何林濤，任建峰

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

引言

在航空平臺(tái)中，電子設(shè)備可靠性要求很高，同時(shí)其工作環(huán)境十分復(fù)雜，面臨著高低溫、鹽霧和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣的環(huán)境條件。

對(duì)于功耗高，機(jī)載平臺(tái)又不能提供環(huán)控的電子設(shè)備，一般需要自帶風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。風(fēng)機(jī)作為一種復(fù)雜的機(jī)電類模塊，其選型及其安裝方式的設(shè)計(jì)，必須要綜合考慮設(shè)備的功能要求、設(shè)備外形、重量指標(biāo)、功耗指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性要求等因素；并且通過振動(dòng)和熱仿真，來保證電子設(shè)備滿足機(jī)載平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性要求；最后通過振動(dòng)和熱等環(huán)境試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并篩選生產(chǎn)中的加工缺陷。

某機(jī)載電子設(shè)備，自帶風(fēng)機(jī)散熱，在振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中出現(xiàn)了風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)的故障。本文針對(duì)設(shè)備的風(fēng)機(jī)故障進(jìn)行分析，探明其故障原因，并進(jìn)行改進(jìn)分析。

1 問題描述

1.1 結(jié)構(gòu)描述

某電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。設(shè)備重量為4 kg，尺寸為170 mm×150 mm×120 mm。設(shè)備通過螺釘硬裝在飛機(jī)平臺(tái)的安裝板上。風(fēng)機(jī)位于設(shè)備頂部，用于散熱。由于風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)離設(shè)備底部的安裝點(diǎn)，有較強(qiáng)的振動(dòng)放大，故采用了4個(gè)減振器安裝風(fēng)機(jī)。由于體積重量的限制，減振器選擇了某小型橡膠減振器，其額定載荷為50 g。

圖1 某電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

1.2 故障定位

拆下風(fēng)機(jī)后，對(duì)風(fēng)機(jī)單獨(dú)加電，風(fēng)機(jī)未能啟動(dòng)，確定為風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障。風(fēng)機(jī)外觀完好，撥動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子，能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，說明風(fēng)機(jī)軸承完好。進(jìn)一步檢查，撬開風(fēng)機(jī)電路部分的封蓋，發(fā)現(xiàn)其中一根導(dǎo)線的焊點(diǎn)開裂，且存在局部焊錫熔融，但未見腐蝕，如圖2所示。將失效焊點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)焊后，風(fēng)機(jī)通電恢復(fù)運(yùn)行。說明是導(dǎo)線開路導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)故障。

圖2 導(dǎo)線開裂示意圖

由于故障處既有導(dǎo)線斷裂，也有焊錫熔融現(xiàn)象。導(dǎo)線開路的故障原因還需要進(jìn)一步分析：如果是經(jīng)過大電流發(fā)熱導(dǎo)致焊錫熔融，則在焊錫熔化后，導(dǎo)線就會(huì)脫離焊盤，不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。而導(dǎo)線在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，只受到振動(dòng)載荷，而且該導(dǎo)線未進(jìn)行抗振加固，因此推測(cè)線纜焊點(diǎn)在振動(dòng)作用下開裂，但線纜和焊點(diǎn)還保持了搭接，引起接觸電阻增加，進(jìn)而引起發(fā)熱焊錫熔融，最終引起電路開路。

2 疲勞壽命理論

該平臺(tái)的振動(dòng)為寬帶隨機(jī)振動(dòng)，頻率范圍為15~2 000 Hz，適合用頻域分析法[1]進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析。李齊兵等[2]對(duì)某機(jī)載單元進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真分析，評(píng)估了其疲勞壽命。張?jiān)频萚3]預(yù)估某電子設(shè)備印制板焊點(diǎn)的振動(dòng)疲勞薄弱環(huán)節(jié)，并完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。

工程上使用較多的是Steinberg提出的基于高斯分布的三區(qū)間法結(jié)合Miner線性累計(jì)損傷定律來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算[4]，由高斯分布的概率密度函數(shù)可知，應(yīng)力幅值落在各應(yīng)力區(qū)間的概率如表1所示。

由表1可見，應(yīng)力幅值落在[-3σ，3σ]之外的可能性只有0.27 %，概率極小，但為了保證應(yīng)力分布函數(shù)概率的完整性，目前隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中常按照±3σ對(duì)隨機(jī)信號(hào)削波[5]，將[-3σ，3σ]區(qū)間之外的應(yīng)力等效為±3σ，這就使應(yīng)力幅值的概率密度函數(shù)在[-3σ，3σ]區(qū)間上的累計(jì)積分值仍為1，如圖3所示。

圖3 削波后的非高斯概率密度函數(shù)

表1 高斯分布三區(qū)間法

則結(jié)構(gòu)損傷疲勞度D可表示為：

式中：

m2和m0—分別為隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度的2階和0階慣性矩；

N1σ、N2σ和N3σ—分別為在1σ、2σ和3σ應(yīng)力載荷作用下材料的疲勞壽命（最大循環(huán)次數(shù)）。

疲勞壽命為：

3 故障分析

將設(shè)備布置在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，按照平臺(tái)的振動(dòng)條件進(jìn)行試驗(yàn)，在該電子設(shè)備頂部，即減振器的安裝點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)的均方根加速度（RMS）放大到約30 g。在風(fēng)機(jī)外殼上測(cè)得振動(dòng)響應(yīng)如圖4所示，即使經(jīng)過減振器衰減后，風(fēng)機(jī)還是承受較大量級(jí)的振動(dòng)響應(yīng)，RMS達(dá)到14.65 g。

按照導(dǎo)線大致的走線趨勢(shì)和導(dǎo)線的物理參數(shù)，建立導(dǎo)線的振動(dòng)仿真模型。對(duì)導(dǎo)線兩端銅芯施加固支約束模擬焊點(diǎn)；再對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；然后計(jì)算導(dǎo)線的模態(tài)，得到其共振頻率如表2所示。

表2 模態(tài)

然后分別從X、Y、Z方向施加圖4的隨機(jī)振動(dòng)條件，進(jìn)行應(yīng)力分析。

模擬風(fēng)機(jī)實(shí)物，在只固定導(dǎo)線兩端銅芯的情況下，仿真得到導(dǎo)線的隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力分布如圖5所示。導(dǎo)線在Y向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)應(yīng)力幅值最大，出現(xiàn)在焊點(diǎn)處，約為37.29 MPa，與故障斷裂位置吻合。

圖5 導(dǎo)線最大應(yīng)力分布圖（只固定兩端銅芯）

由純銅的疲勞S-N曲線及疲勞極限[6]可知：

應(yīng)力幅值為1σ=37.29 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的疲勞壽命N1σ=+∞；

應(yīng)力幅值為2σ=74.58 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的疲勞壽命 N2σ=1.74×107；

應(yīng)力幅值為3σ=111.87 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的疲勞壽命N3σ=1.02×106。

同時(shí)根據(jù)圖4的隨機(jī)振動(dòng)載荷條件可計(jì)算出模塊耐久振動(dòng)的平均頻率fu+=811 Hz，將上述結(jié)果代入式（1） 可得單位時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷為:

圖4 風(fēng)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)譜線

D=4.89×10-5

疲勞壽命為：

Tf=5.68 h

導(dǎo)線的平均振動(dòng)疲勞壽命為5.68 h，低于規(guī)定耐久試驗(yàn)時(shí)間10 h，驗(yàn)證了導(dǎo)線是由于振動(dòng)應(yīng)力才導(dǎo)致了焊點(diǎn)處疲勞斷裂，表明當(dāng)前導(dǎo)線結(jié)構(gòu)確實(shí)無法滿足耐久試驗(yàn)要求，需進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn)。

4 改進(jìn)分析

為了避免后續(xù)再出現(xiàn)風(fēng)機(jī)導(dǎo)線斷裂的故障，可以從加固導(dǎo)線和降低振動(dòng)輸入量級(jí)兩方面進(jìn)行分析。

4.1 加固導(dǎo)線

加固導(dǎo)線即提高導(dǎo)線自身的抗振能力，由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部空間有限，只能采用點(diǎn)膠的辦法。點(diǎn)膠可以增加導(dǎo)線的固定面積，進(jìn)而達(dá)到減小應(yīng)力的目的。

按照在焊點(diǎn)部位點(diǎn)膠的情況進(jìn)行仿真，得到加固后導(dǎo)線的最大1σ應(yīng)力幅值為2.26 MPa，如圖6所示。由于3σ應(yīng)力幅值6.78 MPa小于銅的疲勞極限，理論上導(dǎo)線處于無限壽命區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂。

圖6 導(dǎo)線應(yīng)力分布圖（點(diǎn)膠）

4.2 降低振動(dòng)輸入

降低振動(dòng)輸入，也可以有效的降低導(dǎo)線上的應(yīng)力。原設(shè)計(jì)采用的是小型橡膠減振器，具有體積小，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是阻尼系數(shù)小，衰減系數(shù)小。將其更換為某新型小型金屬彈簧減振器。經(jīng)過新減振器衰減后，風(fēng)機(jī)承受振動(dòng)響應(yīng)RMS下降到4.102 7 g。

通過仿真，得到更換新減振器后導(dǎo)線最大1σ應(yīng)力幅值為1.34 MPa，如圖7所示。3σ應(yīng)力幅值4.02 MPa小于銅的疲勞極限，理論上導(dǎo)線處于無限壽命區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂。

圖7 導(dǎo)線應(yīng)力分布圖（新減振器）

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

點(diǎn)膠雖然能防止導(dǎo)線斷裂，但是該風(fēng)機(jī)是外購的成品，必須撬開風(fēng)機(jī)的電路部分的封蓋才能操作加固，在開蓋操作中容易誤傷風(fēng)機(jī)內(nèi)部元器件，不但工藝性差，還會(huì)破壞風(fēng)機(jī)外觀。故設(shè)備采用了更換新型減振器的措施。

將風(fēng)機(jī)加裝新型減振器，用相應(yīng)夾具將該組件固定在振動(dòng)臺(tái)上，單獨(dú)進(jìn)行耐久振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖8所示。振動(dòng)條件按照?qǐng)D4中隨機(jī)振動(dòng)譜線。振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)傳感器放置在風(fēng)機(jī)安裝點(diǎn)處。振動(dòng)完成后對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查，風(fēng)機(jī)所有結(jié)構(gòu)完好，通電后正常工作，開蓋后也未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線斷裂現(xiàn)象。從試驗(yàn)結(jié)果可知，該風(fēng)機(jī)加裝新型減振器后，在環(huán)境條件要求的耐久振動(dòng)試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)疲勞破壞，滿足使用要求。

圖8 耐久振動(dòng)試驗(yàn)示意

6 結(jié)論

本文采用理論分析和仿真計(jì)算結(jié)合的方法探究了某設(shè)備在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)過程中發(fā)生風(fēng)機(jī)導(dǎo)線斷裂失效的問題，完成主要工作如下：

1）采用仿真得到應(yīng)力最大處，與實(shí)際斷裂位置吻合；并應(yīng)用Miner線性累計(jì)損傷定律和削波后高斯三區(qū)間法，計(jì)算出導(dǎo)線的疲勞壽命低于規(guī)定的耐久振動(dòng)時(shí)間，說明斷裂是由于振動(dòng)造成。

2）計(jì)算分析了加固導(dǎo)線和降低振動(dòng)輸入兩種辦法，選擇了采用新減振器降低振動(dòng)輸入作為改進(jìn)措施，并采用耐久試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。