浅析仪器仪表机箱三防设计技术

冯京京 魏德林 吴春燕

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

浅析仪器仪表机箱三防设计技术

冯京京 魏德林 吴春燕

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

研制服役于海洋气候环境下的仪器仪表，除了要考虑常规性能要求外，三防设计也是仪器仪表结构设计人员必须要考虑的重要环节之一。通过分析潮湿、霉菌、盐雾对海态仪器仪表寿命的影响，结合工作中的实际设计经验，总结、归纳出仪器仪表机箱设计中应遵循的“三防”设计方法和措施，可有效提高仪器仪表设备在海洋环境下的防护能力。

三防设计 机箱 海洋环境

1 引 言

仪器仪表设备的使用环境是复杂多样的。对在我国南方及沿海地区使用的仪器仪表，不仅要保证产品长时间无故障工作，还需要经受湿热、盐雾等严酷环境的考验，因此开展三防设计就成为不可缺少的技术措施。所谓三防设计，是指防潮湿、防霉菌、防盐雾设计。据有关资料统计：有50%以上的机器故障，是由三防设计不当或者是三防工艺不成熟而造成的[1]。而在我国南海海域环境条件下，电子整机设备的故障中有80%与整机所处的环境因素有关[2]。

随着现代科学技术的发展，仪器仪表的集成度不断提高，其机箱体积不断减小，产品的三防性能更成为影响设备电气可靠性的重要因素。因此，不断提高电子设备的三防性能，增强各种恶劣环境条件下的适应性，是结构设计和工艺人员需要重点关注的问题。根据工作中的实际设计经验，系统总结、归纳出仪器仪表在机箱结构设计中应采取的“三防”措施和需要注意的设计要点，可为相关技术人员开展结构设计时提供参考。

2 潮湿、盐雾、霉菌腐蚀机理分析

2.1 潮湿的影响

在海洋环境下工作的仪器仪表，潮湿对其寿命的影响最大，其影响主要体现在物理、机械和电气三个方面的侵蚀作用。特别是在低温、高湿条件下，当空气湿度达到饱和状态时，会使机内元器件、印制电路板上产生凝露现象，可导致仪器仪表电气性能下降、故障率上升。

潮湿的空气往往能够溶解氯化物、硫酸盐和硝酸盐等化学物质，能加速金属材料的锈蚀。当空气湿度达到一定限度还会使金属腐蚀急剧加快，在常见的金属材料中，铁的临界腐蚀湿度为70%，锌为85%，铝为60%～65%[3]。特别是在日温差大的湿热环境下，在材料毛细管“呼吸”效应的作用下，会大大加速材料的吸潮和腐蚀过程，从而导致绝缘材料表面的电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加。潮湿还为霉菌的生长提供有利条件，引起非金属材料霉烂。图1是潮湿对仪器设备的实际影响效果。

2.2 霉菌的影响

霉菌是菌丝组成的植物体。霉菌分泌的各种酶能吸收和分解仪器仪表机箱涂敷的有机材料中的某些成分，从而影响设备的密封、绝缘性能，缩短使用寿命。霉菌菌丝的细胞中含有大量水分，在元器件、电气零件或印制板上生长蔓延时，可引起搭桥短路。霉菌产生的代谢产物多为酸性导电物质，能够降低材料的绝缘性能而造成漏电。当机箱油漆涂层长有霉菌时，会由于霉菌菌丝浸入导致漆膜涨裂剥落，从而失去保护作用。

图2是在环境温度30℃、相对湿度95%的环境条件下的某电子设备霉菌试验后的照片。

2.3 盐雾的影响

大气中的盐雾是由于海水被海风吹卷及海浪对海岸冲击时飞溅的海水微滴被卷入空中，与潮湿大气结合形成带盐分的气溶胶状体。盐雾具有较强的腐蚀作用，其腐蚀作用主要体现在两个方面：一是可以腐蚀许多金属和无机材料；二是能够产生一种活性电解质，当不同金属接触时，发生电偶腐蚀，并进一步促进金属的电解作用。

盐雾中对金属起破坏作用的成分主要是氯离子，使金属表面形成富含氯离子的电解液薄膜，氯离子可以在金属表面或钝化膜上吸附，与电解质溶液形成强电场，促进基体金属离子的溶出；氯离子与金属钢可形成氯的络合物，加速本体钢溶解。盐雾腐蚀的速度随温度、湿度的增高而增加。温度可促进化学因素的腐蚀，温度每升高10℃，腐蚀速度可以提高2～3倍，电解质的导电率可提高10%～20%[3]。

图3是环境温度35℃、盐雾成分为5%的NaCl、盐雾沉降率(1～3)ml/80cm2·h条件下的某电子设备盐雾试验后的照片。

3 机箱三防设计流程

通过大量的设计实践，采用合理有效的结构设计，能够避免大多数的仪器仪表机箱的腐蚀问题，因此提高机箱的三防性能必须要重视三防结构设计。仪器仪表结构防护设计流程如图4所示。

3.1 合理的选择机箱材料

仪器仪表的“三防”能力，主要取决于机箱结构材料本身的性质。因此，正确、合理地选用机箱材料，是开展“三防”设计的基础。对于直接暴露在海洋环境中的仪器仪表，应该选用耐蚀性较好的材料，例如耐蚀钢、不锈钢、防锈铝等材料。在日常机械结构设计中，许多设计人员经常选用硬铝材料，但研究表明，铝和铝合金材料的耐蚀性能依次为：纯铝>防锈铝>锻铝>压铸铝>硬铝，由此可见，常用的硬铝材料的耐蚀性最差，特别是耐海洋大气腐蚀的性能更差。因此，在设计时应尽量选用LF系列防锈铝或者6063铝合金。

如因特殊原因不得不采用耐蚀性较差的材料时，应对材料采用阳极氧化结合涂覆的措施,进行加强防护的设计。即便是对于采用不锈钢和防锈铝的情况，也应当尽可能增加有机涂层，减少金属或镀层的裸露。

对于应用于海洋环境、需严格控制成本的一般类型的仪器仪表，通常采用价格低廉、制造方便的低碳钢和普通低合金钢，并辅之涂料和阴极保护措施。对强度要求高时，可采用低合金高强度钢。对于可能会遭受海水或雨水飞溅的部位，可采用特种涂料或金属喷涂层进行保护。

对于环境腐蚀条件比较苛刻、普通钢铁材料难以满足防腐蚀要求、材料用量又不是很大的情况，可选用高耐蚀性材料，如不锈钢06Cr17Ni12Mo2(316)、022Cr17Ni12Mo2(316L)、022Cr17Ni12Mo2N(316LN)，但使用不锈材料时一般还应进行钝化处理。

选用材料时，机箱设计人员还应熟悉材料的腐蚀机理和相溶性，防止材料间相互作用引起腐蚀和老化。材料选择的基本原则是：对于直接暴露在自然环境中或受自然环境直接作用的两种不同金属，其接触电位差不应大于0.25V；对于不直接暴露在自然环境中的两种不同金属，其接触电位差不应大于0.5V，常用金属的标准电极电位数据见表1。如果所选用材料不能满足电位差要求，还需要对接触面采取保护措施。

表1 常用金属的标准电极电位(25℃)

3.2 防腐蚀结构设计

为防止仪器腐蚀，在产品设计阶段就应当进行合理的防腐蚀结构设计。防腐蚀结构设计通常采用密封结构、优化设计、表面涂覆等手段。

3.2.1 密封结构的设计

实践证明，在仪器仪表的机箱、机柜的结构设计中，优先采用密封方式是防止潮湿、盐雾、霉菌长期影响的最有效方法。密封，就是将电子设备的部件、零件、元器件或一些复杂的装置，甚至整机安装在不透气的密封盒内，使之和外界隔绝。在机箱机构设计中，凡是允许和能够实现密封的地方，采用密封技术是一种使仪器仪表适应恶劣环境的理想方法。

密封结构可以分为不可拆卸密封和可拆卸密封。

对于需要经常修理、维护的设备，较多的采用可拆卸密封结构设计。这种密封设计一般是在机箱接缝处设计有凹槽，在机箱装配时采用导电弹性衬垫填在接缝的凹槽内，并用螺钉紧固，使其变形量为20%～30%，从而填满接合处的漏缝，可同时达到水汽密封和连续导电的目的，这种方法对密闭小型设备尤其适合。在开展设计时应注意导电弹性衬垫的选材，既要满足仪器仪表温度使用环境的要求，又要满足GJB 150《军用装备实验室环境试验方法》标准中规定的霉菌试验的要求。

对于采用不可拆卸方式的密封，应在螺纹连接、铆接和焊接等结合面的缝隙处，以及断续焊、点焊等的焊缝周边涂敷HM-108或XM-28II密封胶进行密封，使水和潮气无法进入机箱内。

3.2.2 优化结构设计

在仪器仪表机箱的结构设计中，通过优化结构设计也可有效提高防腐蚀能力。在机箱设计时，应注意以下几点：

(1)由于机箱零部件的棱角或边沿部分在涂覆时，其涂层一般相对较薄，容易出现针孔等缺陷，使潮气、盐雾易于渗入，从而引起腐蚀。因此对机箱零部件的棱角或边沿，应尽量设计成圆角。另外，还可以采用提高机床加工精度和零件表面光洁度，减少机箱表面的凹凸不平等方法，来提高零部件的抗腐蚀性。

(2)在机箱结构设计时，应避免形成积水结构，如焊接结构应采用连续焊缝设计，尽可能消除缝隙和凹坑结构，防止积水、灰尘和盐雾。

(3)优选钣金结构或整体成型的结构形式，避免采用点焊、铆接、螺纹紧固等结构形式，以避免缝隙的形成。

(4)在可能积水和留存湿气的空间应开设排水孔和排气孔。有发热元件的密闭设备，必须要考虑安装防水透气阀来完成设备的防水透气设计，避免采用气密式设计。

3.3 表面镀涂处理工艺

表面镀涂处理就是通过镀覆或涂装的方法在设备及其零件表面覆盖一层涂层，使之与周围介质隔离开来，从而达到防护的目的[4]。为了保证零件的防护能力，通常多采用镀层和涂层双重保护。对于采用钢、铜、铝等不同材料的结构件，应选用不同的处理工艺。

(1)对于钢制件，防止海洋环境腐蚀最常用的方法就是表面采用涂防护漆涂层保护。在加工过程中，可按照以下原则选择防护漆：

a) 底漆，可选择环氧富锌防锈漆，厚度(60～80)μm；

b) 中间漆，可选择环氧云铁中层漆，厚度(120～140)μm；

c) 面漆，可选择芳香族聚氨酯面漆，厚度(80 ～100)μm。

(2)铜制结构件通常采用表面氧化处理，形成的氧化膜硬度和耐蚀性均高于金属本身。对于铜导电制件，表面镀覆应首选镀银，其次为镍和铬。如果经济条件允许的情况下，应保证银镀层达到(8～12)μm，再对其喷涂1%(0.01g/ml)DJB-823固体薄膜保护剂，这样就可以通过恶劣环境下的三防试验。图5、图6是铜排表面经过镀银和电解钝化处理，再浸涂823固体薄膜保护剂后，通过盐雾试验的对比图片。试验结果表明，采用以上工艺后可有效阻隔盐雾的腐蚀影响。

(3)对于铝制结构件，当表面处理时对有导电需求的应选用化学导电氧化的方法，即在铝表面形成一层极薄且致密可导电的氧化膜，从而大大提高铝及其合金的耐蚀性和耐磨性；无导电需求的，可选用阳极氧化处理，即在铝表面生成一层较厚不导电的氧化膜，并可着多种色彩。图7是采用某铝制件化学导电氧化后表面效果。

(4)对于连接件、紧固件等，应采用热渗锌或达克罗等工艺处理的方式。采用达克罗工艺比热渗锌工艺的防护效果要好，但存在表面硬度差的缺点。紧固件所配套使用的弹性垫圈也可以采用热渗锌处理。如果需要考虑经济性，降低成本，可考虑对尺寸M5以内(含)的螺栓、螺钉件采用不锈钢材料，M5以上的连接件采用渗锌处理的方式。

(5)对电气接插件类零件，可在两金属接触面涂覆具有良好三防性能、电性能及润滑性能的DJB-823固体薄膜保护剂，这样既可保证导电的需要，又能防止潮气或盐雾的入侵。

(6)在进行任何涂覆之前,所有表面部位都应预先清除污垢、焊剂、可见锈迹、油脂、砂粒、氧化皮和氧化物以及其它污物，以防止它们影响表面处理层、底镀层或终端层的附着力。

4 注重日常维护保养

除了从设计、制造环节加强三防技术研究外，日常维护保养也是降低海洋环境影响，提高仪器仪表使用寿命的重要手段。因此，在仪器使用过程中，应细化、完善仪器仪表在使用过程中的维护保养要求，通过对产品维护保养尽可能避免锈蚀等现象的发生，从而提高产品对海洋环境的适应能力。

在维护保养过程中，需对仪器仪表进行表面清洁时，设计师应提出产品表面清洁方式和方法，包括维护时使用的工具、器材和耗材。对与放置于室外的设备，如果用淡水对外露设备表面进行清洗，需在冲洗完成后，及时擦干设备表面和缝隙处。需要润滑脂防护的部位，应及时涂敷润滑脂。对不能清洗的部位，在清洗时应进行必要的保护。

对于涂漆表面，如出现划痕、裂纹，应及时采取措施进行修复；如发生锈蚀现象，应清理干净后进行补漆。对于未涂漆的金属外露表面，应定期清理，并涂敷特221号润滑脂防护。使用人员还应定期检查干燥剂、密封条，发现失效或破损的，应及时更换。密封的机箱机柜和仪器仪表，不得随意开启，以避免潮气、盐雾侵入。

5 结束语

仪器仪表机箱的三防设计,是确保仪器仪表三防性能和系统功能的重要基础，也是工程研制过程中的一个难点。在多种不同仪器仪表设备的结构设计中，利用本文所述三防设计技术及方法，提高了所设计产品的环境适应性和可靠性，成功通过了各种三防试验，产品的三防性能满足了用户使用要求。

[1] 陈小宁.舰载雷达电子设备的防护设计[J].电子产品可靠性与环境试验,2006(2):26～27.

[2] 范民,周广宴.军用电子设备整机三防技术研究[J].装备环境工程,2009,6(4):72～75.

[3] 丁小东.浅谈电子设备的三防设计[J].腐蚀与防护,2001,22(6):260～262.

[4] 谢义水.舰载电子设备的三防设计[J].机械工程学报,2007,43(1):260～262.

A Brief Analysis of Three-proof Design Technology forInstrument and Meter Cabinet

FENG Jing-jing WEI De-lin WU Chun-yan

(Beijing Institute of Space launch Technology,Beijing 100076, China)

To develop the instrument and meter served in the marine climate environment ,in addition to consider the performance of conventional design, three-proof design is also one of the important links for the instrumentsand meters structure designerto consider. Through the analysis of the influence of damp, mildew, salt fog to the life of instruments and meters in the sea state, combined with the work in the practical design experience, the three-proof design methods and measures in the instrumentation structural design are summarized and concluded. These methods can effectively improve the protection ability of instrument equipment in Ocean environment.

Three-proof design Cabinet Ocean environment

2017-01-22，

2017-03-30

冯京京(1975-)，女，工程师，主要研究方向：车载电子设备结构设计技术。

1000-7202(2017) 02-0086-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.18

TH706

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