外殼防護等級標準解讀及案例分析

劉凱， 劉展， 石雄毅， 石遠豪， 林麗蕓， 陳澤平， 劉桂珠

（佛山賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 廣東 佛山 528226）

0 引言

隨著產(chǎn)品可靠性的提升， 外殼作為對產(chǎn)品防護最重要的一環(huán)， 其設(shè)計受到越來越多廠家的關(guān)注。外殼防護的意義一方面是防止異物的進入， 另一方面是防止外界接觸到內(nèi)部的危險部件； 外殼的防護等級越高， 則意味著防護性能越好， 但是在產(chǎn)品設(shè)計的過程中不能一味地追求高的防護等級而忽略制造成本[1]， 應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境來確定相應(yīng)的防護等級。 目前針對電子產(chǎn)品常用的標準主要是ISO 20653—2013[2]Road vehicles—Degrees of protection （IP code）， GB/T 4208—2017[3]《外殼防護等級（IP 代碼）》 等。

1 GB/T 4208—2017 《外殼防護等級（IP 代碼）》 的解讀

GB/T 4208—2017 《外殼防護等級（IP 代碼）》適用于額定電壓不超過72.5 kV， 借助外殼防護的電氣設(shè)備的防護等級。 通俗意義上來講就是防異物（防接觸危險部件） 測試和防水測試， 用IPXX 進行表示， 數(shù)字越大代表的防護等級越高， 附加字母和補充字母可省略， IP 代碼的配置如圖1 所示， IP代碼的各個要素及含義如表1 所示。

表1 IP 代碼的各個要素及含義

圖1 IP 代碼的配置

1.1 防止異物進入的防護等級

防止異物進入主要分為兩個部分： 1） 對接近危險部件的防護， 危險部件主要是指帶電部件或者運動部件， 其防護的主要目的是防止人手接觸或者手持工具接觸到危險部件， 避免發(fā)生傷亡事故； 2）防止固體異物進入， 固體異物主要是粉塵、 金屬線和球體大小的物體， 異物的進入會導致殼體內(nèi)部潤滑性能、 電路等受到影響， 進而引發(fā)短路、 擊穿和運動部件卡死等情況[4]。 第一位特征數(shù)字所表示的對接近危險部件和防止固體異物的防護等級如表2-3 所示[3]。

表2 第一位特征數(shù)字所表示的對接近危險部件的防護等級

表3 第一位特征數(shù)字所表示的防止固體異物進入的防護等級

這里著重介紹下數(shù)字為5 和6 防護等級的主要區(qū)別： 1） 試驗條件有差別， IP5X 通常認為外殼內(nèi)氣壓與周圍大氣壓力相同， IP6X 是殼體和外界有不大于2 kPa 的負壓， 用于模擬例如因熱循環(huán)引起的負壓； 2） 判定準則有所差別， IP5X 是允許有少量進塵， 但是進塵量不得影響設(shè)備的正常運行， 不得影響安全（除非有關(guān)產(chǎn)品明確規(guī)定在可能沿爬電距離導致電痕化處不允許有灰塵沉積）， IP6X 是不應(yīng)有灰塵進入。

1.2 防止水進入的防護等級

由于自然界雨水、 凝露和呼吸等作用， 加上樣品防護等級不到位， 會造成樣品內(nèi)部腐蝕、 變形、褪色、 發(fā)霉和生銹， 嚴重地影響產(chǎn)品的強度和外觀； 對于一些電氣設(shè)備， 還有可能造成短路、 絕緣能力降低等問題。 標準規(guī)定了從0～9 的防水等級，具體內(nèi)容如表4 所示。

表4 第二位特征數(shù)字所表示的防止水進入的防護等級

IPX1 和IPX2 是滴水試驗， 區(qū)別在于X2 有傾斜且水流量相對更大； IPX3 和IPX4 為淋水（濺水）試驗， 可以用擺管或淋水噴嘴進行試驗， 但是要注意樣品的大小， 區(qū)別在于擺動最大角度不一樣且水流量有區(qū)別， IPX5 和IPX6 為噴水試驗， 區(qū)別在于噴嘴內(nèi)徑和水流量不一樣， IPX7 和IPX8 為浸水試驗， 但是X7 有明確的試驗條件， 水深為1 m， 試驗時間為30 min， X8 無明確的試驗條件， 需要用戶和制造廠協(xié)商， 但是要比X7 更加嚴酷（無論是體現(xiàn)在水深還是試驗時間）； IPX9 是2017 新版標準增加的試驗內(nèi)容， 為最嚴酷的防水等級。

這里要格外注意的是樣品的溫度和水溫的溫差不應(yīng)大于5 K （IPX9 除外）， 且試驗時， 殼內(nèi)由于冷凝產(chǎn)生的水不應(yīng)誤判為樣品進水。 如進水量很少無法找到樣品進水位置時， 則可在水中加入熒光物質(zhì)， 試驗后在光照下觀察即可。

2 常見的失效案例分析

2.1 防異物（粉塵） 進入試驗

試驗設(shè)備如圖2 所示。

圖2 防塵箱

試驗用粉塵為滑石粉， 使用之前應(yīng)經(jīng)過75 μm的篩網(wǎng)濾過， 每立方米的用塵量為2 kg， 且使用次數(shù)不應(yīng)超過20 次； 是否抽負壓根據(jù)嚴酷等級選用， 試驗時間根據(jù)標準中規(guī)定， 所需的設(shè)備應(yīng)通過計量校準。

設(shè)備的密封性能直接影響其防護等級， 如圖3-6 所示。 在工程實踐中一般有以下幾種原因會導致失效： 1） 密封圈選用不合理， 選用的密封圈直徑或材質(zhì)不合理導致密封效果差； 2） 密封膠的效果不好， 導致樣品內(nèi)部與外界連通； 3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理， 例如放置密封圈的溝槽設(shè)計不合理， 螺絲連接處有縫隙等。

圖3 某樣品IP5X 試驗中

圖4 某交通信息顯示屏IP5X 試驗后進塵

圖5 某無線接入設(shè)備IP4X 試驗中

圖6 某對講機IP6X 試驗后（無進塵）

2.2 防水試驗

防水試驗設(shè)備如圖7-11 所示， 包含了IPX1-IPX9 的防水等級。

圖7 IPX2 試驗中

圖8 IPX4 試驗中

圖9 IPX5 試驗中

圖10 IPX8 試驗中

圖11 IPX9 試驗中

防水試驗一般和防固體異物試驗一起開展， 試驗時應(yīng)提供不同的樣品， 防止因拆開檢查前一個項目后無法完全復現(xiàn)樣品之前的密封狀態(tài)。 試驗過程中沒有明確規(guī)定試驗順序， 如果只有一套樣品， 當涉及到需要負壓的IP6X 試驗時， 為了避免打孔對樣品密封造成的影響， 可先開展防水試驗， 然后再進行防塵試驗； 防塵和防水試驗后檢查時， 應(yīng)擦干凈表面的塵和水， 小心地打開樣品， 切不可將外部的塵和水在檢查過程中帶入樣品[5]。 值得注意的是IPX3 和IPX4 有兩套試驗裝置可供試驗， 一套為擺管， 一套為噴頭， 應(yīng)根據(jù)樣品的大小和標準的規(guī)定合理地選用試驗裝置。

3 結(jié)束語

外殼防護等級是設(shè)計出來的， 要求研發(fā)人員充分地調(diào)研產(chǎn)品的使用工況， 避免盲目地選取較高的嚴酷等級可能會造成試驗不通過； 同時在試驗開展過程中對測試人員的要求比較高， 只有充分地理解并運用正確的測試方法才能得到準確的結(jié)果。 本文通過標準的解讀和實例的解析， 為研發(fā)人員和測試人員在工作開展過程中提供了一定的指導。