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海环境下风机环境试验及防护分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-07-20   浏览次数:739
 编者按

本文结合雷达结构设计中的直流风机探讨分析海环境下风机的防护措施、试验验证及设计分析,为雷达结构设计风机的选型及防护提供借鉴和参考。

前 言

雷达设备长期服役于海环境中,湿热、盐雾和霉菌对雷达设备的结构和电气元器件的侵蚀破坏,会严重影响装备的可靠性和服役寿命。据资料统计:有50%以上的设备故障是由三防(防湿热、防盐雾、防霉菌)设计不当或三防工艺不成熟而造成的。风机作为雷达电子设备通风散热的关键核心器件,如若发生故障,会给雷达电子设备带来性能影响甚至不可逆的损伤。因此,有必要对海环境下风机的环境防护设计进行研究。

本文结合雷达结构设计中的直流风机,进行风机的环境防护措施研究及分析,为雷达结构设计风机的选型及防护提供借鉴和参考。

1风机结构

直流风机主要由风机叶片和风机外框两部分组成,其结构示意如图1所示。内/外轴承、衬套、绕组、印制电路板与风机外框为一体,转轴与风机叶片为一体,风机叶片转轴通过弹簧、平垫圈、弹性挡圈与风机外框连接,保持相对位置关系。弹簧设置在外轴承外侧,靠平垫圈和弹性挡圈压紧。

图1 某直流风机结构组成示意图

直流风机叶片和风机外框材质一般为复合材料或金属材料,且结构件自身均做有相应的表面处理和涂覆处理,海环境下相对不易产生腐蚀损伤;转轴及轴承部分因风机高速旋转,常注有润滑脂或润滑油,海环境下亦不易发生腐蚀现象。直流风机海环境下的环境防护重点为印制电路板,印制电路板上电子元器件、金属件及电路在湿热、盐雾、霉菌环境下,经常发生腐蚀,绝缘电阻下降,信号传输失真,导致风机故障。

交流风机内部设备组成及布局与直流风机不同,不存在印制电路板,核心器件漆包线绕组均涂覆有较厚的绝缘漆,故交流风机的环境防护性能强于直流风机。

2风机防护设计

2.1风机防护措施

目前海环境下直流风机环境防护措施主要有如下三种:

1) 直流风机三防选型:考虑风机的使用环境,设计阶段选用具备三防能力的风机,防护等级IP68;

2) 浸泡法三防处理:风机进行聚氨酯清漆浸泡,印制电路板形成三防镀膜,提高印制电路板上元器件的三防性能;

3)真空气相沉积法镀绝缘膜:风机采用真空气相沉积法对风机进行绝缘镀膜,成分为C型聚对二甲苯,提高风机环境防护性能。

因此在低温过程中需要保持设备的密封与箱内的正压。

2.2浸泡法工艺流程

1) 准备:待处理风机齐套,风机表面标记;加电测试,记录风机工作的电压和电流值。

2) 清洗:风机浸入无水乙醇,风机印制电路板侧朝下,无水乙醇没过风机印制板;浸泡约1min,手持风机轻轻晃动约1min,晃动时保持风机印制板始终浸泡在无水乙醇内。

3) 去潮:风机从无水乙醇内取出,静置5min后入烘箱45°去潮处理4h。

4) 测试:风机加电测试,记录风机工作的电压和电流值。

5) 三防处理:

① 按聚氨酯清漆防护喷涂通用工艺配置三防漆;

② 用压敏胶带保护风机叶片;

③ 风机印制电路板侧朝下平放入容器内;

④ 将配好的三防漆慢慢注入容器,液面没过印制电路板约1mm,静置1min;

⑤ 将风机取出,滴漆约5min,用无纺布或绸布蘸取无水乙醇将风机下表面的漆液擦除;

⑥ 室温自然晾干4h;

⑦ 重复①~⑥工序操作;

⑧ 室温固化24h。

6) 清洁处理:去除风机叶片上的胶带及表面多余物,并去除多余漆液。

7) 测试:风机加电测试,记录风机工作的电压和电流值。

2.3真空气相沉积法工艺流程

1) 准备:

① 待处理风机齐套,风机表面标记;加电测试,记录风机工作的电压和电流值;

② 待处理风机工件架摆放整齐,避免相互碰触;工件架放塞尺做陪测片;

③ 记录环境温度和湿度,温度应保持在25℃±10℃;湿度应保持在20%~75%RH。

2) 称料:按工艺要求称取镀膜厚度对应Parylene C原材,记录数据及原材料批号。

3) 沉积:

① 设备开机,系统抽真空,同时打开冷机;

② 真空控制器达到设置值,开裂解炉和真空规管加热,设置温度,记录时间和参数;

③ 当裂解炉温度显示670~690,且真空达到并低于基压时,打开蒸发旋钮,设置蒸发温度110~120,记录时间和各参数;保持40min~60min;

④ 将真空控制器设定值升高5,同时将蒸发温度设定值升至180℃,记录时间和各参数;保持此设置值15 min~25 min;

⑤ 将真空控制器设定值再升高5,记录时间和各参数;保持此设置值15min~25 min;

⑥ 将真空控制器设定值再升高2,记录时间和各参数;保持此设置值15min~25 min;

⑦ 将真空控制器设定值再升高1,记录时间和各参数;此后进入稳定镀膜阶段,无需记录数据,或记录一次期间任意时刻的各参数;

⑧ 结束关机,将真空旋钮旋至HOLD位置,关冷机。将裂解炉旋钮旋至关闭;记录时间和各参数;

⑨ 关闭蒸发旋钮旋,停机,维持真空隔天卸架,或待裂解炉温度降至400,且蒸发温度降至75以下后,将关闭蒸发旋钮,真空放气,出炉,记录时间和各参数;

⑩ 出炉时,移除腔体,取下工件架,戴手套逐层取出工件,置于周转盒内,并对有称重标记的工件进行称重。

4) 检验:

① 外观检测保护膜层需完整,膜层表面没有气泡;

② 检测膜层厚度需符合图纸要求;

③ 风机加电测试,记录风机工作的电压和电流值。

2.4风机防护小结

聚氨酯清漆浸泡法或真空气相沉积法均能够使风机印制电路板表面产生三防镀覆膜层,且风机三防处理前后运行电流基本一致,上下偏离值均在5%以内。风机印制板处理前后实物如图2所示。

(a)印制板三防处理前
(b)浸泡法三防处理
(c)真空气相沉积法三防处理

图2 某直流风机印制板实物图

3风机环境试验

为验证直流风机三防处理后,环境防护措施能否满足装备使用要求,取某型直流风机进行强化盐雾试验验证其三防性能。

3.1试件规格

进行强化盐雾试验的风机试件规格如表1所示。

表1 盐雾试验风机型号

3.2试验依据

试验根据强化盐雾试验方法进行,具体试验条件如下:

3.2.1 试验条件

1) 军标一般盐雾试验条件

试验按GJB 150.11A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分:盐雾试验》中规定的条件和方法进行,共进行96h。

2) 强化盐雾试验条件

已知海黄铜要求满足盐雾试验500h的要求,不锈钢材料要求满足盐雾试验1000h的要求。试验选取进行480h( 10个循环)盐雾试验。

3.2.2试验方法

试验方法遵循GJB150.11A-2009规定。

1) 预处理

对试件表面进行预处理,以确保试件表面没有污染物。

2) 初始检测

检查试件外观并照相记录。

3) 试验样品在试验设备中的安装

试验样件悬挂于样品架上,样品周围的空气应保持自由循环,并确保试验箱内沉降量收集器放置的位置不会收集到从试件上滴落的液滴。

4) 试验

① 调节试验箱温度为+35℃,并在喷雾前将试件保持在该条件下2h;

② 连续喷雾24h,期间保证盐溶液的沉降率为(1~3)ml/(80cm2h);

③ 在标准大气条件温度(+15℃~+35℃)和相对湿度不高于50%的条件下干燥试件24h;

④ 重复一次步骤②和步骤③;

⑤ 共进行10个循环(480h)。

5) 鉴定

受样件品外表面经盐雾试验后外观要求:

① 非金属材料无明显的泛白、膨胀、起泡、皱裂以及麻坑等;

② 结构件金属无明显发暗变黑;

③ 金属结合处无严重腐蚀;

④ 金属防腐层辐射面积不超过金属防护层面积的30%;

⑤ 涂漆层除局部边棱处外,无气泡、起皱、开裂或脱落,且底金属未出现腐蚀。

3.3试验过程

盐雾试验过程试件实物如图3所示。

(a)96h盐雾图片
(b)240h盐雾图片
(c)480h盐雾图片

图2 试件005盐雾试验图片

3.4试验结果

试验根据试验后风机加电测试额定电流变化判定风机性能状态,共分为风机空载(前后无遮挡)和风机负载(进风口遮挡)两种状态进行测试。为保证风机试件三防前、三防后及盐雾试验后3种不同情况下测试数据的准确性,根据三定原则,所使用的测试设备、测试人员保持不变,测试结果如表2和表3所示。

表2 风机测试记录表(风机纵向放置-前)
表3 风机测试记录表(风机水平放置-进)

根据表2和表3强化盐雾试验结果,各风机试件在盐雾试验96h、240h、480h后,保持风机电压24V不变,风机运行电流与三防试验后的运行电流基本一致,上下偏离值在5%以内,可以判定在480h盐雾试验后,各风机试件的印制板尚未被盐雾腐蚀损坏,风机运行正常。

由图4可知,随着盐雾试验时长的逐渐增加,风机表面白色晶体(主要成分为NaCl)累积的越来越多,风机印制板的元器件表面逐渐被白色晶体覆盖,元器件被盐雾腐蚀的概率也随之增加。从实际风机测试结果可以得出,240h盐雾试验和480h盐雾试验,风机的印制板尚未被盐雾腐蚀,仍然可以正常工作。

图4 风机浸水试验

4风机防护分析

海环境下直流风机三种防护措施:直流风机三防选型、浸泡法三防处理、真空气相沉积法镀绝缘膜,三种防护措施在实际设备使用过程中针对不同规格的直流风机,均存在一定的问题,现对问题分析如下。

4.1直流风机三防选型

直流风机三防选型能够满足海环境下装备的正常使用需求,且防护等级达到IP68,环境适应性强。但直流风机三防选型最主要的问题是成本较高,通常是普通风机价格的3-5倍。

4.2浸泡法三防处理

风机浸泡法三防处理同样能够满足海环境下装备的正常使用需求,印制板可防水溅但风机浸水后损坏,无法达到风机整体防水。这是因为受限于喷涂工艺存在操作局限性,风机印制板某些部位存在喷涂不可达问题,如芯片/模块底部、隐藏焊点部位等,如果喷涂不可达部位没有有效的防护措施,印制板长期处于高盐雾、高湿热、高霉菌环境中,极易造成腐蚀、短路等严重后果,降低产品可靠性。

4.3真空气相沉积法镀绝缘膜

真空气相沉积法镀绝缘膜环境防护性能最好,风机浸水后仍能正常运转,如图4所示。但针对不同规格直流风机,真空气相沉积法镀绝缘膜后,风机一定程度上会出现停转、异响等现象。这是因为目前风机镀膜工艺采用整体镀膜方式,经镀膜风机拆解分析可知:

1) 真空气相沉积法镀绝缘膜法能够提升直流风机三防性能,效果因风机规格、形式不同略有差异;

2) 风机因型号规格不同,风机的结构形式不同,镀膜的效果及镀膜带来的停转、异响问题也有不同;

3) 风机镀膜过程如无合理的拆解恢复或防护措施,整体镀膜会导致风机内部、转轴端面、或内外轴承内部等位置同时进行镀膜(见图5),增大风机转动摩擦阻力,导致风机停转、异响问题发生;

4) 风机如能合理拆解和恢复,仅对印制板进行镀绝缘膜处理,则风机镀膜后无停转、异响等现象。

图5 风机镀膜后内部示意

5结论

海环境下直流风机三种环境防护措施:直流风机三防选型、浸泡法三防处理、真空气相沉积法镀绝缘膜,均能不同程度的提升风机的环境防护性能。同时,受限于不同的风机规格及工艺方法,三种环境防护措施又均存在各自的局限性。

海环境下风机的环境防护设计,可根据不同的使用场景及工艺规程,选择不同的环境防护措施。本文对雷达装备海环境下风机的环境防护设计能够提供一定的借鉴和参考意义。

引用本文:庄绪法,李培培,唐冉,关楠楠.海环境下风机防护措施研究[J].环境技术,2021,230(02):35-40.

专家简介:庄绪法,男,硕士,高级工程师,主要研究方向:雷达结构总计设计。

 
 
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