電子模塊結(jié)構(gòu)互連可靠性研究

邸蘭萍（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安710077）

電子模塊結(jié)構(gòu)互連可靠性研究

邸蘭萍
（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安710077）

LRM模塊被大量應(yīng)用于各類電子系統(tǒng)中，其中快速拔插鎖緊裝置為實(shí)現(xiàn)LRM模塊快速插拔鎖緊功能的關(guān)鍵，針對(duì)不同模塊，在不同重量、空間和環(huán)境條件要求下，所選用的鎖緊裝置的規(guī)格、數(shù)量、擰緊力矩要求等是否能夠滿足可靠性要求將變得非常重要。通過力學(xué)分析結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)理論，對(duì)影響快速拔插鎖緊裝置的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理，并將結(jié)果與已通過驗(yàn)證案例進(jìn)行比較，證明方法可行。

鎖緊裝置；擰緊力矩；鎖緊力；摩擦力

0　引言

決定鎖緊裝置靜摩擦阻力大?。ㄦi緊力）的因素主要有鎖緊條的接觸形式、鎖緊條數(shù)量、固定螺桿擰緊力矩、鎖緊條上楔塊滑動(dòng)夾角等，對(duì)于固有空間內(nèi)已選定鎖緊條類型的模塊設(shè)計(jì)而言，主要需要驗(yàn)證擰緊力矩、鎖緊條數(shù)量以及鎖緊條節(jié)數(shù)與靜摩擦阻力的關(guān)系。本文以典型的三節(jié)鎖緊裝置為例，來闡述相關(guān)分析過程。

1　鎖緊螺桿拉力與擰緊力矩關(guān)系計(jì)算

在擰緊螺桿時(shí)，對(duì)螺桿施加的擰緊力矩主要有3個(gè)作用：

（1）克服螺桿支撐面與楔塊之間的摩擦力矩；

（2）克服螺紋副之間的摩擦；

（3）作用于螺紋內(nèi)側(cè)面，使螺桿產(chǎn)生軸向拉力即施加于鎖緊條的預(yù)緊力。

設(shè)螺桿拉力為Q，螺桿中徑為d2，螺紋牙形半角θ，當(dāng)量摩擦角φv，當(dāng)量摩擦系數(shù)fV，螺旋升角α，螺紋導(dǎo)程l，螺紋螺牙滑動(dòng)摩擦系數(shù)f1，各參數(shù)如圖1所示。

則有[1]：

查詢緊固件實(shí)用手冊(cè)[2]，螺桿支撐面與被連接件之間的摩擦力矩為：

圖1　螺桿擰緊過程相關(guān)參數(shù)

其中，fc為螺桿支撐面與楔塊之間的摩擦系數(shù)，D1為螺桿支撐面外徑，D0為墊圈孔直徑。

則有擰緊力矩T為[3-4]：

在擰緊過程中按照公式（4）得

2　鎖緊螺桿拉力與LRM模塊最大滑動(dòng)摩擦阻力關(guān)系計(jì)算

在已知拉力Q的情況下，對(duì)于三節(jié)鎖緊裝置，分別針對(duì)不同鎖緊裝置楔塊對(duì)導(dǎo)軌槽的壓力，乘以鎖緊條與導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f2得出其摩擦阻力，累加后即得到單個(gè)鎖緊裝置所產(chǎn)生的固定摩擦阻力F。

三節(jié)鎖緊裝置固定方式與受力情況如圖2所示。

圖2　三節(jié)鎖緊裝置結(jié)構(gòu)及各楔塊受力示意圖

在三節(jié)鎖緊裝置中，設(shè)相對(duì)滑動(dòng)夾角為δ，根據(jù)圖2力的相互作用關(guān)系有：

通常鎖緊裝置中δ=45°，則tanδ=1，有：

根據(jù)公式（5）（6）得鎖緊條的擰緊力矩與摩擦阻力之間的關(guān)系為：

對(duì)于質(zhì)量為m的模塊，其振動(dòng)峰值加速度為a，由于峰值加速度的不確定性和不可測(cè)量性，取置信度區(qū)間為3σ（置信度為99.73%）[5]，則amax= 90 g，鎖緊安全系數(shù)為k，模塊至少采用2組鎖緊裝置固定，則應(yīng)滿足：

即

3　算例

以某型常用鎖緊裝置為例，螺桿規(guī)格為M3，P=0.45mm，d2=2.7mm，θ=30°，螺紋內(nèi)鋼-鋼靜摩擦系數(shù)為f1=0.15，鎖緊條楔塊、楔塊安裝筋及導(dǎo)軌材料為硬鋁合金，均為粗糙表面，靜摩擦系數(shù)為f2=1.05，取fc=0.5（f1+f2）=0.6，D1=5mm，D0=3.2mm，其用于固定質(zhì)量m=1 kg的模塊，在峰值振動(dòng)加速度為30 g（294m/s2）的條件下進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)公式（1）（2）有：

代入公式（8）得：

按照該鎖緊裝置的擰緊力矩要求，M3螺釘?shù)臄Q緊力矩為0.68N·m[3]，則安全系數(shù)k=5.2，因此上述算例中的螺桿擰緊力矩能夠滿足鎖緊要求，并保留有較大的設(shè)計(jì)余量。但是對(duì)于整個(gè)鎖緊裝置受力情況而言，還需進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。

4　強(qiáng)度校核

在鎖緊裝置中，由于螺桿軸向的受力面積小，且承受較大的拉應(yīng)力，因此驗(yàn)證鎖緊裝置的可靠性，主要就是驗(yàn)證螺桿的強(qiáng)度可靠性。螺桿失效模式判斷依據(jù)為其拉應(yīng)力是否超過其最大抗拉強(qiáng)度。設(shè)螺桿抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為kL，在上述算例中，螺桿承受的拉力根據(jù)公式（5）計(jì)算得：

螺桿最小截面積S按照螺紋小徑（d3= 0.00255m）計(jì)算為：

螺桿受到的拉應(yīng)力為：

對(duì)于不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料，其抗拉強(qiáng)度為σb=540MPa，則有：

在整個(gè)鎖緊裝置工作過程中，可靠性受多方面影響，對(duì)比k及kL，安全系數(shù)分配均衡，因此上述案例中的設(shè)計(jì)及擰緊力矩要求合理。

5　結(jié)語

上文中的各項(xiàng)計(jì)算均假設(shè)鎖緊裝置工作在理想情況，在摩擦副極限受力及摩擦面受力不均勻等情況下將不適用；并且由于各參數(shù)的選取受多方面因素影響，尤其是靜摩擦系數(shù)受到表面粗糙度的影響非常明顯；此外模塊在振動(dòng)環(huán)境中的峰值加速度值通常只能通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，都存在較大誤差，因此在進(jìn)行計(jì)算前，應(yīng)盡可能獲得準(zhǔn)確的參數(shù)以減小誤差。

當(dāng)鎖緊力不能滿足使用要求時(shí)，在空間允許的情況下，優(yōu)先考慮增加鎖緊裝置的楔塊數(shù)量，通過上述分析推理可知5節(jié)鎖緊裝置的在同樣條件下鎖緊力為3節(jié)的2倍，7節(jié)鎖緊裝置為3倍，但在鎖緊過程中螺桿的鎖緊行程將分別變?yōu)?節(jié)鎖緊裝置的2倍和3倍；當(dāng)模塊體積較大有較大的布置空間時(shí)，則可考慮采用1對(duì)以上鎖緊裝置以成倍增加鎖緊力，在少量增加整體重量的前提下，成倍增加鎖緊力，并有效提高了模塊的散熱效率，計(jì)算與校核方法本文不再贅述。

［1］任麗華.螺紋擰緊扭矩的理論分析［J］.煤礦機(jī)械，2006（7）：67-69.

［2］孫小炎.航天緊固件實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［3］張振華.螺栓擰緊力矩的確定方法及相關(guān)探討［J］.化學(xué)工程與裝備，2009（8）：105-106.

［4］郭衛(wèi)凡.螺紋受力分布分析方法及其應(yīng)用實(shí)例［J］.機(jī)械與電子，2010（17）：70-71.

［5］Dave S.Steinberg.電子設(shè)備振動(dòng)分析［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2012.

［6］焦超鋒.機(jī)載電子設(shè)備常用螺釘擰緊力矩研究電子［J］.機(jī)械工程，2012（6）：54-57.

(編輯：向飛)

Research on the Reliability of Electronic Modular Structure Interconnection

DI Lan-ping
（AeronauticalComputing Technique Research Institute，Xi’an 710077，China）

The LRMmodule has been widely used in kinds of electronic systems，including fast plug locking device for the realization of the LRM module quickly swap key lock function，according to the different requirements of differentmodules，in weight，space and environmental conditions，the choice ofwhether a locking device specifications，quantity，tightening torque requirements tomeet the reliability requirements will become very important.Bymeans ofmechanics analysis combined with the related test theory，this article analyzes various parameters ofwhich affect the fast plug locking device，to verify that the design is reasonable，and the results compared with authenticated case proves that themethod is feasible.

locking device；tightening torque;tightening force；friction force

TH112

A

1009－9492(2015)06－0093－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.024

2015－01－27

邸蘭萍，女，1963年生，河北唐縣人，碩士。研究領(lǐng)域：項(xiàng)目管理。已發(fā)表論文2篇。