某雷达风机组件防护设计改进

2020-12-24孙艮芝

机械与电子 2020年12期

孙艮芝

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088)

0 引言

某型雷达收发系统采用数字阵列技术，对射频收发单元、本振功分单元、分布式频率源和电源模块等功能电路，进行一体化整合设计。其数字阵列模块(DAM)采用强迫风冷设计，若风机组件故障，装备开机时DAM装放箱内大量热量得不到很好传递，温度升高，将破坏固态器件正常使用环境，使器件工作参数发生质的变化，长期处于超极限疲惫状态工作，会造成低效、损坏的情况。

本文针对雷达在海洋环境中使用时，多站监控显示DAM温度异常，阵面通电检查，发现风机组件批量报故障问题，进行深入细致的分析和研究，找到问题症结，通过设计与工艺等改进，在系统可靠防护上取得了良好的效果。

1 故障情况

DAM风机组件中的轴流风机，通过电源连接器给其供电，额定电压为24 V直流电，额定电流为810 mA。影响该风机组件正常工作的主要有电源连接器和轴流风机的防护设计，以及使用过程中过滤网的维护等。

1.1 线缆装接和轴流风机运转情况

现场将风机组件从DAM机箱中拆卸下，用手拉扯线缆检查线缆装接情况，通电检查轴流风机正常工作情况，具体如下所述。

1.1.1 阵面通电轴流风机都异常

用手轻碰2根电源线，芯线与插芯分离，芯线与插芯都有明显的腐蚀或放电烧蚀现象。零线无问题，如图1所示。对于组件中的轴流风机，通过万用表通电检查可知，有的都不工作，有的部分不工作，有的都正常工作。

图1 轴流风机都异常连接器和插芯

1.1.2 阵面通电轴流风机部分异常

用手轻碰2根电源线，一根芯线与插芯分离，另一根芯线与插芯不分离，轻碰即分离的芯线和插芯腐蚀或放电烧蚀严重；用力拉扯不分离的电源线，有的芯线与插芯不分离，有的分离，拉扯可分离的芯线与插芯有明显腐蚀或放电烧蚀现象。零线无问题，如图2所示。对于组件中的轴流风机，通过万用表通电检查可知，有的不工作，有的都正常工作。

图2 轴流风机部分异常连接器和插芯

1.1.3 阵面通电轴流风机都正常

当轴流风机都正常时，存在3种情况：

a.线缆装接不可靠，用手拉扯电源线，芯线与插芯分离，芯线与插芯都有明显的腐蚀现象。

b.线缆装接可靠，用手拉扯电源线，芯线与插芯不分离，但插芯已有较明显的腐蚀现象。

c.线缆装接可靠，芯线与插芯不分离，芯线与插芯都未出现腐蚀现象，如图3所示。

图3 轴流风机都正常连接器和插芯

1.2 轴流风机腐蚀情况

检查故障轴流风机中的板级电路，发现其中的板级电路器件安装面存在器件焊点腐蚀问题。腐蚀严重的器件用手轻轻划剥就直接从焊盘上脱落，个别有打火现象，如图4所示。

图4 轴流风机板级电路器件安装面腐蚀

2 故障排查及分析

2.1 电源连接器腐蚀

2.1.1 电化学腐蚀

电化学腐蚀是金属接触到离子导电介质(电解质)而发生电化学反应，比较活泼的金属原子失去电子而被氧化腐蚀，反应过程中有电流产生。产生电化学腐蚀必须具备4个要素: 电解质、阳极、阴极和电流通道[1]。4个必要条件同时具备，就会发生腐蚀。

盐雾是悬浮的氯化物和微小液滴组成的分散系统。其中，氯化物是一种强电解质，大大增强金属表面液膜的导电性，促进电化学腐蚀[2]。氯离子(CI-)有较小的离子半径(1.82×10-4μm)，穿透力很强，可以进入各细小的缝隙，高温作用下，盐雾以气态形式存在，温度降低时则会在所依附的表面形成一层连续的电解液膜。研究表明金属表面液膜厚度与大气腐蚀速度关系为：液膜厚度小于0.01 μm时，腐蚀速率很小；当液膜厚度增大到1 μm时，腐蚀速率最大，为薄液膜下的腐蚀；液膜厚度继续增大时，腐蚀速率下降，为厚液膜下的腐蚀，最后与溶液中的腐蚀类似[3]。

2.1.2 连接器密封设计

该风机组件所使用的J599连接器装线，采用压接成形，连接器尾部未灌封密封胶加护套。在半开放环境中使用，工作状态时尾部向上，原密封设计为一孔配一线，实际为一孔配两线设计(图5)，造成封线体上的密封孔变形，线缆与线缆、线缆与封线体间有间隙，加之其封线体上端有凹槽，易积潮积水，并通过间隙往下沉积，形成更强电解质的腐蚀导电溶液。

图5 连接器密封设计失效

2.1.3 插芯镀层分析

该电源连接器存在异种金属，其插芯为铜基镀金件。镀金层本身是不会发生腐蚀的。但因镀金层受成本和机械性能限制，厚度低于2.5 μm[4]，存在孔隙，底部的铜基会形成阳极，而镀金属层就形成阴极；用镀层分析仪对问题电源连接器的插芯进行镀层分析，发现其镀金层不满足设计要求，厚度低于2.5 μm，且未进行防腐处理，没有中间镀镍层(防护镀层)，不能满足铜合金镀金工艺对零件的可靠性设计要求。

最后，由于镀金层、界面、铜基材和电解质都具有导电性，电流通道便形成了，就会发生电化学腐蚀，破坏了芯线和插芯的镀层和基材，失去保护作用。同时，高温会加速电化学腐蚀[5]。当电流通过时会使电接触部位被腐蚀断裂，导致短路，并伴随放电打火现象，甚至引起打火、短路致金属导线断裂、元器件失效或无法正常工作。在放电打火时如果瞬间电流超过了轴流风机的额定电流，就会造成风机失效。

2.2 轴流风机腐蚀

2.2.1 轴流风机设计选型

该轴流风机为市购进口产品，从其说明书可以看出，该风机的防盐雾标准的参照标准为EN60068-2-52，对应国标GB/T 2423.18—2012，即5%氯化钠，严酷等级为3级，可以防盐雾试验循环时间72 h，为工业级防护设计要求。此风机通常作为在含盐大气与干燥大气之间频繁交替作用的产品，如汽车及其零部件，但不满足雷达电子装备海洋环境可靠使用要求。

2.2.2 板线电路防护设计

风机中的板级电路未在密闭的环境使用；板级电路防护设计方面，器件安装面未发现三防漆膜；板级电路背面只焊接了1个电阻和3根线缆，且3根线缆焊点处都已进行胶密封处理，实物未出现严重腐蚀的问题(图6a)；电机中的绕组线采用漆包线外加包裹一层透明保护胶带，具有防护功能，实物也未出现腐蚀问题(图6b)。

图6 轴流风机板级电路器件安装面腐蚀

3 解决方案

根据以上排故分析，主要从密封和三防设计等方面开展产品防护改进。

3.1 电源连接器密封防护改进

完善风机组件防护设计，增加对电源连接器密封处理。

703硅橡胶具有良好的耐冷水性好，耐温稍低，粘接力好，且流动性较好。改进工艺设计采用3M胶带，依托电缆组件插座体，制作简易封装模具，再用703硅橡胶对连接器芯线与连接器封线体之间较小的间隙进行密封处理，填充缝隙阻止电解液进入。以保证该电源连接器插芯在一个密封环境使用，有效避免水气等腐蚀介质进入而形成易腐蚀环境，切断电化腐蚀发生的动力学链，从源头上消除盐雾等介质进入连接器，进而产生电化学腐蚀，甚至放电烧蚀的问题。

3.2 轴流风机防护改进

轴流风机中的板级电路不是在密闭的环境使用。如图7所示，风机页与机架间采用卡簧、垫片和弹簧保证安装，而电机与机架间铆压成形，为半可拆卸安装。对于在半拆卸状态下开展板级电路三防改进，如采用喷涂的方式进三防改进，需要用3M胶带等保护电机，且电机下面的部分板级电路存在喷涂死角，故无法进行三防处理。改进的防护工艺中，明确采用毛笔刷三防清漆，以尽可能全面地对板级电路器件安装面进行无死角防护处理；电路背面改进条件受限，加之不是防护重点，只对电阻焊接重点区域进行局部刷涂处理，最后复原通电检查轴流风机运转情况，切实提升产品的环境适应性和可靠性。

图7 轴流风机半可拆卸

三防漆选用的是TS01-3聚氨酯清漆，其是由异氰酸脂加成物、改性醇酸树脂、助剂和有机溶剂等制成的双组份漆，漆膜坚硬、耐磨、附着力强、丰满光亮，具有优良的耐水、耐潮和耐腐蚀性[6]。

3.3 其他改进

防尘网积尘及腐蚀情况对风机组件的最终散热效果影响显著，检查报故风机组件中的过滤网时，发现存在锈断和积尘絮较多的问题，如图8所示。

图8 过滤网锈蚀及积尘絮

3.3.1 防尘网材料优选

304不锈钢是按照美国标准生产出来的一种不锈钢(相当于0Cr19Ni9)，是一种通用的奥氏体铬-镍不锈钢，含铬19%，含镍8～10%，具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能，耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650 ℃。

过滤网设计材料选型原为20目不锈钢丝网，没有的具体牌号要求。外协单位从成本控制出发，选用一般用于室内装潢使用的市购201不锈钢，不能满足恶劣环境可靠使用的要求。改进时，考虑到过滤网对材料的强度、刚性、韧性和抗疲劳性等力学性能要求不高，故材料直接优选为防护性能优越的304不锈钢材料，加工完成后要求进行钝化处理，提升其耐腐蚀性。

3.3.2 维护改进

维护与保养，是确保雷达系统始终处于良好的工作状态，充分发挥装备的战术技术性能、预防事故、减少故障、延长其使用寿命的基本措施。但因该风机组件现场维护需要装备停机天线倒，且防尘网拆除、复原安装维护周期长，使用过程中，存在未按要求进行处理，造成过滤网积灰层较厚、断丝数超过10%的问题，影响风机的通风散热性能。

改进细化维护要求，将原来风机组件年维护要求改为月维护，定期检查过滤网上积尘和腐蚀情况，通电检查轴流风机是否正常工作。

4 效果验证

以上改进在所有已经架设的装备上进行了复制，后期使用过程中轴流风机和防尘网锈蚀问题都未再出现。但因电源连接器密封处理距离装配投入使用有一定的时间，存在上述阵面通电2个轴流风机都正常，但芯线与插芯有腐蚀现象且未发现的问题，造成个别雷达站在连接器密封后期又出现了风机组件报故障问题。现场查看实物，有的连接器插芯已锈断在插座安装孔内。