Базовые несущие конструкции второго уровня

БАЗОВЫЕ НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ВТОРОГО УРОВНЯ

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОМПОНОВКЕ БЛОКОВ

Методы компоновки ячеек в блоки, рассмотренные в настоящей главе для блоков в негерметичном исполнении, следует использовать и при конструировании блоков в герметичном исполнении.

Выбор варианта конструкции блока и компоновки ячеек в блоке, а также взаимное расположение других конструктивных зон должны осуществляться исходя из технических требований, анализа основных определяющих факторов, специфичных для разрабатываемой РЭА (надежность, ремонтопригодность, габаритные и установочные размеры, масса, тепловые режимы, условия эксплуатации и т. п.).

В основном блоки конструируются прямоугольной формы, за исключением блоков, устанавливаемых в специальные отсеки. Форма блока может отклоняться от прямоугольной только в технически обоснованных случаях, так как такое отклонение делает невозможным применение автоматизированных методов проектирования и исключает возможность использования типовых технологических процессов сборочно-монтажных и регулировочных работ, а также применение высокопроизводительного технологического оборудования, что в целом увеличивает себестоимость и сроки освоения аппаратуры.

Наиболее трудоемкими в процессе проектирования блоков являются выбор рационального варианта компоновки ячеек в блоке, обеспечение минимальной длины цепей электрической коммутации и нормальных тепловых режимов блоков и разработка или выбор БНК блока, которая в свою очередь обеспечивает два первых требования.

Действующая в настоящее время нормативно-техническая документация позволяет с минимальными затратами и временем определить необходимую БНК блока в соответствии с заданным видом аппаратуры.

Эта документация определяет общие технические требования к БНК, основные габаритные, установочные и присоединительные размеры, конструктивное исполнение, а также руководство по применению БНК в аппаратуре.

Следует отметить, что БНК блоков предназначаются для размещения, механического крепления, защиты от механических перегрузок и внешних воздействий ячеек, а также блоков в шкафах, стойках и стеллажах.

Элементы НК должны обеспечивать надежное крепление ячеек с ИС, МСБ и другими ЭРЭ и элементами электрической коммутации, а также минимальную массу, максимальное использование однотипных деталей и их унификацию.

Материалы и покрытия, применяемые для изготовления элементов НК блоков, должны выбираться в зависимости от назначения и условий эксплуатации аппаратуры.

Элементы БНК изготовляются литьем под давлением, штамповкой, прессованием и сваркой

профильных материалов. Однако в последнее время широкое применение получают профильно-сборные конструкции, что обусловливается ростом номенклатуры прессованных профилей и их низкой себестоимостью.

Вопросы осуществления внутриблочной электрической коммутации с применением прогрессивных методов монтажа рассматривались в гл. 6. Важную роль на этапе проектирования имеет правильный выбор межблочного электрического соединителя который зависит от метода меблочной коммутации (петлевой, накидной или врубнои) и БНК блока, определяемой видом аппаратуры

Для электрических межблочных соединений следует использовать следующие соединители: РПКМ, СНП34, РШ5 МР1 PC AT РСГТ и РСГАТ, РСГС, РСГБТ и РСГБАТ, ГРПМ2, ГРПМЗ и ГРПМ9. С соединителями 2РМТ-А1 и 2РМДТ-А1 могут быть использованы плоские гибкие шлейфы и опрессованные кабели.

Обеспечение нормальных тепловых режимов блоков различного конструктивного исполнения предусмотрено использовать при ремонте теплопроводных соединителей электронных аппаратов.

2. КОМПОНОВОЧНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ БЛОКОВ

Под компоновкой блоков следует понимать взаимную ориентацию ячеек или других конструктивных зон (электрической коммутации, механических элементов и т. п.) в заданном объеме блока.

Чтобы определить факторы, влияющие на габариты и конструктивное построение блоков, и установить их взаимосвязь, необходимо рассмотреть существующие конструкции блоков. Рассмотрим разъемный и книжный варианты конструкции, наиболее часто используемые в РЭА (рис. 1).

По эксплуатационному назначению всю РЭА можно разбить на три основных класса: аэрокосмическая, морская, и наземная.

Каждый класс делится на группы, характеризующие место установки (носитель) для конкретной аппаратуры.

С учетом требований, соответствующих условиям эксплуатации, предусматривается определенное использование элементов НК-

Требования по механическим воздействиям влияют на выбор зазоров между ячейками с учетом деформации печатных плат ячеек элементов НК (рамки, ребра жесткости и т. д.), элементов крепления (приливы, кронштейны, шарниры, бобышки и т. д.), элементов конструкции корпуса блока и элементов крепления блоков в стойке, шкафу и т. д.

Г

1Г

Рис. 1 Вариант блока разъемной конструкции

По климатическим требованиям условия эксплуатации оказывают влияние на вариант исполнения корпуса блока: герметичный, негерметичный.

Повышение требований по механическим и климатическим воздействиям на аппаратуру приводит к увеличению вспомогательного объема блока, что в свою очередь влечет за собой увеличение полного объема блока.

Следующим основным фактором, влияющим на габариты блоков, является применяемая элементная база и число элементов, размещаемых в блоке. При разработке современной аппаратуры широко используются достижения в области микроэлектроники.

Широкая гамма разработанных и серийно выпускаемых ИС различной степени интеграции в сочетании с МСБ позволяют даже при значительном увеличении числа элементов в принципиальной электрической схеме блоков сокращать их габариты, что достигается повышением плотности упаковки элементов.

Дальнейшее увеличение степени интеграции ИС и МСБ, использование новых физических принципов функционирования, достижения в области пленочной и полупроводниковой электроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники и в других разделах физики твердого тела позволяют создавать совершенную по своим тактико-техническим и экономическим характеристикам микроэлектронную аппаратуру.

Элементы электрических соединений в блоках влияют на размеры зон электрической коммутации, которые разделяются на внутриблочные и межблочные. Внутриблочная зона образуется элементами электрической коммутации между ячейками внутри блока, межблочная -- элементами электрической коммутации между блоками в шкафу, стойке, пульте и т. д., с учетом объемов, занимаемых частью межблочных электрических соединителей, входящих в полный объем блоков.

Межблочные электрические соединения могут осуществляться: жгутовыми соединениями с помощью объемных проводов, разъемами, соединителями и гибкими шлейфами или гибкими кабелями и коммутационной печатной платой.

Электрические соединители в ячейках занимают в блоках зону, равную 25--35 мм, что увеличивает одну из сторон блока в зависимости от выбранного варианта компоновки.

Жгутовые соединения, гибкие печатные и коммутационные платы увеличивают габариты корпуса блока на 15--20 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Для обеспечения в блоках РЭА нормального теплового режима применяются различные системы охлаждения в зависимости от температуры окружающей среды, максимально допустимой температуры ЭРЭ, варианта исполнения корпуса блока (герметичный, негерметичный) и варианта конструкции и компоновки ячеек в блоке.

Воздушная система охлаждения при естественной конвекции вызывает необходимость выполнения зазоров между ячейками 6-- 8 мм для обеспечения нормального теплового режима внутри блока.

Воздушная система охлаждения с принудительным охлаждением позволяет уменьшить зазоры между ячейками до 2 мм, однако вызывает увеличение объема блока на 10--15% за счет установки вентилятора или воздуховодов.

В сочетании с перечисленными системами охлаждения применяются кондуктивные теплостоки, т. е. вводятся радиаторы, тепло-отводящие шины, тепловые трубки, оребрение корпусов блоков и т. д., что также увеличивает габариты блоков (на 20--25%) и влияет на размеры их НК-

Метод изготовления элементов НК блоков (штамповка, литье, прессование, механическая обработка) влияет на их габариты. Особое внимание следует обратить на габариты блоков и конструктивное исполнение вариантов компоновки ячеек и зоны внутриблочной электрической коммутации в полезном объеме блока.

Полезный объем блока можно условно представить в виде двух объемов: объема Vi, занимаемого функциональными ячейками, и объема V₂, занимаемого под элементы электрического соединения и их электрический монтаж.

Для рассматриваемых вариантов I и II компоновки эти объемы можно выразить следующим образом:

V_і = LH (В--В_к) ; V₂ = LHB_K ; (1)

Для вариантов III и IV:

V_x = I (Я- Я1) B;V₂ = LH_KB; (2)

Для вариантов V и VI:

V_у = (L--L)* HB;V₂ = L_K HB. (3)

Рис.2. Схема компоновки блоков:

где:

L, И, В--длина, высота и ширина блока;

L_K, Н_к, В_к -- части блока, занимаемые элементами внутриблочного электрического соединителя (коммутации)

Из рассмотрения формул (1) -- (3) видно, что наиболее рационально использовать варианты компоновки V и VI и наименее рационально варианты І и ІІ , поскольку в блоках РЭА, как правило,

L>H;L>B; H>B. (4)

Отсюда получаем следующие неравенства:

yv. vi _> ут, iv _> у; .

у/v > ут, iv > уv

Однако практика конструирования блоков РЭА показала, что варианты компоновки II и VI не применяются, так как имеют очень плохие условия как для естественной конвекции, так и при принудительном охлаждении из-за перекрытия зоны прохождения потока воздуха внутри блока.

Варианты компоновки I и III позволяют установить значительно большее число ячеек по сравнению с вариантами IV, V. С учетом условия (4) это следует из неравенства

Llh_a > Blh_R, (6)

где Н_я -- шаг установки ячеек.

При рассмотрении вариантов компоновки, I, III--V следует отметить, что для книжных конструкций предпочтительнее варианты IV и V, так как данные конструкции должны иметь относительно небольшое число печатных плат (ячеек) по сравнению с разъемными конструкциями, что связано с невозможностью получения достаточного раскрыва ячеек.

При естественной конвекции для блоков разъемной конструкции применяют вариант компоновки III. При необходимости использования принудительного охлаждения в разъемных конструкциях применяется вариант компоновки I.

При естественной конвекции в книжных конструкциях используются варианты компоновки IV и V. Эти варианты могут быть использованы и при необходимости принудительного охлаждения с условием установки вентилятора на заднюю или лицевую панель блока для варианта IV и при обеспечении воздушного потока снизу для варианта V.

Как отмечалось ранее, на выбор варианта компоновки оказывает влияние необходимое число выходных контактов с печатной платы ячейки. С этой точки зрения для разъемной конструкции предпочтительным является вариант компоновки I и для книжной конструкции вариант компоновки IV.

Но, как видно из условий (5) и (6), при использовании вариантов компоновки I и IV уменьшается полезный объем, поэтому на данном этапе проектирования блоков РЭА следует идти на компромисс.

Следующим фактором, влияющим на выбор варианта компоновки блока, является соотношение его линейных размеров: длины, ширины и высоты.

В качестве примера можно указать, что книжные конструкции, выполненные по варианту компоновки V, имеют максимальную плотность компоновки элементов в блоке, но в этом варианте недостаточно рациональное соотношение сторон печатной платы ячейки приводит к определенным трудностям при проектировании печатного монтажа.

Поэтому печатные проводники на плате становятся длинными, что ведет к увеличению паразитных емкостей и шага установки ИС на печатной плате по сравнению с вариантом компоновки IV. Минимальная ширина блоков книжных конструкций должна быть не более 120 мм.

Для блоков разъемных конструкций минимальные размеры высоты и ширины блоков должны быть:

-для варианта компоновки I: II_mm>1180 мм;

-Втш<120 мм; для варианта компоновки III: Нтт>180 мм; В_га<180 мм.

Таким образом, все рассмотренные факторы так или иначе влияют на выбор варианта конструкции блоков и соответственно на его габариты.

И правильность выбранной конструкции в процессе эскизной проработки должна определяться комплексом:

- абсолютных (объем, масса блока, надежность и т. д.);

- относительных (коэффициент использования полезной площади, объема, массы и т. п.) конструктивных показателей;

- коэффициента плотности упаковки.

Как уже отмечалось, конструкции ячеек предусматривают возможность установки их в различных видах аппаратуры, обеспечивая при этом необходимое требование по габаритным, установочным и присоединительным размерам, а также по условиям эксплуатации.

Выполнение требований, предъявляемых к блокам в отношении их конструктивного исполнения, габаритов и других параметров, учитывающих внешние воздействия (климатические, механические и др.), обеспечивает возможности

Направляющие для крепления прибора в объекте (или нижние опоры) выполняют две функции: жесткое крепление прибора и его выдвижение и поворот «на себя».

Выдвижение и разворот необходимы для доступа к внешним разъемам при монтаже и демонтаже прибора. В приборе устанавливаются по две направляющие.

Они изготовлены из стали литьем и штамповкой. Верхняя половина направляющей крепится к прибору, а нижняя -- к полу (стеллажу) болтами М8. Фиксация направляющих происходит за счет клиновых зажимов.

В вентилируемых приборах для обеспечения пылезащиты устанавливаются сборно-разборные воздушные фильтры, состоящие из штампованного перфорированного алюминиевого корпуса, заполненного пластмассовой перфорированной гофрированной сеткой.

Перфорация в кожухе и фильтре смещена относительно общей оси для обеспечения требования экранирования.

Выполнение электрического монтажа в приборе зависит, как правило, от электрических соединителей.

Разъем СНП34 позволяет выполнять объемный и печатный монтаж и их комбинацию. Переход с объединительного монтажа между ячейками к монтажу на внешние разъемы и лицевую панель в блоках типа БУ5 может быть выполнен несколькими способами: плоским кабелем, гибко-жесткой печатной платой со жгутом.

Проводной монтаж с объединительной платы проходит внутри прибора между кожухом и боковой рамой каркаса, закрепляется на ней и переходит в зону между задней панелью для разъемов и лицевой панелью. Жгуты располагаются симметрично с двух сторон каркаса и закрепляются на нем.

При использовании гибкожестких печатных плат гибкий переход выполняется с объединительной платы на переходную, которая закрепляется на боковой раме, а с нее через опорные контакты соединения идут проводным монтажом в зону верхних панелей. Возможен вариант монтажа прибора плоскими кабелями через переходные ячейки (за счет функциональных ячеек).

Конструкция позволяет вести монтаж «открытым способом», при котором обеспечивается хороший доступ ко всем точкам пайки, а заготовка проводных связей возможна на шаблоне.

Наилучший способ монтажа для блоков типа БУ5 -- объединительная МПП и гибкожесткая печатная плата.