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环境适应性设计讲稿
环境适应性设计
(王树荣)
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。
特别恶劣的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
(1)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一步,应知道产品全寿命期的环境剖面,并以此作为设计依据。
所以与使用方(甲方)谈判合同、任务书、研制总要求时一定要认真对待,因为它直接关系到技术方案和研制成本.
(2)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,对整机已不规定具体的试验条件(即试验严酷等级),只给出自然或诱发环境条件的参考量值,例如2000版的MIL-STD-810F、即将发布实施的GJB150-200X军用装备实验室试验方法。
特别是后者,即新的GJB150更是如此,在原GJB150中均有试验条件一章(例如高温为70℃、低温为-55℃、湿热:
高温高湿60℃95%低温高湿30℃95%、),新的GJB150就没有这一章,取而代替的是“确定试验条件”,所谓确定试验条件,实质就是根据产品的安装平台环境条件来确定,标准给出的仅是供参考的区域(气候分区)环境条件或常用运载工具的环境条件。
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。
(3)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。
(4)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。
(5)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。
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:
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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
温度对产品的影响是众所周知的:
低温几乎对所有的材料都会产生不同程度的有害影响,凡是在低温下贮存和使用的产品,由于低温的影响,构成产品的各种材料的物理性能、电性能都将发生变化,导致暂时性或永久性的性能下降,甚至引起失效.具体而言:
普通材料如橡胶、帆布、皮革等柔性材料的弹性降低,随之破裂;金属和塑料的脆性增大,导致破裂或产生裂缝,在温度瞬变过程中,由于材料的收缩系数不同,会引起活动部件卡死或转动不灵,由于润滑剂粘性增大或凝固活动部件之间的摩擦力增大,引起动作滞缓,甚至停止工作;电子元器件电参数变化,直接影响到产品的性能;其次,还会引结冰或结霜引起受潮或结构破坏.
高温能使各种材料的结构、物理性能、电性能发生很大的变化甚至导致永久性的损伤和不可逆的变化.高温对产品的主要影响有:
由于各种材料的膨胀系统不同因而导致材料之间的粘结和迁移;润滑剂流失或润滑性能降低,增加活动部件之间的摩损;密封填料、垫圈、封口、轴承和旋转轴等的变形;由于粘结引起机械失灵或完全失效;固定电阻器的阻值发生变化;变压器、机电组件过热;易燃或易爆材料引起燃烧或爆炸;密封产品部压力增高引起破裂;有机材料老化、变色、起泡或产生裂纹;绝缘材料的绝缘性能降低(如橡胶在高温下,由于蒸发和浸析作用引起的脱模或增塑性),高温还会使电工电子产品的寿命明显缩短.
为提高预警机任务电子系统设备耐高低温的性能,其耐高低温设计应列入任务电子系统总体方案设计畴,并与电路设计、结构设计、可靠性设计、电磁兼容设计等同步进行,相互协调。
3.1设计输入
3.1.1预警机的温度设计输入
进行预警机任务电子系统设备耐高低温设计,首先要明确(知道)耐高低温的设计输入.该设计输入来自合同、任务书、研制总要求等文件或资料.例如:
空警2000、空警200、ZDK03型三种预警机任务电子系统设备的耐高低温设计输入如见下表3-1:
表3-1
序号
型号
状态
气密舱
设备
天线罩/平衡木
设备
外部安装
设备
低温
高温
低温
高温
低温
高温
1
空警2000
工作
-10℃
+35℃
-45℃
+60℃
-55℃
+70℃
非工作
-45℃
+70℃
-55℃
+70℃
-55℃
+70℃
2
空警200
工作
-5℃
+35℃
-45℃
+60℃
-55℃
+70℃
非工作
-45℃
+70℃
-45℃
+70℃
-55℃
+70℃
3
ZDK03
工作
-5℃
+35℃
-45℃
+60℃
-55℃
+70℃
非工作
-45℃
+70℃
-45℃
+70℃
-55℃
+70℃
3.1.2确定原则
表3-1中的温度是如何确定的,它是根据地面大气温度、空气温度、任务电子系统安装平台的环境温度等确定的。
而不是通常那样根据军标(例如:
GJB150军用设备环境试验方法)来确定。
不按军标确定设计输入的原因是军标要求太严,预警机任务电子系统设备如果完全按GJB150要求,研制难度大,成本高,而且也没有必要.当然这样做也是完全符合上面所说的新GJB150确定设计输入与考核要求的原则。
3.1.2.1地面大气温度
全球及我国的地面低温和高温大气温度和诱发温度:
a)低温
环境试验中的低温条件来自产品所经受到的大气(平台环境)条件,现许多产品,特别是军品,基本上来自各种标准中的量值,例如GJB150等。
GJB150基本上等同MIL-STD-810E,MIL-STD-810E出发点是:
其一是全球使用;其二是不仅要考虑最低温度的绝对值,还要考虑最低温度的出现概率,如果不考虑最低温度的出现概率(风险率),必然会导致过试验。
对此MIL-STD-810E中是这样考虑的:
全球最低温度的记录极值(不包括南极洲)-68℃,就出现概率(风险率)而言:
低温出现概率(风险率)
-51℃(-60℉)20%
-54℃(-65℉)10%
-57℃(-71℉)5%
-61℃(-78℉)1%
考虑正常研制/生产成本,大多数产品所用的出现概率(风险率)为20%,即-51℃。
对满足特殊的使用,例如机载电子设备为10%的出现概率(风险率)即-54℃(-65℉),我们的GJB150将其取整数为-55℃。
2000版的MIL-STD-810F强调根据产品的实际平台环境条件来定产品的设计输入与考核(试验)条件,标准不统一规定一个考核(试验)条件,GJB150的修订版将贯彻这一思路。
从这一观点出发,我国低气温记录极值为的情况为的漠河-52.3℃。
在全国671观测站中,低于观测到-48℃的还有:
的图里河-50.2℃、的呼玛-48.2℃、的吴-48.1℃、蒙的根河-49.7℃、的富蕴-51.5℃、的青河-49.7℃、的玛多-48.1℃。
就全国的出现概率(风险率)而言:
低温出现概率(风险率)
-41.3℃(-60℉)20%
-44.1℃(-65℉)10%
-46.1℃(-71℉)5%
-48.8℃(-78℉)1%
从上述数据可见:
在全国围使用取10%的出现概率(风险率),-44.1℃(-65℉)就可以了,-44.1℃取整数为-45℃。
我国军用车辆标准就是以此-45℃为标准的,998工程地面的贮存要求也是以此-45℃为标准的,即没有按-55℃来要求。
空警200、ZDK03
气密舱设备和天线罩/平衡木设备的非工作(贮存-地面停放)温度也是以此取的-45℃。
b)高温
全球最高大气温度记录极值为+58℃(离地1.2-1.8米,百叶箱),取1%的出现概率(风险率)+49℃。
众所周知,实际的高温试验温度都高于此温度,因为高温考虑的是诱发温度。
MIL-STD-810和GIB899中的有二个大家常见的+71℃和+85℃诱发温度。
它们考虑的是太阳辐射或其它热源引起的温升,例如:
不通风的罩体、封闭的车体、飞机上有暴露于太阳加热下的表面的舱段、帐篷、密闭的帆布下等。
我国最高大气温度记录极值:
的吐鲁番为+47.7℃、吐鲁番地区的艾丁湖为+50.6℃、吐鲁番民航机场为+49.6℃、为+41℃、为+43℃、为+44℃、修水为+44℃。
就全国的出现概率(风险率)而言:
高温出现概率(风险率)
40.0℃20%
44.1℃10%
42.9℃5%
45.5℃1%
对高温一般取1%的出现概率(风险率),即使这样,高温试验的量值也远高于此温度。
因为上面已经说了,高温考虑的是诱发温度,例如:
表3-2
1
停放地点
电子舱温度
同一时刻大气温度
2
吐鲁番
民航机场
64.7℃
47.6℃
3
向塘机场
60.7℃
41℃
4
大托铺机场
57.1℃
43℃
对表7-1中64.7℃的值取1%的出现概率(风险率)为62℃。
出于这种考虑,对高温贮存,我们还是用70℃的温度值,即对三种预警机的非工作温度(贮存-地面停放)取的是70℃,这一温度对预警机是要求高了,特别是对气密舱设备,选这一温度是为了向GJB150靠的结果。
3.1.2.2空气温度
a)空中低温
空气温度是确定天线罩和平衡木温度的任务电子设备工作温度的依据,空气低温见表3-3
表3-3
高度
KM
几何高度
压力高度
气温(℃)
出现月份/地点
气温(℃)
出现月份/地点
极值
●
风险率
10%■
月份
地点
极值
●
风险率
10%■
月份
地点
1
-38.4
-31.7
●1
■2
●嫩江
■海拉尔
-38.8
-31.5
●1
■1
●嫩江
■海拉尔
2
-40.2
-30.4
●12
■2
●嫩江
■嫩江
-38.8
-30.0
●12
■1
●嫩江
■嫩江
4
-49.2
-39.1
●12
■1
●嫩江
■嫩江
-47.5
-37.3
●12
■2
●嫩江
■嫩江
6
-56.6
-49.7
●2
■2
●
■嫩江
-52.9
-46.9
●2
■1
●
■嫩江
8
-66.6
-57.9
●2
■1
●林江
■嫩江
-61.9
-55.5
●12
■2
●
■嫩江
10
-71.0
-64.4
●1
■1
●海拉尔
■阿勒泰
-73.4
-62.5
●5
■1
●
■阿勒泰
12
-74.8
-67.1
●5
■1
●海流图
■阿勒泰
-74.6
-67.3
●5
■1
●海流图
■阿勒泰
14
-76.5
-68.1
●12
■1
●连平
■台北
-77.9
-71.0
●7
■9
●藤冲
■马公
16
-85.2
-79.5
●3
■1
●马公
■马公
-87.4
-82.0
●3
■0
●马公
■马公
18
-86.7
-81.8
●2
■1
●连平
■西沙岛
-88.2
-81.7
●6
■12
●港
■西沙岛
20
-87.4
-76.2
●12
■3
●港
■西沙岛
-87.2
-75.5
●12
■2
●港
■西沙岛
22
-79.6
-69.0
●7
■2
●
■复兴镇
-79.8
-68.7
●7
■12
●
■复兴镇
24
-71.4
-62.9
●12
■12
●
■马公
-71.9
-63.2
●12
■3
●
■
26
-69.0
-60.4
●4
■12
●克拉玛依
■定日
-69.7
-62.3
●12
■12
●
■克拉玛依
28
-67.6
-55.7
●1
■1
●伊宁
■
-67.7
-55.8
●1
■2
●伊宁
■
30
-69.6
-56.4
●2
■1
●
■
-69.0
-56.5
●2
■1
●
■
从表3-3可见,在预警机的飞行高度上,就空中最低大气温度而言,是低于-55℃的,但对天线罩和平衡木设备有壳体保温与空气摩擦升温,对外部设备有飞行速度与空气的摩擦升温,所以取-55℃已足够。
对此,从下表3-4与表3-5(表3-4与表3-5中的数据是航定委的实测资料)可见:
即便大气温度到-72℃,飞机以380km/h的慢速飞行,由于有蒙皮作用,电子设备周围的温度也达不到-55℃,因此对预警机而言,天线罩和平衡木设备的工作与非工作低温取-55℃已是一个很保守的数据了。
从下表3-4与表3-5还可见:
即便大气温度到-72℃,飞机以380km/h的慢速飞行,蒙皮的温度也不到-50℃,由于飞机蒙皮很薄,因此外部设备由于有与空气的摩擦升温,所以-55℃也足够了。
表3-4沙提机场歼七飞机表速:
380km/h
高度
大气温度
部位
16000m
15000m
11000m
10000m
-72
(℃)
-72
(℃)
-71
(℃)
-69
(℃)
-69
(℃)
-55.5
(℃)
-55.5
(℃)
-44.5
(℃)
上特设舱盖蒙皮
-47.5
-49.9
-49.8
-48.1
-43.1
-41.8
-42.1
-34
下特设舱盖蒙皮
-47.5
-46.1
-48.4
-46.3
-47.2
-40.6
-40.4
-32.9
上设备舱电台接收机外壁
-19.8
-36.9
-34.4
-38.3
-37.9
-36.4
-37.2
-29.4
上设备舱测距器傍空间
-36.5
-19.8
-19.8
-19.8
-19.8
-19.8
-19.8
-19.8
下特设舱无线电罗盘与信标天线之间
-34.4
-33.5
-35.4
-36.8
-35.8
-32.6
-32.6
下特设舱无线电罗盘与陀螺之间
-32.1
-35.4
-33.1
-36.9
-36.3
-32.7
-33.5
-22.4
下特设舱无线电罗盘机壳外壁
-2.1
-1.9
-4.5
-6.0
-3.9
-3.6
-1.2
-0.0
表3-5三家子机场歼七飞机表速:
400km/h
高度
大气温度
部位
9000m
10000m
11000m
12000m
-59.5
(℃)
-57
(℃)
-51
(℃)
-60
(℃)
-60
(℃)
-51
(℃)
-47
(℃)
-53.5
(℃)
上设备舱蒙皮
-43.2
-41.9
-38
-45.9
-45.7
-34.9
-29.5
-35.8
下设备舱蒙皮
-42.4
-41.3
-37.3
-43.9
-45.2
-34.7
-28.7
-34.9
垂直尾翼器空间
-42.2
-40.4
-36.1
-40.7
-44.2
-32.2
-28.2
-33.9
下特设舱无线电罗盘与信标天线之间
-39.3
-39.3
-33.9
-38.9
-40.7
-31.3
-25.6
-29.4
下特设舱无线电罗盘与陀螺之间
-35.4
-34.3
-31.1
-38.2
-37.1
-28.3
-22.9
-26.5
下特设舱无线电罗盘机壳外壁
-19.4
-16.5
-17.9
-20.3
-20.7
-16.6
-6.1
-8.0
上设备舱电台接收机外壁
-29.3
-25.1
-24.5
-26.6
-30.4
-21.5
-15.8
-18.7
b)空中高温
空中高温是指在高空负温下高速飞机与空气摩擦导致飞机蒙皮高温(例如:
根据航定委实测资料,在12000m,以M=2.0速度飞行时,飞机蒙皮会产生93.7℃),而导致电子设备周围的高温,由于预警机在高空以巡航速度飞行,所以这不是一个需要考虑的问题。
3.2设计措施
电子设备的耐高低温设计应从下列三方面进行。
3.2.1合理的结构设计
合理的结构设计是电子设备耐高低温设计最为重要的保证。
进行耐高低温结构设计时首先应综合考虑总功耗、功率密度、热源分布、热敏感性、与失效率相适应的元器件温度极限、体积、重量、热环境等因素.如需进行热设计,可按表3-3规定的单位传热面积的热耗从结构设计上选择电子元器件、单元模块、整机的最佳冷却方案。
表3-3温升为40℃(环境温度25℃)单位传热面积的最大热耗量
冷却方法
分立器件组成的模块
(传热面积计算含散热器面积)
集成器件组成的模块
(传热面积计算含散热器面积)
自然对流
800W/m2
800W/m2
冷板(自然对流)
1500W/m2
强迫空气冷却
3000W/m2
气冷式冷板
16000W/m2
3400W/m2
液冷(自然对流)
20000W/m2
液冷式冷板
16×105W/m2
a)电子元器件的冷却设计
应根据电子元器件安装处的平台环境条件,按GJB299B的规定确定元器件、模块的最大结温和减额准则.
装有散热器的微电子集成器件和分立半导体器件应根据其单位传热面积的最大热耗散量,按表3-3选取其冷却方法.
使用的红外探测器、计算机存贮器、参量放大器等器件以及需要提供负温或恒温工作模块,其冷却负载小于300W时,宜选用温差电致冷却.
速调管行波管等大功率器件,应优先选用液冷.
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.
对关键的器件、模块的冷却装置,应采用冗余设计,冗余量按分配给关键的器件、模块的可靠度而定.
热敏器件应远离热源安置,必要时应考虑热绝缘或恒温措施.
互连用的导线、线缆、器材等,应考虑因温度引起的澎账、收缩造成的故障.
b)印刷电路板组件的热设计
印刷电路板上的电子元器件应采用正确的热安装技术
印刷电路板上的的功率器件,应采用有效的措施降低器件与散热器界面的接触热阻.
印刷电路板应优选导热条印刷板或金属夹心印刷板.
印刷电路板的导热条夹紧装置、导轨以及导轨与插箱之间应具有足够的接触压力和接触面积.
仅靠自然对流冷却的印刷电路板之间的相互间距应足够对流(通常≥19mm),印刷电路板上的最高电子元器件的顶点,与插箱箱壁的间距也应足够对流(通常≥23mm).
c)插箱的冷却设计
应根据插箱中模块单元传热面积的热耗量,按按表3-3选取其冷却方法.
采用强迫空气冷却的插箱,应使流经印刷板的气流与热耗电子器件进行充分热交换(如安装紊流器等措施),以提高热交换效果.
密封式插箱的两側壁应采用冷板装置,并使印刷电路板与两側壁的热流通路阻力和对流空气的流道阻力最小.
d)机柜的冷却设计
机柜中各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.对热耗大的,可采用并联风机布置;阻力大的机柜,可采用串联风机配置,必要时,采用并串联相结合的风机配置.
密封式机柜的热耗量大于1000W时,宜采用气-液混合冷却等多种方式,混合冷却系统的流道(风、液的通路)应专门设计,以使阻力最小.混合冷却系统的热性能应按GB/T12993的规定进行检测.
e)冷板设计
密封式机柜、插箱、模块应优先采用紧凑式冷板装置作为热交换器,
应根据热源的分布(集中、均布、非均布)、热流密度、许用温度、冷板流通通道的许用压降和冷板的工作环境条件的等综合因素进行冷板设计
冷板的冷却剂(空气、淡水等)必需经过处理.冷板的换热计算和结构强度计算可按GJB227中的规定进行.冷板的热性能检测应按GJB12993的规定进行.
f)冷却系统冷却:
就冷却系统而言,在环境极值条件下,应能提供足够的冷却能力.在设备维修期间,冷却系统也应具有冷却能力.在紧急措施情况下,一旦正常的冷却系统无法工作,应有备用措施或保护措施.冷却系统应设置有:
显示运行时冷却剂(空气、流体、相变材料等)的出口温度值和过热告警的装置.冷却系统的热交换器,空气或流体等的冷却介质的过滤器,应考虑到它的维修性.
●强迫空气对流冷却系统设计:
应根据插箱的热耗量和部阻力,选择合适的通风机,设计合理的空气流通通道(应尽量减少风道的沿途阻力和局部阻力),以保证各个需要冷却的部位得到其所需的风量.
强迫空气对流和自然空气对流的流通方向应尽可能保持一致.冷却空气应首先流经对温度敏感的元器件和温度低的元器件.
冷却空气的进出口应相互错开,不得形成气流短路或断路.进出风口的大小应与冷却空气的流速相适应.进出风口的温差不应超过14℃.
冷却空气的进口处应设计有防尘防污装置.通风口还应考虑电磁兼容和安全性要求.
●液体冷系统设计
对采用强迫空气对流冷却还达不到冷却要求的部位,可考虑采用液冷方式.采用液冷系统时,其设计应结合电子设备的使用特点进行:
冷却剂:
一次冷却剂选用淡水或其它冷却介质,二次冷却剂选用空气或冲压空气.冷却剂的出口温度应比周围空气的露点温度高10℃以上
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