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产品的环境适应性设计

2017-11-27 10页 doc 28KB 57阅读

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产品的环境适应性设计产品的环境适应性设计 1 产品的环境适应性设计 一个产品要成为被广大消费者所接受的商品一个产品要成为一种招之既来、来之能战、战之能胜的武器除了它的功能和性能外就是它对环境的适应性和使用的可靠性。 任何产品都处于一定的环境之中在一定的环境条件下使用、运输和贮存。因此都逃脱不了这些环境的影响。特别恶劣环境条件下工作的产品更是如此。产品环境适应性水平高低的源头是环境适应性设计因此要研制出一个环境适应性好的产品首先抓的是环境适应性设计设计奠定了产品的固有环境适应性。 1、环境适应性的设计步骤 ?、明确产品的平台环境条件 当前产品的环...
产品的环境适应性设计
产品的环境适应性设计 1 产品的环境适应性设计 一个产品要成为被广大消费者所接受的商品一个产品要成为一种招之既来、来之能战、战之能胜的武器除了它的功能和性能外就是它对环境的适应性和使用的可靠性。 任何产品都处于一定的环境之中在一定的环境条件下使用、运输和贮存。因此都逃脱不了这些环境的影响。特别恶劣环境条件下工作的产品更是如此。产品环境适应性水平高低的源头是环境适应性设计因此要研制出一个环境适应性好的产品首先抓的是环境适应性设计设计奠定了产品的固有环境适应性。 1、环境适应性的设计 ?、明确产品的平台环境条件 当前产品的环境适应性设计基本上以标准中的考核条件为设计依据的其目的是交付结果是使用中仍然故障不断究其原因其中最重要的是产品实际所经受到的环境条件并不是标准中给出的环境条件即标准中的试验条件或试验严酷等级。所以当前国外的最新标准对整机已不具体的试验条件即试验严酷等级只给出自然或诱发环境条件的参考量值。可见作为环境适应性的设计的第一步首先要弄清产品的平台环境条件特别是大型系统工程各分系统、子系统、设备、分机所经受到的环境条件又不同于整个系统所经受到的环境条件。 ?、确定产品寿命期的环境剖面 一个产品从出厂到报废除使用过程中的平台环境条件外还要经受到运输和贮存环境条件另外还涉及到经受各种环境因素的概率所谓环境剖面就是产品全寿命期所遇到的各种环境因素及其出现概率。可见作为环境适应性设计的第二步应知道产品全寿命期的环境剖面并以此作为设计依据。 ?、制订环境适应性设计准则 一个产品通常有许多分机组成特别是大型系统工程会更有许多分系统、子系统、设备单元组成因此要搞好环境适应性设计必须制定能保证产品环境适应性的统一设计准则让每一设计师进行环境适应性设计时有统一的依据。环境适应性设计准则应采用先进的、成熟的材料、工艺、结构等并且有好的费效比。 ?、环境适应性设计评审 环境适应性设计评审是对环境适应性设计输入进行的全面、系统审查从中发现环境适应性设计中的薄弱环节、提出改进意见、完善设计降低设计风险。 ?、环境适应性设计输入验证 一个产品完成了环境适应性设计输入后如果这种设计没有以前试验结果报告证实是可行的则应进行设计验证试验来证明可行的。 2、环境适应性的设计原则 进行环境适应性设计时可按下列原则进行 ?、减缓影响产品的环境应力、增强产品自身耐环境应力的能力 环境适应性设计首先应综合考虑所设计产品可能经受到的各种环境因素及其应力采用减缓环境应力的措施、增强自身耐环境应力的能力即用有效的防护设计、材料、工艺等来达到所设计产品的环境适应性要求。 ?、逐级明确防护对象和防护等级。 按从大到小的顺序即从系统、整机、单元、零部件、模块、元器件到材料逐级明确防护对象和防护等级。 ?、建立有效、合理的防护体系。 环境适应性设计应从多方面入手采用合理的结构设计正确选择材料严格进行计算并确定使用应力选用稳定的加工、装联工艺建立有效、合理的防护体系。 ?、综合考虑环境因素的不良影响 一种环境因素可能产生多种不良影响一种不良影响往往是多种环境因素协同作用的结果设计时应予以综合考虑。 3、耐高低温设计 为提高电子产品的耐高低温性能其耐高低温设计应列入电子产品总体设计范畴。 电子产品的耐高低温设计应从下列三方面进行 3.1、采用合理的结构 2 合理的结构?堑缱硬纺透叩臀伦钗匾谋,ぁ??、电子产品的结构应综合考虑机箱的功率密度、总功耗、热源分布、热敏感性、热环境等因素以此来确定电子产品最佳的冷却方法。 ?、电子元器件、模块的最大结温的减额准则应符合有关规定单个电子器件如集成器件、分立式半导体器件、 大功率器件应根据温升限值设置散热器或独立的冷却装置热敏器件的安置应远离热源对关键器件、模块的冷却装置应采取冗余设计互连用的导线、线缆、器材等应考虑温度引起的膨胀、收缩造成的故障。 ?、对于印制板组件其板上的功率器件应采取有效的措施降低器件与散热器界面的接触电阻带导热条的印制板其夹紧装置、导轨及机箱或插箱壁之间应保证有足够的压力和接触面积采用空气自然对流冷却的印制板其板之间的间距、板上的最高元器件与插箱壁之间的间距应符合有关规定。 ?、应根据机箱的热耗量和内部阻力的情况选择合适的通风机设计合理的空气流通通道保证需要冷却的各个部位得到其所需的风量冷却空气应首先流经对热敏感的器件冷却空气的进口与出口位置应相互错开不得形成气流短路或开路。 ?、对于机箱中的各个部分其单元热量分布均匀时可采用抽风冷却非均匀热源采用鼓风冷却。对于热耗量大的密封式机箱应采用多种冷却系统其冷却通道应专门设计。 3.2、正确地选择材料 ?、尽量选择对温度变化不敏感的材料采用经优选、认证或经多年实践证明可靠的金属和非金属材料。 ?、选择的材料在温度变化范围内不应发生机械故障或破坏完整性如机件变形、破裂、强度降低等级、材料发硬变脆、局部尺寸改变等。 ?、选择膨胀系数不一的材料时应确定其在温度变化范围内不粘结或相互咬死。 ?、选择的润滑剂应在温度变化范围内能保证其粘度、流动性稳定。 3.3、采用稳定的加工、装联工艺 ?、应在高标准的制造和装配环境下进行电子产品的加工、装联。 ?、对于电子产品机箱内各个组件应采取合适的热安装技术而对于印制板组件其板上的电子元器件同样应采取正确的热安装技术。 ?、应采用新型的、经验证的或典型的、可靠的天线、机箱及印制板涂装工艺、金属电镀工艺等以确保其工艺涂镀层在温度变化范围内不出现不符合标准的保护性及装饰性评价。 4、防潮设计 4.1、结构设计 在不影响设备性能的前提下应尽可能采用气密密封机箱。 4.2、防潮处理 ?、憎水处理 通过一定的工艺处理降低产品的吸水性或改变其亲水性如用硅有机化合物蒸气处理可提高产品的憎水能力。 ?、浸渍处理 用高强度与绝缘性能好的涂料填充某些绝缘材料、各种线圈中的空隙、小孔、毛细管等。浸渍处理除可以防潮外还可以提高纤维绝缘材料的击穿强度、热稳定性、化学稳定性以及提高元器件的机械强度等。 ?、灌封 用环氧树脂、蜡、沥青、油、不饱和聚酯树脂、硅橡胶等有机绝缘材料加热熔化后注入元器件本身或元器件与外壳间的空间或引线的空隙冷却后自行固化封闭。所使用的材料应保证其耐霉性。 ?、密封装置 对零部件、模块等采用密封装置密封分塑料封装和金属封装两种 ??塑料封装塑料封装是把零件直接置于注塑模具中与塑料制成一体。 ??金属封装金属封装是把零件置于不透气的密封盒中有的还可在盒内注入气体或液体。 ?、表面涂覆 用有机绝缘漆涂覆材料表面提高防潮性能。 ?、使用防潮剂 在设备内部放置防潮剂并定期更换。 3 4.3、材料选择 应尽量选用防潮性能好的材料如铸铁、铸钢、不锈钢、钛合金钢、铝合金等金属材料以及环氧型、聚酯型、有机硅型、聚酰亚胺型等绝缘防护材料等。 4.4、防潮包装 为防止设备在贮存、运输过程中受潮应采取防潮包装并符合GB5048的规定。 5、防生物侵害设计 5.1、结构设计 ?、在不影响设备性能的前提下应采用气密式外壳结构内部空气应干燥清洁相对湿度小于60 ?、对于气密式设备其内部可填充干燥清洁的惰性气体相对湿度应小于60 ?、气密性外壳的技术要求和检验应符合国家标准与产品规范的有关规定。 5.2、材料选择 ?、应选用耐霉性材料。常用耐霉性材料见表1 ?、金属、陶瓷、石棉等材料不利于霉菌生长但应经适当的表面处 理以防止其表面污染上霉菌的营养物质 ?、高分子材料如塑料、合成橡胶、胶粘剂、涂料等中的填料、增塑剂的选择应尽量选用防霉的无机填料及其它耐霉助剂 ?、热固性塑料应完全固化以提高其防霉性 ?、非耐霉材料如天然纤维材料及其制品应尽量避免使用若难以避免则必须经过防霉处理之后才能使用。 表1 常用耐霉性材料 序号 材料名称 1 丙烯腈氯乙烯共聚物 2 石棉 3 陶瓷 4 聚氯醚 5 玻璃 6 金属 7 环氧层压、酚醛树脂尼龙纤维层压、有机硅树脂玻璃纤维层压制品 8 邻苯二甲酸二烯丙酯 9 聚丙烯腈 10 聚酰胺 11 聚碳酸酯 12 聚乙烯高分子量 13 聚对苯二甲酸乙二醇酯 14 聚酰亚胺 15 聚三氟氯乙烯 16 聚丙烯 17 聚苯乙烯 18 聚砜 19 聚四氟乙烯PTFE 20 聚全氟代乙丙烯FEP 21 聚偏二氯乙烯 22 硅酮树脂 53、防霉处理 当使用的材料和元器件等耐霉性达不到要求时必须作防霉处理。 ?、对非耐霉材料如塑料、橡胶、涂料、胶粘剂等可在材料的生产工艺过程中直接加入防霉剂 ?、对由非耐霉材料制成的零部件、元器件可浸涂、刷涂防霉剂溶液或防霉涂料 ?、所使用的防霉剂必须满足下列要求 ??高效、广谱 ??低毒、安全 ??性能稳定便于操作 ??对设备的性能无不良影响。 4 ?、应根据防霉处理的材料种类、使用环境、要求防霉的时间长短以及主要的霉菌种类等因素选用合适的防霉剂。常用防霉剂见表2。 表2 常用防霉剂 序号 防霉剂名称 应用范围 1 水杨酰苯胺 适用于棉、毛织品、塑料、橡胶、油漆、软木等的防霉 2 SF501 适用于光学仪器、玻璃零件及各种工业产品密封包装的防霉 3 TBZ 适用于漆膜等多种物品的防霉 4 百菌清 适用于漆膜等多种物品的防霉 5 多菌灵 适用于漆膜等多种物品的防霉 5.4、包装防霉 为防止设备在贮存、运输过程中长霉应采取防霉包装。 ?、霉菌对设备性能有影响或外观要求较高的设备应采用密封包装方法包括抽真空置换惰性气体密封包装、干燥空气封存包装、除氧封存包装、使用挥发性防霉剂密封包装 ?、经有效防霉处理的设备可采用非密封包装但应先外包防霉纸然后再包装 ?、长霉敏感性较低的设备亦可采用非密封包装并应在包装箱上开通风窗以防止和减小由于温度升降在设备上产生凝露。 ?、防霉包装的技术要求和检测应符合GB4768的规定。 5.5、防昆虫及其它有害动物的设计要求 对于暴露在昆虫及其它有害动物活动地区并受到其危害的设备应采取防护措施。 ?、防护网罩 可在设备的周围和外壳孔洞部位设置金属网罩防止昆虫和其它有害动物进入。网孔大小应视防护的具体要求而定 ?、密封外壳 密封外壳可用于防止昆虫及其它有害动物进入 ?、生物杀灭剂和驱赶除剂器 不能采用密封外壳和防护网罩的设备应定期使用生物杀灭剂如杀虫剂、杀鼠剂等。对防霉处理的规定也适用于生物杀灭剂。 6、防腐蚀设计 电子设备防腐蚀设计的基本要求是应根据产品的使用地区和安装平台的不同而不同例如机载电子设备在有盐雾的大气环境中应能完全正常地工作其外观评价满足保护性和装饰性的有关要求。 为了提高电子设备环境适应能力必须采用有效的防腐蚀设计。在设备总体设计阶段必须同步编制防腐蚀设计大纲并在设计制造、贮存、运输、使用等各个阶段予以实施。 电子设备具体的防腐蚀设计主要从下列三个方面进行 6.1、结构设计 ?、一般要求采用密封式结构。密封设计优先顺序为模块单元进行单独密封插箱、分机局部密封机箱或插箱整体密封。进行气密式设计时容器应采用永久性熔焊气密结构局部采用密封圈密封密封圈应选用永久变形小的硅橡胶“0”型圈。 ?、对于大容积的构件如天线箱体、天线罩、高频箱等应尽量避免气密式设计。 ?、外壳顶部不允许采用凹陷结构避免积水导致腐蚀外壳结构应优选无缝隙结构在采用其它结构 时要确保其密封性和电接触性能外壳与开关、电缆插头座等部件的连接部位应采取密封措施。 ?、减少积水积污的间隙、死角和空间易积水的部位应设置足够的排水孔。将内腔和盲孔设计成通孔便于排水和排除湿气。 ?、避免采用不同类型金属接触以防电偶腐蚀。必需由两种金属接触时应选用电位接近的金属。不同金属组成的构件应设计为阳极面积大于阴极面积并采用下列一种或几种防护措施1〉选用与两者都允许接触的金属或镀层进行调整过渡2〉活动部位涂润滑油不活动部位涂漆3〉用惰性材料绝缘4〉密封。 ?、在贮存或运输过程中应保证可靠的包装形式和包装材料提出贮存和运输的安全防护要求。 6.2、材料选择 正确地选择材料是电子设备防腐蚀设计的必要保证。在材料选择时应选用经过鉴定、认证并经过实际使用可靠的金属和非金属材料不得使用未经入库检验的材料。非标准件及材料的选用 5 必须经订购方认可和质检方鉴定。 ?、在容易产生腐蚀和不容易维护的部位如天线、管系等设备应优选钛合金、不锈钢等高耐蚀性能?牧稀??、选择腐蚀倾向小的材料。 ?、选择杂质含量低的材料金属材料中杂质的存在直接影响其抗均匀腐蚀、应力腐蚀的能力其中高强度钢、铝合金、镁合金等材料的这种倾向尤为严重。 ?、不同金属材料相互接触时选用电化偶相容材料在腐蚀介质中的电偶最大电位差不得超过0.25V。 ?、密封机箱中不得采用具有腐蚀气氛源如ABS、聚氯乙烯、酚醛等的有机材料。 ?、印制板应优选高绝缘、耐燃、无毒、不易变形、刚度高的环氧玻璃布覆铜板如FR4型。 ?、避免使用放气剧烈的材料如聚乙烯、多硫化合物、酚基塑料、纸、木材等避免使用不相容的材料如铜、锰与橡胶、纸与铜或银等。 6.3、加工与装联工艺 电子设备在制造过程中若成型、机械加工、焊接、热处理等工序条件选择不当则会使材料产生不同类型的腐蚀倾向导致设备在使用时由于腐蚀而引起性能失效。因此采用稳定的加工、装联工艺是设备耐腐蚀的重要保证。 ?、一般拉伸强度大于1960Mpa200kg/mm2的高强度钢抗应力腐蚀的性能、疲劳强度和断裂韧性都比较低。采用真空冶炼、真空重熔、多向锻造、真空热处理、喷丸、闪光焊和电子束焊等工艺可改善高强度钢的性能。 ?、机械加工板材和挤压件所有关键表面即经最后机械加工和热处理后易影响的部位应进行喷丸或别的方法使其处于无应力状态。 ?、采用冲击或热压配合、螺栓紧固、装配等都可能在零件上表面产生残余应力应采用提高成形精度、合理引入衬垫加以控制。在成形、加工、热处理、表面处理等工序中都会带来残余应力应进行应力消除热处理、喷丸、滚轧等方法消除残余拉应力或使其产生压应力以减少应力腐蚀开裂或轻氢脆。 ?、滚轧、热处理、高温成形的钛合金表面需进行机械加工、化学铣切或酸洗以消除材料在高温下形成的污染层。 7、防尘、防雨和防太阳辐射设计 ?、电子设备的天线罩体和外部装置会受到砂尘、雨、太阳辐射的影响。 ?、天线罩体和外部设备应避免形状过于复杂结构应简单、光滑且合理。 ?、在结构设计中天线罩体和外部设备外壳除满足其它要求外应具备足够的刚度和强度以承受气流冲击和雨水、冰雹、砂尘的侵蚀。 ?、如果可行天线罩体和外部装置外壳应优先采用尘密和水密式设计以防砂尘和雨水渗入。由此带来的散热、凝露、除湿等问题应有效地加以解决。 ?、天线罩体和外部设备应避免水和砂尘的积聚尽量消除缝隙结构。 ?、太阳辐射导致的热效应和雨水可能带来的温度冲击效应应在热设计中予以充分考虑。 ?、如果天线罩体和外部设备需要有机涂覆层则必须选用经过实用或试验验证过的涂覆材料与涂装工艺。涂覆层应具备防砂尘、雨水侵蚀的能力应具备良好的耐热氧老化的能力和防太阳辐射引起的光老化的能 力。 ?、应考虑到天线罩体和外部设备外壳密封一旦失效后可能导致的紧急情况并采用相应的失效防护设计。 8、抗振动与抗冲击设计 8.1、基本要求 电子设备的抗振动与抗冲击要求主要是指安装平台给它的振动输入例如机载设备的振动与冲击要求是指载机在起飞、降落、空中飞行过程中机舱底板电子设备安装处上的振动与冲击的响应和量值。 ?、振动强度设计要求 由于环境适应性考虑的是极限环境所以振动强度设计要求考虑的是极限振动环境条件通常考虑的是三个方向上的最大值作为任何一个方向上的设计要求。 ?、抗振性能和疲劳设计要求 抗振性能和疲劳设计要求是指经常施加在样品上的振动应力。同时还有一个在长期的空中振动下任务电子系统不能产生疲劳的问题。满足上述要求的不应是最大包络量值而应是平均值包络 6 量值为了加大安全系统也可采用平均值1б的量值。 ?、冲击强度设计要求 就抗冲击设计来说通常给出的是冲击脉冲波形或冲击响应谱。下图为冲击脉冲波形及其相应的冲击响应谱。 8.2、设计准则 ?、以垂向振动作为设计要求 振动一般发生在相互垂直的三个方向上而且通常是垂向的振动最大因此可以简化成以垂向振动作为相互垂直三个方向上任一方向上的振动设计要求。 ?、固有频率可设计在3070Hz之间 电子系统的机柜包括显控台、分箱包括单元、组件/模块等各层次结构的固有频率应按二倍频的规则设计。当工程实施确有困难时可最小不低于1.5。机柜包括显控台的固有频率可设计在3070Hz之间并且尽量往30Hz的低端设计。分箱包括单元、组件/模块按二倍频或1.5倍频的固有频率往上设计。 ?、放大因子必须设计成小于3 在102000Hz的载机振动频率范围内用速率1oct/min的正弦扫频时任何层次的共振频率上的放大因子必须设计成小于3。 8 3、隔振缓冲系统设计 ?、振动传递率应小于1 电子设设备的隔振缓冲系统应同时具有隔振和缓冲两种功能即既应是一个好的振动隔离器又是一个好的缓冲器其振动传递率应小于1、冲击传递率应小于1、平均碰撞传递率小于1。 ?、不出现刚性碰撞去除耦联振动 应根据电子设备的质量、尺寸、固有频率、危险频率、允许的振动、冲击量值进行隔振缓冲系统的设计包括提出隔振缓冲系统的动态特性要求等。并且要做到具有足够的吸收储存能量的位移空间保证不出现刚性碰撞。支承平台的刚度中心应于电子设备的质量中心重合以去除耦联振动的有害影响。 ?、采用背架式隔振缓冲系统 机柜包括显控台应采用背架式隔振缓冲系统其中背架隔振器是非承载隔振器其刚度阻尼特性在水平面内应对称于原点平衡位置并应注意它与底部隔振器的刚度位移量等的匹配。 ?、固有频率偏差应小于10 加载后的各隔振器的固有频率与同轴向设计时的理论固有频率的偏差应小于10。 8.4、机柜包括显控台的设计 ?、固有频率尽量靠近30Hz 机柜包括显控台的固有频率应设计在3070Hz之间并尽量靠近30Hz。 ?、处于可靠的支承状态 机柜包括显控台应设置电缆固定装置以减少电缆插座和电连接点所受的振动应力。机柜包括显控台应设置安全保障装置以防隔振系统失效时设备仍处于可靠的支承状态。 8.5、插箱分箱、单元 插箱分箱、单元三轴向与机柜包括显控台的连接刚度必须保证插箱分箱、单元的一阶固有频率不低于同轴向机柜包括显控台一阶固有频率的1.52倍即符合8.2.2的规定。 8.6、组件/模块 ?、组件/模块固有频率不应低于同轴向插箱的1.52倍 安装在插箱分机、单元上的组件/模块的连接刚度应保证三轴向的固有频率不应低于同轴向插箱分机、单元固有频率的1.52倍。 ?、采用较高固有频率的元器件 应尽量采用较高固有频率的元器件。 ?、印制板模块必须采取加固措施 印制板模块必须采取加固措施。在插箱中的多块印制板模块之间应 有限制基频共振振幅的限位措施。 ?、印制板应采取限位、夹紧装置 印制板应采取限位、夹紧装置限制印制板电连接边受振、受冲击后产生的相对位移和变形。 8.7、紧固件 ?、动态载荷 7 在电子系统中将使用许多不同形式的紧固件它们对电子设备的可靠性起着重要作用。由于在振动与冲击的动态环境下使用所以设计时应考虑 ?、以动态载荷冲击载荷按15g??1.7826.7g、线性加速度按12g考虑和结构的几何形状为基础选择正确的紧固件尺寸和固定位置。 ?、按动态载荷选择紧固件的锁紧装置。 ?、根据动态载荷的要求选择装配方法例如螺钉应该用扭矩装置旋紧该装置可预调到要求的扭矩值。扭矩值应该是扭断螺丝头所需扭矩值的6080。 ?、加固 监视器、计算硬盘、光盘驱动器等货架产品必须用紧固件紧固以提高抗冲击与抗振动的能力。 环境试验与环境试验技术 1、概述 环境试验是将产品包括材料暴露在自然或人工模拟环境中以此来评价产品在实际遇到的运输、贮存、使用环境条件下的性能。通过环境试验可以提.
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