков влияют высота, экспозиция склонов и местная циркуляция воздуха. Зона максимального выпадения осадков лежит на высоте не менее 3000 м и превышает 1000 мм. Осадки на этих высотах выпадают в основном в виде снега. Максимальные значения высоты снежного покрова в указанных высотных пределах могут достигать более 1 м.
На рис. 5 показана возникающая высота снежного покрова на станции «Пик Терскол». Высота столбов
стендов составляет 2 м. Образующийся снежный столб является дополнительной нагрузкой на стационарные объекты техники.
На ветровой режим влияют рельеф местности и подстилающая поверхность. Ветер в основном не превышает скорости 3 м/с. Преобладает ветер западных направлений. Однако на высотах более 3000 м бывают и ураганные ветры. Максимальные значения порывов ветра превышают 50 м/с. Сильные ветры приходятся на зимние и весенние месяцы, начиная с конца декабря по начало мая.
Таким образом, следует учитывать, что в условиях высокогорья наиболее экстремальными климатическими факторами являются солнечная радиация, нагрев поверхности тела солнечными лучами, пониженное атмосферное давление, снеговая и ветровая нагрузки.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2018. No. 3
a/a
б/b
Рис. 5. Стенды с образцами в зимнее время (а) и в летнее время (б) / Fig. 5. Stands with samples in winter (a) and in summer(b)
При организации натурных климатических испытаний объектов техники и материалов на эти климатические факторы такие испытания следует проводить в высокогорных условиях. Размещение образцов материалов и объектов техники необходимо осуществлять с учетом предельных значений климатических факторов, которые могут воздействовать на объекты.
Литература
1. Карпов В.А. Натурные климатические испытания в решении проблемы сохранямости и увеличения сроков службы вооружения и военной техники // Испытания на климатическую стойкость вооружения и военной техники : сб. ст. Люберцы, 2006. С. 22.
2. Серегин М.Ю. Организация и технология испытаний : в 2 ч. Ч. 1 : Методы и приборы испытаний. Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. 84 с.
3. Шмидт Э.Л. Натурные испытания электронных приборов. М. : Советское радио, 1976. 136 с.
4. Глудкин О.Л., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. М. : Энергия, 1980. 360 с.
5. Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях. М. : Химия, 1982. 224 с.
6. Бегларян В.Х. Климатические испытания аппаратуры и средств измерений. М. : Машиностроение, 1983. 156 с.
7. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей применительно к авиационной техники / под ред. Л.Я. Гурвич. М. : ВИАМ, 1988. 142 с.
8. Шехтер Ю.Н., Школьников Б.М., Богданова Т.И., Милованов Б.Д. Рабоче-консервационные смазочные материалы. М. : Химия, 1979. 256 с.
9. Розенфельд И.Л., Рубинштейн Ф.И., Жигалова КА. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями. М.: Химия, 1987. 224 с.
10. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. М. : Металлургия, 1986. 368 с.
11. Альтман М.Б., Амбарцумян С.М., Аристова Н.А., Арчакова З.Н. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы : справ. руководство. М. : Металлургия, 1972. 552 с.
12. Богданова Т.И., Шехтер Ю.Я. Ингибирован-ные нефтяные составы для защиты от коррозии. М. : Химия, 1984. 248 с.
13. Разумов В.В., Перекрест В.В., Кюль Е.В., Стрешнева Н.П., Ульбашев В.Х., Нечипоренко Г.И., Никано-ров И.В., Купцова А.В., Кулиева М.М., Докшокова Т.Н., Тарасенко А.Н. Атлас природных опасностей и стихийных бедствий Кабардино-Балкарской Республики / под ред. М.Ч. Залиханова. СПб. : Гидрометеоиздат, 2000. 66 с.
References
1. Karpov V.A. [Full-scale climatic test in addressing the persistence and increase of service life of weapons and military equipment]. Ispytaniya na klimaticheskuyu stoikost' vooruzheniya i voennoi tekhniki [Test climatic durability of weapons and military equipment]. Coll. of articles. Lyubertsy, 2006, p. 22.
2. Seregin M.Yu. Organizatsiya i tekhnologiya ispytanii [Organization and technology of testing]: in 2 ch. Ch. 1 : Methods and instruments of testing. Tambov: Izd-vo Tamb. gos. tekhn. un-ta, 2006, 84 p.
3. Shmidt E.L. Naturnye ispytaniya elektronnykh priborov [Full-scale testing of electronic devices]. Moscow: Sovetskoe radio, 1976, 136 p.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2018. No. 3
4. Gludkin O.L., Chernyaev V.N. Tekhnologiya ispytaniya mikroelementov radioelektronnoi apparatury i integral'nykh mikroskhem [Technology test of trace elements of electronic devices and integrated circuits]. Moscow: Energiya, 1980, 360 p.
5. Pavlov N.N. Starenie plastmass v estestvennykh i iskusstvennykh usloviyakh [Aging of plastics in natural and artificial conditions]. Moscow: Khimiya, 1982, 224 p.
6. Beglaryan V.Kh. Klimaticheskie ispytaniya apparatury i sredstv izmerenii [Climatic tests of equipment and measuring instruments]. Moscow: Mashinostroenie, 1983, 156 p.
7. Korrozionnaya stoikost' nerzhaveyushchikh stalei primenitel'no k aviatsionnoi tekhniki [Corrosion resistance of stainless steels in relation to aircraft engineering]. Ed. L.Ya. Gurvich. Moscow: VIAM, 1988, 142 p.
8. Shekhter Yu.N., Shkol'nikov B.M., Bogdanova T.I., Milovanov B.D. Raboche-konservatsionnye smazochnye materialy [Working-conservation lubricants]. Moscow: Khimiya, 1979, 256 p.
9. Rozenfel'd I.L., Rubinshtein F.I., Zhigalova K.A. Zashchita metallov ot korrozii lakokrasochnymi
pokrytiyami [Protection of metals from corrosion by coatings]. Moscow: Khimiya, 1987, 224 p.
10. Sinyavskii V.S., Val'kov V.D., Kalinin V.D. Kor-roziya i zashchita alyuminievykh splavov [Corrosion and protection of aluminum alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 368 p.
11. Al'tman M.B., Ambartsumyan S.M., Aristova N.A., Archakova Z.N. Promyshlennye deformiruemye, spechennye i liteinye alyuminievye splavy [Industrial de-formable, sintered and cast aluminium alloys]. Reference guide. Moscow: Metallurgiya, 1972, 552 p.
12. Bogdanova T.I., Shekhter Yu.Ya. Ingibirovannye neftyanye sostavy dlya zashchity ot korrozii [Inhibited oil compositions for corrosion protection]. Moscow: Khimi-ya, 1984, 248 p.
13. Razumov V.V., Perekrest V.V., Kyul' E.V., Streshneva N.P., Ul'bashev V.Kh., Nechiporenko G.I., Nikanorov I.V., Kuptsova A.V., Kulieva M.M., Doksho-kova T.N., Tarasenko A.N. Atlas prirodnykh opasnostei i stikhiinykh bedstvii Kabardino-Balkarskoi Respubliki [Atlas of natural hazards and disasters Kabardino-Balkar Republic]. Ed. M.Ch. Zalikhanov. Saint Petersburg: Gidrometeoizdat, 2000, 66 p.
Поступила в редакцию /Received
28 августа 2018 г. /August 28, 2018
