淺析儀器儀表機(jī)箱三防設(shè)計(jì)技術(shù)

馮京京 魏德林 吳春燕

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

淺析儀器儀表機(jī)箱三防設(shè)計(jì)技術(shù)

馮京京 魏德林 吳春燕

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

研制服役于海洋氣候環(huán)境下的儀器儀表，除了要考慮常規(guī)性能要求外，三防設(shè)計(jì)也是儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須要考慮的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)分析潮濕、霉菌、鹽霧對(duì)海態(tài)儀器儀表壽命的影響，結(jié)合工作中的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)、歸納出儀器儀表機(jī)箱設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的“三防”設(shè)計(jì)方法和措施，可有效提高儀器儀表設(shè)備在海洋環(huán)境下的防護(hù)能力。

三防設(shè)計(jì) 機(jī)箱 海洋環(huán)境

1 引 言

儀器儀表設(shè)備的使用環(huán)境是復(fù)雜多樣的。對(duì)在我國(guó)南方及沿海地區(qū)使用的儀器儀表，不僅要保證產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障工作，還需要經(jīng)受濕熱、鹽霧等嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，因此開(kāi)展三防設(shè)計(jì)就成為不可缺少的技術(shù)措施。所謂三防設(shè)計(jì)，是指防潮濕、防霉菌、防鹽霧設(shè)計(jì)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：有50%以上的機(jī)器故障，是由三防設(shè)計(jì)不當(dāng)或者是三防工藝不成熟而造成的[1]。而在我國(guó)南海海域環(huán)境條件下，電子整機(jī)設(shè)備的故障中有80%與整機(jī)所處的環(huán)境因素有關(guān)[2]。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表的集成度不斷提高，其機(jī)箱體積不斷減小，產(chǎn)品的三防性能更成為影響設(shè)備電氣可靠性的重要因素。因此，不斷提高電子設(shè)備的三防性能，增強(qiáng)各種惡劣環(huán)境條件下的適應(yīng)性，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝人員需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)工作中的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)總結(jié)、歸納出儀器儀表在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的“三防”措施和需要注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為相關(guān)技術(shù)人員開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

2 潮濕、鹽霧、霉菌腐蝕機(jī)理分析

2.1 潮濕的影響

在海洋環(huán)境下工作的儀器儀表，潮濕對(duì)其壽命的影響最大，其影響主要體現(xiàn)在物理、機(jī)械和電氣三個(gè)方面的侵蝕作用。特別是在低溫、高濕條件下，當(dāng)空氣濕度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，會(huì)使機(jī)內(nèi)元器件、印制電路板上產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，可導(dǎo)致儀器儀表電氣性能下降、故障率上升。

潮濕的空氣往往能夠溶解氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽等化學(xué)物質(zhì)，能加速金屬材料的銹蝕。當(dāng)空氣濕度達(dá)到一定限度還會(huì)使金屬腐蝕急劇加快，在常見(jiàn)的金屬材料中，鐵的臨界腐蝕濕度為70%，鋅為85%，鋁為60%～65%[3]。特別是在日溫差大的濕熱環(huán)境下，在材料毛細(xì)管“呼吸”效應(yīng)的作用下，會(huì)大大加速材料的吸潮和腐蝕過(guò)程，從而導(dǎo)致絕緣材料表面的電導(dǎo)率增加，體積電阻率降低，介質(zhì)損耗增加。潮濕還為霉菌的生長(zhǎng)提供有利條件，引起非金屬材料霉?fàn)€。圖1是潮濕對(duì)儀器設(shè)備的實(shí)際影響效果。

2.2 霉菌的影響

霉菌是菌絲組成的植物體。霉菌分泌的各種酶能吸收和分解儀器儀表機(jī)箱涂敷的有機(jī)材料中的某些成分，從而影響設(shè)備的密封、絕緣性能，縮短使用壽命。霉菌菌絲的細(xì)胞中含有大量水分，在元器件、電氣零件或印制板上生長(zhǎng)蔓延時(shí)，可引起搭橋短路。霉菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物多為酸性導(dǎo)電物質(zhì)，能夠降低材料的絕緣性能而造成漏電。當(dāng)機(jī)箱油漆涂層長(zhǎng)有霉菌時(shí)，會(huì)由于霉菌菌絲浸入導(dǎo)致漆膜漲裂剝落，從而失去保護(hù)作用。

圖2是在環(huán)境溫度30℃、相對(duì)濕度95%的環(huán)境條件下的某電子設(shè)備霉菌試驗(yàn)后的照片。

2.3 鹽霧的影響

大氣中的鹽霧是由于海水被海風(fēng)吹卷及海浪對(duì)海岸沖擊時(shí)飛濺的海水微滴被卷入空中，與潮濕大氣結(jié)合形成帶鹽分的氣溶膠狀體。鹽霧具有較強(qiáng)的腐蝕作用，其腐蝕作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是可以腐蝕許多金屬和無(wú)機(jī)材料；二是能夠產(chǎn)生一種活性電解質(zhì)，當(dāng)不同金屬接觸時(shí)，發(fā)生電偶腐蝕，并進(jìn)一步促進(jìn)金屬的電解作用。

鹽霧中對(duì)金屬起破壞作用的成分主要是氯離子，使金屬表面形成富含氯離子的電解液薄膜，氯離子可以在金屬表面或鈍化膜上吸附，與電解質(zhì)溶液形成強(qiáng)電場(chǎng)，促進(jìn)基體金屬離子的溶出；氯離子與金屬鋼可形成氯的絡(luò)合物，加速本體鋼溶解。鹽霧腐蝕的速度隨溫度、濕度的增高而增加。溫度可促進(jìn)化學(xué)因素的腐蝕，溫度每升高10℃，腐蝕速度可以提高2～3倍，電解質(zhì)的導(dǎo)電率可提高10%～20%[3]。

圖3是環(huán)境溫度35℃、鹽霧成分為5%的NaCl、鹽霧沉降率(1～3)ml/80cm2·h條件下的某電子設(shè)備鹽霧試驗(yàn)后的照片。

3 機(jī)箱三防設(shè)計(jì)流程

通過(guò)大量的設(shè)計(jì)實(shí)踐，采用合理有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠避免大多數(shù)的儀器儀表機(jī)箱的腐蝕問(wèn)題，因此提高機(jī)箱的三防性能必須要重視三防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。儀器儀表結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.1 合理的選擇機(jī)箱材料

儀器儀表的“三防”能力，主要取決于機(jī)箱結(jié)構(gòu)材料本身的性質(zhì)。因此，正確、合理地選用機(jī)箱材料，是開(kāi)展“三防”設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)于直接暴露在海洋環(huán)境中的儀器儀表，應(yīng)該選用耐蝕性較好的材料，例如耐蝕鋼、不銹鋼、防銹鋁等材料。在日常機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，許多設(shè)計(jì)人員經(jīng)常選用硬鋁材料，但研究表明，鋁和鋁合金材料的耐蝕性能依次為：純鋁>防銹鋁>鍛鋁>壓鑄鋁>硬鋁，由此可見(jiàn)，常用的硬鋁材料的耐蝕性最差，特別是耐海洋大氣腐蝕的性能更差。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用LF系列防銹鋁或者6063鋁合金。

如因特殊原因不得不采用耐蝕性較差的材料時(shí)，應(yīng)對(duì)材料采用陽(yáng)極氧化結(jié)合涂覆的措施,進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)的設(shè)計(jì)。即便是對(duì)于采用不銹鋼和防銹鋁的情況，也應(yīng)當(dāng)盡可能增加有機(jī)涂層，減少金屬或鍍層的裸露。

對(duì)于應(yīng)用于海洋環(huán)境、需嚴(yán)格控制成本的一般類型的儀器儀表，通常采用價(jià)格低廉、制造方便的低碳鋼和普通低合金鋼，并輔之涂料和陰極保護(hù)措施。對(duì)強(qiáng)度要求高時(shí)，可采用低合金高強(qiáng)度鋼。對(duì)于可能會(huì)遭受海水或雨水飛濺的部位，可采用特種涂料或金屬噴涂層進(jìn)行保護(hù)。

對(duì)于環(huán)境腐蝕條件比較苛刻、普通鋼鐵材料難以滿足防腐蝕要求、材料用量又不是很大的情況，可選用高耐蝕性材料，如不銹鋼06Cr17Ni12Mo2(316)、022Cr17Ni12Mo2(316L)、022Cr17Ni12Mo2N(316LN)，但使用不銹材料時(shí)一般還應(yīng)進(jìn)行鈍化處理。

選用材料時(shí)，機(jī)箱設(shè)計(jì)人員還應(yīng)熟悉材料的腐蝕機(jī)理和相溶性，防止材料間相互作用引起腐蝕和老化。材料選擇的基本原則是：對(duì)于直接暴露在自然環(huán)境中或受自然環(huán)境直接作用的兩種不同金屬，其接觸電位差不應(yīng)大于0.25V；對(duì)于不直接暴露在自然環(huán)境中的兩種不同金屬，其接觸電位差不應(yīng)大于0.5V，常用金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。如果所選用材料不能滿足電位差要求，還需要對(duì)接觸面采取保護(hù)措施。

表1 常用金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(25℃)

3.2 防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為防止儀器腐蝕，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理的防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用密封結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、表面涂覆等手段。

3.2.1 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

實(shí)踐證明，在儀器儀表的機(jī)箱、機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)先采用密封方式是防止潮濕、鹽霧、霉菌長(zhǎng)期影響的最有效方法。密封，就是將電子設(shè)備的部件、零件、元器件或一些復(fù)雜的裝置，甚至整機(jī)安裝在不透氣的密封盒內(nèi)，使之和外界隔絕。在機(jī)箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，凡是允許和能夠?qū)崿F(xiàn)密封的地方，采用密封技術(shù)是一種使儀器儀表適應(yīng)惡劣環(huán)境的理想方法。

密封結(jié)構(gòu)可以分為不可拆卸密封和可拆卸密封。

對(duì)于需要經(jīng)常修理、維護(hù)的設(shè)備，較多的采用可拆卸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種密封設(shè)計(jì)一般是在機(jī)箱接縫處設(shè)計(jì)有凹槽，在機(jī)箱裝配時(shí)采用導(dǎo)電彈性襯墊填在接縫的凹槽內(nèi)，并用螺釘緊固，使其變形量為20%～30%，從而填滿接合處的漏縫，可同時(shí)達(dá)到水汽密封和連續(xù)導(dǎo)電的目的，這種方法對(duì)密閉小型設(shè)備尤其適合。在開(kāi)展設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意導(dǎo)電彈性襯墊的選材，既要滿足儀器儀表溫度使用環(huán)境的要求，又要滿足GJB 150《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的霉菌試驗(yàn)的要求。

對(duì)于采用不可拆卸方式的密封，應(yīng)在螺紋連接、鉚接和焊接等結(jié)合面的縫隙處，以及斷續(xù)焊、點(diǎn)焊等的焊縫周邊涂敷HM-108或XM-28II密封膠進(jìn)行密封，使水和潮氣無(wú)法進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)。

3.2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在儀器儀表機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可有效提高防腐蝕能力。在機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)由于機(jī)箱零部件的棱角或邊沿部分在涂覆時(shí)，其涂層一般相對(duì)較薄，容易出現(xiàn)針孔等缺陷，使潮氣、鹽霧易于滲入，從而引起腐蝕。因此對(duì)機(jī)箱零部件的棱角或邊沿，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成圓角。另外，還可以采用提高機(jī)床加工精度和零件表面光潔度，減少機(jī)箱表面的凹凸不平等方法，來(lái)提高零部件的抗腐蝕性。

(2)在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免形成積水結(jié)構(gòu)，如焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用連續(xù)焊縫設(shè)計(jì)，盡可能消除縫隙和凹坑結(jié)構(gòu)，防止積水、灰塵和鹽霧。

(3)優(yōu)選鈑金結(jié)構(gòu)或整體成型的結(jié)構(gòu)形式，避免采用點(diǎn)焊、鉚接、螺紋緊固等結(jié)構(gòu)形式，以避免縫隙的形成。

(4)在可能積水和留存濕氣的空間應(yīng)開(kāi)設(shè)排水孔和排氣孔。有發(fā)熱元件的密閉設(shè)備，必須要考慮安裝防水透氣閥來(lái)完成設(shè)備的防水透氣設(shè)計(jì)，避免采用氣密式設(shè)計(jì)。

3.3 表面鍍涂處理工藝

表面鍍涂處理就是通過(guò)鍍覆或涂裝的方法在設(shè)備及其零件表面覆蓋一層涂層，使之與周圍介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)，從而達(dá)到防護(hù)的目的[4]。為了保證零件的防護(hù)能力，通常多采用鍍層和涂層雙重保護(hù)。對(duì)于采用鋼、銅、鋁等不同材料的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)選用不同的處理工藝。

(1)對(duì)于鋼制件，防止海洋環(huán)境腐蝕最常用的方法就是表面采用涂防護(hù)漆涂層保護(hù)。在加工過(guò)程中，可按照以下原則選擇防護(hù)漆：

a) 底漆，可選擇環(huán)氧富鋅防銹漆，厚度(60～80)μm；

b) 中間漆，可選擇環(huán)氧云鐵中層漆，厚度(120～140)μm；

c) 面漆，可選擇芳香族聚氨酯面漆，厚度(80 ～100)μm。

(2)銅制結(jié)構(gòu)件通常采用表面氧化處理，形成的氧化膜硬度和耐蝕性均高于金屬本身。對(duì)于銅導(dǎo)電制件，表面鍍覆應(yīng)首選鍍銀，其次為鎳和鉻。如果經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，應(yīng)保證銀鍍層達(dá)到(8～12)μm，再對(duì)其噴涂1%(0.01g/ml)DJB-823固體薄膜保護(hù)劑，這樣就可以通過(guò)惡劣環(huán)境下的三防試驗(yàn)。圖5、圖6是銅排表面經(jīng)過(guò)鍍銀和電解鈍化處理，再浸涂823固體薄膜保護(hù)劑后，通過(guò)鹽霧試驗(yàn)的對(duì)比圖片。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用以上工藝后可有效阻隔鹽霧的腐蝕影響。

(3)對(duì)于鋁制結(jié)構(gòu)件，當(dāng)表面處理時(shí)對(duì)有導(dǎo)電需求的應(yīng)選用化學(xué)導(dǎo)電氧化的方法，即在鋁表面形成一層極薄且致密可導(dǎo)電的氧化膜，從而大大提高鋁及其合金的耐蝕性和耐磨性；無(wú)導(dǎo)電需求的，可選用陽(yáng)極氧化處理，即在鋁表面生成一層較厚不導(dǎo)電的氧化膜，并可著多種色彩。圖7是采用某鋁制件化學(xué)導(dǎo)電氧化后表面效果。

(4)對(duì)于連接件、緊固件等，應(yīng)采用熱滲鋅或達(dá)克羅等工藝處理的方式。采用達(dá)克羅工藝比熱滲鋅工藝的防護(hù)效果要好，但存在表面硬度差的缺點(diǎn)。緊固件所配套使用的彈性墊圈也可以采用熱滲鋅處理。如果需要考慮經(jīng)濟(jì)性，降低成本，可考慮對(duì)尺寸M5以內(nèi)(含)的螺栓、螺釘件采用不銹鋼材料，M5以上的連接件采用滲鋅處理的方式。

(5)對(duì)電氣接插件類零件，可在兩金屬接觸面涂覆具有良好三防性能、電性能及潤(rùn)滑性能的DJB-823固體薄膜保護(hù)劑，這樣既可保證導(dǎo)電的需要，又能防止潮氣或鹽霧的入侵。

(6)在進(jìn)行任何涂覆之前,所有表面部位都應(yīng)預(yù)先清除污垢、焊劑、可見(jiàn)銹跡、油脂、砂粒、氧化皮和氧化物以及其它污物，以防止它們影響表面處理層、底鍍層或終端層的附著力。

4 注重日常維護(hù)保養(yǎng)

除了從設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)加強(qiáng)三防技術(shù)研究外，日常維護(hù)保養(yǎng)也是降低海洋環(huán)境影響，提高儀器儀表使用壽命的重要手段。因此，在儀器使用過(guò)程中，應(yīng)細(xì)化、完善儀器儀表在使用過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)要求，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品維護(hù)保養(yǎng)盡可能避免銹蝕等現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高產(chǎn)品對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)能力。

在維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中，需對(duì)儀器儀表進(jìn)行表面清潔時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)提出產(chǎn)品表面清潔方式和方法，包括維護(hù)時(shí)使用的工具、器材和耗材。對(duì)與放置于室外的設(shè)備，如果用淡水對(duì)外露設(shè)備表面進(jìn)行清洗，需在沖洗完成后，及時(shí)擦干設(shè)備表面和縫隙處。需要潤(rùn)滑脂防護(hù)的部位，應(yīng)及時(shí)涂敷潤(rùn)滑脂。對(duì)不能清洗的部位，在清洗時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的保護(hù)。

對(duì)于涂漆表面，如出現(xiàn)劃痕、裂紋，應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)；如發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，應(yīng)清理干凈后進(jìn)行補(bǔ)漆。對(duì)于未涂漆的金屬外露表面，應(yīng)定期清理，并涂敷特221號(hào)潤(rùn)滑脂防護(hù)。使用人員還應(yīng)定期檢查干燥劑、密封條，發(fā)現(xiàn)失效或破損的，應(yīng)及時(shí)更換。密封的機(jī)箱機(jī)柜和儀器儀表，不得隨意開(kāi)啟，以避免潮氣、鹽霧侵入。

5 結(jié)束語(yǔ)

儀器儀表機(jī)箱的三防設(shè)計(jì),是確保儀器儀表三防性能和系統(tǒng)功能的重要基礎(chǔ)，也是工程研制過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。在多種不同儀器儀表設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用本文所述三防設(shè)計(jì)技術(shù)及方法，提高了所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，成功通過(guò)了各種三防試驗(yàn)，產(chǎn)品的三防性能滿足了用戶使用要求。

[1] 陳小寧.艦載雷達(dá)電子設(shè)備的防護(hù)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2006(2):26～27.

[2] 范民,周廣宴.軍用電子設(shè)備整機(jī)三防技術(shù)研究[J].裝備環(huán)境工程,2009,6(4):72～75.

[3] 丁小東.淺談電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)[J].腐蝕與防護(hù),2001,22(6):260～262.

[4] 謝義水.艦載電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(1):260～262.

A Brief Analysis of Three-proof Design Technology forInstrument and Meter Cabinet

FENG Jing-jing WEI De-lin WU Chun-yan

(Beijing Institute of Space launch Technology,Beijing 100076, China)

To develop the instrument and meter served in the marine climate environment ,in addition to consider the performance of conventional design, three-proof design is also one of the important links for the instrumentsand meters structure designerto consider. Through the analysis of the influence of damp, mildew, salt fog to the life of instruments and meters in the sea state, combined with the work in the practical design experience, the three-proof design methods and measures in the instrumentation structural design are summarized and concluded. These methods can effectively improve the protection ability of instrument equipment in Ocean environment.

Three-proof design Cabinet Ocean environment

2017-01-22，

2017-03-30

馮京京(1975-)，女，工程師，主要研究方向：車載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

1000-7202(2017) 02-0086-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.18

TH706

A