淺析低氣壓對裝備及元器件的影響

趙斌，郭贊洪，唐其環(huán)，劉聰

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

環(huán)境及其效應

淺析低氣壓對裝備及元器件的影響

趙斌，郭贊洪，唐其環(huán)，劉聰

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

總結了低氣壓對裝備及元器件的影響研究情況，低氣壓對裝備及元器件的影響主要分為五個方面，低氣壓對裝備及元器件密封性能、散熱性能、電性能、力學性能的影響，進而使得裝備及元器件的整體使用效果受到影響，以及與其他環(huán)境因素綜合作用對裝備及元器件的影響。低氣壓環(huán)境因素降低了裝備及元器件的使用效能，無法發(fā)揮應有的效能。研究分析結果將為相關論證、研制、生產、使用部門提供借鑒。

低氣壓；密封性能；散熱性能；電性能；力學性能；元器件

大氣壓力直接受海拔高度的變化而變化，隨高度的增加，大氣逐漸變得稀薄，大氣壓力逐漸降低。我國海拔超過3000 m的占26 %。全世界高海拔地區(qū)也占了一定的比例。因此，我國乃至世界都有大量的軍品和民品會在高海拔低氣壓地區(qū)使用，必然受到氣壓降低所帶來的影響，特別是對在高原作戰(zhàn)中武器裝備使用效能的影響。此外，在高空作業(yè)的航空飛機以及其他航空裝備，由于氣壓相對標準大氣壓降低較多，受到低氣壓的影響更加嚴重。因此，低氣壓對裝備或器件的影響非常重要。

到目前為止，國內外對低氣壓對軍品和民品做了大量的研究，關于低氣壓試驗國內外都形成了相關標準，總結了低氣壓對裝備及元器件的影響[2—7]。其中，在GJB 150.2A—2009[4]給出的低氣壓環(huán)境可能導致軍用裝備產生下列物理、化學效應有：密封墊密封的殼體漏氣、漏液體；密封容器變形、破損或破裂；低密度材料的物理和化學性能發(fā)生變化；裝備因熱傳導降低而發(fā)生過熱；潤滑劑蒸發(fā)；發(fā)動機的啟動和工作不穩(wěn)定；真空密封失效；由于電弧或電暈放電造成裝備失靈或工作不穩(wěn)定。

凌宗欣等人[8]對常用的軍用低氣壓試驗方法標準進行了分析，認為GJB 150主要是軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法，GJB 360B主要是電子及電氣元件試驗方法，GJB 548B主要是適用于軍用及空間應用的微電子器件。于洋[9]也對低氣壓環(huán)境對產品的影響和相關低氣壓的試驗標準做了簡要敘述。史光梅等人[10]分析了低氣壓對軍工產品的影響，并比較了GJB 150.2A—2009和HB 5830.14—1996兩個標準的差別。

眾多學者[11—14]對低氣壓的試驗標準和對裝備的影響做了一定的研究，總結了低氣壓對相關產品的影響。宋小燕等人[11]對低氣壓的試驗標準和試驗技術進行了分析，研究分了低氣壓對裝備及元器件產品的各種影響。孫立軍等人[12]研究了高原環(huán)境對電工電子產品的影響，介紹了低氣壓對絕緣介質強度的影響、對電氣間隙擊穿電壓的影響、對電暈及放電電壓的影響、 對開關電器滅弧性能的影響、對介質冷卻的影響以及對密封等結構的影響。趙世宜等人[13]分析了低氣壓對軍用電工電子產品的影響，介紹了由于低氣壓導致散熱產品的溫升增加，使產品外殼變形、密封件破壞，造成密封產品失效，加速揮發(fā)性物質的揮發(fā)，降低產品電氣性能等。劉奎芳等人[14]也在分析高原環(huán)境條件對機電產品的影響中給出了低氣壓對機電產品的機電影響：內燃機的燃燒惡化、功率顯著下降，油耗增加；內燃機冷卻系統(tǒng)工作條件惡化；空氣壓縮機排氣溫度增高；影響低壓電器的分斷能力；高壓電機電暈起始電壓降低。此外，低氣壓會使高壓電瓷外絕緣強度降低；影響蓄電池的使用壽命；對直流電機換向和電刷磨損造成影響。

在前人的工作積累以及 GJB 150.2A—2009關于低氣壓試驗的標準基礎上，文中分別從以下四個方面簡述低氣壓對裝備及元器件的影響：對裝備及元器件密封性能的影響；對裝備及元器件的散熱性能的影響；對裝備及元器件電性能的影響；對裝備及元器件力學性能的影響。此外，也分析了低氣壓與其他環(huán)境因素共同作用對裝備及元器件的影響。

1　對密封性能的影響

低氣壓對密封產品最直接的影響是壓力降低產生的壓力差，使得密封產品的內外壓力不同，產生壓力差，在這個壓力作用下會使密封破壞，造成密封產品結構的損壞或密封失靈，致使潮濕氣體或液體進入產品內部而使設備失效，或者導致氣體或液體流出，例如潤滑劑流出，致使摩擦力增大，加速儀器的損壞。主要是針對于一些在標準低氣壓條件下制作的產品，而在低氣壓環(huán)境下使用，可能由于產品內外的壓力差致使產品密封破壞。

庚桂平[15]在《機載設備環(huán)境條件與試驗方法——低氣壓（高度）》簡介中就介紹了因低氣壓導致的密封破壞，致使潮濕氣體或液體進入。宋釗等人[16—17]研究了低氣壓、振動對包裝件密封性和連續(xù)螺紋蓋密封性的影響，分析了塑料軟包裝袋和連續(xù)螺紋蓋容器在運輸中的受力作用使密封失效，有必要對在高海拔低氣壓地區(qū)運輸的包裝件進行低氣壓的試驗。

吳艷葉等人[18]研究了氣壓變化對充氣包裝的影響，主要影響有包裝袋內外壓力差、氣壓變化對包裝材料性能的影響以及對包裝內部物品的影響。因此，對包裝的密封性有較大的影響。

2　對散熱性能的影響

軍用或民用的一部分裝備及元器件是散熱產品，如電機、變壓器、計算機主機等，這些產品在使用過程中都要產生熱能，會使產品或器件本身的溫度升高。此外，由于大氣壓力降低，空氣的導熱系數也隨之降低，對于以空氣或自然對流為主要散熱介質的裝備或器件，熱量難以傳遞出去，致使產品的溫度升高，產生過熱現象。因此，散熱產品的溫升隨大氣壓力的降低而增加，溫升與大氣壓力大致成線性關系，其斜率的大小取決于裝置本身結構、散熱情況和所在環(huán)境溫度等因素。

劉寧寧等人[19]分析討論了高海拔低氣壓地區(qū)對電子產品絕緣性能和溫升的影響，比較了不同氣壓條件下對電子產品溫升的影響。通過以適配器和顯示器為研究對象，研究得出溫升隨著大氣壓力的降低而升高，散熱越困難。

黃璐[20]分析了低氣壓對電子元器件散熱性能和電性能的影響，指出低氣壓對電子元器件的性能有影響，嚴重時導致電子元器件損壞。梁斌等人[21]研究了低氣壓環(huán)境對換熱器顯熱換熱系數的影響，得出顯熱換熱系數隨氣壓的降低而減小。

趙磊等人[22]研究了低氣壓環(huán)境對計算機芯片散熱性能的影響，經過實驗表明，計算機芯片和散熱片表面的溫度隨氣壓的降低而升高。胡松濤等人[23]通過實驗測試了在低氣壓和常壓條件下電加熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂底兓闆r，得出氣壓降低而電加熱器表面?zhèn)鳠嵯禂狄步档?，導致電加熱器的表面溫度升高。趙建民等人[24]研究了高原高寒環(huán)境對工程車輛的影響，指出低氣壓主要造成柴油燃燒效率降低，從而致使工程車輛的動力性和加速性下降。因此，低氣壓對于具有散熱性能的裝備及元器件有著非常重要的影響，嚴重時會使裝備及元器件損壞。

3　對電性能的影響

在標準大氣壓條件下，空氣是較好的絕緣介質，許多電氣設備都采用空氣作為絕緣介質。當這些裝備及元器件用于高海拔低氣壓地區(qū)使用時，由于大氣壓力降低，導致在電場強度較強的電極附近產生局部放電現象，嚴重時會發(fā)生空氣間隙擊穿，使得設備不能正常工作，或者使空氣介質滅弧的開關電器滅弧性能降低。因此，低氣壓環(huán)境對電工電子產品的電氣性能也會產生影響，特別是以空氣作為絕緣介質的設備，低氣壓對其影響更明顯。

劉寧寧等人[19]分析討論了高海拔低氣壓地區(qū)對電氣間隙擊穿電壓的影響，得出大氣壓力降低，絕緣材料的擊穿電壓越容易發(fā)生，同時給出了不同氣壓下擊穿電壓的修正值以及不同氣壓條件下電氣間隙的修正值。曹寅等人[25]研究了高海拔地區(qū)低氣壓對電子產品間隙擊穿電壓的影響，并在低氣壓試驗箱及高海拔地區(qū)進行了試驗驗證。徐健等人[26]在研究低氣壓環(huán)境對大功率濾波器設計的影響中給出“在低氣壓環(huán)境下濾波器極易打火，且一旦打火，濾波器不能正常工作，嚴重時會燒毀相關部件”。

司馬文霞等人[27]研究了氣壓對放電脈沖的影響，得出大氣壓力的降低導致覆冰空氣間隙起暈，電壓呈冪函數或指數函數降低。葛景滂、田志海等人[28—29]研究了低氣壓環(huán)境下聚合物絕緣材料內部放電能量特性，得出低氣壓使得絕緣材料內部放電更加容易發(fā)生，使得在消耗相同的放電量下產生了更多的電荷，加劇了絕緣材料的老化，危害性增大。

關志成等人[30]研究了低氣壓條件下絕緣子的污閃電壓，研究得出，氣壓越低，對污閃電壓的影響越明顯，且對直流電壓下的影響小于交流電壓下的影響。張志勁等人[31]研究了低氣壓條件絕緣子直流電壓下的污閃放電情況，揭示了低氣壓環(huán)境下造成局部電弧發(fā)展為飄弧現象的主要原因是由低氣壓造成的靜電力和熱浮力的變化差異。王向朋等人[32]研究了高海拔特高壓直流絕緣子的污閃特性，研究得出隨著海拔高度的升高, 污穢絕緣子的閃絡電壓會有規(guī)律地降低。

4　低氣壓對裝備力學性能的影響

大氣壓力的降低會影響裝備力學性能，例如壓力降低會使?jié)櫥停ɑ驖櫥┘铀贀]發(fā)，造成部件之間磨擦加劇，使活動部件的表面加快磨損；或者油耗增加，效率降低；還有直接影響發(fā)動機軸承問題和降低發(fā)動機的功率等。

魏偉等人[33]研究了高原低氣壓對列車制動能力的影響，分別對不同長短的列車進行研究，得出氣壓的變化主要影響制動缸平衡壓力，進而影響列車制動能力，同時，低氣壓環(huán)境下，列車緊急制動距離縮短。

劉瑞林等人[34—36]研究了高海拔低氣壓對渦輪增壓柴油機的影響，研究得出，隨著氣壓的降低，渦輪增壓柴油機的動力性和經濟性都有影響。隨著氣壓的降低，燃油消耗率逐漸增加，對于轉速高的影響較小，對于轉速低的影響較大。此外，陳貴升[37]、申立中[38]、郭猛超[39]等人也分別探討了高海拔低氣壓環(huán)境下對柴油機的影響，都指出隨著氣壓的降低，柴油機的整體動力性能下降。

馮凱等人[40—41]研究了低氣壓對發(fā)動機軸承性能的影響，得出了隨著環(huán)境氣壓的降低, 發(fā)動機的主軸承和連桿大端軸承載荷減小；在低氣壓環(huán)境下，發(fā)動機轉速與軸承的工作穩(wěn)定性成反比。此外，在研究沙塵和低氣壓共同作用于發(fā)動機軸承時，會加重發(fā)動機的工作不穩(wěn)定性。

5　低氣壓與其他環(huán)境因素的綜合影響

對于裝備及元器件所處的環(huán)境，是各種環(huán)境因素共同作用而成。低氣壓環(huán)境主要在高海拔地區(qū)或是高空地區(qū)，在這些地區(qū)，除了低氣壓較為明顯，還有相應的低溫、太陽輻射強等。因此，低氣壓往往是與其他環(huán)境因素共同作用的。

趙世宜等人[13]介紹了低氣壓與低溫、高溫的共同作用對裝備及元器件的影響，低溫可以減小由于低氣壓引起的溫升升高和補償由于低氣壓造成的液體沸點降低，同時，低溫可能導致液體凍結、材料收縮、變脆，使產品損壞的危險性增加；也會使燃燒速率降低。高溫和低氣壓共同作用會加速液體和潤滑油的揮發(fā)，降低空氣熱傳導，使溫升升高或產品過熱，加速塑料產品的老化，使電暈起始電壓和擊穿電壓明顯降低，使表面放電或電暈放電的危險性增加。

馮凱等人[40]研究了沙塵和低氣壓共同作用下對發(fā)動機軸承性能的影響，得出了在低氣壓環(huán)境下，發(fā)動機轉速與軸承的工作穩(wěn)定性成反比。沙塵和低氣壓共同作用于發(fā)動機軸承時，會使發(fā)動機的工作更加不穩(wěn)定[41]。

宋釗等人[16—17]研究了低氣壓和振動共同作用時對包裝件密封性和連續(xù)螺紋蓋密封性的影響，得出在低氣壓和振動同時對包裝和連續(xù)螺紋蓋容器的密封性作用時，會加快包裝件破損以及使連續(xù)螺紋蓋產生縫隙，致使密封失效。

趙建民等人[24]研究了高原高寒環(huán)境對工程車輛的影響，指出低氣壓同溫度、日照時數、溫度差等環(huán)境因素共同影響工程車輛，致使工程車輛的整體性能下降，特別是對發(fā)動機的影響嚴重。宣衛(wèi)芳等人[42]研究了高分子塑料材料在拉薩、海南、重慶、敦煌和漠河地區(qū)的老化程度，對比分析得知，在拉薩試驗的高分子試驗老化程度大于其他地區(qū)，主要是由于拉薩地處高原高寒地帶，低氣壓、低溫等加速了高分子材料的老化。高強、龐志斌等人[43]研究得出低氣壓與其他環(huán)境因素對武器裝備的性能、電子設備、機動能力、維修保養(yǎng)等方面產生了較大的影響，降低了武器裝備的整體作戰(zhàn)能力。此外龐志斌等人[44]從理論上進行了提高武器裝備環(huán)境適應性對策研究，使得武器裝備發(fā)揮其應有的作戰(zhàn)效能。俞一鳴等人[45]研究了高原環(huán)境對防空武器的影響，指出低氣壓、低溫以及其他環(huán)境因素造成車輛發(fā)動機過熱、功率下降等，當氣壓每下降12%時，車輛發(fā)動機功率下降 1%～7%；雷達設備容易產生電暈甚至放電現象，當氣壓每下降12%時，雷達設備電暈電壓下降8%～12%。周廣猛等人[46]研究了高原低氣壓環(huán)境對車輛動力性的影響及動力提升措施，指出了高原低氣壓環(huán)境對車輛的有效熱效率、循環(huán)噴油量、滾動阻力系數、空氣密度對空氣阻力的影響等，進而影響車輛的整體性能。

綜上所述，在低氣壓環(huán)境中除了低氣壓對裝備及元器件主要的影響以外，往往會同其他環(huán)境因素共同作用影響，在高海拔或高空地區(qū)，低氣壓往往同低溫、太陽輻射等共同作用，在沙漠環(huán)境中與沙塵共同影響。

6　結語

對于電工電子類產品，產品生產時產品內部的絕緣性材料在低氣壓環(huán)境下絕緣性能下降，會導致電泄露、電擊穿。對于具有散熱性的產品，在低氣壓環(huán)境空氣的導熱系數下降，致使溫升升高，散熱困難。對于密封性能的產品，在氣壓較高的地方生產，而在氣壓較低的環(huán)境下使用，就會產生氣壓差，對產品造成一個氣壓力沖擊，此外對于內部具有液態(tài)物質的，容易致使液態(tài)流失。因此，對于在低氣壓環(huán)境中使用的裝備及元器件，應該在產品制造生產時考慮這些關鍵因素，避免裝備及元器件在低氣壓環(huán)境中使用出現問題。低氣壓往往不是單因素影響裝備及元器件，加強研究低氣壓與其他環(huán)境因素共同對裝備及元器件的影響；同時也希望隨著低氣壓試驗的進一步研究，繼續(xù)完善低氣壓對各類產品的影響情況。

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Effects of the Low Air Pressure Environment on Equipment and Component

ZHAO Bin, GUO Zan-hong, TANG Qi-huan, LIU Cong
(Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)

The influence of low pressure on the equipment and components was briefly summarized. The influence of low pressure on the equipment and components was mainly divided into five parts. The low pressure effected the sealing performance, thermal performance, electrical performance and mechanical properties of the equipment or components, and then even affected equipment and components. The effects of the combined effects of the environmental factors and other environmental factors on equipment or components were also studied. The low atmospheric pressure environment factor debased the usage effect of equipment and components, and could not bring into play all effects. The research result will provide reference for the related departments for reasoning, development, production and operation.

low air pressure; sealing performance; thermal performance; electrical performance; mechanical properties; component

2016-04-15；Revised：2016-05-24

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.030

TJ07

A

1672-9242(2016)05-0180-07

2016-04-15；

2016-05-24

趙斌（1961—），男，重慶人，高級工程師，主要研究方向為環(huán)境試驗。

Biography：ZHAO Bin（1961—），Male， from Chongqing， Senior engineer， Research focus: environmental test.