Климатические воздействия. 
Прикладная механика: триботехнические показатели качества машин

Основными климатическими факторами, воздействующими на работоспособность изделий, являются температура, влажность, примеси в воздухе, солнечное излучение и атмосферное давление.

Температура — один из наиболее важных климатических факторов. Для различных климатических поясов земли она колеблется от — 75 до +50° С. Однако большее число изделий работает в условиях нагрева (до 500° С и выше) или охлаждения (-100° С и ниже) их элементов. Тепловое воздействие может быть стационарным, периодическим и непериодическим. Установившийся режим теплообмена как внутри изделия, так и с внешней средой создает стационарное тепловое воздействие. Периодическое тепловое воздействие образуется при повторно-кратковременной работе изделий, суточном изменении температуры окружающей среды, регулярном солнечном облучении и т. д. Непериодическое тепловое воздействие вызывается единичными или сравнительно редкими случайными действиями тепла и холода.

Изменение температуры окружающей среды может изменить химико-физические и механические свойства материалов. При повышении температуры ускоряется развитие некоторых дефектов в материалах, понижающих прочность соединений и конструкций, ухудшающих функциональные и электрические характеристики изделий. При одновременном воздействии тепла и механических нагрузок многие материалы легко деформируются. У ряда материалов при нагреве происходит химическое разложение и ускоряется старение, что приводит к изменению их характеристик.

В зонах с холодным климатом могут быть резкие колебания температуры изделий, вызываемые их нагревом в период работы и охлаждением после выключения. При резком изменении окружающей температуры на поверхности и внутри изделия конденсируется влага. Периодические расширения и сжатия соприкасающихся металлических и пластмассовых деталей могут вызывать нарушение герметичности изделия и разрушение деталей. Резкие колебания температуры приводят к разрушению паяных, сварных, клепаных и других соединений, отслоению и растрескиванию покрытий, появлению утечки наполнителей.

Влажность — один из наиболее опасных воздействующих климатических факторов. Она ускоряет коррозию материалов, изменяет электрические характеристики диэлектриков, вызывает тепловой распад материалов, гидролиз, рост плесени и механические повреждения изделий. Абсолютная влажность — количество водяных паров (г) в 1 м³ воздуха. Она не изменяется при повышении температуры. Максимальная влажность — максимальное количество (г) водяных паров, которое может содержаться в 1 м³ воздуха. Она сильно зависит от температуры, так как давление пара при каждой температуре имеет свой максимум. Максимальная влажность изменяется на 7% при изменении температуры на 1° С. Относительная влажность показывает, сколько процентов максимально возможной влажности фактически находится в воздухе. Для большинства процессов относительную влажность оценивают по следующей шкале: до 100% - очень влажно; 60−70% - нормально; 40−50% - сухо; 30% - очень сухо. При насыщении относительная влажность — 100%.

Изменение влажности может приводить к изменению физикомеханических и химических свойств материалов.

При работе изделия во влажной атмосфере влага обволакивает его снаружи и проникает внутрь. Проникновение влаги в изделие сопровождается корродированием материалов, изменением размеров деталей, элементов конструкции и узлов, короблением деталей, понижением механической прочности деталей и изделия в целом.

Водяная пленка на поверхности деталей и материалов быстро загрязняется и ионизируется, вследствие чего увеличивается ее проводимость. Проводящая электрический ток пленка закорачивает между собой контакты, способствует появлению токов утечки, может привести к коротким замыканиям в электрических цепях и разрушить внутрисхемную разводку в полупроводниковых приборах.

Вследствие высокой диэлектрической постоянной воды при работе электрических и радиоэлекгронных устройств во влажной атмосфере возникает емкостной эффект, который проявляется в изменении сопротивления изоляции, поверхностного сопротивления изоляционных материалов, индуктивности и емкости, коэффициента рассеяния и добротности, а также в уменьшении пробивного напряжения.

Повышение влажности окружающего воздуха вызывает уменьшение коэффициента усиления полупроводниковых устройств и коэффициента потерь диэлектриков с частотой. Возрастают потери электромагнитной энергии вследствие увеличения ее поглощения парами воды, содержащимися в воздухе.

Если температура падает ниже «точки росы», при которой абсолютная влажность равна 100% и содержащийся в воздухе водяной пар достигает состояния насыщения, то выпадают осадки в виде снега, росы, инея, тумана.

Количество осадков измеряют в миллиметрах. Осадкам в 1 мм соответствует 1 л воды, распределенный на поверхности 1 м². Свежевыпавший снег занимает примерно десятикратный объем. 1 см снега соответствует примерно 1 мм осадков. Осадки воздействуют своей механической энергией, понижают температуру изделий, повышают влажность.

Наличие осадков и тумана обычно ухудшает условия работы изделий. Осадки и туман действуют на материалы и изделия так же, как повышенная влажность воздуха.

Влага, оставшаяся на изделии после дождя, может способствовать коррозии металлов, так как в дождевой воде содержится некоторое количество растворенных кислот и солей.

Резкие перепады температур, возникающие при внезапном выпадении дождя на разогретые солнцем поверхности изделий из керамики или стекла, могут привести к их растрескиванию. Особенно сильное разрушающее воздействие на изделия могут оказывать морская вода и морской туман, резко ускоряющие коррозию вследствие содержания в них солей хлора, магния и других элементов.

Туман с капельками морской воды также усиливает коррозию металлов и может ухудшить электрические свойства изоляционных материалов.

Интенсивно протекает коррозия металлов, вызываемая попаданием на них морской воды в виде брызг, а также при периодическом его погружении в морскую воду. В связи со свободным доступом кислорода воздуха коррозия в этих условиях идет значительно быстрее, чем при постоянном погружении изделия в воду.

Примеси в воздухе в виде песка, пыли, дыма и промышленных газов также являются факторами воздействия, которые необходимо учитывать при эксплуатации изделий.

Пыль — смесь твердых частиц в воздухе. Естественная пыль состоит из космической и земной частей. В свободную атмосферу осаждается 12−150 мм пыли за 100 лет. Техническая пыль образуется при сжигании топлива, износе и обработке деталей. Технической пыли в высокоразвитых странах осаждается на два порядка больше, чем естественной. Серьезную проблему представляют для больших городов дымовые газы, содержащие в сравнительно больших количествах серу, из которой образуются в итоге сернистая и серная кислоты, соединения фтора, аммиак, цианистый водород, пары ртути и другие активные вредные химические соединения.

Примеси в воздухе могут вызывать нарушение функционирования электрических элементов, изменять режимы теплообмена, вызывать механические повреждения (пыль, песок), усиливать коррозионные процессы и т. п.

Солнечное излучение представляет собой электромагнитные волны с 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 область с длинами волн более 0,72 мкм — 50% солнечной энергии. Влияние солнечного излучения на изделие заключается в химическом разложении некоторых органических материалов. Наибольшее воздействие оказывают ультрафиолетовые лучи, обладающие высокой энергией. Под действием этих лучей происходит поверхностное окисление материалов, частичное разложение полимеров, содержащих хлор, расщепление органических молекул, быстрое старение пластмасс, изменение важнейших органических компонентов и цвета у некоторых типов термореактивных пластмасс, образование корки на поверхности резины и ее растрескивание.

От действия солнечных лучей изделия нагреваются. Как следствие этого наблюдается изменение формы или усыхание некоторых деталей.

Атмосферное давление создается массой воздуха, лежащей в данном месте. Колебания атмосферного давления вследствие изменения погоды — ±7%, а при тропических бурях — свыше 10%. Ряд изделий по своему функциональному назначению может работать в условиях резко повышенного и резко пониженного атмосферного давления. Изменение давления вызывает опасность пробоев воздушных промежутков электрических установок в связи с изменением диэлектрической проницаемости воздуха, может изменять диаграмму направленности и мощность излучения электромагнитных антенн, влияет на режим теплообмена изделия, нарушая в ряде случаев герметичность изделий и расположение подвижных деталей.

Как и механические, климатические факторы воздействия на практике в большинстве случаев действуют одновременно, что вызывает усиление их разрушающего эффекта. Степень изменения параметров изделия тем значительнее, чем больше число воздействующих климатических факторов, выше их эффективность и время воздействия [2].