電子模塊結構互連可靠性研究

邸蘭萍（西安航空計算技術研究所，陜西西安710077）

電子模塊結構互連可靠性研究

邸蘭萍
（西安航空計算技術研究所，陜西西安710077）

LRM模塊被大量應用于各類電子系統中，其中快速拔插鎖緊裝置為實現LRM模塊快速插拔鎖緊功能的關鍵，針對不同模塊，在不同重量、空間和環境條件要求下，所選用的鎖緊裝置的規格、數量、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。通過力學分析結合相關試驗理論，對影響快速拔插鎖緊裝置的各個參數進行分析計算，以驗證設計是否合理，并將結果與已通過驗證案例進行比較，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小（鎖緊力）的因素主要有鎖緊條的接觸形式、鎖緊條數量、固定螺桿擰緊力矩、鎖緊條上楔塊滑動夾角等，對于固有空間內已選定鎖緊條類型的模塊設計而言，主要需要驗證擰緊力矩、鎖緊條數量以及鎖緊條節數與靜摩擦阻力的關系。本文以典型的三節鎖緊裝置為例，來闡述相關分析過程。

1　鎖緊螺桿拉力與擰緊力矩關系計算

在擰緊螺桿時，對螺桿施加的擰緊力矩主要有3個作用：

（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）作用于螺紋內側面，使螺桿產生軸向拉力即施加于鎖緊條的預緊力。

設螺桿拉力為Q，螺桿中徑為d2，螺紋牙形半角θ，當量摩擦角φv，當量摩擦系數fV，螺旋升角α，螺紋導程l，螺紋螺牙滑動摩擦系數f1，各參數如圖1所示。

則有[1]：

查詢緊固件實用手冊[2]，螺桿支撐面與被連接件之間的摩擦力矩為：

圖1　螺桿擰緊過程相關參數

其中，fc為螺桿支撐面與楔塊之間的摩擦系數，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模塊最大滑動摩擦阻力關系計算

在已知拉力Q的情況下，對于三節鎖緊裝置，分別針對不同鎖緊裝置楔塊對導軌槽的壓力，乘以鎖緊條與導軌摩擦系數f2得出其摩擦阻力，累加后即得到單個鎖緊裝置所產生的固定摩擦阻力F。

三節鎖緊裝置固定方式與受力情況如圖2所示。

圖2　三節鎖緊裝置結構及各楔塊受力示意圖

在三節鎖緊裝置中，設相對滑動夾角為δ，根據圖2力的相互作用關系有：

通常鎖緊裝置中δ=45°，則tanδ=1，有：

根據公式（5）（6）得鎖緊條的擰緊力矩與摩擦阻力之間的關系為：

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

即

3　算例

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

根據公式（1）（2）有：

代入公式（8）得：

按照該鎖緊裝置的擰緊力矩要求，M3螺釘的擰緊力矩為0.68N·m[3]，則安全系數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，并保留有較大的設計余量。但是對于整個鎖緊裝置受力情況而言，還需進行抗拉強度校核。

4　強度校核

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

螺桿最小截面積S按照螺紋小徑（d3= 0.00255m）計算為：

螺桿受到的拉應力為：

對于不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料，其抗拉強度為σb=540MPa，則有：

在整個鎖緊裝置工作過程中，可靠性受多方面影響，對比k及kL，安全系數分配均衡，因此上述案例中的設計及擰緊力矩要求合理。

5　結語

上文中的各項計算均假設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；并且由于各參數的選取受多方面因素影響，尤其是靜摩擦系數受到表面粗糙度的影響非常明顯；此外模塊在振動環境中的峰值加速度值通常只能通過經驗估計，都存在較大誤差，因此在進行計算前，應盡可能獲得準確的參數以減小誤差。

當鎖緊力不能滿足使用要求時，在空間允許的情況下，優先考慮增加鎖緊裝置的楔塊數量，通過上述分析推理可知5節鎖緊裝置的在同樣條件下鎖緊力為3節的2倍，7節鎖緊裝置為3倍，但在鎖緊過程中螺桿的鎖緊行程將分別變為3節鎖緊裝置的2倍和3倍；當模塊體積較大有較大的布置空間時，則可考慮采用1對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］.煤礦機械，2006（7）：67-69.

［2］孫小炎.航天緊固件實用手冊［M］.北京：國防工業出版社，2006.

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

［4］郭衛凡.螺紋受力分布分析方法及其應用實例［J］.機械與電子，2010（17）：70-71.

［5］Dave S.Steinberg.電子設備振動分析［M］.北京：航空工業出版社，2012.

［6］焦超鋒.機載電子設備常用螺釘擰緊力矩研究電子［J］.機械工程，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。研究領域：項目管理。已發表論文2篇。