Эксплуатационные требования

Создаваемая конструкция должна обеспечивать защиту проектируемого устройства при его эксплуатации от климатических воздействий внешней среды, механических воздействий и помехонесущих полей.

Параметры климатических воздействий(температура и влажность окружающей среды, атмосферное давле­ние, осадки, ветер, пыль, солнечная радиация, содержание в воздухе корозионно-активных агентов) позволяют выбрать группу жесткости РЭС и избрать способ дополни­тельной защи­ты от их влияния.

В соответствии с принятой классификацией (ГОСТ 15150-69) различают шесть типов климатических районов:

- на суше - с умеренным климатом (У), с холодным климатом (ХЛ), с влажным тропическим климатом (ТВ), с сухим тропическим климатом (ТС);

- на морях и океанах - с умерен­но холодным морским климатом (М), с тропическим морским клима­том (ТМ).

Любое изделие может иметь климатическое испол­нение, соответствующее указанным районам и обозначаемое сокра­щенно теми же буквами, какими обозначен район:

- испол­нение изделия, предназначенного для работы, как при влажном, так и при сухом тропическом климате обозначают буквой Т;

- исполнение, допускающее работу во всех климатических районах на суше, обозначают буквой О;

- исполнение для всех морских районов - буквой М;

- исполнение для всех районов на суше и на море - буквой В.

Разделение поверхности земного шара на климатические районы производят по следующим признакам:

- к районам с умеренным климатом относят районы, в которых температура воздуха лежит в пределах от + 40 до - 45 °С;

- к районам с холодным климатом относят районы, в которых минимальная температура ниже - 45 °С;

- районы, где температура больше +20 °С в сочетании с высокой относительной влажностью (более 80%) наблюдается не менее 12 ч в сутки непрерывно не менее двух месяцев подряд, относят к районам с влаж­нымтропическим климатом;

- если температура воздуха превышает + 40 °С, а влажность ниже норм, указанных в предыдущем пункте, то такой климат называют тро­пическим сухим;

- к районам с умеренно холодным морским климатом относят моря и океаны, расположенные севернее 30° северной широты и южнее 30° южной широты, при условии, что температура в них не опускается ниже - 45 °С;

- в морских районах, расположенных между 30° северной широты и 30° южной широты, климат тропический морской.

Условия эксплуатации ЭС, указанные в ТЗ на проектирование, а значит и его конструкция, в сильной мере зависит от вида помещения или укрытия, в котором она расположена. В соответствии с этим ЭС подразделяют на пять категорий.

1. ЭС, предназначенное для эксплуатации непосредственно на открытом воздухе.

2. ЭС, предназначенное для эксплуатации в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отли­чаются от колебаний на открытом воздухе, и имеется сравнительно сво­бодный доступ наружного воздуха, например в палатках, в кузовах, прицепах, под навесами при отсутствии прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков.

3. ЭС, предназначенное для работы в неотапливаемых за­крытых помещениях с естественной вентиляцией.

4. ЭС, предназначенное для работы в закрытых отапливае­мых и вентилируемых помещениях.

5. ЭС, предназначенное для работы в помещениях с повы­шенной влажностью, например в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, в трюмах кораблей, где возможно длительное наличие воды, и т.п.

Конкретные значения температуры и влажности воздуха для различ­ных климатических исполнений и категорий аппаратуры указаны в соот­ветствующих стандартах.

Холодоустойчивое изделие ЭС должно быть сконструировано так, чтобы при заданной отрицательной температуре его параметры сохранялись в заранее уста­новленных пределах. При эксплуатации ЭС в аркти­ческих и антарктических условиях температура воздуха может пони­жаться до - (70 ¸ 80) °С. То же самое происходит и при подъеме на высоту более 10 км.

Понижение температуры оказывает серьезное влияние на работу электромеха­нических устройств, так как значительные перепады ее (например, при подъеме самолета от + 20 до - 60 °С) приводят к изменениям зазоров и натягов, поскольку материалы конструкций ЭС имеют разные коэффициенты линейного расширения. Одновремен­но происходит сгущение смазочных веществ, что вызывает увеличение моментов и сил трения в подвижных устройствах и может привести к заклиниванию механизмов. При понижении тем­пературы окружающего воздуха резко снижается прочность материалов (особенно при ударных нагрузках), существенно меняются и многие параметры ЭРЭ. При низких температурах в припое возникают внутренние напряжения, и так как припой плохо работает на растяжение, то возможно разрушение паяных кожухов ЭС, мест пайки и т.д.

Свойство ЭС сохранять стабильность параметров в опре­деленных пределах при повышении температуры называют тепло­устойчивостью.

При работе ЭС в районах с тропическим климатом температура воздуха может повышаться до +45 °С, а в отдельных случаях и более. В закрытых помещениях, находящихся под непосредствен­ным воздействием солнца (в самолете, который стоит на земле), темпе­ратура воздуха может достигать +70 °С.

Обшивка сверхзвукового самолета, обтекателя ракеты могут нагреваться в результате трения о встречный газовый поток до +150¸ 200 °С, а расположенные в них РЭС будут рабо­тать при температуре порядка +100 °С и выше.

Повышение температуры окружающего воздуха вызывает увеличение сопротивления проводниковых материалов (например, перегрев технической меди на 100 °С приводит к увеличению сопротивления на 40 %.) и ухудшение парамет­ров изоляционных материалов (особенно органических). Происходящее при этом уменьшение сопротивления изоляции приводит к увеличению потерь, к появлению утечек в схемах, к уменьшению добротности кон­туров и к другим нежелательным явлениям. Одновременно происходит уменьшение электрической прочности диэлектриков, что может приво­дить к электрическим пробоям в конструкции и полному отказу ЭС. При изменении температуры окружающей среды меняется диэлектрическая проницае­мость диэлектриков. Если диэлектрик, у которого это изменение велико, применить в конденсаторе, образующем вместе с катушкой резонансный контур, то при изменении температуры будет меняться и частота настрой­ки контура. При этом изменится выходной уровень сигнала передатчика, где этот контур используется, что может привести к потере связи.

При длительной работе ЭС в условиях повышенной тем­пературы могут появиться необратимые изменения параметров изоля­ционных материалов.

Значительно увеличивают свою проводимость с повышением температуры полупроводниковые материалы, что может привести к существенному изменению электрических режимов в схеме. При температуре свыше +85..100 °С в германиевых (+120..150 °С в кремниевых) полупроводниковых приборах наступают необратимые изменения, приводящие к выходу их из строя.

Повышение температуры приводит к резкому снижению надёжности работы большинства ЭРЭ. Так при повышении температуры с 20 до 60 °С интенсивность отказов возрастает: у электронно-вакуумных приборов в 1.5¸2 раза, у резисторов в 2¸3 раза, у полупроводников приборов в 3¸4 раза, у конденсаторов в 6¸8 раз, у микросхем в 6¸10 раз.

Очевидно, тепловой режим является важнейшим фактором, определяющим эксплуатационную надёжность ЭС, и задача проектировщика обеспечить нормальный тепловой режим в конструкции изделия [5 - 13].

Влагоустойчивое ЭС должно сохранять параметры в заранее установленных пределах при работе в среде с повышенной относительной влажностью.

Количество влаги, содержащейся в воздухе при различных климати­ческих условиях, различно. В областях умеренного климата относитель­ная влажность воздуха составляет 65¸80%; в пустынях она может умень­шаться до 5¸10%, а в тропиках - достигать 100% при температуре воз­духа до +35 °С.

Понижение температуры сопровождается уменьшением количества паров воды в воздухе, поэтому суточные колебания температуры могут сопровождаться выпадением влаги на поверхности и внутри ЭС. Подобные явления могут произойти при попадании самолета в насы­щенный влагой воздух (туман), если температура РЭС ниже тем­пературы воздуха.

При воздействии воздуха с высоким содержанием водяных паров, особенно при повышенной температуре, влага проникает внутрь изоля­ционных материалов через микротрещины, а также благодаря явлению диф­фузии. Так как проводимость воды значительно выше проводимости диэлектриков, то воздействие влаги приводит к резкому уменьшению сопротивления изоляции, росту потерь в диэлектрике и изменению отно­сительной диэлектрической проницаемости. Влажность меняет многие свойства поверхности металлов: прочность, электропроводность, теплопроводность, степень черноты, степень шероховатости и т.п.

Воздействуя на металлы, влага вызывает появление коррозии металлов. В результате коррозии ухудшается декоративный вид поверхнос­тей, зеркальные поверхности теряют отражательную способность, разъемные соединения труднее разъединяются. При коррозии может происходить разгерметизация герметичных металлических корпусов. Из-за уменьшения поверхностной электрической проводимости при коррозии увеличивается переходное сопротивление контактов реле, переключа­телей и других коммутирующих элементов, снижается добротность ка­тушек индуктивности. Повышенная влажность снижает сопротивление изоляции у коммутирующих устройств, а также между проводниками печатных плат функциональных узлов.

В трансформаторах влага, проникая через трещины в заливке, уменьшает сопротивление изоляции и способствует развитию электрохимических процессов между витками, находящимися под разными потенциалами, что способствует возникновению пробоя.

Отметим, что некоторые категории ЭС, эксплуатируемые в полевых условиях (наземные транспортируемые и переносные, морские) нередко работают при непосредствен­ном воздействии атмосферных осадков (дождь или брызги). Кро­ме того, в отдельных случаях возможна рабо­та РЭС в воде.

Негативное влияние на РЭС оказывают биологические воздействия. Высокая влажность воздуха способствует образованию на органи­ческих изоляционных материалах плесневых грибков. Они развиваются на пластмассах, красках, лаках, коже, резине, текстиле. Хорошей питательной средой для плесени является канифоль, которая может оставаться на местах пайки. При появлении плесени снижается сопротивление изоля­ции, ускоряется процесс коррозии металлов, разрушаются защитные покрытия, нарушаются контакты, возможны замыкания, пробои и т.п.

В некоторых тропических района водятся термиты, которые, попадая в РЭС, поедают древесину, пластмассы с древесным наполнителем и не­которые другие органические материалы. Тараканы, забираясь внутрь ЭС, повреждают изоляцию и нарушают контакты коммутирующих устройств. Выделения термитов, тараканов, красных муравьев и других насекомых увеличивают проводимость между проводниками, что может привести к нарушению работы РЭС и к коротким замыканиям.

На промышлен­ных предприятиях и в промышленно развитых городах с тяжелой индустрией РЭС могут эксплуатироваться в возду­хе, загрязненном различными корозионно-активными агентами (озоном, хлором, аммиаком, сернистым газом и пр.). Коррозионно-активные агенты активизируют в конструкциях РЭС химические реакции, такие как физико-химическая коррозия металлов, разрушение покрытий и снижение сопротивления изоляции.

Все категории ЭС, особенно устанавливаемой на подвижных объектах, работают при интенсивном воздействии пыли. Попадая в смазочные материалы движущихся механических устройств, пыль вызывает окисление смазочных материалов, повышает у них трение и износ. Оседая на поверхности различных деталей и ЭРЭ, пыль созда­ет хорошие условия для их увлажнения. Содержащиеся в пыли раство­римые соли также хорошо поглощают влагу. При этом на поверхности металлов может происходить коррозия, а на поверхности изоляци­онных материалов адсорбция влаги. В печатных платах снижается сопротивление изоляции, что приводит к трудно обнаруживаемым отказам. Увлажненная пыль способствует разрушению лакокрасочных покрытий. Пыль плохо проводит тепло, и оседание её на поверхностях тепловыделяющих элементов приводит к увеличению нагрева и отказу этих элементов.

При подъеме на значительную высоту происходит уменьшение атмос­ферного давления. Понижение давления воздуха сопровождается уменьшением его электрической прочности, что в ряде случаев может привести к пробою воздушных промежутков. С понижением атмосфер­ного давления увеличивается температура тепловыделяющих элементов, так как ухудшается теплоотдача от нагретых частей ЭС за счёт конвекции (перенос тепла движущимися воздушными потоками), в результате чего их тем­пература повышается.

При проектировании ЭС для космических аппаратов следует учитывать тепловое воздействие в условиях невесомости, которое характеризу­ется отсутствием конвективной составляющей теплоотдачи от тепло­выделяющих элементов.

Солнечная радиация (ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, а также излучение в видимой части спектра):

- изменяет цвет и структуру поверхностного слоя материалов (каучука, пластмасс, тканей и др.);

- разлагает полимеры, содержащие хлор, например полихлорвинил;

- разрушает лакокрасочные покрытия;

- способствует старению ряда материалов, например пластмасс;

- ускоряет процесс атмосферной коррозии.

Большое влияние на конструкцию РЭС, размещенных на подвижных объектах, оказывают параметры механических воздействий (удары, вибрации, линей­ные ускоре­ния), которые возни­кают из-за наличия неуравновешенных подвижных масс при передви­жении по дорогам, при посадках самолетов, стрельбе из ору­дий, при изменении скорости движения и т.д. При этом на каждый элемент конструкции РЭС действует сила

, (5.1)

где m - масса элемента конструкции; а - ускорение.

Воздействие этой силы вызывает деформацию отдельных частей конструкции, из-за чего возможно изменение параметров ЭС и даже ее полное разрушение.

Удары возникают при резком изменении ускоре­ния и количественно характеризуются ускорением (от десятков до тысяч g) и длительностью (от долей до десятков миллисекунд). Линейные ускорения действуют на ЭС, размещённых на ав­тономных подвижных объектах (самолетах, ракетах и т.п.).

Отношение силы F, появляющееся в результате воздействия ускоре­ния, к силе тяжести Р называют перегрузкой:

(5.2)

Значение перегрузки G показывает, во сколько раз дополнительная сила F больше силы тяжести Р, действующей на ЭС. Если известна перегрузка, то появляющаяся при этом сила может быть вычислена по формуле:

(5.3)

Вибрации представляют собой механические колебания, характеризующиеся диапазоном частот и ускорением. Особенно опасен механиче­ский резонанс, когда частота вынуждающего ко­лебания совпадает с частотой собственных механических колебаний конструкции РЭС или отдельных её элементов. Под воздействием вибрации могут происходить нарушения в работе, и даже разру­шение ЭС из-за взаимного перемещения отдельных элементов конструк­ции. Если на аппарат воздействует синусоидальная вибрация, то пере­грузка

(5.4)

где А - амплитуда вибрации, мм; f - частота вибрации, Гц.

Проектируя вибропрочное и ударопрочное изделие ЭС, можно успешно противостоять разрушающему дейст­вию длительной вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений, а также действию ударов заданной силы и длительности и обеспечить после этого нормальное выполнение изделием своих функций.

Ориентировочные значения перегрузки G для ЭС, которые эксплуатируются в различных условиях, приве­дены в таблице 5.1.

 

Таблица 5.1 - Перегрузки G для различных категорий ЭС

 

		Максимальная (g)	Максимальная (g)
Категория аппаратуры	f max, Гц	перегрузка при вибрации	ударная перегрузка
Автомобильная
Самолетная
Корабельная		2,5

 

Следует учесть, что условия, в которых находятся ЭРЭ, могут отличаться от условий, в которых работает вся ЭС. Так, из-за выделяемой в РЭС теплоты температура внутри корпуса может значительно превышать температуру окружающей среды. При хорошей герметиза­ции корпуса влажность воздуха вблизи ЭРЭ может быть существенно ниже влажности окружающего воздуха и т.д.

Чтобы обеспечить надежную работу ЭС в условиях механических воздействий, при проектирова­нии необходимо предусмотреть специальные меры защиты. Это, например, выбор правильной ориентации элементов на плате (с учетом ориентации платы в блоке), способов дополнительного креп­ления ЭРЭ, выбор материала конструктивных элементов, га­баритов ФУ и печатных плат.

Параметры внешних воздействий регламентированы стандартами в форме степеней жёсткости, зависящих от категории (группы) ЭС. Одним из таких стандартов является ГОСТ 16962-71*, часть требований которого приведено в таблице 5.2. Численные значения параметров внешней среды, соответствующие различным степеням жёсткости, расшифровываются этими стандартами; в качестве примера приведём расшифровку степеней жёсткости по воздействию повышенной температуры окружающей среды (таблица 5.3).

Отметим, что комплекс воздействий и значения воздействующих факторов, кроме климатических условий, сильно зависят от характеристик объекта, на котором установлено ЭС, и даже от конкретного места уста­новки. Например, факторы, действующие на устройство, установленное на мачте корабля, отличаются от тех, которые действуют на такое же устройство, установленное в радиорубке.

 

 

Таблица 5.2-Условия эксплуатации по ГОСТ 16962-71*

 

Степени жёсткости условий эксплуатации (их расшифровка дана в ГОСТ 16962-71*)	Категория (группы) ЭС
Стацио- нарная	Вози- мая	Мор- ская	Само- лётная	Косми- ческая
1 По вибрационным нагрузкам	I	IV	IV	X	XV
2 По ударным нагрузкам - одиночным - многократным	I I	I I	I I	II II	III II
3 По линейным (центробежным) нагрузкам	I	I	I	II	III
4 По температуре воздуха при эксплуатации: - верхнее значение - нижнее значение	I I	V VII	VI VII	VII VIII	VII VIII
5 По температуре воздуха при транспортировании и хранении: - верхнее значение - нижнее значение	I I	I I	II II	II II	II II
6 По воздействию пониженного атмосферного давления	I	I	II	VI	VI
7 По воздействию повышенного атмосферного давления	I	I	II	I	I
8 По воздействию влаги	I	III	V	III	III

 

Таблица 5.3- Расшифровка степеней жёсткости по воздействию повышенной температуры окружающей среды [19]

 

Степени жёсткости	II	IIV	I VI	VII	I VIII	X IX	X X	X XI	X XII	X XIII
Температура окружающей среды в ОС

 

ЭС должно быть спроектировано так, чтобы для его управления не требовался исключительно высококвалифицированный персонал. Случайное неправильное обра­щение с органами управления не должно выводить ЭС из строя. Субъективные особенности обслуживающего персонала не должны сказываться на результатах операций, которые выполняет ЭС.

Обслуживание ЭС (периодические профилактические и ремонт­ные работы) должно быть простым. Для этого в процессе проектирования устройств должны быть обеспечены:

- удобный монтаж и демонтаж ЭС и ее составных частей;

- легкий доступ к узлам и блокам, требующим периодического осмотра, подстройки, очистки и смазки;

- возможность быстрой смены узлов и блоков, обладающих малым сро­ком службы;

- взаимозаменяемость (унификация) блоков и узлов по электрическим и механическим параметрам.

Каждое ЭС должно иметь комплект запасных частей для быстрого восстановления работоспособности после выхода его из строя.

В конструкции ЭС должны быть предусмотрены специальные меры по технике безопасности, исключающие возможность несчастных случаев. Так, в ЭС с высоким напряжением делают блокировку. В необходимых случаях ЭС снабжают предупредительными надписями.

Каждое ЭС должен быть сконструировано так, чтобы затраты на его эксплуатацию (стоимость электроэнергии, заработной платы об­служивающего персонала, стоимость запасных деталей, узлов и при­боров, необходимых для проведения ремонтных работ) были минималь­ными.

В настоящее время особую роль приобретает экономичное электропитание ЭС. Действительно, бурный количественный рост электронной бытовой техники у населения требует для своего питания энергетической мощности, значительно превышающей рост энергетических ресурсов. Заметим, что уменьшение потребления электроэнергии в ЭС с батарейным питанием позволяет снизить его массу за счет уменьшения габаритов источников питания или при той же массе батарей продлить срок службы ЭС. Таким образом, задача энергосбережения приобретает для проектировщика ЭС первостепенное значение.

Таблица 5.4 - Характеристика элементной базы проектируемого изделия

Наименование, тип и обозначение ЭРЭ	Параметры внешних воздействий
Диапазон температур, °С	Влаж- Ность, %	Вибрации	Ударные перегруз- ки, м/с2 (g)	Линейные ускорения, м/с2 (g)	Соответ-ствие ЧТЗ
Частота, Гц	Перегрузка, м/с2 (g)

По результатам анализа принципиальной электрической схемы и всесторонней оценки применяемых ЭРЭ по условиям эксплуатации в курсовом проекте составляется таблица сравнительных характеристик всей элементной базы ЭС (таблица 5.4).

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: