Защита ЭТУ от механических воздействий

Механические ВВФ в той или иной мере оказывают влияние на любое ЭТУ. Величина этого воздействия, в первую очередь, обусловлена спецификой эксплуатационных условий на объекте установки ЭТУ. Так, наибольшее влияние механические ВВФ оказывают на аппаратуру, размещенную на автомобильном и железнодорожном транспорте, речных и морских судах, авиационной и ракетно-космической технике. Однако даже стационарная аппаратура может подвергнуться вибрации, случайным ударам, напри­мер, во время транспортировки к месту эксплуатации или землетрясения, небрежно проводимых погрузочно-разгрузочных работ или при перестановке блока ЭТУ на другое место, поэтому определенная устойчивость к такого рода дестабилизирующим воздействиям должна обязательно быть заложена в конструкцию ЭТУ.

Так, например, для буйковых ЭТУ характерны такие внешние воздействия в штатном режиме эксплуатации, как качка, волна от удара, а при установке буя (часто сбрасываемого с летательного аппарата) возникает механический удар о водную поверхность.

На судовом транспорте механические нагрузки создаются во время шторма при ударах штормовой волны и качке судна. Вибрационные нагрузки на судах обусловлены работой винтов и двигателей. Частота (обычно не превышающая 150 Гц) и амплитуда вибраций зависят от типа судна, его машинного оборудования и места расположения ЭТУ.

Авиационная и особенно ракетно-космическая электроника постоянно испытывает значительные механические перегрузки и воздействие мощного шума от реактивных двигателей. Ударные нагрузки в самолетах возникают при посадке. Перегрузка в 10...15g соответствует резкой посадке, а 30 g — аварийной. Вибрации с частотой до 2 000 Гц имеют место в течение всего полета. Повреждения на ракетах и спутниках могут произойти от сильного акустического шума при запуске двигателя, уровень которого может превышать 140 дБ. Значительные нагрузки возникают при взрывах [200...400 g), что актуально для электронных систем различного современного оружия. Механическое разрушение приводит к полному выходу ЭТУ из строя. Известно, что от 29 до 40 % отказов авиационного электронного оборудования и до 50 % отказов бортовых вычислительных машин связано с воздействиями механических нагрузок.

Невесомость, как механический воздействующий фактор, характеризуется отсутствием гравитационных сил (межпланетные космические аппараты) или равновесием центробежной силы и силы притяжения планеты (орбитальные станции, искусственные спутники). Невесомость оказывает негативное влияние на подвижные части эле­ментов и узлов ЭТУ.

Следовательно, при проектировании ЭТУ зачастую требуется индивидуальный подход к защите от характерного именно для этой ЭТУ комплекса механических ВВФ.

В результате воздействия механических ВВФ могут иметь место следующие повреждения ЭТУ:

· нарушение герметизации из-за нарушения паяных, сварных и клеевых швов и появление трещин в металлостеклянных спаях;

· полное разрушение конструкции корпуса или отдельных ее частей от механического резонанса и усталостных процессов;

· обрыв внешних электромонтажных связей — проводов, жгутов, проводниковых выводов катушек индуктивности, трансформаторов и пр.;

· отслаивание элементов проводящего рисунка;

· расслаивание многослойных печатных плат;

· растрескивание керамических подложек ИМС;

· выход из строя электрических соединителей;

· изменение положения органов управления и настройки;

· выход из строя механических узлов ЭРИ (подшипников, зубчатых зацеплений, крепежа и т. п.).

В соответствии с ГОСТ 16962-71 механические воздействия классифицируются по двадцати степеням жесткости вибрационных, восьми степеням жесткости ударных и семи степеням жесткости линейных (центробежных) нагрузок (табл. 1, 2). Данный стандарт распространяется на изделия электронной техники — пассивные и активные ЭРИ, а также электротехнические изделия.

Значения вибрационных нагрузок по степеням жесткости

Таблица 1

Значения ударных и линейных нагрузок по степеням жесткости

Таблица 2

Значения параметров механических нагрузок, приведенные в табл. 4.8.1 и 4.8.2, рекомендуется использовать при проверке выполнения условий устойчивости электронных модулей к воздействию ударов и вибраций, в том случае когда условия эксплуатации на объекте—носителе отличаются от указанных в ГОСТ 16019-2001, что характерно для ЭТУ специального назначения, работающих в очень жестких условиях.

Следует заметить, что степени жесткости XVI-XX по вибрационным нагрузкам устанавливают для ЭМО миниатюрных и сверхминиатюрных конструкций (например, для бескорпусных ЭРИ, микросхем, полупроводниковых приборов), а степень жесткости XX устанавливают в технически обоснованных случаях в качестве дополнительного требования к другим степеням жесткости.

Выводы ЭРИ, а также места их присоединения, если это указано в ТЗ или опреде­лено в соответствующих стандартах, должны выдерживать без механических повреждений воздействие следующих механических факторов:

· растягивающей силы, направленной вдоль оси (табл. 3), — для выводов, в соответствии с ТЗ или стандартом на ЭТУ, имеющих жесткую заделку или не имеющих таковой;

· изгибающей силы — для гибких лепестковых ленточных и проволочных выводов;

· крутящего момента (табл. 4) — для резьбовых выводов, которые служат для крепления ЭРИ при эксплуатации;

· скручивания — для одножильных осевых проволочных выводов диаметром от 0,3 до 1,2 мм.

Значения растягивающей силы

Таблица 3

Значения крутящего момента

Таблица 4

Как уже отмечалось, работающие авиационные двигатели, особенно реактивные, рассеивают в окружающую среду значительную часть энергии колебаний звуковой частоты, а пролетающие со сверхзвуковой скоростью самолеты, снаряды и ракеты являются источниками возникновения баллистических волн. При превышении скорости летательного аппарата скорости распространения звуковых колебаний такие волны вызывают ощущение резкого удара и могут воздействовать на различные объекты, в том числе ЭТУ, находящиеся в пределах возбужденного участка среды.

Акустическая вибрация приводит к вынужденным механическим колебаниям деталей и узлов конструкции ЭТУ, причем различные конструктивные элементы по-разному реагируют на такую вибрацию. Так, под действием колебаний звуковой частоты в электровакуумных приборах возникает микрофонный эффект, начинают вибрировать корпуса отдельных ЭРИ и объемные проводники. В отличие от обычных механических колебаний, передающихся через точки крепления электронного модуля, акустический шум возбуждает узел и каждый элемент в нем в результате приложения распределенной нагрузки, величина которой зависит не только от уровня звукового давления, но и от площади поверхности каждого конструктивного элемента. Наибольшую опасность представляет совместное действие вибраций и звукового давления, при котором может возникнуть резонанс.

Как известно из курса физики, звуковым полем называется та область среды, в которой возбуждены звуковые волны, давление которых (в Па) определяется уравнением

,

где F — сила, с которой звуковая волна действует на нормальную по отношению к ней поверхность, Н;

S — площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м²;

|р_ст - р_изм| — разность между статическим (в частном случае, атмосферным) давлением и измеренным значением давления в данной точке звукового поля. Интенсивность звука определяется потоком звуковой энергии, проходящей за единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны:

,

где Р — мощность потока звуковой энергии, Вт;

S — площадь поверхности, расположенной в звуковом поле перпендикулярно к движению частиц упругой среды, м²;

v — колебательная скорость частиц среды, м • с^-1.

Для измерения интенсивности звуковых колебаний в уровнях звукового давления удобно использовать внесистемную логарифмическую единицу — децибел (сокращенно дБ). Так, уровень в 0 дБ — это порог слышимости звука интенсивностью в 10^-12 Вт/м², уровень шелеста листьев составляет около 10 дБ, а звук реактивного двигателя имеет уровень от 120 до 140 дБ. Размерность в дБ получают путем взятия логарифма от отношения двух величин. Например, если два уровня мощности выражены в одинаковых единицах, то их отношение может быть выражено в децибелах в виде:

,

где Р₁ иР₂ — первая и вторая величины мощности соответственно, Вт.

При расчете виброускорения, виброскорости и виброперемещения логарифмиче­ский уровень определяется как:

,

где а₀ — начальное значение параметра а, соответствующее нулевому уровню. За стандартную начальную величину виброускорения принимают значение а₀ = 9,81 м/с².

Тогда абсолютный уровень акустического шума относительно порога слышимости составляет:

,

где р₀ = 2*10^-5 Па — значение нулевого уровня акустического давления.

При оценке устойчивости конструкции ЭТУ к воздействию акустического шума необходимо руководствоваться значениями, определенными ГОСТ 16962-71 и представленными в табл. 5.

Значения акустического шума по степеням жесткости

Таблица 5

Влияние звукового давления можно снизить за счет размещения деталей и узлов ЭТУ в корпусе из материалов, обладающих высоким коэффициентом демпфирования, при этом обеспечив их эффективную виброизоляцию. Между критическими элементами и основанием, на котором предусмотрено их крепление, рекомендуется устанавли­вать изоляторы. Опоры несущей конструкции необходимо выполнять из материалов, имеющих высокие демпфирующие свойства. Все малогабаритные ЭРИ должны быть жестко закреплены на ПП, а для сокращения числа объемных проводников лучше использовать МПП. При особенно высоких уровнях звукового давления иногда применяют заливку компаундом отдельных групп ЭРИ на ПП, а также используют звукоизолирующие перегородки.