电子模块结构互连可靠性研究

邸兰萍（西安航空计算技术研究所，陕西西安710077）

电子模块结构互连可靠性研究

邸兰萍
（西安航空计算技术研究所，陕西西安710077）

LRM模块被大量应用于各类电子系统中，其中快速拔插锁紧装置为实现LRM模块快速插拔锁紧功能的关键，针对不同模块，在不同重量、空间和环境条件要求下，所选用的锁紧装置的规格、数量、拧紧力矩要求等是否能够满足可靠性要求将变得非常重要。通过力学分析结合相关试验理论，对影响快速拔插锁紧装置的各个参数进行分析计算，以验证设计是否合理，并将结果与已通过验证案例进行比较，证明方法可行。

锁紧装置；拧紧力矩；锁紧力；摩擦力

0　引言

决定锁紧装置静摩擦阻力大小（锁紧力）的因素主要有锁紧条的接触形式、锁紧条数量、固定螺杆拧紧力矩、锁紧条上楔块滑动夹角等，对于固有空间内已选定锁紧条类型的模块设计而言，主要需要验证拧紧力矩、锁紧条数量以及锁紧条节数与静摩擦阻力的关系。本文以典型的三节锁紧装置为例，来阐述相关分析过程。

1　锁紧螺杆拉力与拧紧力矩关系计算

在拧紧螺杆时，对螺杆施加的拧紧力矩主要有3个作用：

（1）克服螺杆支撑面与楔块之间的摩擦力矩；

（2）克服螺纹副之间的摩擦；

（3）作用于螺纹内侧面，使螺杆产生轴向拉力即施加于锁紧条的预紧力。

设螺杆拉力为Q，螺杆中径为d2，螺纹牙形半角θ，当量摩擦角φv，当量摩擦系数fV，螺旋升角α，螺纹导程l，螺纹螺牙滑动摩擦系数f1，各参数如图1所示。

则有[1]：

查询紧固件实用手册[2]，螺杆支撑面与被连接件之间的摩擦力矩为：

图1　螺杆拧紧过程相关参数

其中，fc为螺杆支撑面与楔块之间的摩擦系数，D1为螺杆支撑面外径，D0为垫圈孔直径。

则有拧紧力矩T为[3-4]：

在拧紧过程中按照公式（4）得

2　锁紧螺杆拉力与LRM模块最大滑动摩擦阻力关系计算

在已知拉力Q的情况下，对于三节锁紧装置，分别针对不同锁紧装置楔块对导轨槽的压力，乘以锁紧条与导轨摩擦系数f2得出其摩擦阻力，累加后即得到单个锁紧装置所产生的固定摩擦阻力F。

三节锁紧装置固定方式与受力情况如图2所示。

图2　三节锁紧装置结构及各楔块受力示意图

在三节锁紧装置中，设相对滑动夹角为δ，根据图2力的相互作用关系有：

通常锁紧装置中δ=45°，则tanδ=1，有：

根据公式（5）（6）得锁紧条的拧紧力矩与摩擦阻力之间的关系为：

对于质量为m的模块，其振动峰值加速度为a，由于峰值加速度的不确定性和不可测量性，取置信度区间为3σ（置信度为99.73%）[5]，则amax= 90 g，锁紧安全系数为k，模块至少采用2组锁紧装置固定，则应满足：

即

3　算例

以某型常用锁紧装置为例，螺杆规格为M3，P=0.45mm，d2=2.7mm，θ=30°，螺纹内钢-钢静摩擦系数为f1=0.15，锁紧条楔块、楔块安装筋及导轨材料为硬铝合金，均为粗糙表面，静摩擦系数为f2=1.05，取fc=0.5（f1+f2）=0.6，D1=5mm，D0=3.2mm，其用于固定质量m=1 kg的模块，在峰值振动加速度为30 g（294m/s2）的条件下进行计算。

根据公式（1）（2）有：

代入公式（8）得：

按照该锁紧装置的拧紧力矩要求，M3螺钉的拧紧力矩为0.68N·m[3]，则安全系数k=5.2，因此上述算例中的螺杆拧紧力矩能够满足锁紧要求，并保留有较大的设计余量。但是对于整个锁紧装置受力情况而言，还需进行抗拉强度校核。

4　强度校核

在锁紧装置中，由于螺杆轴向的受力面积小，且承受较大的拉应力，因此验证锁紧装置的可靠性，主要就是验证螺杆的强度可靠性。螺杆失效模式判断依据为其拉应力是否超过其最大抗拉强度。设螺杆抗拉强度安全系数为kL，在上述算例中，螺杆承受的拉力根据公式（5）计算得：

螺杆最小截面积S按照螺纹小径（d3= 0.00255m）计算为：

螺杆受到的拉应力为：

对于不锈钢（1Cr18Ni9Ti）材料，其抗拉强度为σb=540MPa，则有：

在整个锁紧装置工作过程中，可靠性受多方面影响，对比k及kL，安全系数分配均衡，因此上述案例中的设计及拧紧力矩要求合理。

5　结语

上文中的各项计算均假设锁紧装置工作在理想情况，在摩擦副极限受力及摩擦面受力不均匀等情况下将不适用；并且由于各参数的选取受多方面因素影响，尤其是静摩擦系数受到表面粗糙度的影响非常明显；此外模块在振动环境中的峰值加速度值通常只能通过经验估计，都存在较大误差，因此在进行计算前，应尽可能获得准确的参数以减小误差。

当锁紧力不能满足使用要求时，在空间允许的情况下，优先考虑增加锁紧装置的楔块数量，通过上述分析推理可知5节锁紧装置的在同样条件下锁紧力为3节的2倍，7节锁紧装置为3倍，但在锁紧过程中螺杆的锁紧行程将分别变为3节锁紧装置的2倍和3倍；当模块体积较大有较大的布置空间时，则可考虑采用1对以上锁紧装置以成倍增加锁紧力，在少量增加整体重量的前提下，成倍增加锁紧力，并有效提高了模块的散热效率，计算与校核方法本文不再赘述。

［1］任丽华.螺纹拧紧扭矩的理论分析［J］.煤矿机械，2006（7）：67-69.

［2］孙小炎.航天紧固件实用手册［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［3］张振华.螺栓拧紧力矩的确定方法及相关探讨［J］.化学工程与装备，2009（8）：105-106.

［4］郭卫凡.螺纹受力分布分析方法及其应用实例［J］.机械与电子，2010（17）：70-71.

［5］Dave S.Steinberg.电子设备振动分析［M］.北京：航空工业出版社，2012.

［6］焦超锋.机载电子设备常用螺钉拧紧力矩研究电子［J］.机械工程，2012（6）：54-57.

(编辑：向飞)

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

邸兰萍，女，1963年生，河北唐县人，硕士。研究领域：项目管理。已发表论文2篇。