Системы базовых несущих конструкций

Рассматриваемые вопросы:

5.1. Конструкционные системы и иерархическая соподчиненность уровней ЭС.

5.2. Основные виды конструкционных систем.

5.3. Выбор несущих конструкций и корпусирование блоков и устройств.

5.4. Проблемы развития БНК для современных ЭС.

Конструкционные системы и иерархическая

Соподчиненность уровней ЭС

Конструкционная система ЭС (КС ЭС) – совокупность уровней, организованная в определенной соподчиненности на основе единого размерного модуля и единой технологии производства с учетом функциональных, механических и тепловых факторов, а также требований технической эстетики.

В качестве основополагающего стандарта, определяющего размеры стационарных, возимых и морских ЭС, выступает ГОСТ 20504-81. «Система унифицированных типовых конструкций агрегатных комплексов ГСП. Типы и основные размеры», разработанный на основе стандарта Международной электротехнической комиссии МСМЭК 297-1.Данный стандарт соответствует иерархическому построению конструкций РЭС, принятому в ГОСТ26632-85 «Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств по функционально-конструктивной сложности. Термины и определения».

Иерархическую соподчиненность структурных уровней ЭС можно представить рисунком 5.1. Как видно из рисунка 5.1 конструктивное построение ЭС содержит:

Нулевой структурный уровень – состоит из ЭРЭ, ИС,БИС, приобретаемых разработчиком ЭС как покупные изделия.

Первый структурный уровень- включает в себя объемные модули, микромодули и МСБ.

Второй структурный уровень – образует функциональные узлы ( ФЯ ), т. е конструктивно и функционально законченные сборочные единицы, состоящие из компонентов, модулей, ИС, устанавливаемых на ПП.

К третьему структурному уровню – относятся блоки, представляющие собой функционально и конструктивно законченную сборочную единицу, состоящую из деталей и ФУ, объединенных крепежом и электрическим монтажом.

Четвертый структурный уровень – представляет собой ЭС, т. е конструктивно и функционально законченное изделие, которое в отличие от изделия других уровней имеет самостоятельное эксплуатационное назначение.

ЭС состоят из блоков, объединенных стойкой, шкафом или стеллажом. Стойки и стеллажи могут объединятся в сложные электронные комплексы. Комплексы представляют из себя два и более электронных изделий, не оформленные конструктивно в единое целое, но неразрывно связанных между собой функционально. Конструкции блоков, стоек, шкафов и другие БНК разработаны и выпускаются применительно к конкретным условиям эксплуатации.

По применяемым конструкциям блоков различают семь видов аппаратуры:

1) стационарные ЭВМ;

2) аппаратура дискретной автоматики;

3) стационарная аппаратура (кроме ЭВМ);

4) аппаратура, предназначенная для размещения на носителях, имеющих колесный ход;

5) то же, на гусеничном ходу;

6) морская аппаратура;

7) самолетная и вертолетная аппаратура;

Внутри каждого вида проведена унификация базовых НК высших структурных уровней.

Всего в мире существует свыше двадцати различных КС, отличающихся конструкторской реализацией и обеспечивающих конструктивную и электрическую стыковку электронных модулей различного уровня, унификацию элементов несущих конструкций.

Причины множества КС:

1) узковедомственные интересы отраслей;

2) попытка увязать отечественные и зарубежные стандарты в той области.

Как в ВТ, так и РЭА наибольшее распространение, получил функциональ-но-узловой и функционально-модульный принцип построения, заключающийся в разбиении конструкции той или иной системы на конструктивно – технологические единицы, составляющие некоторую конструктивную иерархию, причем законченные функциональные устройства оформляются в виде элементов иерархии.

Конструктивная иерархия ЭС строится по принципу cложности, т.е включения более простого, нижнего уровня в состав более сложного, высшего уровня.

Каждый уровень характеризуется следующими чертами: единым функциональным назначением изделий, соответствующих данному уровню, определенными границами развития типоразмеров изделий в пространстве, определенной номенклатурой, наличием единых способов механических и электрических связей одного уровня с изделиями других уровней, восходящий применяемостью без каких-либо доработок. Добиваются того, чтобы каждому уровню были присущи отмеченные характеристики, обозначения, четкие граничные плоскости между уровнями по механическим, электрическим связям, выбирая единый размерный модуль, назначая основные и присоединительные размеры, а также предельные отклонения на размеры, обеспечивающие применение, принимая одинаковые размеры граничных изделий соседних уровней.

5.2. Основные виды конструкционных систем

Виды КС:

САМАС- нашла применение в научной аппаратуре, а также аппаратуре, предназначенной для систем и комплексов с изменяемой в процессе эксплуатации структурой.

САМАС содержит крейты и вставные блоки. Крейт содержит не более 25 станций для встраивания вставных блоков, расположенных с шагом 17,2 max.

Система содержит:

1. Требования к конструкциям и размерам.

2. Требования к магистрали крейта.

3. Команды на магистрали крейта.

4. Требования и характеристики сигналов магистрали крейта и вставных блоков.

5. Требования к теоретическим характеристикам.

Из приведенных требований к КС видно, что в сравнении с БНК свойства КС намного шире.

Линии связи между блоками необходимо группировать в совокупность упорядоченных каналов- шины. По функциональному назначению шины делятся на: ввода-вывода (ВВ), доступа к ячейкам памяти (шина ЗУ); внутренней обработки данных; разводки питания и “земли” (Соответственно шины А , В ,С , Д ), а БНК способствуют креплению, размещению, защите от тепло-вых нагрузок, электромагнитных полей и т.д.

ES-902 – разработана на основе стандартов DIN и международной электротехнической комиссией (МЭК) и включает в себя два основных типоразмера печатных плат“C” и “F“ и два соответствующих им типоразмерам комплексных корпусов.

Шаг расположения частичных корпусов (ячеек) 12,5мм позволяет иметь в проеме комплексного корпуса ( L= 426.72 мм ) 28 мест.

INTERMAS- современная, универсальная вариантная КС, обещающая требованиям высокой плотности монтажа, рационального производства и автоматизированной механической сборки и электромонтажа, применяемая как в серийном производстве, так и при индивидуальном изготовлении отдельных приборов. Более развитая структура, чем у ES-902. Общим решением для КС ES-902 иINTERMAS является единый размерный модуль-2,54 (5,08) мм.

“НАДЕЛ-85”- система, служащая для построения электронных измерительных приборов или соответствующих им по сложности РЭС, работающих как при стационарном размещении, так и в подвижном (закрытые кузова автомобилей, закрытые помещения судов).

Состав системы “Надел-85” показан на рис. 5.2.

Основные размеры корпусов блоков представлены в таблицах 5.1 …5.3.

Для размещения устройств вычислительной техники используются системы несущих конструкций как на базе ГОСТ 20504-81, так и на базе ГОСТ 25122-82, ГОСТ 26.202-84 “Средства измерения и автоматизации. Панели и стойки.”, СТ СЭВ 834-77 “Приборы и средства автоматизации. Панели и стойки.”, международного стандарта МЭК 48Д.

Конструкционная система МЭК 48Д включает в себя частичные каркасы (в движение, стационарные, поворотные) автономных комплектных блоков встраиваемого и приборного исполненния.

Рис. 5.2 Конструкционная система электронных приборов:

1 – малогабаритный агрегатируемый корпус;

2 – настольно-стоечный корпус;

3- вставной блок;

4 – малогабаритный осциллографический корпус;

5 – малогабаритный неагрегатируемый корпус;

6 – настольно-переносной корпус;

7- агрегатирование настольно-переносных корпусов по вертикали;

8 – варианты конструкций настольных осциллографических блоков;

9 - агрегатирование по ширине;

10 – стоечное исполнение базового корпуса;

11 – установка вставных блоков и осциллографа;

12 – стоечный вариант конструкции с рамой;

13 – установка стоечных блоков в шкаф.

Таблица 5.1

Размеры полногабаритных настольно-переносных корпусов БНК “Надел-85”

Высота Н, мм	Длина L, мм	Глубина B, мм

Размеры малогабаритных настольно-переносных корпусов БНК “Надел-85”

Таблица 5.2

Высота Н, мм	Длина L, мм	Глубина B, мм

Таблица 5.3

Размеры модульных вставных блоков (субблоков) для установки в базовые корпуса БНК “Надел-85”

Высота Н, мм	Длина L, мм	Глубина B, мм

5.3. Выбор несущих конструкций и корпусирование

блоков и устройств

Элементы несущих конструкций ЭС предназначены для размещения и крепления компонентов электрической части изделия, передачи и распределения температурных нагрузок, защиты от механических воздействий и др. факторов внешней среды.

Анализируя структурные уровни ЭС можно выделить соответствующие им структурные уровни базовых несущих конструкций (табл. 5.4).

Таблица 5.4

Обозначения Структурного уровня	ЭС	БНК
	ЭРЭ, ИС, БИС (покупные изделия)   Объемные модули, микромодули, МСБ   Функциональные узлы   Блок   Конструктивно и функционально законченное изделие (собственно РЭА)	Подложка, корпус   Плата     Плата в сборе   Каркас (корпус)   Стойка, шкаф, стеллаж, рама

Кроме указанных БНК, при конструировании ЭС всех структурных уровней применяют другие элементы несущих конструкций: профили, основания, направляющие, кожухи, обшивки, основания, рамки, панели, экраны, воздуховоды, радиаторы, элементы фиксации, элементы крепления и др.

Выбор материалов и правила конструирования печатных плат достаточно известны из литературы и частично были рассмотрены нами ранее. Остальные элементы несущих конструкций, как правило, выполняются из металлов и сплавов и выполняют роль элементов жесткости общей конструкции. В некоторых случаях они несут силовую нагрузку и поэтому должны быть рассчитаны согласно основным формулам теории прочности и упругих деформаций.

Металлические рамки (рис.4.12) предназначены для крепления микросхем в функциональной ячейке. Рамка выполняется из профилированного материала- легких алюминиевых сплавов АМц, АМг, Д16, В95, магниевого сплава МА-8 или титанового сплава ВТ1-0. Алюминиевые сплавы имеют покрытие медь-никель-олово для пайки пленок.

Корпус блока МЭА выполняются примерно из тех же сплавов и имеет 2 варианта конструкции. В первом варианте (рис.4.20) корпус представляет собой коробчатое основание и крышку. Коробчатое основание, внутри которого размещаются функциональные ячейки, шлейфы, стяжные болты, децентрализованные ячейки питания, имеет четыре стенки толщиной 3-4мм и пятую, на которой укрепляются разъемы, гермопроходники, трубка-штенгель и т.п., толщиной 6-10мм. На этой же стенке как снаружи, так и внутри могут быть запрессованы стальные или титановые резьбовые втулки (для установки блока на объекте или внутриблочного крепления). Они могут быть расположены также на донной стенке корпуса. Верхняя крышка толщиной 2мм припаивается к основанию по шву.

Во втором варианте (рис.4.30) верхняя крышка также припаивается к основанию паяным швом, но она имеет толщину 6-10мм, т.к. на ней располагаются разъемы, трубка-штенгель, приливы-бобышки и т.п. Вместе с ними крышка имеет высоту порядка 18-20мм. Кожух -основание представляет собой прямоугольную коробку с толщиной стенок 2-Змм. Для лучшего теплообмена с окружающей средой корпус часто делают оребренным с высотой ребер 6-8мм.

В негерметичной наземной аппаратуре корпуса обычно выполняют штампованными из стали или дюраля толщиной 1-2,5мм с вырубкой в стенках отверстий и жалюзей для вентиляции. Роль утолщенной стенки в них выполняет лицевая панель с органами настройки, контроля и коммутации.

В морской аппаратуре корпуса выполняют ,как правило, литыми (сплавы АЛ2, АЛ9, Мг5 и др.). В них предусматривают герметизацию с помощью уплотнительных прокладок, сальников из промасленного фетра и т.п.

Рис 5.3. Шкаф стационарный вычислительной машины "Наири".

В стационарной аппаратуре блоки объединяются в фермы и стойки, шкафы (рис.5.3), которые чаще всего выполняют из профильного материала (уголковой прокатной стали). Соединения уголков производят либо сварной встык, либо замком с последующей сварной. Для жесткости применяют косынки.

Важным вопросом при конструировании блоков авиационной, космической, полевой, корабельной и другого назначения РЭА является обеспечение герметичности корпуса. Герметичность обеспечивает нормальную работу блока при пониженном давлении, осадках, повышенной радиации и др. дестабилизирующих факторах внешней среды. Выбор способа герметизации зависит от требований ТУ, предъявляемой к блокам в условиях эксплуатации.

Степень герметичности блока определяется величиной истечения газа из его объема за определенный отрезок времени и может быть рассчитана по формуле:

,

где -степень герметичности, ,

V- объем блока, литр,

р- величина давления в блоке, мкм рт.ст.,

Т- срок службы или хранения блока, сек.

Для аппаратуры ответственного назначения с объемом свободного газа 150-200 см³ при физическом объеме блоков 400-500 см³ требуемая степень герметичности составляет ,что обеспечивает поддержание давления внутри блока близкого к нормальному в течение 8 лет.

Для аппаратуры менее ответственного назначения или разового применения степень герметичности может быть порядка .

В первом случае применяют блоки из негерметизированных ФЯ с общей герметизацией "паяным " швом. В этом случае в зазор между крышкой и корпусом-основанием по всему периметру закладывается уплотнительный шнур-прокладка из термостойкой резины ИПР. Ширина прокладки должна быть на 0,2-0,3мм больше ширины зазора. Это обеспечивает центрирование крышки при пайке и в то же время не пропускает образующиеся пары флюса и припоя внутрь блока. Далее на прокладку по всему периметру накладывается стальная облуженная проволока диаметром 0,8мм, образуя промежутки в зазоре порядка 0,1-0,2мм для заполнения припоя. Пайка проводится припоем ПОС-61 с флюсом ФСК (канифольно-спиртовой). Один из концов проволоки выводится из шва через паз в крышке. Это дает возможность вскрывать крышку при ремонте блока и вновь запаивать до 3-5 раз. После пайки через трубку-штенгель в блоке создают разрежение до 10^-2 мм рт. ст. и проверяют его на гелиопроницаемость с помощью специального прибора. Если герметичность шва обеспечена, то через трубку-штенгель блок заполняют сухим азотом до давления 1,3 атн, которое за 8 лет хранения при герметичности, указанной выше, снижается до 1 атн. После заполнения трубку-штенгель обжимают, сваривают и откусывают.

Во втором случае герметизацию блоков проводят с помощью уплотнительных резиновых прокладок , закладываемых по периметру в паз основания- крышки. Прокладка должна быть шириной не менее 2мм и должна выступать над пазом. При этом ширина ее будет несколько меньше и стягивания их стяжными болтами резиновая прокладка равномерно заполняет все сечения паза. Торцы крышки и кожуха должны иметь чистоту стыкуемых поверхностей не хуже 6 класса. Срок службы резиновых уплотнителей составляет 2-3 года. Кроме этого, известные недостатки резины (низкая морозостойкость, старение, изменение структуры под действием агрессивных сред, солнечной и ядерной радиации) снижают эффективность этого метода.

При применении уплотнительных прокладок и стяжных винтов, а также при пайке по шву, необходимо учитывать, что с изменением высоты вследствие разности давлений внутри и снаружи корпуса на крышку блока действует сила пропорциональная площади крышки и величине, внутреннего избыточного давления.

,

где Р- величина давления внутри блока, мм рт.ст,

- величина давления снаружи блока, мм рт.ст.,

S- площадь крышки.

Например, при подъеме на 20 км величина давления наружного воздуха составляет 30 мм рт.ст. при этом сила F определяется для площади крышки равной 150 см² как

Эту величину необходимо учитывать при выборе числа и диаметра стягивающих винтов или марки припоя при поверочном расчете на прочность.

Герметизация разъемов типа РПГ, РПС и "Наири" осуществляется четырьмя способами: прокладками (рис.5.4), прокладками и заливкой компаундом (рис.5.5) , опайкой монтажной платы разъема с корпусом с последующей заливкой (рис.5.6).

Рис.5.4. Герметизация вилки соединителя РСГ с помощью уплотнительной прокладки:

1 – вилка разъёма; 2 – корпус блока; 3 – уплотнительная прокладка.

Рис.5.5. Герметизация вилки разъёма РСГ с помощью уплотнительной прокладки и компаунда:

1 – вилка разъёма; 2 – корпус блока; 3 – уплотнительная прокладка; 4 – компаунд.

а)

б)

Рис.5.6. Герметизация вилки разъёма РСГ (а) и РПС1 (б) опайкой платы и заливкой компаундом:

1 – вилка разъёма; 2 – монтажная плата; 3 – корпус блока; 4 – прокладка; 5 – компаунд.

Прокладка выполняется из термостойкой резины прямоугольного сечения. Монтажная плата из стеклотекстолита или керамики имеет металлизированную поверхность по торцу и по периметру с двух сторон. Ширина металлизированного канта равна 1,5-2 мм. Для заливки применяют компаунды ЭЗК-7 (эпоксидный) либо "Виксинт" (кремнийорганический).