某機載電子設備風機振動故障分析

何林濤，任建峰

（中國西南電子技術研究所，成都 610036）

引言

在航空平臺中，電子設備可靠性要求很高，同時其工作環境十分復雜，面臨著高低溫、鹽霧和強振動等惡劣的環境條件。

對于功耗高，機載平臺又不能提供環控的電子設備，一般需要自帶風機進行散熱。風機作為一種復雜的機電類模塊，其選型及其安裝方式的設計，必須要綜合考慮設備的功能要求、設備外形、重量指標、功耗指標和環境適應性要求等因素；并且通過振動和熱仿真，來保證電子設備滿足機載平臺的環境適應性要求；最后通過振動和熱等環境試驗來驗證設計的合理性，并篩選生產中的加工缺陷。

某機載電子設備，自帶風機散熱，在振動環境試驗中出現了風機停轉的故障。本文針對設備的風機故障進行分析，探明其故障原因，并進行改進分析。

1 問題描述

1.1 結構描述

某電子設備的結構形式如圖1所示。設備重量為4 kg，尺寸為170 mm×150 mm×120 mm。設備通過螺釘硬裝在飛機平臺的安裝板上。風機位于設備頂部，用于散熱。由于風機遠離設備底部的安裝點，有較強的振動放大，故采用了4個減振器安裝風機。由于體積重量的限制，減振器選擇了某小型橡膠減振器，其額定載荷為50 g。

圖1 某電子設備的結構形式

1.2 故障定位

拆下風機后，對風機單獨加電，風機未能啟動，確定為風機出現故障。風機外觀完好，撥動風機轉子，能正常轉動，說明風機軸承完好。進一步檢查，撬開風機電路部分的封蓋，發現其中一根導線的焊點開裂，且存在局部焊錫熔融，但未見腐蝕，如圖2所示。將失效焊點進行補焊后，風機通電恢復運行。說明是導線開路導致了風機故障。

圖2 導線開裂示意圖

由于故障處既有導線斷裂，也有焊錫熔融現象。導線開路的故障原因還需要進一步分析：如果是經過大電流發熱導致焊錫熔融，則在焊錫熔化后，導線就會脫離焊盤，不會出現斷裂現象。而導線在風機內部，只受到振動載荷，而且該導線未進行抗振加固，因此推測線纜焊點在振動作用下開裂，但線纜和焊點還保持了搭接，引起接觸電阻增加，進而引起發熱焊錫熔融，最終引起電路開路。

2 疲勞壽命理論

該平臺的振動為寬帶隨機振動，頻率范圍為15~2 000 Hz，適合用頻域分析法[1]進行隨機振動疲勞壽命分析。李齊兵等[2]對某機載單元進行了隨機振動疲勞仿真分析，評估了其疲勞壽命。張云等[3]預估某電子設備印制板焊點的振動疲勞薄弱環節，并完成了試驗驗證。

工程上使用較多的是Steinberg提出的基于高斯分布的三區間法結合Miner線性累計損傷定律來進行結構的隨機振動疲勞計算[4]，由高斯分布的概率密度函數可知，應力幅值落在各應力區間的概率如表1所示。

由表1可見，應力幅值落在[-3σ，3σ]之外的可能性只有0.27 %，概率極小，但為了保證應力分布函數概率的完整性，目前隨機振動試驗中常按照±3σ對隨機信號削波[5]，將[-3σ，3σ]區間之外的應力等效為±3σ，這就使應力幅值的概率密度函數在[-3σ，3σ]區間上的累計積分值仍為1，如圖3所示。

圖3 削波后的非高斯概率密度函數

表1 高斯分布三區間法

則結構損傷疲勞度D可表示為：

式中：

m2和m0—分別為隨機振動功率譜密度的2階和0階慣性矩；

N1σ、N2σ和N3σ—分別為在1σ、2σ和3σ應力載荷作用下材料的疲勞壽命（最大循環次數）。

疲勞壽命為：

3 故障分析

將設備布置在振動試驗臺上，按照平臺的振動條件進行試驗，在該電子設備頂部，即減振器的安裝點的振動響應的均方根加速度（RMS）放大到約30 g。在風機外殼上測得振動響應如圖4所示，即使經過減振器衰減后，風機還是承受較大量級的振動響應，RMS達到14.65 g。

按照導線大致的走線趨勢和導線的物理參數，建立導線的振動仿真模型。對導線兩端銅芯施加固支約束模擬焊點；再對模型進行網格劃分；然后計算導線的模態，得到其共振頻率如表2所示。

表2 模態

然后分別從X、Y、Z方向施加圖4的隨機振動條件，進行應力分析。

模擬風機實物，在只固定導線兩端銅芯的情況下，仿真得到導線的隨機振動應力分布如圖5所示。導線在Y向隨機振動時應力幅值最大，出現在焊點處，約為37.29 MPa，與故障斷裂位置吻合。

圖5 導線最大應力分布圖（只固定兩端銅芯）

由純銅的疲勞S-N曲線及疲勞極限[6]可知：

應力幅值為1σ=37.29 MPa時，對應的疲勞壽命N1σ=+∞；

應力幅值為2σ=74.58 MPa時，對應的疲勞壽命 N2σ=1.74×107；

應力幅值為3σ=111.87 MPa時，對應的疲勞壽命N3σ=1.02×106。

同時根據圖4的隨機振動載荷條件可計算出模塊耐久振動的平均頻率fu+=811 Hz，將上述結果代入式（1） 可得單位時間內結構損傷為:

圖4 風機振動響應譜線

D=4.89×10-5

疲勞壽命為：

Tf=5.68 h

導線的平均振動疲勞壽命為5.68 h，低于規定耐久試驗時間10 h，驗證了導線是由于振動應力才導致了焊點處疲勞斷裂，表明當前導線結構確實無法滿足耐久試驗要求，需進行加強改進。

4 改進分析

為了避免后續再出現風機導線斷裂的故障，可以從加固導線和降低振動輸入量級兩方面進行分析。

4.1 加固導線

加固導線即提高導線自身的抗振能力，由于風機內部空間有限，只能采用點膠的辦法。點膠可以增加導線的固定面積，進而達到減小應力的目的。

按照在焊點部位點膠的情況進行仿真，得到加固后導線的最大1σ應力幅值為2.26 MPa，如圖6所示。由于3σ應力幅值6.78 MPa小于銅的疲勞極限，理論上導線處于無限壽命區，不會出現疲勞斷裂。

圖6 導線應力分布圖（點膠）

4.2 降低振動輸入

降低振動輸入，也可以有效的降低導線上的應力。原設計采用的是小型橡膠減振器，具有體積小，重量輕的優點，但缺點是阻尼系數小，衰減系數小。將其更換為某新型小型金屬彈簧減振器。經過新減振器衰減后，風機承受振動響應RMS下降到4.102 7 g。

通過仿真，得到更換新減振器后導線最大1σ應力幅值為1.34 MPa，如圖7所示。3σ應力幅值4.02 MPa小于銅的疲勞極限，理論上導線處于無限壽命區，不會出現疲勞斷裂。

圖7 導線應力分布圖（新減振器）

5 試驗驗證

點膠雖然能防止導線斷裂，但是該風機是外購的成品，必須撬開風機的電路部分的封蓋才能操作加固，在開蓋操作中容易誤傷風機內部元器件，不但工藝性差，還會破壞風機外觀。故設備采用了更換新型減振器的措施。

將風機加裝新型減振器，用相應夾具將該組件固定在振動臺上，單獨進行耐久振動試驗驗證，如圖8所示。振動條件按照圖4中隨機振動譜線。振動信號檢測傳感器放置在風機安裝點處。振動完成后對風機進行檢查，風機所有結構完好，通電后正常工作，開蓋后也未發現導線斷裂現象。從試驗結果可知，該風機加裝新型減振器后，在環境條件要求的耐久振動試驗中沒有出現疲勞破壞，滿足使用要求。

圖8 耐久振動試驗示意

6 結論

本文采用理論分析和仿真計算結合的方法探究了某設備在隨機振動試驗過程中發生風機導線斷裂失效的問題，完成主要工作如下：

1）采用仿真得到應力最大處，與實際斷裂位置吻合；并應用Miner線性累計損傷定律和削波后高斯三區間法，計算出導線的疲勞壽命低于規定的耐久振動時間，說明斷裂是由于振動造成。

2）計算分析了加固導線和降低振動輸入兩種辦法，選擇了采用新減振器降低振動輸入作為改進措施，并采用耐久試驗驗證其可行性。