СПОСОБ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ФИЛЬТРУЮЩИХ ПРОТИВОГАЗОВ Российский патент 2021 года по МПК G01N3/32 G01N17/00 

Способ относится к области исследования надежности технических систем, а именно к созданию экспериментальных способов ускоренных испытаний по определению количественного значения показателя долговечности фильтрующих противогазов как свойства образцов сохранять работоспособное состояние в процессе длительной эксплуатации до наступления предельного состояния.

Оценка долговечности любого образца является сложной задачей. Время достижения предельного состояния, когда эксплуатация образца невозможна, или нецелесообразна, зависит от многих факторов, основными из которых являются климатические и механические.

Климатические факторы вызывают в материалах образца деградационные процессы (старение), приводящие к изменению их физико-химических свойств, и, следовательно, к изменению свойств образца в целом. К данным факторам относятся пониженная и повышенная температуры, влажность и др. Климатические факторы действуют на изделие во время всего периода эксплуатации: при непосредственном применении по назначению, а также в периоды ожидания применения.

Механические факторы обуславливают возникновение в образцах повреждений, а также процессов износа. Накопление повреждений и увеличение степени износа отдельных составных частей также приводит к изменению свойств образца и в итоге - к переходу его в предельное состояние. К данным факторам относятся синусоидальная вибрация, удары многократного и одиночного действия, деформация образца при использовании и др. Механические факторы действуют при транспортировании фильтрующих противогазов, а также при его непосредственном применении по назначению.

Во время эксплуатации образца климатические и механические факторы действуют на образец комплексно. Например, надевание фильтрующего противогаза в условиях отрицательных температур резко увеличивает вероятность повреждения лицевой части, в сравнении с его использованием при положительных температурах. Причиной является снижение эластичности полимерного материала, из которого изготавливается лицевая часть.

Кроме того, долговечность таких образцов, как фильтрующие противогазы, может составлять до нескольких лет. По этой причине оценка долговечности данных образцов сильно затруднена и требует поиска ускоренных способов испытаний.

К настоящему времени способы ускоренного определения долговечности фильтрующих противогазов, учитывающие воздействие климатических и механических факторов, а также влияние данных факторов на показатели назначения противогазов отсутствуют.

Известен способ ускоренных испытаний полимерных материалов, используемых в различных изделиях, в том числе в фильтрующих противогазах, на сохраняемость. Данный способ регламентирован государственным стандартом ГОСТ 9.707 и основан на старении образцов материалов при предварительно установленных значениях климатических факторов в соответствии с предполагаемыми условиями их хранения. При этом образцы материала подвергаются воздействию климатических факторов, через определенные периоды воздействия производится контроль физико-химических показателей материала, на основании полученных данных определяется закономерность его старения.

При всех достоинствах указанный способ не может использоваться для ускоренного определения долговечности фильтрующих противогазов и имеет следующие существенные недостатки:

- испытания проводятся раздельно по каждому материалу, что увеличивает их общую длительность;

- в результате испытаний производится оценка изменения показателей назначения только материалов, поэтому полученные результаты могут характеризовать долговечность таких образцов, как фильтрующие противогазы только частично. При этом следует учитывать, что у фильтрующих противогазов перечень основных показателей назначения, изменение которых в процессе длительной эксплуатации может приводить к снижению защитных свойств образцов, гораздо шире;

- существующие способы испытаний не учитывают, что в процессе эксплуатации фильтрующих противогазов они подвергаются воздействиям не только климатических, но и механических факторов, оказывающих существенное влияние на защитные свойства образцов. В результате реальная долговечность фильтрующих противогазов оказывается меньше, чем установленная по результатам испытаний отдельных материалов.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа ускоренного определения долговечности фильтрующих противогазов с целью обеспечения оперативности и достоверности оценки показателей долговечности.

Технический результат изобретения выражается в возможности достоверной оценки ускоренным методом соответствия фильтрующих противогазов требованиям долговечности, определения их фактической долговечности, а также прогнозирования долговечности фильтрующих противогазов с учетом основных факторов, оказывающих влияние на их способность выполнять функцию назначения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе ускоренного определения долговечности фильтрующих противогазов выполняется последовательное воздействие на противогазы климатических факторов (повышенной и пониженной температуры, перепадов температур и др.), вызывающих деградационные процессы (старение) материалов лицевых частей и активных углей в фильтрующе-поглощающей коробке, а также механических факторов (механических ударов, циклов надевания и снятия противогазов), вызывающих процессы накопления повреждений в элементах конструкции противогазов и их износа.

По изменению показателей назначения противогазов рассчитываются показатели их долговечности.

Сокращение сроков испытаний в сравнении с нормальной эксплуатацией обеспечивается за счет ужесточения воздействия на противогазы климатических факторов. При этом происходит ускорение процессов старения материалов в сравнении со скоростью данных процессов при нормальной эксплуатации. Длительность воздействия климатических факторов при ускоренных испытаниях определяется на основании ГОСТ 9.707. Согласно данному стандарту проводятся предварительные испытания материалов, используемых для изготовления фильтрующих противогазов. Целью предварительных испытаний является расчет энергии активации деградационных процессов, протекающих в материалах с течением времени и приводящих к ухудшению их первоначальных свойств.

На основании величины энергии активации рассчитывается длительность процесса старения при выбранном значении того или иного климатического фактора. Таким образом, чем выше степень ужесточения данного фактора в сравнении с его значением при нормальной эксплуатации, тем выше скорость старения материала и образца в целом.

Период воздействия климатических факторов имитирует старение фильтрующего противогаза в течение одного года его реальной эксплуатации между его использованиями по назначению. Он реализуется с использованием камер тепла и холода (влажности).

Период воздействия механических факторов имитирует процесс накопления повреждений и износ фильтрующих противогазов при их транспортировании и использовании по назначению в ходе обучения порядку применения и реального применения противогазов в течение одного года. Он осуществляется с использованием предусмотренных для изделия транспортных средств или на вибростенде, а также с привлечением специально обученных испытателей, осуществляющих надевание и снятие противогазов.

Таким образом, один период воздействия климатических факторов при ускоренных испытаниях, а также один период механических воздействий составляют один цикл испытаний, приравниваемый к одному году эксплуатации. Количество циклов испытаний устанавливается исходя из планируемого (заданного) срока эксплуатации, количества отбираемых для испытаний опытных образцов, а также исходя из допустимой длительности испытаний.

По окончании каждого цикла испытаний проводится контроль основных показателей назначения противогазов с целью определения закономерности изменения каждого из показателей назначения, а также установления момента, когда значение какого-либо из показателей достигнет допустимого уровня, при котором фильтрующий противогаз считается негодным для дальнейшего использования.

После проведения контроля показателей назначения выполняется очередной цикл испытаний. Циклы повторяются до выполнения их заданного количества или до перехода всех испытываемых образцов в предельное состояние, или до набора необходимого объема статистических данных, позволяющих сделать прогнозный расчет долговечности.

Результаты испытаний подвергаются статистической обработке, проводимой с целью определения скорости изменения каждого из показателей назначения, а также установления момента, когда значение какого-либо из показателей достигнет допустимого уровня, при котором фильтрующий противогаз считается негодным для дальнейшего использования.

Пример осуществления способа

На примере фильтрующего противогаза при предварительных испытаниях используемых в его составе активных углей установлено, что основной причиной их старения является воздействие повышенной температуры. При этом в результате эксперимента получено, что эмпирическое значение энергии активации Е_ср для активного угля по его способности к поглощению хлорциана составило 80,988⋅10³ Дж/моль.

Для ускорения испытаний значение повышенной температуры ужесточается в сравнении со средним ее значением при нормальной эксплуатации, но не выше предельно допустимого уровня, при котором в материалах противогаза будут происходить процессы, несвойственные нормальным условиям эксплуатации.

Для фильтрующего противогаза температура ускоренного старения не должна превышать 80°С. Продолжительность старения при этой температуре, имитирующая продолжительность старения при среднегодовой температуре, рассчитывается в соответствии с формулой [ГОСТ 9.707-81. Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение [Текст]. - Введ. 01-07-90. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1989. - 81 с.]

где Т_зад - установленная температура ускоренной эксплуатации, К;

τ_экспл - продолжительность нормальной эксплуатации, ч;

R - универсальная газовая постоянная, ;

Т_э - эквивалентная температура (рассчитывается по ГОСТ 9.707).

В соответствии с полученным значением энергии активации продолжительность старения при температуре 80°С

После этого учитывается, что на фильтрующие противогазы в ходе их эксплуатации воздействуют такие климатические факторы, как пониженная температура и перепады температуры [ГОСТ 9.707-81. Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение [Текст]. - Введ. 01-07-90. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1989. - 81 с.]. Длительность воздействия пониженной температуры и количество ее перепадов в течение года эксплуатации в климатических районах на территории Российской Федерации устанавливается в соответствии с ГОСТ 9.707.

На основе полученных данных строится график воздействия климатических факторов на фильтрующий противогаз в течение одного периода климатического воздействия. Длительность одного периода климатического воздействия составляет 137 ч.

После данного периода производится расчет параметров периода воздействия механических факторов, включающего этап имитации их транспортирования (выполняемый непосредственно на предусмотренных видах транспорта или на вибростенде), а также этап надевания и снятия противогазов.

Этап имитации транспортирования включает воздействие, как правило, механических ударов многократного действия. Параметры ударов и их количество определяются по ГОСТ РВ 20.57.305. Для фильтрующего противогаза имитация транспортирования на вибростенде предусматривает воздействие механических ударов многократного действия с пиковым ударным ускорением 147 м⋅с², длительностью действия ударного ускорения 5-10 мс и общим числом ударов по трем направлениям 20000 [ГОСТ РВ 20.57.305-98 Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие механических факторов [Текст] - Введ. 01-01-99 - М.: Государственный стандарт Российской Федерации, 1999. - 50 с]. Если к фильтрующему противогазу устанавливается расширенный перечень требований по стойкости к механическому воздействию, этап включает воздействие всего предусмотренного перечня.

Этап надевания и снятия противогазов предусматривает выполнение привлекаемыми к эксперименту испытателями норматива по надеванию фильтрующих противогазов на время в соответствии с требованиями «Сборника нормативов по боевой подготовке Сухопутных войск». Для каждого фильтрующего противогаза предусматривается не менее 200 надеваний и снятий противогаза, что составляет среднее значение количества использований фильтрующего противогаза по назначению в течение одного года эксплуатации.

После формирования цикла испытаний отбираются опытные образцы, размещаются в камере тепла и холода (и влажности), воспроизводится период воздействия климатических факторов.

Далее образцы размещаются на вибростенде, воспроизводится воздействие на них механических ударов многократного действия. Затем проводится выполнение привлекаемым личным составом этапа надевания и снятия всех испытываемых образцов.

По окончании каждого цикла испытаний проводится контроль основных показателей назначения противогазов.

Перечень рекомендуемых к контролю показателей назначения фильтрующего противогаза включает:

- общий коэффициент подсоса в подмасочное пространство;

- сопротивление противогаза воздушному потоку на вдохе и выдохе;

- общее механическое воздействие;

- пылевыделение;

- начальное сопротивление фильтрующе-поглощающей коробки воздушному потоку на вдохе;

- коэффициент проницаемости фильтрующе-поглощающей коробки по масляному туману;

- время защитного действия лицевой части по токсичным химикатам;

- время защитного действия фильтрующе-поглощающей коробки по токсичным химикатам.

Данные, полученные в ходе испытаний фильтрующего противогаза, представлены в таблице.

С учетом скорости изменения каждого из показателей назначения и общей длительности испытаний производится расчет реального значения долговечности фильтрующего противогаза.

В качестве примера, если для фильтрующего противогаза в качестве показателя долговечности установлен средний срок службы, он рассчитывается следующим образом.

Для каждого i-го показателя вычисляется срок службы , полученный при испытаниях каждого опытного образца. Срок вычисляется как суммарное время за вычетом половины длительности последнего периода между испытаниями.

Срок вычисляется для каждого оцениваемого показателя технического (качественного) состояния изделия, выход которого за допустимые пределы определяет переход изделия в предельное состояние.

Вычисляется логарифм каждого срока и среднелогарифмический срок (среднеарифметическое логарифмов U_i сроков )

где n_k - число испытываемых образцов фильтрующего противогаза,

Определяется дисперсия логарифмов сроков службы

Определяется нижняя доверительная среднелогарифмическая граница срока службы при заданной доверительной вероятности γ по формуле

где t - распределение Стьюдента (справочное), определяемое по статистическим таблицам для заданного уровня доверительной вероятности γ и числа степеней свободы ƒ_i=n_i-1.

Определяется верхняя доверительная среднелогарифмическая граница срока службы при заданной доверительной вероятности по формуле

Вычисляются значения срока службы, нижней и верхней доверительных границ данного показателя

В соответствии с данными таблицы расчетное значение показателя долговечности фильтрующего противогаза (по общему коэффициенту подсоса в подмасочное пространство) -1,5 года.

Таким образом, показана возможность использования способа ускоренного определения долговечности фильтрующих противогазов.

Изобретение относится к области исследования надежности технических систем, а именно к созданию экспериментальных способов ускоренных испытаний защитного снаряжения, в частности противогазов. В способе выполняют последовательные воздействия на противогазы климатических факторов, вызывающие процессы старения лицевых частей и фильтрующе-поглощающих коробок, а также механических факторов, вызывающие процессы накопления повреждений в элементах конструкции противогазов и их износа и включающие механические удары, надевание и снятие противогазов. Сокращение сроков испытаний в сравнении с нормальной эксплуатацией обеспечивают за счет ужесточения воздействия на противогазы климатических факторов. По окончании каждого цикла испытаний проводят контроль основных показателей назначения противогазов с целью определения закономерности изменения каждого из показателей назначения. По изменению показателей назначения противогазов рассчитывают долговечность. Технический результат заключается в возможности достоверной оценки ускоренным методом соответствия фильтрующих противогазов требованиям долговечности, определения их фактической долговечности, а также прогнозирования долговечности фильтрующих противогазов с учетом основных факторов, оказывающих влияние на их способность выполнять функцию назначения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ ускоренного определения долговечности фильтрующих противогазов, характеризующийся тем, что испытываемые образцы подвергают последовательному воздействию климатических факторов и механических факторов путем нанесения механических ударов многократного действия с пиковым ударным ускорением 147 м/с², длительностью действия ударного ускорения 5-10 мс и общим числом ударов по трем направлениям 20000, а также надевания и снятия противогазов в количестве, равном числу использования противогаза по назначению в течение 1 года эксплуатации.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что сокращение сроков испытаний в сравнении с нормальной эксплуатацией обеспечивают за счет ужесточения воздействия на фильтрующие противогазы климатических факторов путем повышения температуры окружающей среды в сравнении с реально наблюдаемой в заданном климатическом поясе, верхнее допустимое значение температуры устанавливается на основе предварительных исследований по поиску энергии активации в процессе старения материалов противогазов.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что по окончании каждого цикла испытаний проводят контроль показателей назначения фильтрующих противогазов с целью определения закономерности их изменения, а также установления момента, когда значение одного или нескольких показателей достигнет допустимого уровня, при котором фильтрующий противогаз считается негодным для дальнейшего использования, при этом на основе анализа закономерности изменения показателей назначения фильтрующих противогазов рассчитывают долговечность.