Структура конструкции приборов.

Как любая сложная сборочная единица приборостроения, конструкция прибора отвечает трем главным условиям системы:

• возможности композиции и декомпозиции,

• образованию при композиции новых качеств, не равных сумме свойств исходных частей,

• наличию иерархического порядка в структуре.

Первые два условия системности означают, что в результате процесса конструирования (композиции) должно быть найдено и отражено в конструкторской документации новое структурное образования – конструкция прибора. Оно составлено из готовых (покупных) и вновь спроектированных частей. Причем это структурное образование должно обладать новыми качествами, не равными сумме свойств входящих в него частей.

Третье условие системности (иерархический порядок) проявляется в разделении конструкции на структурные уровни или уровни входимости: высокий уровень структуры конструкции составляется из частей, относящихся к более низким уровням.

Структурное дробление конструкции дает экономические преимущества при разработке, производстве и эксплуатации. Оно преследует три цели:

• параллельное конструирование частей;

• параллельное изготовление частей;

• повышение ремонтопригодности.

Параллельное конструирования значительно ускоряет процесс конструирования. Должны выполняться условия размерной совместимости: одинаковые габаритные и присоединительные размеры сопрягаемых частей; совмещение электрических параметров в пределах допусков.

Параллельное изготовление частей входящих в различные структурные уровни, идет по независимым производственным циклам, соприкасающимся только при сборке. Это ускоряет производство в десятки раз.

Ремонтопригодность повышается благодаря упрощению поиска неисправностей и возможности ремонта агрегатным способом, т.е. путем замены крупных частей. В дальнейшем возможен ремонт этих частей.

Каждая конструкция прибора в зависимости от его начисления, имеет свою конкретную структуру. Однако требования стандартизации накладывают ограничительные рамки на это разнообразие. Можно представить некоторую обобщенную типовую структуру.

Типовая структура конструкции современного прибора или системы состоит из:

• элементной базы, как исходного функционального материала и

• четырех уровней, от нулевого до третьего.

Нулевой и первый называют низкими, второй и третий – высшими.

Элементная база состоит из электрорадио изделий (ЭРИ), входящих в перечень элементов электрической принципиальной схемы.

Электрическая база включает в себя следующие классы:

1. электрорадио элементы: резисторы, конденсаторы, кварцевые фильтры, моточные изделия (трансформаторы);

2. электровакуумные изделия: лампы, ЭЛТ, табло;

3. полупроводниковые приборы: транзисторы, тиристоры;

4. интегральные схемы (ИС);

5. изделия автоматики и электропривода;

6. контрольно-измерительные приборы;

7. коммутационные изделия – соединители, переключатели …;

8. микропроцессорные комплексы;

9. волоконно-оптические кабели с соединителями (ВОКС).

Изделия, предназначенные для установки на платы, называют навесными элементами. Иногда для повышения интеграции навесные элементы применяют в бескорпусном исполнении. Элементная база – еще не конструкция, конструкция начинается с функционального узла.

Функциональный узел представляет собой первичное структурное образование и относится к нулевому структурному уровню.

Существуют три разновидности функциональных узлов:

• микросборки;

• печатные узлы;

• габаритно-интегральные узлы.

Структура радиоэлектронных приборов имеет две параллельные ветви: по печатному и гибридно-интегральному исполнению. Оба конструктивно-технологических исполнения находят применение.

Первый уровень состоит из модулей,

Второй – из блоков,

Третий – окончательно оформленная конструкция прибора или системы взятом, т.е. самостоятельное изделие.

Отличительным признаком перехода от одного структурного уровня к другому, более высокому, служит сборочная операция, которая осуществляет соединения одних частей конструкции с другими.

Вхождение низших уровней в высшие не обязательно должно осуществляться строго по порядку номеров уровней.

Печатные платы нулевого уровня могут непосредственно входить в третий уровень (пульты и приборы), минуя первый и второй уровень.

Отдельные радиоэлектроизделия из элементной базы могут входить, минуя нулевой уровень, в любой, более высокий по рангу уровень. Например, в третий уровень входят элементы автоматики, контрольно-измерительные приборы, ЭЛТ.

Низшие уровни конструкции (нулевой и первый) наиболее универсальны. Их конструкция мало зависит от конкретного назначения прибора устанавливается. Эти части в обличии от высших уровней в наибольшей степени пригодны для централизованного производства в рамках отрасли.

Высшие уровни специализированны, особенно третий уровень, представляющий собой систему или прибор в целом.

Необходима максимальная универсализация отдельных узлов и несущих конструкций.

Несущей конструкцией называют механическую основу для закрепления частей. Унифицированная система несущих конструкций предусматривает последовательную входимости конструкций низших уровней в конструкции высших уровней. Это обеспечивается требованиями размерной совместимости. БНК-1, БНК-2, БНК-3.

Второй уровень включает в себя блоки и их разновидности: электронные модули второго уровня и микроблоки.

Блоком называют часть электронной аппаратуры, которая выполняет сложную функцию, содержит несколько модулей первого уровня и имеет лицевую панель.

Третий уровень конструкции представляет собой электронный прибор или систему в целом в виде шкалы, пульта, моноблока, прибора, стойки, стеллажа.

К несущим конструкциям данного уровня относятся кожухи, каркасы, монтажные рамы, корпуса шкафов, стоек, панели и корпуса пультов.

Кожух – наружная оболочка, предназначенная для защиты изделия от внешних воздействий, защиты персонала от соприкосновения с внутренними частями и для придания изделию законченной формы.

Каркас – является остовом сборочной единицы, предающим конструкции прочность и жесткость.

Монтажной рамой называют несущую конструкцию открытого типа, содержащую элементы для электрического соединения и предназначенную для размещения нескольких блоков.

Стойка – монтажное устройство открытого типа для размещения блоков в несколько рядов, в котором в качестве несущей конструкции применена общая, вертикально расположенная рама.

Стеллаж в отличии от стойки предназначен для размещения блоков закрытого типа (приборов) в несколько рядов.

Шкаф подобен стойке, но является монтажным устройством закрытого типа и закрывается сплошной дверью.

Панель – часть пульта, служит для размещения органов управления, коммутации и индикации. Другой частью пульта является корпус – несущая конструкция, предназначенная для размещения средств отображения информации, органов управления и необходимых блоков.

Основные факторы, определяющие конструкцию радиоэлектронных приборов и систем.

Требования по назначению.

Эта группа требований устанавливает первичную задачу, ради которой ведется разработка. Общий перечень таких требований затрагивает широкий круг вопросов:

1. функциональное назначение (прием, передача, обработка сигналов, индикация, источники питания и др.)

2. значение параметра, определяющего конструктивные решения (мощность излучаемая, мощность потребляемая, частота, полоса протекания, быстродействие, чувствительность и т.д.)

3. класс, к которому относится объект установки (бортовой, морской, наземный для подвижных объектов, наземный стационарный и т.д.)

4. климатическое исполнение (по ГОСТ 6.019-78)

5. категория размещения на объекте (пять укрупненных и шесть дополнительных категорий).

6. Массогабаритные характеристики (масса, габаритные и присоединительные размеры)

7. Закрепленные на объекте (жесткое, быстросъемное, на амортизаторах и др.)

8. Коммуникационные сети на объекте (сети питания, сети антенных кабелей, шин заземления, вентиляционные сети и др.)

9. Электромагнитная защита на объекте (наличие одновременно работающих приборов на том же объекте, экранирование, устранение наводок, в частности по цепям питания, защита на полях)

Большинство требований из этих 9 пунктов зависит от особенностей конкретного прибора, заданных в техническом задании. Поэтому остановим внимание только на трех пунктах наиболее общего характера:

• Климатическом исполнения;

• Категории размещения на объекте;

• Массогабаритных характеристика.

Климатическое исполнение.

В зависимости от микроклиматического района, в котором заданно эксплуатировать прибор, различают 9 основных климатических исполнений изделий:

1. Исполнение У – для умеренного климата с интервалом температур +40⁰ -45⁰ С.

2. Исполнение УХЛ – для умеренного и холодного климата с минимумом температуры больше –45⁰ С

3. Исполнение ТВ – для влажного тропического климата с температурой +20⁰ С и выше в сочетании с относительной влажностью 80% и выше.

4. Исполнение ТС – для сухого тропического климата с температурой 40⁰ С, но не отнесенное к исполнению ТВ.

5. Исполнение М – для умеренно холодного морского климата при нахождении в морях и океанах севернее 30⁰ с.ш. или южнее 30⁰ ю.ш.

6. Исполнение ТМ – для тропического морского климата (между30⁰ с.ш. и 30⁰ ю.ш.)

7. Исполнение О – общеклиматическое исполнение для суши.

8. Исполнение ОМ – общеклиматическое морское, для судов и кораблей с неограниченным районом исследования.

9. Исполнение В – все климатическое исполнение для суши и моря.

Такая кодификация климатических исполнений существенно упрощает задания требований. Она позволяет представить комплексное воздействие среды в количественном выражении.

Категории размещения на объекте также стандартизорованны и кодифицированы:

5 укрупненных категорий:

1. Аппаратура предназначенная для эксплуатации непосредственно на открытом воздухе;

2. В помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе (палатки, кузова, прицепы, под навесом) т.е. при отсутствии солнечной радиации и атмосферных осадков.

3. Аппаратура предназначенная для работы в не отапливаемых закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

4. В закрытых отапливаемых, вентилируемых помещениях в помещениях с искусственным климатом.

5. В помещениях с повышенной влажностью приводящей к частой конденсации влаги на стенах и потолке.

Конкретные значения температуры и влажности воздуха для различных климатических исполнений и категорий аппаратуры указаны в соответствующих стандартах. При конструировании необходимо учитывать влияние внешних факторов.

Например: понижение температуры влияет на работу электромеханических устройств (перепады+20 -60⁰ С приводят к изменению зазоров, натягов, служения смазок) на работу радиоэлементов (параметры меняются).

Повышение температуры (она может достигать 100-150-200⁰ С; например: обшивка в лобовой части самолета) вызывает увеличение сопротивления проводниковых материалов и ухудшение параметров изоляционных материалов.

Уменьшение сопротивления изоляции приводит к увеличению потерь, к появлению утечек в схемах, к уменьшению добротности контуров и т.д. Одновременно происходит уменьшение электрической прочности диэлектриков. Это может приводить к пробою и полному отказу аппаратуры. Меняется диэлектрическая проницаемость емкость конденсаторов частота настройки контура.

Влажность может меняться от 5-10% (в пустынях) до 100% (в тропиках).

Воздействие влаги приводит к уменьшению сопротивления изоляции, росту потерь в диэлектриках. Воздействие влаги приводит к коррозии металлов. Влага способствует образованию грибков, что ухудшает электрические и механические свойства, приводит к разрушению материалов.

При подъеме на значительную высоту происходит уменьшение атмосферного давления.

Понижение давления приводит к понижению электрической прочности , что приводит к пробою воздушных промежутков.

При пониженном давлении ухудшается отвод теплоты от нагревающихся тел, т.е. их температура повышается.

Некоторые категории аппаратуры работают в воде. Здесь степень зависимости давления от глубины погружения значительно более резкая. При погружении на 10 метров давление (гидростатическое) увеличивается на одну атмосферу.

Аппаратура, расположенная на подвижных объектах подвержена воздействию вибраций, ударов и линейных ускорений. При этом на каждый элемент конструкции аппарата действует сила , где - масса элемента конструкции; - ускорение. Воздействие силы вызывает деформацию частей конструкции.

Отношение силы , появляющейся в результате воздействия ускорения, к силе тяжести называют перегрузкой:

.

Значение перегрузки показывает, во сколько раз дополнительная сила больше силы тяжести , действующей на прибор. Если известна перегрузка, то можно вычислить появляющуюся при этом силу .

Если на прибор воздействует синусоидальная вибрация, то перегрузка:

,

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

Значение перегрузки , позволяющей при ударах, обычно определяют экспериментально с помощью специальных приборов – акселерометров.

Ориентированные значения перегрузки для некоторых объектов:

Категории	Мах , Гц	Мах при вибрации	Мах при ударах
Автомобильная Самолетная Корабельная	80 400 100	4 10 2,5	10 10 12

Под воздействием вибрации могут происходить нарушения в работе из-за взаимного перемещения элементов. Аппаратуру, которая нормально выполняет свои функции при воздействии вибрации называют виброустойчивой, а которая может противостоять разрушительному действию вибрации и ударов – вибропрочной, ударопрочной.

В настоящее время разработана классификация радиоаппаратуры в зависимости от характера объекта и места установки аппаратуры на нем. Она приведена в специальных справочниках.

Пользуясь этими документами, конструктор определяет условия, в которых будет эксплуатироваться проектируемое изделие.

Некоторые виды радиоэлектронной аппаратуры должны исправно работать в условиях ионизирующего излучения. Под действием ионизирующего излучения в материалах могут происходить изменения, которые могут приводить к выходу аппаратуры из строя.

Некоторые виды приборов и систем должны сохранять работоспособность при нахождении в зоне ядерного взрыва или после.