海環(huán)境下風(fēng)機防護措施研究

莊緒法，李培培，唐冉，關(guān)楠楠

（北京無線電測量研究所，北京 100854）

引言

雷達設(shè)備長期服役于海環(huán)境中，濕熱、鹽霧和霉菌對雷達設(shè)備的結(jié)構(gòu)和電氣元器件的侵蝕破壞，會嚴(yán)重影響裝備的可靠性和服役壽命[1]。據(jù)資料統(tǒng)計：有50 %以上的設(shè)備故障是由三防（防濕熱、防鹽霧、防霉菌）設(shè)計不當(dāng)或三防工藝不成熟而造成的[2,3]。風(fēng)機作為雷達電子設(shè)備通風(fēng)散熱的關(guān)鍵核心器件，如若發(fā)生故障，會給雷達電子設(shè)備帶來性能影響甚至不可逆的損傷。因此，有必要對海環(huán)境下風(fēng)機的環(huán)境防護設(shè)計進行研究。

本文結(jié)合雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計中的直流風(fēng)機，進行風(fēng)機的環(huán)境防護措施研究及分析，為雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)機的選型及防護提供借鑒和參考。

1 風(fēng)機結(jié)構(gòu)

直流風(fēng)機主要由風(fēng)機葉片和風(fēng)機外框兩部分組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。內(nèi)/外軸承、襯套、繞組、印制電路板與風(fēng)機外框為一體，轉(zhuǎn)軸與風(fēng)機葉片為一體，風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)軸通過彈簧、平墊圈、彈性擋圈與風(fēng)機外框連接，保持相對位置關(guān)系。彈簧設(shè)置在外軸承外側(cè)，靠平墊圈和彈性擋圈壓緊。

圖1 某直流風(fēng)機結(jié)構(gòu)組成示意圖

直流風(fēng)機葉片和風(fēng)機外框材質(zhì)一般為復(fù)合材料或金屬材料，且結(jié)構(gòu)件自身均做有相應(yīng)的表面處理和涂覆處理，海環(huán)境下相對不易產(chǎn)生腐蝕損傷；轉(zhuǎn)軸及軸承部分因風(fēng)機高速旋轉(zhuǎn)，常注有潤滑脂或潤滑油，海環(huán)境下亦不易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。直流風(fēng)機海環(huán)境下的環(huán)境防護重點為印制電路板，印制電路板上電子元器件、金屬件及電路在濕熱、鹽霧、霉菌環(huán)境下，經(jīng)常發(fā)生腐蝕，絕緣電阻下降，信號傳輸失真，導(dǎo)致風(fēng)機故障。

交流風(fēng)機內(nèi)部設(shè)備組成及布局與直流風(fēng)機不同，不存在印制電路板，核心器件漆包線繞組均涂覆有較厚的絕緣漆，故交流風(fēng)機的環(huán)境防護性能強于直流風(fēng)機。

2 風(fēng)機防護設(shè)計

2.1 風(fēng)機防護措施

目前海環(huán)境下直流風(fēng)機環(huán)境防護措施主要有如下三種：

1）直流風(fēng)機三防選型：考慮風(fēng)機的使用環(huán)境，設(shè)計階段選用具備三防能力的風(fēng)機，防護等級IP68；

2）浸泡法三防處理：風(fēng)機進行聚氨酯清漆浸泡，印制電路板形成三防鍍膜，提高印制電路板上元器件的三防性能；

3）真空氣相沉積法鍍絕緣膜：風(fēng)機采用真空氣相沉積法對風(fēng)機進行絕緣鍍膜，成分為C型聚對二甲苯，提高風(fēng)機環(huán)境防護性能。

2.2 浸泡法工藝流程

1）準(zhǔn)備：待處理風(fēng)機齊套，風(fēng)機表面標(biāo)記；加電測試，記錄風(fēng)機工作的電壓和電流值。

2）清洗：風(fēng)機浸入無水乙醇，風(fēng)機印制電路板側(cè)朝下，無水乙醇沒過風(fēng)機印制板；浸泡約1 min，手持風(fēng)機輕輕晃動約1 min，晃動時保持風(fēng)機印制板始終浸泡在無水乙醇內(nèi)。

3）去潮：風(fēng)機從無水乙醇內(nèi)取出，靜置5 min后入烘箱45 °去潮處理4 h。

4）測試：風(fēng)機加電測試，記錄風(fēng)機工作的電壓和電流值。

5）三防處理：

① 按聚氨酯清漆防護噴涂通用工藝配置三防漆；

② 用壓敏膠帶保護風(fēng)機葉片；

③ 風(fēng)機印制電路板側(cè)朝下平放入容器內(nèi)；

④ 將配好的三防漆慢慢注入容器，液面沒過印制電路板約1 mm，靜置1 min；

⑤ 將風(fēng)機取出，滴漆約5 min，用無紡布或綢布蘸取無水乙醇將風(fēng)機下表面的漆液擦除；

⑥ 室溫自然晾干4 h；

⑦ 重復(fù)①～⑥工序操作；

⑧ 室溫固化24 h。

6）清潔處理：去除風(fēng)機葉片上的膠帶及表面多余物，并去除多余漆液。

7）測試：風(fēng)機加電測試，記錄風(fēng)機工作的電壓和電流值。

2.3 真空氣相沉積法工藝流程

1）準(zhǔn)備：

① 待處理風(fēng)機齊套，風(fēng)機表面標(biāo)記；加電測試，記錄風(fēng)機工作的電壓和電流值；

② 待處理風(fēng)機工件架擺放整齊，避免相互碰觸；工件架放塞尺做陪測片；

③ 記錄環(huán)境溫度和濕度，溫度應(yīng)保持在（25±10）℃；濕度應(yīng)保持在（20～75）%RH。

2）稱料：按工藝要求稱取鍍膜厚度對應(yīng)Parylene C原材，記錄數(shù)據(jù)及原材料批號。

3）沉積：

① 設(shè)備開機，系統(tǒng)抽真空，同時打開冷機；

② 真空控制器達到設(shè)置值，開裂解爐和真空規(guī)管加熱，設(shè)置溫度，記錄時間和參數(shù)；

③ 當(dāng)裂解爐溫度顯示670～690 ℃，且真空達到并低于基壓時，打開蒸發(fā)旋鈕，設(shè)置蒸發(fā)溫度110～120 ℃，記錄時間和各參數(shù)；保持40～60 min；

④ 將真空控制器設(shè)定值升高5，同時將蒸發(fā)溫度設(shè)定值升至180 ℃，記錄時間和各參數(shù)；保持此設(shè)置值15～25 min；

⑤ 將真空控制器設(shè)定值再升高5，記錄時間和各參數(shù)；保持此設(shè)置值15～25 min；

⑥ 將真空控制器設(shè)定值再升高2，記錄時間和各參數(shù)；保持此設(shè)置值15～25 min；

⑦ 將真空控制器設(shè)定值再升高1，記錄時間和各參數(shù)；此后進入穩(wěn)定鍍膜階段，無需記錄數(shù)據(jù)，或記錄一次期間任意時刻的各參數(shù)；

⑧ 結(jié)束關(guān)機，將真空旋鈕旋至HOLD位置，關(guān)冷機；將裂解爐旋鈕旋至關(guān)閉；記錄時間和各參數(shù)；

⑨ 關(guān)閉蒸發(fā)旋鈕旋，停機，維持真空隔天卸架，或待裂解爐溫度降至400 ℃，且蒸發(fā)溫度降至75 ℃以下后，將關(guān)閉蒸發(fā)旋鈕，真空放氣，出爐，記錄時間和各參數(shù)；

⑩ 出爐時，移除腔體，取下工件架，戴手套逐層取出工件，置于周轉(zhuǎn)盒內(nèi)，并對有稱重標(biāo)記的工件進行稱重。

4）檢驗：

① 外觀檢測保護膜層需完整，膜層表面沒有氣泡；

② 檢測膜層厚度需符合圖紙要求；

③ 風(fēng)機加電測試，記錄風(fēng)機工作的電壓和電流值。

2.4 風(fēng)機防護小結(jié)

聚氨酯清漆浸泡法或真空氣相沉積法均能夠使風(fēng)機印制電路板表面產(chǎn)生三防鍍覆膜層，且風(fēng)機三防處理前后運行電流基本一致，上下偏離值均在5 %以內(nèi)。風(fēng)機印制板處理前后實物如圖2所示。

3 風(fēng)機環(huán)境試驗

為驗證直流風(fēng)機三防處理后，環(huán)境防護措施能否滿足裝備使用要求，取某型直流風(fēng)機進行強化鹽霧試驗驗證其三防性能。

3.1 試件規(guī)格

進行強化鹽霧試驗的風(fēng)機試件規(guī)格如表1所示。

3.2 試驗依據(jù)

試驗根據(jù)強化鹽霧試驗方法進行，具體試驗條件如下：

圖2 某直流風(fēng)機印制板實物圖

表1 鹽霧試驗風(fēng)機型號

3.2.1 試驗條件

1）軍標(biāo)一般鹽霧試驗條件

試驗按GJB 150.11A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》中規(guī)定的條件和方法進行，共進行96 h。

2）強化鹽霧試驗條件

已知海黃銅要求滿足鹽霧試驗500 h的要求，不銹鋼材料要求滿足鹽霧試驗1 000 h的要求。試驗選取進行480 h（ 10個循環(huán)）鹽霧試驗。

3.2.2 試驗方法

試驗方法遵循GJB 150.11A-2009規(guī)定。

1）預(yù)處理

對試件表面進行預(yù)處理，以確保試件表面沒有污染物。

2）初始檢測

檢查試件外觀并照相記錄。

3）試驗樣品在試驗設(shè)備中的安裝

試驗樣件懸掛于樣品架上，樣品周圍的空氣應(yīng)保持自由循環(huán)，并確保試驗箱內(nèi)沉降量收集器放置的位置不會收集到從試件上滴落的液滴。

4）試驗

① 調(diào)節(jié)試驗箱溫度為+35 ℃，并在噴霧前將試件保持在該條件下2 h；

② 連續(xù)噴霧24 h，期間保證鹽溶液的沉降率為（1～3）mL/（80 cm2h）；

③ 在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件溫度(+15～+35） ℃和相對濕度不高于50 %的條件下干燥試件24 h；

④ 重復(fù)一次步驟②和步驟③；

⑤ 共進行10個循環(huán)（480 h）。

5）鑒定

受樣件品外表面經(jīng)鹽霧試驗后外觀要求：

① 非金屬材料無明顯的泛白、膨脹、起泡、皺裂以及麻坑等；

② 結(jié)構(gòu)件金屬無明顯發(fā)暗變黑；

③ 金屬結(jié)合處無嚴(yán)重腐蝕；

④ 金屬防腐層輻射面積不超過金屬防護層面積的30 %；

⑤ 涂漆層除局部邊棱處外，無氣泡、起皺、開裂或脫落，且底金屬未出現(xiàn)腐蝕。

3.3 試驗過程

鹽霧試驗過程試件實物如圖3所示。

3.4 試驗結(jié)果

試驗根據(jù)試驗后風(fēng)機加電測試額定電流變化判定風(fēng)機性能狀態(tài)，共分為風(fēng)機空載（前后無遮擋）和風(fēng)機負載（進風(fēng)口遮擋）兩種狀態(tài)進行測試。為保證風(fēng)機試件三防前、三防后及鹽霧試驗后3種不同情況下測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)三定原則，所使用的測試設(shè)備、測試人員保持不變，測試結(jié)果如表2和表3所示。

圖3 試件005鹽霧試驗圖片

根據(jù)表2和表3強化鹽霧試驗結(jié)果，各風(fēng)機試件在鹽霧試驗96 h、240 h、480 h后，保持風(fēng)機電壓24 V不變，風(fēng)機運行電流與三防試驗后的運行電流基本一致，上下偏離值在5 %以內(nèi)，可以判定在480 h鹽霧試驗后，各風(fēng)機試件的印制板尚未被鹽霧腐蝕損壞，風(fēng)機運行正常。

由圖4可知，隨著鹽霧試驗時長的逐漸增加，風(fēng)機表面白色晶體（主要成分為NaCl）累積的越來越多，風(fēng)機印制板的元器件表面逐漸被白色晶體覆蓋，元器件被鹽霧腐蝕的概率也隨之增加。從實際風(fēng)機測試結(jié)果可以得出，240 h鹽霧試驗和480 h鹽霧試驗，風(fēng)機的印制板尚未被鹽霧腐蝕，仍然可以正常工作。

4 風(fēng)機防護分析

海環(huán)境下直流風(fēng)機三種防護措施：直流風(fēng)機三防選型、浸泡法三防處理、真空氣相沉積法鍍絕緣膜，三種防護措施在實際設(shè)備使用過程中針對不同規(guī)格的直流風(fēng)機，均存在一定的問題，現(xiàn)對問題分析如下。

表2 風(fēng)機測試記錄表（風(fēng)機縱向放置-前后無遮擋）

表3 風(fēng)機測試記錄表（風(fēng)機水平放置-進風(fēng)口有遮擋）

圖4 風(fēng)機浸水試驗

圖5 風(fēng)機鍍膜后內(nèi)部示意

4.1 直流風(fēng)機三防選型

直流風(fēng)機三防選型能夠滿足海環(huán)境下裝備的正常使用需求，且防護等級達到IP68，環(huán)境適應(yīng)性強。但直流風(fēng)機三防選型最主要的問題是成本較高，通常是普通風(fēng)機價格的3～5倍。

4.2 浸泡法三防處理

風(fēng)機浸泡法三防處理同樣能夠滿足海環(huán)境下裝備的正常使用需求，印制板可防水濺但風(fēng)機浸水后損壞，無法達到風(fēng)機整體防水。這是因為受限于噴涂工藝存在操作局限性，風(fēng)機印制板某些部位存在噴涂不可達問題，如芯片/模塊底部、隱藏焊點部位等，如果噴涂不可達部位沒有有效的防護措施，印制板長期處于高鹽霧、高濕熱、高霉菌環(huán)境中，極易造成腐蝕、短路等嚴(yán)重后果，降低產(chǎn)品可靠性。

4.3 真空氣相沉積法鍍絕緣膜

真空氣相沉積法鍍絕緣膜環(huán)境防護性能最好，風(fēng)機浸水后仍能正常運轉(zhuǎn)，如圖4所示。但針對不同規(guī)格直流風(fēng)機，真空氣相沉積法鍍絕緣膜后，風(fēng)機一定程度上會出現(xiàn)停轉(zhuǎn)、異響等現(xiàn)象。這是因為目前風(fēng)機鍍膜工藝采用整體鍍膜方式，經(jīng)鍍膜風(fēng)機拆解分析可知：

1）真空氣相沉積法鍍絕緣膜法能夠提升直流風(fēng)機三防性能，效果因風(fēng)機規(guī)格、形式不同略有差異；

2）風(fēng)機因型號規(guī)格不同，風(fēng)機的結(jié)構(gòu)形式不同，鍍膜的效果及鍍膜帶來的停轉(zhuǎn)、異響問題也有不同；

3）風(fēng)機鍍膜過程如無合理的拆解恢復(fù)或防護措施，整體鍍膜會導(dǎo)致風(fēng)機內(nèi)部、轉(zhuǎn)軸端面、或內(nèi)外軸承內(nèi)部等位置同時進行鍍膜（見圖5），增大風(fēng)機轉(zhuǎn)動摩擦阻力，導(dǎo)致風(fēng)機停轉(zhuǎn)、異響問題發(fā)生；

4）風(fēng)機如能合理拆解和恢復(fù)，僅對印制板進行鍍絕緣膜處理，則風(fēng)機鍍膜后無停轉(zhuǎn)、異響等現(xiàn)象。

5 結(jié)論

海環(huán)境下直流風(fēng)機三種環(huán)境防護措施：直流風(fēng)機三防選型、浸泡法三防處理、真空氣相沉積法鍍絕緣膜，均能不同程度的提升風(fēng)機的環(huán)境防護性能。同時，受限于不同的風(fēng)機規(guī)格及工藝方法，三種環(huán)境防護措施又均存在各自的局限性。

海環(huán)境下風(fēng)機的環(huán)境防護設(shè)計，可根據(jù)不同的使用場景及工藝規(guī)程，選擇不同的環(huán)境防護措施。本文對雷達裝備海環(huán)境下風(fēng)機的環(huán)境防護設(shè)計能夠提供一定的借鑒和參考意義。