Текст
                    ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................. 3
Введение......................4
В.1.	Структура Справочника .	4
В.2.	Сокращения и обозначения	5
В.З.	Иллюстративный материал	7
В.4,	Система единиц ....	10
В.5.	Рекомендации по выпол-
нению конструкторских рас-
четов .....................13
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
КОНСТРУКЦИЮ РЭА
1.	Классификация РЭА ... 19
1.1.	Общие положения ... 19
Г.2. Области использования
РЭА........................20
1.3.	Назначение РЭА .... 20
1.4.	Схемотехническая (эле-
ментная) база РЭА ... 22
1.5.	Конструктивная база . . 25
Список литературы .... 25
2.	Окружающая среда и ее воз-
действие на РЭА.............26
2.1.	Климат, климатические зо-
ны и характерные группы
эксплуатации .............. 26
2.2,	Воздействие ветра и голо-
леда .......................30
2.3.	Воздействие влаги, пыли,
солнечной радиации и биоло-
гических факторов .... 36
2.4.	Воздействие полей СВЧ . 39
2.5.	Ионизирующие излучения . 45
Список литературы ... 53
3.	Объекты-носители для раз-
мещения РЭА.................54
3.1.	Классификация условий
эксплуатации РЭА в зависи-
мости от размещения и
свойств объекта-носителя . 54
3.2.	Размещение стационарной
РЭА.........................55
3.3.	Размещение возимой РЭА 59
3.4.	Размещение РЭА на судах 64
3.5.	Размещение носимой и
портативной РЭА ....	67
3.6.	Размещение РЭА на само-
летах, вертолетах, ракетах и
космических кораблях ...	72
Список литературы ....	82
4.	Человек-оператор ....	83
4.1.	Человек — интегральное
звено управления ....	83
4.2.	Человек — «машина» по
выработке сигналов управле-
ния ..........................88
4.3.	Человек — «машина» по
приему сигналов.............92
4.4.	Человек и дизайн	...	94
Список литературы	.	...	96
5	Характерные типовые кон-
струкции РЭА..................97
5.1.	Принципы построения раз-
мерно-параметрических ря-
дов типовых конструкций 97
5.2.	Особенности РЭА на мик-
роэлектронных компонентах 102
5.3. Типовые конструкции РЭА 112
5.4.	Универсальные типовые
конструкции РЭА . ... 121
Список литературы .	... 147
6.	Стадии разработки РЭА и
конструкторская документа-
ция .........................147
6.1.	Стадии разработки РЭА .	148
6.2.	Конструкторская докумен-
тация по ЕСКД................152
7.	Методология и организация
конструкторского труда . . 157
7.1.	Общие вопросы .... 158
7.2.	Организация творческой
работы конструктора . . . 162
7.3.	Общие вопросы практики
компоновки...................166
7.4.	Последовательность ком-
поновки ЭРЭ..................173

Оглавление 478 7.5. Последовательность ма- шинной компоновки, черче- ния и выпуска текстовой КД на ЭВМ.......................181 7.6. Рабочее место конструкто- ра ..................... ... 188 7.7. Планирование и нормиро- вание конструкторских работ 201 Список литературы .... 205 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ РЭА 8. Физико-математические ос- новы конструирования РЭА 207 8.1. Общие положения .... 207 8.2. Методы теории подобия и моделирования .............. 210 8.3. Обобщающие физические модели конструкций РЭА . 213 8.4. Методика обобщенного исследования преобразова- ния потоков энергии в РЭА 218 8.5. Математические методы анализа физических полей РЭА..........................221 8.6. Математические основы ха- рактерных тепловых расче- тов .........................229 8.7. Математические методы расчетов вибраций и прочно- сти конструкции РЭА . . . 235 8.8. Математические методы расчета электромагнитных полей РЭА и экранирование 240 8.9. Математические методы численных расчетов физиче- ских полей...................243 8.10. Теоретические основы конструирования РЭА с по- мощью ЭВМ....................249 Список литературы .... 260 9. Источники энергии питания 262 9.1. Классификация ИП . . . 262 9.2. Гальванические элементы и батареи....................270 9.3. Аккумуляторы и аккуму- ляторные батареи .... 280 9.4. Полупроводниковые эле- менты и батареи..............286 9.5. Оценка и выбор ИП . . 292 Список литературы .... 297 10. Защита от паразитных на- водок .......................298 10.1. Основные сведения об ис- точниках и приемниках пара- зитных наводок...............298 10.2. Цепи паразитной связи . 301 10.3. Экранирование .... 307 10.4. Паразитные обратные связи в усилителях . . .319 10.5. Фон и помехи, наводимые сетью питания................326 10.6. Импульсные наводки . 329 Список литературы .... 333 11. Герметизация ..... 334 11.1. Виды герметизации . , . 334 11.2. Пропитка..............335 11.3. Обволакивание и заливка 339 11.4. Разъемная герметизация 343 11.5. Примеры расчетов качест- ва герметизации..............350 11.6. Неразъемная герметиза- ция .........................350 11.7. Расчеты герметичности . 356 Список литературы .... 359 12. Защита от динамических воздействий..................360 12.1. Общие положения . . . 360 12.2. Расчет линейных систем амортизации..................362 12.3. Расчет собственных ча- стот РЭА на амортизаторах 368 12.4. Расчет системы амортиза- ции на ударные нагрузки . 373 12.5. Расчет системы амортиза- ции на линейные ускорения 374 12.6. Расчет системы амортиза- ции при случайных воздейст- виях ........................374 12.7. Основные типы амортиза- торов .......................377 12.8. Оценочные расчеты вибро- прочности конструкции РЭА 386 12.9. Примеры расчетов . . . 393 Список литературы .... 397 13. Защита РЭА от тепловых воздействий .................397 13.1. Общие положения . . . 398 13.2. Системы обеспечения теп- ловых режимов передвижной наземной РЭА............412 13.3. Термостаты ..............428 13.4. Обеспечение тепловых ре- жимов РЭА с воздушным ох- лаждением ...................436 13.5. Обеспечение тепловых ре- жимов полупроводниковых приборов, интегральных ми- кросхем и микросборок . . 455 Список литературы .... 469 Предметный указатель . . . 471
ББК 32.844 С71 УДК 621.396.6.002.2 (031) Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р. Г. Варламова. — М.: Сов. радио, 1980. — 480 с., ил. Рассмотрены факторы, влияющие на конструкцию РЭА, и особенности современных конструкций, даны характеристики условий, в которых работает РЭА, параметры объектов-носителей, описывается поведение человека-опера- тора в системе человек—РЭА. Представлены типовые несущие конструкции и конструкторская документация. Систематизированы материалы по методоло- гическим, организационным и физико-математическим основам конструирова- ния РЭА, по выбору и расчету источников питания, паразитным наводкам и принципам борьбы с ними, по выбору и расчету средств герметизации и защите РЭА от влаги, динамических и тепловых воздействий. Справочник предназначен для конструкторов РЭА широкого профиля, а также может быть полезным для студентов вузов. Рис. 244, табл. 82, библ. 204 назв. Составители: Андреева Л. Б., Барканов Н. А., Бегинин А. С., Варламов Р. Г., Василь- кевич И. В., 1Волин М.Л.,1 Володин Ю. Г., Гаврилов Ю. А., Герценштейн В. С., Городилин В. М., Глушицкий И. В., Закс Д. И., Калакин А. С., Карпушин В. Б., Квасницкий В. Н., Киселев В. И., Киселев Ю. В., Кривозубов А. В., Курей- чик В. М., Лисяк В. В., Малюков Г. В., Носов О. Н., Одинцов Н. Г., Орлов- ская И. А., Плево И. П., Плотицкий А. М., Семернев В. И., Синиченков А. С., Струков О. Д., Фефер А. И., Фролов А. Н., Чернякова М. М., Чукин В. Ф„ Ярышев Н. А. Редакция литературы по вопросам космической радиоэлектроники 30404-047 046(01)-80 9-80 2401000000 © Издательство «Советское радио», 1980 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время существует об- ширная группа нормативно-техниче- ских документов в виде государст- венных и отраслевых стандартов, стандартов предприятий, руководя- щих технических материалов, кото- рыми пользуются при разработке конструкций РЭА. Нужен ли в такой ситуации справочник, в котором в полном объеме невозможно изложить содержание всех этих документов? Положительный ответ на этот во- прос был получен в 1972 г., когда в издательстве «Советское радио» вышел «Краткий справочник кон- структора РЭА» тиражом 100 тыс. экземпляров. Он предназначался для студентов, но как показала практи- ка использовался и работниками промышленности. Обобщение полученных данных определило структуру настоящего «Справочника конструктора РЭА». В нем, в отличие от ОСТов, СТП и РТМ, где даются частные методи- ки расчетов, кроме методик и при- меров расчетов излагаются общие принципы и теория компоновки, за- щиты от тепловых и динамических воздействий и т. п. Базой для из- ложения этих принципов и теорети- ческих положений являются: — для описания общих принципов конструирования — тезис о творче- ском характере работы конструктора- разработчика; — для изложения принципов кон- структорских расчетов — рассмотре- ние РЭА в виде обобщенного преоб- разователя, описываемого методами математической физики. Это дает возможность не только познакомиться с практикой исполь- зования тех или иных методик и рас- четов, но и разобраться с существом новых методик и расчетов, с которы- ми конструктору не приходилось сталкиваться в практической работе. Материал «Справочника конструк- тора РЭА (общие принципы кон- струирования)» изложен в двух ча- стях: — «Факторы, определяющие кон- струкцию РЭА» (современные радио- системы, окружающая среда и ее воздействие на РЭА, объекты-носите- ли РЭА, человек-оператор, характер- ные типовые конструкции РЭА, ста- дии проектирования РЭА и доку- ментация, методология и организа- ция конструкторского труда); — «Конструкторские расчеты РЭА» (физико-математические основы кон- струирования РЭА, источники энер- гии питания, защита от паразитных наводок, герметизация, защита от динамических и тепловых воздейст- вий) Предполагается издание второй книги «Справочник конструктора РЭА (элементная база, механизмы, оценка качества и надежности)», в которой будут изложены конструк- тивные особенности элементной базы и ее установки в РЭА, различные механизмы и их элементы и общая методология и практические расче- ты по оценке качества и надежности РЭА. Настоящий Справочник предназ- начен для специалистов-конструкто- ров, которым он будет полезен на стадиях эскизного и частично тех- нического проектирования. Отдель- ные разделы Справочника могут быть использованы слушателями инсти- тутов и факультетов повышения ква- лификации, а также студентами ву- зов, обучающимися на радиотехни- ческих и смежных с ними факульте- тах (автоматики, вычислительной тех- ники и т. п.) при выполнении кур- совых и дипломных проектов. За- мечания и пожелания по Справочг нику просьба направлять в изда- тельство «Советское радио» по адре- су: 101000, Москва, Главпочтамт, а/я 693.
ВВЕДЕНИЕ* В.1. СТРУКТУРА СПРАВОЧНИКА Общие положения При разработке РЭА конструктор сталкивается с различными физи- ческими эффектами, возникающими при работе РЭА, что требует при- влечения различных разделов фи- зики, в которых по традиции при- нята (часто без соответствия ГОСТам или ОСТам) различная символика обозначений. Это приводит к тому, что одно и то же понятие (частота, амплитуда, сила, и т. п.) при опи- сании электрических, тепловых, ме- ханических и других явлений имеет разные сокращения и обозначения, что затрудняет работу конструктора. Для повышения информативности и облегчения пользования в Спра- вочнике применены упорядоченные сокращения в виде унифицированных аббревиатур и индексов, единые ус- ловные обозначения и размерности физических величин в СИ по ГОСТ 9867—61, масштабирование иллю- страций. В основу индексации положены рекомендации проекта ГОСТа (груп- па ТОЗ), которым устанавливается шесть зон для индекса: по одной сверху и снизу и по две слева и спра- ва от символа. Если индекс один, то он размещается справа внизу. При этом для обозначения собствен- ного значения (безразмерная вели- чина) рекомендуется двойной одно- типный индекс. Например: К — критерий (общее обозначение) К — коэффициент (общее обозна- чение) Киев — коэффициент использования объема * Составитель Р. Г. Варламов. S — площадь Ss — относительная (например, в процентах или долях) площадь I — длина AZ — изменение (приращение) длины AZ; — относительное приращение длины. Обозначение теплофизических кри- териев по традиции выполняется двумя латинскими буквами начала фамилии ученого. Для безымянных критериев используются комбини- рованные обозначения с использова- нием буквы К. Эти и другие приемы, существо которых излагается далее, позволили увеличить информатив- ность материала Справочника. В целях экономии места ГОСТы, ОСТы, СТП и РТМ в список литера- туры не выносятся, а ссылки на них даются только по тексту (при необходимости). При этом возможно использование неполного или со- кращенного наименования ГОСТ, ОСТ, СТП или РТМ. При поисках ГОСТ в Указателях необходимо учитывать разделы и их рубрикацию по разделам, классам, группам и системы ГОСТ. Раздел А — .... Класс АО. Общие правила Группа А00. Термины и обозначе- ния А10, Классификация А19 Методы испытаний Упаковка Маркировка Раздел А. Горное дело. Полезные ископаемые. Раздел Б. Нефтяные продукты. Раздел В. Металлы и металлические изделия. Раздел Г. Машины, оборудование и инстру- мент Раздел Д. Транспортные сред- ства и тара. Раздел Е. Энергетиче- ское и электротехническое оборудо- вание. Раздел Ж. Строительство и стройматериалы. Раздел И. Силикат-
В.2. Сокращения и обозначения но-керамические и углеродные ма- териалы и изделия. Раздел К. Ле- соматериалы. Изделия из древеси- ны. Целлюлоза. Бумага. Картон. Раздел Л. Химические продукты и резиноасбестовые изделия. Раздел М. Текстильные и кожевенные ма- териалы и изделия. Раздел Н. Пи- щевые и вкусовые продукты. Раз- дел П. Измерительные приборы, средства автоматизации и вычисли- тельной техники. Раздел Р. Здраво- охранение. Предметы санитарии и гигиены. Раздел С. Сельское и лес- ное хозяйство. Раздел Т. Общетех- нические и организационно-методиче- ские стандарты. Раздел У. Изделия культурно-бытового назначения. Раз- дел Ф. Атомная техника. Раздел Э. Электронная техника, радиоэлек- троника и связь. В настоящее время действуют сле- дующие межотраслевые системы стандартов: 1 — государственная си- стема стандартизации (ГСС); 2 — единая система конструкторской до- кументации (ЕСКД); 3 — единая си- стема технологической документа- ции (ЕСТД); 4 — система показате- лей качества продукции (СП КП); 5 — стандарты на аттестованную про- дукцию; 6 — унифицированные си- стемы документации (УСД); 7 — система информационно-библиогра- фической документации; 8 — госу- дарственная система обеспечения еди- нства измерений (ГСП); 9 — еди- ная система защиты от коррозии и старения материалов и изделий (ЕСЗКС); 10 — стандарты на това- ры, поставляемые на экспорт; 11 — прикладная статистика; 12 — систе- ма стандартов безопасности труда (ССБТ); 13 — микрофильмирование; 14 — единая система технологиче- ской подготовки производства (ЕСТПП); 15 — разработка и поста- новка продукции на производство; 16 — управление технологическими процессами; 17 — система стандар- тов в области охраны природы и улучшения природных ресурсов; 18— количественные методы оптимизации параметров объектов стандартизации; 19 — единая система программной документации (ЕСПД); 20 — еди- ная система государственного уп- равления качеством продукции; 21 — система проектной документации для строительства (СПДС). При исполь- зовании той или иной системы стан- дартов принято пользоваться ука- занными в скобках аббревиатурами. В.2. СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ Обозначения наиболее часто ис- пользуемых понятий, терминов и величин даются аббревиатурами, со- ставленными, как правило, из двух заглавных букв. Для удобства пользования список основных аббре- виатур дается в начале каждой гла- вы. Для унификации обозначений вида сила, поток, сопротивление, проводимость и т. п. используются поясняющие индексы. Сводный перечень индексов, характерных функций и критериев а) Индексы буквенные абс — абсолютный ад — адиабатический ак — акустический акт — активный ам — амортизированный аэр — аэродинамический бл — блочный в — вертикальный вб — вибрационный вз — взаимный вл — влажный вн — внутренний внш — внешний воз — возбужденный вр — вращательный вс — высший вт — ветровой вх — входной вул — вулканизированный выд — выдержанный вых — выходной, выс — высыхающий, выв — выводной г — горизонтальный гз — газообразный гл — гололедный д — действительный дб — добротный дин — динамический дм — демпфированный доп — допустимый дп — дополнительный до — диссипативный ж — жидкостный з — зарядный
6 зз — зазорный (зазор) зр — зарядно-разрядный и — импульсный ид — идеальный из — изгибающий изл — излучательный изол — изоляционный ин — инерционный инф — информационный исп — используемый ист — источниковый кв — кратковременный квл — квалификационный кдв — количества движения кин — кинетический км — кинематический кн — конечный конв — конвекционный конд — кондукционный кп — компенсирующий кр — крутильный л — лучистый лп — латентного периода м — магнитный мх — механический н — начальный (в начале) нар — наружный нв — новизны нг — нагрузочный нз — низший нк — накальный ном — номинальный нп — непрерывный нс — насыщенный об — оборотный (оборот) ос — осевой (аксиальный) осн — основной (основания) ост — остаточный оп — опорный (эмпирический) отв — отводимый отс — отслоенный п — повторенный пар — паразитный пд — полезного действия пл — плавления пол — полезности пот — потерь пр — произвольный прд — предельный прив — приведенный пт — потенциальный пит — питания р — разрядный рад — радиоактивный рас — рассеянный рез — резонансный рб — рабочий рз — разрывной ркт — реактивный рс — ресурсный Введение рсв — работы свежего ЭЛ (ХИТ) рст — растяжения рхр — работы в конце срока хра- нения ЭЛ (ХИТ) с — связи, связанный св — световой сб — сброса сд — сдвигающий сж — сжимающий сл — службы, служебный слж — сложности см — смещения ср — средний ст — стандартный стц — стационарный т — теоретический тв — твердый тп — тепловой тр —трущийся (трения) У — удельный увз — увеличения зазора уд — ударный упр — управляющий ус — усиленный усл — условный ф — фазовый фт — фильтрационный хм — химический хр — хранения хрп — хрупкости е — электрический эк — эквивалентный экр — экранированный эл — элементный эм — электромагнитный эт — эталонный б) Индексы знаковые со — бесконечный О — квадратный ~ — переменный А — треугольный О — заданный (значение) О — круглый | — перпендикулярный Оо — собственный (значение) (| — параллельный = — постоянный в) Индексы латинские F — силовой G — весовой d — диаметровый I, / — порядковый (№) I — линейный т — массовый max — максимальный min — минимальный п — нормальный (нормаль)
В.З. Иллюстративный материал г — сопротивлений S — поверхностный t — временной v — объемный г) Индексы греческие S — суммарный (полный) а — ослабления у — распространения б — затухания и — частотный х — касательный со — угловой д) Некоторые функции и критерии Bi — Био критерий Г — Гельмгольца функция Гб — Гиббса функция Gr — Грасгофа критерий Гд — Гудрича функция 0К — Кюри точка 0М — по Мартенсу теплостойкость V — модуль объемного сжатия Nu — Нуссельта критерий Ре — Пекле критерий Рг — Прандтля критерий р — Пуассона коэффициент Re — Рейнольдса критерий х — сдвига модуль КОб — Стефана — Больцмана посто- янная Fo — Фурье критерий Е — модуль упругости (Юнга) В.З. ИЛЛЮСТРАТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ Таблицы Для повышения наглядности и ин- формативности материала в Справоч- нике широко используются сводные буквенно-цифровые графические таб- лицы. В них используются условные фигуры и знаки, буквенные обозна- чения величин, численные характери- стики величин и в ряде случаев на- глядные графические изображения. При этом используются таблицы с неравномерным масштабом шкал, на которых отложены по равномер- ной сетке различные как по величине, так и по области использования фи- зические величины. Рассмотрим в качестве примера построения такой буквенно-цифровой графической та- блицы (табл. В.1) в виде справоч- ных сведений по радиостанциям ни- зовой народнохозяйственной радио- связи 1, 2 и 3 групп (по ГОСТ 16019—78). Используя наглядное представле- ние этих данных в виде графиков и сопроводительного текста, эту и дополнительную информацию мож- но представить в более компактной форме (рис. В.1). Последовательность составления такой буквенно-цифровой таблицы следующая. Выписываем численные Рис. В.1. Пример преобразования таблицы в график с неравномерными шкалами -25 0.15 0,75 7 2 5,5 Группы: -у) ~10 0^5 Big 1<5 J $ 5 7 11 70 27 00 55 70 35 6 10 15 25 30 50 50 80
8 Введение Таблица B.l Виды испытаний радиостанций 1, 2 и 3 групп Наименование показателей и виды испытаний Нормы испытаний по группам 1 1 2 1 3 1. Обнаружение резонанса: диапазон частот, Гц амплитуда, мм время выдержки при каждом по- ложении радиостанции, мин, ие менее 4 От 10 до 3 От 0,5 до 0, 4 ) 8 4 2. Влагоустойчивость: относительная влажность, % время выдержки, ч температура, °C время выдержки в нормальных климатических условиях, ч 80 48 20 95 72 30 От 6 до 12 95 120 30 3. Холодоустойчивость: рабочая температура, °C время выдержки при рабочей тем- пературе, ч предельная температура, °C время выдержки при предельной температуре, ч время выдержки в нормальных климатических условиях, ч + 5 —40 2 —25 От 2 до —40 2 От 4 до 4 6 —10 —40 2 4. Устойчивость к воздействию инея и росы: пониженная температура, °C время выдержки при пониженной температуре, ч времи выдержки в нормальных климатических условиях, ч — —25 2 3 — 10 2 3 5. Теплоустойчивость: рабочая температура, °C время выдержки при рабочей тем- пературе, ч предельная температура, °C время выдержки при предельной температуре, ч время выдержки в нормальных климатических условиях, ч 40 55 2 50 От 2 до 60 2 От 2 до 10 4 50 60 2 6. Устойчивость к пониженному ат- мосферному давлению: температура, °C атмосферное давление, мм рт. ст. — — 10 460 —
В.З. Иллюстративный материал 9 Продолжение табл. В.1 Наименование показателей и виды испытаний Нормы 1 испытаний по группам 2 3 7. Коррозионная стойкость: температура в камере, °C 27 27 27 дисперсность тумана (90% ка- пель), мкм водность тумана, г/м3 время выдержки, ч 24 От 1 до 5 От 2 до 3 48 48 8. Прочность при транспортирова- нии: длительность ударного импуль- са, мс частота ударов в минуту общее количество ударов, не ме- нее ускорение, g 5 От 5 до 10 От 4 до 80 13 000 10 25 9. Вибропрочиость иа одной частоте: частота, Гц 20 20 20 ускорение, g 2 2 2 время выдержки, ч, не менее 0,5 0,5 0,5 10. Брызгозащищенность: интенсивность, мм/мин 3 3 время выдержки, ч, не менее — 10 10 И. Пылезащищенность: скорость воздушного потока, м/с, не менее 10 10 время выдержки, мин. не менее — 1 1 значения всех параметров испытаний всех групп радиостанций в возра- стающий ряд: — 40; — 25; — 10; 0,25; 0,5; 0,75; 0,8; !;, 1,5; 2; 3; 3,8; 4; 5; 6; 7; 10; 12; 15; 20; 25; 27; 30; 40; 50; 55; 60; 70; 80; 95. Из этого ряда исключаем те значе- ния, которые нецелесообразно по- мещать на график (по пп. 4, 6, 7, 9, 10 и 11), а проще дать в виде примечания. Если параметр изме- няется в диапазоне значений, то границу интервала обозначаем вер- тикальными линиями и соединяем их штриховой линией, если обозна- чаются несколько связанных друг с другом параметров, то они обозна- чаются кружками, квадратами, тре- угольниками и другими фигурами. При стыковке в одной точке двух групп одинаковых параметров с об- щим числовым значением (например, 6,ыд — 4 ... 6 и /выд = 2 ... 4 ч да- ется обобщенное обозначение в виде ^выд = 6 ... 4 ... 2 ч). Численные данные, которые неце- лесообразно изображать в виде гра- фиков, выносятся на свободное ме- сто в таблице, даются в примечаниях или в подрисуночной подписи. Для облегчения пользования такими бук- венно-цифровыми таблицами в каж- дой подрисуночной подписи дается пример определения параметров. Рисунки Рисунки, как правило, выполня- ются в виде полосных блоков. Если на рисунке даны изображения эле-
10 Введение ментов разных размеров, то в преде- лах одной полосы (рисунка) они вы- полнены в одном и том же масштабе. Каждый рисунок имеет подрисуноч- ную подпись, в составе которой мо- жет быть дана расшифровка ряда понятий. В.4. СИСТЕМА ЕДИНИЦ Система единиц физических вели- чин, их размерностей в этой систе- ме и условных обозначений представ- ляет собой своеобразный язык, с по- мощью которого описываются явле- ния, процессы, изделия (конструк- ции). Наряду с графическими сим- волами и чертежами они составляют тот технический язык (информацион- ный базис), которым конструктор РЭА пользуется при анализе и син- тезе конструкций. В Справочнике в основном исполь- зованы единицы СИ. В связи с тем, что на практике в конструкторских расчетах встречаются различные си- стемы единиц (МКС, СГС, англо- американские и т. п.), далее приво- дятся основные, дополнительные, про- изводные единицы СИ с их размер- ностями, а также и соотношения внесистемных единиц с единицами СИ. Основные и дополнительные единицы СИ Основные единицы СИ: длина — обозначение /, размерность [Е], еди- ница м; масса — т, [Л4], кг; время — /, [71], с; сила электрического то- ка — 7, [7], А; сила света — J, [7], кд; термодинамическая темпера- тура — 0, [0], К. В связи с тем, что во многих ГОСТах и других норма- тивных документах до настоящего времени используется значение тем- пературы в градусах Цельсия, а для инженерных расчетов можно пола- гать равенство °C = К, в Справоч- нике приняты следующие обозначе- ния температуры. Если в нормативном документе температура дается в градусах Цель- сия, то в Справочнике приводится это же значение, но с указанием в скобках температуры в градусах Кельвина. Если речь идет о перепаде температур, то используется либо словесное обозначение (например, перегрев в 20 градусов или град.), либо эквивалентное ему обозначение Д0 = 20 К. Во всех остальных слу- чаях используется обозначение тем- пературы в градусах Кельвина (К = 273 + °C). Производные единицы СИ Размерность единиц вместо dim £ — = L даются в квадратных скоб- ках [Е] Амплитуда £, [L], м (см, мм, мкм) Вес G, [LMT~2], Н (сила тяжести) Взаимоиндуктивность LB3, [L2 МТ-1/-2] Г Время (длительность) t, [Т], с (мин, ч, сут, мес, г) Высота h, [Е], м (см, мм, мкм) Вязкость динамическая т)дин> [L-1 МТ-1], Па • с Вязкость кинематическая г]км, [L2 Т-1], м2/с Глубина проникновения 6, [Е], мм (мкм) Давление р, [Е“1Л17'-2], Па Диаметр d, [Е], м (см, мм) Длина I, [Е], м (см, мм) Декремент затухания логарифмиче- ский ф, [1] Длина волны X, [Е], (км, м, см, мм, нм) Добротности коэффициент Кдб> Ш Емкость (ИП) Q, [77], А-ч Жесткость k, [МТ~2], Н/м Импульс (количество движения) К, [LMT-1], Н/с Импульса момент Mt, [Е8Л17’~1]> И • м/с Импульс силы Ff Н/с Инерции момент Л4НН> [L2M],. кг м2 Индуктивность L, [L2MT~2/~2], Г Индукция магнитная В, [МТ—2/-1], Тл Индукция магнитная, остаточная Вост- [УИГ-2/-1], Тл Количество электричества Q3, [77], Кл Координаты декартовы х (<-), у (-^), 2(f). [7] Коэффициент (общее обозначение) К, [II Коэффициент расширения: линейный ai, [Е©-1] поверхностный as, [Е2©-1] объемный av, [Е3©-1] Коэффициент связи (в сложных фор- мулах) Р, [1J
В.4. Система единиц 11 Коэффициент теплопроводности Л, [LMT-30-1], Вт/м • К Коэффициент теплоотдачи а, [L2 М-1 Т-30-i], Вт/м2 к Масса т, [М], кг (г, мг) Модуль колеса зубчатого т, [1] Момент силы М, [L2MT~2], Н-м Мощность Р, [L2MT—з], Вт Напряжение электрическое U, [L2 МТ-31-i], В Напряженность поля магнитного Н, [Ь-’/J, Л/м Намагниченность при насыщении /но, [L-Ч], А/м Объем V, [L8], м3 (см3) Освещенность (блеск) Еов, [L-2/], лк Отдача Т| Перемещение А/, [L], м (см, мм) Передаточное число (зубчатой пары) i Hl Проницаемость: абсолютная диэлектрическая е0, [L^M-iT4/2], Ф/м абсолютная магнитная ц0, [LMT-2 /~2], Г/м относительная диэлектрическая ег. [И относительная магнитная [1] Проводимость тепловая отп, [L2 МТ-30-1], Вт/К Проводимость электрическая ое, [Е-гЛ4-1Т3/2], См Плотность р, [ML~з], кг/м3 Прочность механическая рмх, [LT-2], Н/м Прочность электрическая Ее, [L МТ-si-J], В/м Поток: магнитный Ф, [L2M Т~ 21~ Ч, Вб массовый Фт, [MT-1], кг/с объемный Фо, [LST~!], м3/с тепловой Фтп, [ L2M Т~ з], Вт тепловой удельный Ф^п, [Л4Т—з], Вт/м2 частиц, радиационный Фм, [1], шт. световой Фов, [У], кд/ср Площадь S, [Л42], м2 Путь обобщенный з Работа A, [L2MT~2], Дж Радиус вращения rBp> [L], м (см, мм) Расход массовый т)т, [МТ-1], кг/с Расход объемный т|у, [L3T_1], м3/с Реакция опоры механической К, [LMT-2], Н Светимость Ф2В, [L—2Т], лм/ы2 Сечение (провода) s, [Е2], мм2 Сила: механическая F [LMT~2], Н магнитодвижущая 0, [/], А обобщенная X электродвижущая Е, [L2MT~3!~i], В света (энергетическая) 7СВ, [L2 МТ-з], Вт/ср тока (электрического) 1, [/], А Скорость v, [LT-1], м/с (мм/с) Сопротивление: акустическое raK, [L-4 М Т-1), Па • с/м3 механическое гых, [Л4Т-1], Н • с/м полное (электрическое) г, [L2 МТ-з/-*], Ом тепловое гтп, [L2A4T_30-1], К/Вт удельное (электрическое) р, [L3 МТ-3!-2], Ом • м электрическое г, [L2MT~з/~2], Ом Температура 0, [0], К или и, °C [0] Теплоемкость: при постоянном давлении ср, [L2MT-20-!], Дж/К при постоянном объеме cv, [L2 МТ-2©-1], Дж/К Температуропроводность a, [L2T~1], м2/с Ускорение свободного падения g, [LT-2], 9,81 м/с2 Ускорение линейное a, [LT~2], м/с2 Ускорение угловое е, [Т“2], 1/с2 Частота v, [71—1], Гц Частота вращения п, [Т~Ч, с-1 Частота круговая (угловая) со = = 2nv, [Т-1], с-1 или Гц Число (предметов, элементов) N, [1], шт. Ширина b, [L], м (см, мм) Энергия (общее обозначение) [L2MT~2], Дж Энергия световая Ц70В, [TV], лм-с Яркость /вв, [L-V], кд/м2 Десятичные соотношения единиц 1012 тер а—Т 109 гига —Г 10е мега—М 103 кило—к (!О2 гекто—г) (101 дека—да) (10-1 деци—д) (10~2 санти—с) Ю~з милли—м 10~6 микро—мн 10~9 нано—н 10-12 пико—п К)-45 фемто—ф 10-19 атто—а (в скобках указаны не рекомендуе- мые соотношения).
12 Введение Соотношения с внесистемными единицами Время: 1 сутки = 86400 с 1 неделя = 6,05 • 105 с 1 месяц = 2,59 I06 с 1 год = 3,16- 10’ с Давление: 1 бар (бар) = 105 Н/м2 = 105 Па I миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) = 133 Па 1 техническая атмосфера (ат или кГ/см2) =9,81 • 104 Па 1 миллиметр водяного столба (мм вод. ст.) = 9,81 Па Длина: 1 микрон (мк, ц) = 10-6 м 1 ангстрем (А) = 10~10 м Масса: 1 тонна (т) = I03 кг 1 центнер (ц) = 102 кг 1 карат (сг) = 2 . 10-4 кг Мощность: 1 л. с. = 736 Вт (75 кГ-м/с) Объем: 1 литр (л) = 10~з м3 Площадь: 1 ар (а) =100 м2 1 гектар (га) = 104 м2 Плотность поверхностная теплового потока: 1 калория на квадратный сантиметр за секунду (кал/(см2 • с)) = = 4,19. 10-4 Вт/м2 1 килокалория на квадратный метр за час (ккал/(м2 ч)) = 1,16 Вт/м2 Поток тепловой: 1 калория в секунду (кал/с) = = 4,19 Вт 1 килокалория в час (ккал/ч) == = 1,16 Вт Работа и энергия: 1 ватт-час (Вт • ч) = 3600 Дж 1 электрон-вольт (эВ) = 1,6 X X 10~18 Дж Сила: 1 тонна-сила (тс) = 9,81 X X 103 Н Скорость угловая: 1 об/мин = 0,105 рад/с 1 об/с = 6,28 рад/с Теплоемкость удельная: 1 калория на грамм-градус кал/ /(г • 0 С) = 4,19 • 103 Дж/(кг К) 1 килокалория на килограмм-гра- дус ккал/(кг • ° С) = 4,19 X X 103 Дж/(кг • К) Теплопроводность: 1 калория на сантиметр-секунду- градус: кал/(см • с • °C) = = 4,19 • 102 Вт/(м • К) 1 килокалория на метр-час-гра- дус: ккал/(м • ч • °C) =1,16 Вт/ /(м • К) Теплота: 1 калория (кал) = 4,19 Дж 1 килокалория (ккал) = 4,19 X X 103 Дж Теплота удельных фазовых превраще- ний и химический реакций: 1 калория на градус (кал/0 С) = = 4,19 Дж/К 1 килокалория на градус (ккал/°С) = = 4,19 103 Дж/К Плоский угол: 1 градус (°) = 1,75 • 10-2 рад 1 минута (') = 2,91 • 10~4 рад 1 секунда (") = 4,85 • 10~s рад Угол поворота: 1 оборот (об.) = = 6,28 рад Основные физические постоянные Авогадро число 6,02 1026 1/кмоль Больцмана постоянная 1,38 • 10-23 Дж/К Вина постоянная смещения 2,9 • Ю-з м . К Гравитационная постоянная 6,67 • 10-11 м3/(кг • с2) Заряд элементарный 1,6 • 10-19 Кл Лошмидта число 2,69 • 1025 1/м3 Планка постоянная 6,62 • 10_з4 Дж • с Ридберга постоянная 1,1 • 10’ 1/м Стефана—Больцмана постоянная 5,67 • IO-8 Вт/(м2 • К4) Фарадея число 9,65 • 10’ Кл/кг-эквивалент Универсальная газовая постоянная 8,32 • 103 Дж/(К • кмоль) Объем одного моля газа 22,4 м3/кмоль Перевод основных англо-американских мер в метрические Меры длины: 1 миля (морская) = 10 кабельто- вых = 6080 футов = 1853,2 м 1 миля (сухопутная) = 1760 яр- дов = 1609 м 1 ярд = 3 фута = 91,44 см 1 фут = 12 дюймов = 304,8 мм 1 дюйм = 25,4 мм
В.5. Рекомендации по выполнению конструкторских расчетов 13 Меры площади: 1 кв. миля = 640 акров = 258,99 га 1 акр = 4840 кв. ярдов = 404 кв. м 1 кв. ярд = 9 кв. футов = = 0,836 кв. м 1 кв. фут = 0,093 кв. м 1 кв. дюйм = 6,45 кв. см Меры объема 1 куб. ярд = 27 куб. футам = = 0,76 куб. м- 1 куб. фут = 1728 куб. дюймам = = 0,028 куб. м 1 куб. дюйм = 16,39 куб. см Меры объема жидкостей: 1 галлон США = 0,83 брит, гал- лона = 3,78 л. 1 кварта США = 0,83 брит, квар- ты = 0,946 л. 1 кварта США = 2 пинтам США = = 32 жидким унциям США 1 брит, галлон = 1,2 галлона США = 4 брит, квартам = 8 брит, пинтам = 160 брит, жидким ун- циям = 277,41 куб. дюймов = = 4,55 л Меры веса: 1 «длинная» тонна = 2240 фун- тов = 1,016 т 1 «короткая» тонна = 2000 фун- тов = 0,907 т 1 центнер = 112 фунтов = 50,8 кг 1 фунт коммерческий= 16унций = = 256 драхм = 7000 гранов = . 453,6 г 1 унция коммерческая= 16 драхм= = 28,35 г 1 драхма коммерческая = 27,34 гра- на = 1,77 г 1 гран коммерческий = 64,8 мг Меры давления: 1 фунт/кв. дюйм = 0,703 . 10-3 кГ/мм2 = 6,9 • 108 Па В.5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНСТРУКТОРСКИХ РАСЧЕТОВ Общие соображения Для увеличения объема сведений в Справочнике (при возможности и целесообразности) приводится ми- нимум расчетных графиков и номо- грамм, вместо них даются формулы. Кроме этого, запись формул дела- ется строчной. Например, вместо обычной формы записи К sin а+Ае-^/8—arccos 6 Vd? дается К (a-j-b) d~ l?c е~ ^csin аЦ- + Аехр (— ₽у/е) — arccos 6 или K(a+b)d~с e~fc sin ссф- + А ехр (— Руе-1)— arccos б. Вместо переводных таблиц единиц измерения дается формульная за- пись (например, 1 фут = 0,304 м и т. п.). Такие формы записи, давая эконо- мию объема Справочника, неудобны при ручных методах расчетов или при использовании логарифмической линейки. Это, так же как и рост сложности и точности конструктор- ских расчетов, требует использования машинных методов расчетов с по- мощью электронных клавишных вы- числительных машин ЭКВМ (микро- калькуляторов), которые позволяют увеличить скорость расчетов по срав- нению с расчетом на логарифмиче- ской линейке в 5 ... 7 раз при повы- шении точности расчета до 6 ... 8-й значащей цифры. Поэтому для ус- пешного использования материала Справочника необходимо овладеть практическими приемами работы и правильно выбрать тип ЭКВМ. Рекомендации по выбору ЭКВМ для конструкторских расчетов В практике конструкторских рас- четов целесообразнее всего исполь- зовать микрокалькуляторы для ин- женерных расчетов (Scientific Cal- culator, Electronic Scientific Calcu- lator, Hand-size Programmable Cal- culator, Taschenrechner и т. п.), ко- торые позволяют производить ариф- метические вычисления, автоматиче- ски или по программам вычислять до 30 и более научных функций, ве- сти цепные вычисления, вычисления по сложным формулам и с запоми- нанием промежуточных результатов.
14 Введение Основными частями ЭКВМ явля- ются (рис. В.2, а): клавишное уст- ройство и переключатели, с помощью которых в устройстве ввода данных формируются команды для опера- тивного запоминающего устройства, арифметико-логического устройства, постоянного (внутреннего или смен- ного внешнего) запоминающего уст- ройства ЗУ и устройства управления. Из устройства управления через устройство вывода данных прохо- дят команды формирования цифр и знаков (в программируемых ЭКВМ) на экран комбинированного моно- дисплея и (при необходимости) коман- ды блокировки в устройства ввода данных. Генератор опорных частот формирует тактовые сигналы, ис- пользуемые в работе частей ЭКВМ. Источник питания обычно выпол- няется в виде универсального уст- ройства, позволяющего работать от гальванических элементов, аккуму- ляторов и стабилизированного сете- вого блока питания (Adaptor). Так как в современных ЭКВМ используется алгебраическая логика (данные вводятся так же, как запи- сываются числовые значения в фор- мулу), то для выполнения многих расчетов достаточно знать назначе- ние и расположение клавиш и прави- ла их использования. В настоящее время стандартизовано расположе- ние только цифровых клавиш и кла- виши плавающей запятой (запятой, которая может быть введена между любыми разрядами числа). Располо- жение остальных клавиш в ЭКВМ даже одной и той же страны или фир- мы может быть разным. Поэтому на панели ЭКВМ можно выделить толь- ко области расположения клавиш и вспомогательных переключателей (рис. В.2, б). По назначению и наиболее рас- пространенным обозначениям кла- виши ЭКВМ можно сгруппировать следующим образом (рис. В.З): для ввода числа и показателя степени 1, .... 6, работы с памятью 7, ..., 10, выполнения арифметических расче- тов и вычисления алгебраических функций 11 ... 13, вычисления лога- рифмических и комбинаторных функ- ций 14, 15, тригонометрических и гиперболических функций 16, 17, статистических функций 18, перево- да значений единиц измерения 19 и ввода специальных функций 20. В некоторых ЭКВМ при расчетах тригонометрических функций имеет- ся возможность ввода данных в ра- дианах, десятичных градусах, гра- дусах, минутах и секундах и гонах g (g = 1,57 • 10-2 рад = 0,01 пря- мого угла) и их перевода друг в дру- га, что создает большие удобства (например: 1 рад = 57,3° = 57°18' = = 63,7 гон), а также возможность выполнения вычислений с простыми дробями (символы аь/с или просто /). Использование префиксных клави- шей (клавишей совмещения функций F и Р) позволяет использовать кла- виши ввода данных дважды или трижды, что существенно уменьша- ет площадь панели и габариты ЭКВМ в целом. При прочих равных условиях для пользователя ЭКВМ наиболее важ- ными являются показатели ее эко- номичности и возможности вычисле- ний. Экономичность зависит от типа микросхемы и параметров индикато- ра монодисплея. Самые экономичные индикаторы выполняются иа жид- ких кристаллах (с ними ЭКВМ по- требляет 0,4 ... 0,6 мВт, цифры тем- ного цвета на песочном фоне), ме- нее экономичны индикаторы на све- тоизлучающих диодах с красным све- чением (потребление ЭКВМ 0,2 ... ... 0,4 Вт) и люминесцентные с зе- леным или сине-зеленым свечением (0,25 ... 0,6 Вт). Программируемые ЭКВМ с внутренним или внешним ЗУ потребляют 0,7 ... 1,5 Вт. Возможности вычислений опреде- ляются количеством разрядов числа (мантиссы) и показателя степени (экспоненты), быстродействием, ко- личеством вычисляемых функций и числом ЗУ. Наиболее распространены ЭКВМ с 8-разрядным индикатором, который иногда может использовать- ся для индикации 5-разрядной ман- тиссы и 2-разрядной экспоненты. 10-разрядный индикатор мантиссы с 2-разрядной экспонентой, как пра- вило дает излишнюю точность. Наи- более приемлем для инженерных расчетов индикатор с 8-разрядной мантиссой и 2-разрядной экспонентой. Точность вычислений гарантируется не ниже последнего или предпослед- него знака мантиссы. Существуют ЭКВМ, в которых при 8-разрядной
В.5. Рекомендации по выполнению конструкторских расчетов 15 б Рис. В.2. Функциональная схема ЭКВМ (а) и расположение ее элементов ня на управления на лицевой панели (б)
16 Введение 7 8 9 И Е И 1_____ Т) Щ [з 71 ГЛ*— т X т X Т I 2 I * I I Е I I I |с^~| | f/УЛСТ | 6 00 ШШ ЕМ ЕШ | ЗАП\ |>7+ | |>7 — | | М | | М* | 8 I + I Р~| I | l^-^l |>Ух| | мт | |лм-| | мз | | | | srz? | I ИИ I | Сч I |/У->а| | лу| I ^ut I 9 ------ ------ ------- -------------- | R | \RCL I | RM | | RMn\ |/?Wj | ZzZX | | RV | [aR^I 13 I orc I I arc I I arc I I „„r | I arc I I sen I I спз | I tan I | а"с I | hyp\ STAT SUM И И ГЛ R И №
В.5. Рекомендации по выполнению конструкторских расчетов 17 Рис. В.З. Наиболее распространенные сим- волы обозначения операции: 1 — расположение цифровых клавиш в ва- рианты обозначения плавающей запятой; 2 — окончание набора числа; 3 —последо- вательное стирание последнего неправиль- но набранного знака и стирание только од- ного последнего знака (F+ДВ); 4 — смена знака; 5 — ввод показателя степени 10Л (ввод порядка); 6 — скобки; 7 — полный сброс С (входные, выходные регистры и па- мять); сброс входа х (дисплея), сброс ре- гистров ввода — вывода CL (С), очистка всех регистров памяти или регистров с но- мером п; 8— ввод данных в постоянное ЗУ (при этом возможно выполнение дейст- вий сложения, вычитания, деления и ум- ножения) либо ввод в постоянное ЗУ с но- мером п-, 9 — вывод данных из постоянно- го ЗУ на дисплей, вывод данных с после- дующей очисткой постоянного ЗУ (RM/CM); 10 — обмен данных между дис- плеем и постоянным ЗУ, с регистром по- стоянного ЗУ какого-либо номера (нажать н цифровую клавишу) обмен данных операнда и оператора (RV); // — знаки сложения, вычитания, деления, умножения и равенства (итога); 12 — алгебраические функции возведения в степень извлечения корня, знак получения обратной величины (инверсии); 13 — символы инверсии (в ря- де ЭКВМ символ ARC используется как аналог 1/х); 14 — символы логарифмирова- ния и потенцирования; 15 — факториалы, сочетания и перестановки; 16 — перевод уг- лов, записанных в градусах, минутах, се- кундах (DMS), в радианах (RAD), в гоны (GRA CRAD, аР) в десятичные градусы (DEG) и обратно; /7 — обозначение пря- мых (sin, . . .) и обратных (sin”1, .... arcsin) тригонометрических, гиперболиче- ских (hyp) и обратных гиперболических (archyp) функций; 18—символы выполне- ния статистических расчетов (при одной и двух переменных), определения количе- ства параметров (п), линейной регрессии (LR, L.R.), постоянных регрессии (а, Ь), коэффициента корреляции гху и коэффици- ента вариации V; 19 — перевод полярных координат в декартовы и наоборот, обрат- ный перевод (CONV), перевод англо-аме- риканских единиц измерения в метрическую систему и обратно; 20 — символы совме- щенной функции (F). снятия режима сов- мещенной функции (CF), второй совмещен- ной функции (Р) вычисления выражений вида А2+В2и Уа2+В2 и погрешностей (Л) мантиссе внутренние расчеты ведут- ся с 16-разрядными числами, что по- вышает точность вычислений. Быстродействие современных не- программируемых ЭКВМ с индика- торами на жидких кристаллах со- ставляет 2 ... 4 с, со светодиодными и люминесцентными индикаторами — 0,1 ... 0,5 с, В программируемых ЭКВМ быстродействие составляет 1 ... ... 5 с в зависимости от сложности программы вычислений. Количест- во вычисляемых научных функций обычно 20 ... 40, количество ЗУ (ре- гистров памяти) — 5 ... 30. Для про- граммируемых ЭКВМ дополнитель- ными характеристиками являются: число шагов программы (обычно в пределах 49 ... 224), количество ЗУ (8 ... 30), число подпрограмм (до 10), число переходов вида х < у, х > у\ х =£ у; х = у; х < х > 0; х > 0; х 0; х = 0 и возможность ис- пользования внешних магнитных карт. Масса ЭКВМ с индикаторами на жидких кристаллах состав- ляет 60 ... 80 г, на светодиодных и люминесцентных индикаторах — 125 ... 250 г и программируемых — 400 ... 1500 г. Таким образом, зная расчетные задачи, можно по приведенным ре- комендациям выбрать подходящий Ряс. В.4. Отечественные ЭКВМ для инженерных расчетов: БЗ-18А (а), СЗ-15 (б) и про- граммируемая БЗ-21 (в) а б в
18 Введение Таблица В.2 Основные параметры отечественных ЭКВМ для инженерных и научных расчетов (рис. В.4) Тип Разряды 1 Число | функций Количество ЗУ Число шагов внешней программы Число под- программ мантиссы экспонен- 1 ты БЗ-18А 8 24 2 __ БЗ-37 8 — 24 2 — — БЗ-36 8 2 19 2 — —— СЗ-15 10 2 21 3 — — БЗ-21 7 2 14 10 60 5 тип ЭКВМ. Для большинства обыч- ных инженерных расчетов достаточ- ны ЭКВМ с внутренними программа- ми вычисления логарифмических и тригонометрических функций (БЗ-18А, БЗ-18М, БЗ-19М, СЗ-15), при необ- ходимости частых вычислений ги- перболических, комбинаторных и ста- тистических функций следует использовать ЭКВМ, имеющую такие программы, или программируемую ЭКВМ. При работах по частным про- граммам и при вычислении нестандартных функций лучше при- менять ЭКВМ с программированием (БЗ-21) (табл. В.2). Так как соотношения стоимости ЭКВМ для инженерных расчетов с программированием (во внутреннее ЗУ или на внешнюю магнитную сменную карту) примерно равно 1.1, 5.. .2.2,5. ..3, то нет смысла использовать более сложную ЭКВМ, чем это нужно для расчетов.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИЮ РЭА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЭА* 1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ [2] Термин радиоэлектронная аппа- ратура (РЭА) появился в 1963 г. для общего описания изделий радио- техники (приемников, передатчиков), вычислительной техники (ЭВМ и уст- ройств для обработки данных), про- мышленной электроники (устройства управления технологическими про- цессами, приборы для воздействия на материалы и детали) и т. п. В на- стоящее время различают радио- электронные системы (радиосвязи, радиолокации и навигации, управ- ления и т. п.) и радиоэлектронные устройства (радиоприемные, радио- передающие и т. п.). В литературе по конструированию термин РЭА относят к широкому классу изделий, в которых используют преимущест- венно электромагнитные сигналы для передачи, приема и преобразования информации. Основной физический механизм ра- боты РЭА — многократное преобра- зование природы сигналов. Напри- мер, в простейшем радиоприемнике (рис. 1.1, а) входной сигнал, за- шифрованный в свойствах электро- магнитного поля 1, преобразуется иа выходе антенны в сигнал высокой частоты 2. Аналогичные эффекты про- исходят в детекторе Д и громкого- ворителе Гр. По первому впечатле- нию таких преобразований не про- исходит в усилителях высокой и низкой частоты (природа входных 2 и 3 и выходных 2' и 3' сигналов одинакова). Одиако рассмотрение уп- рощенной схемы усилителя низкой частоты (рис. 1.1, б) показывает, что он является сложным преобразова- * Составитель Р. Г. Варламов. телем, включающим в себя нить на- кала нн (преобразователь электри- ческой энергии в тепловую), катод к (преобразователь тепловой энергии в энергию электронного газа), про- межуток сетка—катод с — к (преоб- разователь энергии входного управ- ляющего сигнала Ц7ВХ в энергию электрического поля) и т. д. При работе резисторов происхо- дит преобразование электрической энергии в тепловую. При работе конденсаторов и катушек индуктив- ности требуется не только наличие соответствующим образом выпол- ненных проводников, но определен- ного пространства (емкость или ин- дуктивность [1] — способность про- водников с током и окружающего их пространства накапливать энергию электрического или магнитного по- ля). Таким образом, все схемотех- нические элементы, устройства и системы — преобразователи, требу- ющие при работе дополнительного объема пространства для поглоще- ния или накопления тепловой, аку- стической, световой, электромагнит- ной и т. п. энергии. Поэтому реше- ние констр у кторско-компонов очных задач требует обязательного учета как природы эффектов преобразова- ния, так и дополнительных объемов для их нормального протекания. Необходимая степень учета этих факторов зависит от конструктивных особенностей РЭА. Таким образом, конструкцию РЭА следует рассматривать в виде опре- деленным образом упорядоченной статической комбинации (структуры) исходных свойств (материалов, эле- ментов) и их взаимосвязей, обеспечи- вающих заданное динамическое пре- образование физической природы
20 1. Классификация РЭА а Рис. 1.1. Функциональная схема приемника прямого усиления (а) с указанием различ- ной природы сигнала, несущего информацию I ... 4, и упрощенная схема усилителя низкой частоты (б) в виде совокупности отдельных преобразователен сигналов, преимущественно электро- магнитной природы. В свою очередь она разделяется на: — определенные упорядоченные статические структуры материалов, «запомнивших» воздействия при изго- товлении элементов конструкции (ше- стерни, резисторы, микросхемы и т. п.), — собственно конструктив- ные и схемные элементы, — определенные статические или динамические связи, определяемые компоновкой и связями элементов конструкции, электромонтажные, механические и др., — специальные каналы, с помо- щью которых осуществляются эффек- ты энерго- массопереноса (обмена) со средой или специальными устрой- ствами (ввода—вывода, теплообмена, экранирования и т. п.), а также человеком-оператором. Особенности конструкции РЭА определяются областью ее исполь- зования (объектом-носителем), схе- мотехническим назначением, исполь- зуемыми элементной и конструктив- ной базами. 1.2. ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЭА [2 ... 5] Области использования и объекты- носители РЭА определяют параметры конкретного микроклимата в месте расположения РЭА. Легче всего обес- печить нормальную работу РЭА в отапливаемых помещениях в ста- ционарных условиях. Стационарная и переносная РЭА, предназначен- ная для работы на поверхности зем- ли, должна иметь в конструкции защитные корпуса с уплотнением и элементную базу, обеспечивающую нормальную работу при воздействии климатических факторов. Возимая РЭА для наземных транс- портных средств подвергается воз- действию вибраций, ударов и ускоре- ний. Возможно воздействие пыли, паров бензина и масел. Корабельная РЭА требует ис- пользования влагонепроницаемых корпусов и уплотнения осей орга- нов управления. Самолетная и вертолетная РЭА должна работать при пониженном атмосферном давлении, воздействии росы и инея, тумана, вибраций, уда- ров и других воздействий, опреде- ляемых конструкцией самолета и вертолета. Наиболее тяжелыми могут быть условия работы ракетной и космической РЭА. Поэтому при разработке конструк- ции РЭА необходимо знание осо- бенностей объектов-носителей и кли- матических условий местности экс- плуатирования РЭА, которые ока- зывают существенное влияние на конструктивно-компоновочные пара- метры РЭА, на выбор материалов элементной и конструктивной базы, 1.3. НАЗНАЧЕНИЕ РЭА [2] В настоящее время РЭА исполь- зуется для связи, управления, на- вигации, различных научных иссле- дований и в производстве. Суть ее работы и определяющие факторы следующие.
1.3. Назначение РЭА Радио-, оптическая и проводная связь — передача радиосигналов от одного абонента к другому по радио, оптическим или проводным линиям связи. Должна обеспечивать много- канальность, беспоисковое вхожде- ние в связь, помехозащищенность от атмосферных и искусственных помех. При наличии промежуточ- ных приемопередающих устройств получают радиорелейные линии свя- зи. Радиовещание и телевидение — пе- редача речевых, музыкальных и ви- зуальных ознакомительных или раз- влекательных сообщений большим группам людей. Должны обеспечи- вать достаточную дальность действия, число каналов и высокое качество воспроизведения сигналов (моно-, стерео- или квадрофоническое для акустических, черно-белое, цветное и объемное для визуальных). Могут использоваться для специальных це- лей в условиях работы промышлен- ных, зрелищных, медицинских и других организаций (диспетчерские устройства связи, промышленное и медицинское телевидение, специаль- ные звуковые эффекты и т. п.). Радиоуправление — управление по эфиру или проводам с помощью ра- диосигналов промышленными, на- учными или военными объектами. Должно обеспечить простоту, точ- ность и скрытность управления. Радиотелеметрия — получение информации о работе и состоянии объектов и людей с помощью спе- циальных промежуточных преобра- зователей и линий связи. Аппара- тура должна обеспечивать точность, быстродействие и быть (особенно для малогабаритных объектов) ма- логабаритной и экономичной. Радиометеорология — получение информации, в основном, с помо- щью специально оснащенных ИСЗ (например, «Метеор», «Нимбус») и наземных комплексов об облачности, температуре, различных образова- ниях и других факторах на поверх- ности Земли, определяющих погоду. Должна обеспечивать точность и своевременность получения метеоин- формации. Радиолокация — определение координат и характеристик объекта активными (источники импульсного или непрерывного излучения в со- 21 ставе РЛС) или пассивными (источ' ник радио- или теплового излуче- ния сам объект) методами. Должна обеспечивать точность и достовер- ность работы, особенно в условиях пассивных или активных помех. Радионавигация — особо точ- ное определение координат объекта с помощью специальных источников радиоизлучения с точно известными координатами (например, береговые радиовещательные или специальные станции). Обеспечивает большую точ- ность (особенно на больших расстоя- ниях) по сравнению с радиолокацией. Радиоастрономия — получение информации о космических объек- тах с помощью приема и анализа их радиоизлучения. Так как ширина «радиоокна» в атмосфере намного больше оптического, то и количество информации тоже намного больше. Должна обеспечивать наивысшую чувствительность и широкополос- ность системы, ибо ими определяет- ся количество получаемой информа- ции. Медицинская радиоэлектроника — использование методов и средств радиоэлектроники в биомедицин- ских исследованиях, в качестве элек- тронных стимуляторов деятельности отдельных органов человека, в со- здании протезов и диагностических систем. Должна обеспечивать высо- кую эффективность при минималь- ном нежелательном воздействии на организм и простом обслуживании. Радиоизмерения — создание и использование специальных уст- ройств для измерения или имитации различных сигналов, преимуществен- но электромагнитной природы. Дол- жны обеспечивать требуемую точ- ность, стабильность, уровень и бы- стродействие во всех научных иссле- дованиях, для которых предназна- чены измерительные приборы или комплексы, включая, в частности, наручные электронные часы, сред- ства комплексного контроля и дру- гие подобные устройства. Должны проводиться с минимальным влия- нием на параметры контролируемой цепи. Устройства обработки данных — обычно являются частью более слож- ных радиосистем или систем автома- тизированного управления (АСУ), но могут быть выполнены и в виде
22 1. Классификация РЭА самостоятельных систем вида элек- тронных цифровых, аналоговых иликлавишных вычислительных ма- шин (ЦЭВМ или просто ЭВМ, АЭВМ и ЭКВМ). Должны обеспечивать про- стоту ввода и вывода данных, точ- ность, бесшумность и надежность работы. Устройства записи и воспроизве- дения сигналов — приспособления для записи и воспроизведения аку- стических, визуальных и специаль- ных сигналов на проволочных, лен- точных, дисковых, плоских ферро- магнитных (магнитная запись), оп- тических (в том числе голографиче- ская запись) и других по форме и физической природе носителях (в ви- де магнитофонов, радиол, ЗУ ит. п.). Должны обеспечивать в первую оче- редь требуемое качество и простоту управления. Для специальных уст- ройств (например, ЗУ) могут предъяв- ляться требования разного быстро- действия при записи и воспроизве- дении. Устройства энергетического ха- рактера — приспособления для непосредственного воздействия на свойства материалов или объект уп- равления (некоторые устройства квантовой электроники, используе- мые в технологии микросхем, высоко- частотная закалка, аппаратура фи- зиотерапии, специальные выходные устройства управления и т. п.). Должны обеспечивать избиратель- ное энергетическое воздействие в со- ответствии с назначением. Их ча- сто (как и некоторые электромеха- нические и фотооптические устрой- ства) не включают в радиоэлектро- нику. Рассмотрение характерных обла- стей использования радиоэлектро- ники показывает, что она, в основном, предназначена для решения разно- образных информационных задач. Этим определяется как математиче- ский аппарат радиоинженера, так и используемые им физические мо- дели. 1.4. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ (ЭЛЕМЕНТНАЯ) БАЗА РЭА [2 ... 4] Антенны применяются для излу- чения и приема энергии электромаг- нитных колебаний в диапазоне ча- стот 104 ... 1016 Гц. Чтобы повысить эффективность работы антенн (на- правленность, чувствительность), не- обходимо иметь размеры антенн зна- чительно больше рабочей длины волны, поэтому в диапазоне частот 104 ... 105 Гц даже при объемах ан- тенн ~ 108 м3 эффективная пло- щадь антенн оказывается незначи- тельной, а диаграммы направлен- ности весьма широкими. В диапазоне частот 108 ... 1О10 Гц возможно формирование весьма узких диаграмм направленности, что повышает даль- ность действия РЭА. Для малогаба- ритной переносной аппаратуры при- меняют малогабаритные магнитные и штыревые антенны, качество ко- торых зависит от размеров антенн (особенно это касается наружных антенн). Элементы антенных трактов ис- пользуются для передачи энергии от приемных или передающих антенн (излучателей) к входным устройст- вам или резонансным контурам раз- личного типа приемников или пере- датчиков либо обратно. В диапазоне частот 104 ... 108 Гц в качестве та- ковых используют специальные эк- ранированные гибкие высокочастот- ные кабели и коаксиальные линии, на более высоких частотах — спе- циальные коаксиальные кабели и коаксиальные линии, в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн — волноводы, в оптическом ди- апазоне — световоды. Кроме того, элементы антенных трактов исполь- зуются для коммутации, согласова- ния элементов с разным волновым со- противлением, в виде фильтрующих и переходных элементов с различны- ми электрическими и механическими (например, вращающиеся соедине- ния) свойствами. Резонансные контуры служат для создания резонансных эффектов то- ка (последовательный контур) или напряжения (параллельный контур). Могут быть выполнены из комбина- ций индуктивностей и емкостей (ди- скретные элементы колебательных контуров в диапазоне частот 104 ... ... 108 Гц), в виде контуров переход- ного типа (дециметровый дианазон), в виде объемных резонаторов (санти- метровый и миллиметровый диапа- зоны). Колебательные контуры из дискретных элементов и переходно-
1.4. Схемотехническая (элементная) база РЭА 23 го типа часто требуют использования внешних экранов, которые увеличи- вают объем контура в 3 ... 4 раза (при приемлемом уменьшении доб- ротности контура). Резисторы применяются для сни- жения напряжения, силы тока, ста- билизации режимов и сопротивлений нагрузки. Могут быть металлопле- ночные, композиционные, объемные и проволочные, что определяется схемными требованиями и условия- ми эксплуатации. В микросхемах резисторы выполняются в виде пле- ночных или объемных элементов на подложке или в толще кристалла. Являются основными источниками тепловыделений в РЭА. Конденсаторы используются для разделения цепей по постоянному току (бумажные, пленочные и, ча- стично, электролитические), в ча- стотно-задающих цепях (керамиче- ские, слюдяные), в блокирующих и накопительных. Тепловые потери, как правило, столь незначительны, что ими при решении конструктор- ских задач можно пренебречь. Вы- соковольтные конденсаторы требуют увеличения объема пространства при компоновке из-за увеличения гра- диента потенциала и приближения его значений к пробойным. Конден- саторы переменной емкости требуют особой формы пластин для обеспече- ния заданных функциональных свя- зей емкости с перемещением ротора и, в ряде случаев, весьма точных ме- ханизмов привода и качества их вы- полнения (особенно в измеритель- ных устройствах). Индуктивные элементы применя- ются для образования резонансных контуров и трансформаторов (как в высокочастотных цепях, так и в силовых и цепях управления). Вы- полняются в виде отдельных кату- шек индуктивности или их разно- образных комбинаций. Для умень- шения габаритов используют раз- личные ферромагнитные сердечники из ферритов, никелевых сплавов, трансформаторной стали. При нали- чии постоянного тока подмагничива- ния часто используют сердечник с воздушным зазором. Электронные лампы служат для преобразования энергии анодных ис- точников питания в энергию выход- ных сигналов с помощью управления электронным газом в цепях управ- ляющих сеток. Для формирования потока электронного газа требуют наличия накальных цепей, обладаю- щих весьма низкими энергетиче- скими характеристиками за счет мно- гократных преобразований энергии накальных источников питания в энер- гию электронного газа. Могут иметь два (катод и анод) или больше ос- новных электродов (комбинированные лампы). Влияние выходных цепей на входные цепи очень слабое, что важно для работы ряда электронных схем. Лампы в каскадах преобразо- вания и «усиления» маломощных сигналов высокой и низкой частоты практически всю энергию питания (анодных и накальных цепей) обра- щают в тепло, мощные генераторные лампы и лампы выходных каскадов «усилителей» могут иметь к. п. д. по анодным цепям до 0,5 и несколь- ко выше. Полупроводниковые приборы пред- назначены для тех же целей, что и электронные лампы. Отличаются большей экономичностью (за счет отсутствия цепей накала), могут быть в виде многоэлектродных компози- ций (в том числе и с дискретными ми- ниатюрными резисторами и конден- саторами), образующих широкий класс различных микросхем, либо в виде дискретных элементов типа диодов и транзисторов. Влияние выходной цепи на входную весьма велико, что часто является причиной существенного усложнения схемы устройства. Весьма малогабаритны, прочны, обладают большим сроком службы. Входные и выходные преобразова- тели служат для преобразования ме- ханических (ларингофоны, звуко- сниматели), акустических (микрофо- ны), магнитных (записывающие маг- нитофонные головки) или оптических (фотопреобразователи, иконоскопы) сигналов в электрические и наобо- рот (рекордеры, телефоны и гром- коговорители, воспроизводящие маг- нитные головки, кинескопы и лю- минесцентные устройства). Это об- ширный и расширяющийся класс пре- образователей, используемых в сов- ременной РЭА. Ларингофоны преоб- разуют механические колебания го- лосовых связок в электрические сиг- налы, источником механических ко-
24 Степень интеграции элементов в ИС Рис. 1.2, Относительная доля участия ра- диоинженера-схемотехника и инженера-раз- работчика интегральных микросхем в про- ектировании элементов, узлов, блоков, ап- паратов н систем РЭА. Раньше при разработке дискретных элект- рорадиоэлементов радиоинженер н разра- ботчик радиодеталей имели одинаковый вес, теперь это равенство сохраняется только на уровне систем РЭА 5-го поколе- ния лебаний иглы головки звукоснима- теля является звуковая бороздка моно- или стереофонического харак- тера. Микрофоны преобразовывают акустические колебания воздуха (и мембраны микрофона), записываю- щие магнитные головки — измене- ние намагниченности носителя, фо- топреобразователи и иконоскопы — изменение яркости и цветности. В те- лефонах и громкоговорителях, вос- производящих магнитных головках, кинескопах и люминесцентных ин- дикаторах — преобразование обрат- ного характера. Коммутационные устройства приме- няются для легкоразъемного соеди- нения и разъединения электрических цепей. Выполняются в виде электри- ческих разъемов, тумблеров, кнопок, переключателей (механический при- вод управления коммутацией), реле, контакторов, магнитных контактов (электрическое управление). Исполь- зуются для внутренних электриче- ских соединений модулей и узлов РЭА друг с другом и с печатной пла- той-основанием, внешних электриче- ских соединений РЭА в целом и раз- личных видов коммутации. Габариты тем больше, чем выше напряжение 1. Классификация РЭА коммутации или разрывная мощность контактов. Электрические контакты служат для электрического соединения вы- водов элементов схемы друг с другом. Выполняются в виде соединительных проводников, монтажных жгутов, многожильных и высокочастотных кабелей, плоских гибких кабелей (шлейфов), печатных плат. Провод- ники, полученные методом осажде- ния, менее надежны. Наименее надежным элементом электрического соединения является стык двух про- водников в виде пайки, сварки, на- крутки. Весьма сложно выполнять особо гибкие надежные соединения. В настоящее время особенности конструкции РЭА характеризуют степенью интеграции схемных эле- ментов, полагая для общности нуле- вой степень интеграции РЭА на дис- кретных элементах. Степень интеграции схемных эле- ментов в конструкциях РЭА принято оценивать номером поколения от О до 5, начиная с использования дис- кретных электровакуумных или полу- проводниковых приборов, резисто- ров, конденсаторов и других ЭРЭ и кончая устройствами молекулярной электроники (рис. 1.2). РЭА нулевого поколения — набор дискретных элементов, схема соеди- нений которых выполняется радио- инженером, определяющим и функ- циональную, и принципиальную схе- му РЭА. Конструктивно выполняются на общих или отдельных модулиро- ванных платах, преимущественно с печатным монтажом и с разнообраз- ным расположением в объеме РЭА. РЭА 1 и 2 поколений — набор мик- росхем (иногда с дополнительными дискретными элементами), имеющих степень интеграции 1 ... 2 (101 ... 102 элементов в корпусе). В этом слу- чае схемотехническое решение на уровне функционального узла опре- деляется в основном разработчиком интегральной микросхемы (ИС), кото- рый оказывает влияние и на схемо- техническое решение блока. Радио- инженер, в основном, определяет схемотехнику РЭА только от уровня блока и выше. Конструктивно РЭА выполняется в виде плоских «лис- тов» — плат с ИС в виде этажероч- ных, книжных, веерных и т. п. кон- струкций.
1.5. Конструктивная база 25 РЭА 3 и 4 поколений — набор мик- росхем (практически без дополни- тельных дискретных элементов), имеющих степень интеграции 3 ... 4 (103 ... 104 элементов в одном корпусе). Схемотехника узла и, в ос- новном, блока — в руках разработ- чика ИС. Радиоинженер определяет схемотехнику только на уровне аппа- рата и системы в целом. Конструк- тивно выполнение аналогично РЭА 2 и 3 поколений с жесткой унифика- цией размерно-параметрических ря- дов по классам изделий. РЭА 5 поколения — функциональ- ная или системная микроэлектрони- ка, когда в одном корпусе ИС может быть свыше 105 элементов. Схемо- техника блока и, в основном, аппа- рата — в руках разработчика ИС. Радиоинженер определяет только си- стемотехнику сложной системы. Кон- структивное выполнение определяет- ся либо в каждом частном случае (например, ЭКВМ, в которой со- ставными элементами являются БИС, клавиатура, индикатор и корпус), либо для унифицированных размер- но-параметрических рядов несущих конструкций широкого профиля. При дальнейшем повышении сте- пени интеграции и повышении плот- ности компоновки ИС в РЭА не- обходимо в каждом случае учиты- вать выпуск изделия (массовость) и возможную стоимость его, выбирать рациональную степень интеграции в ИС (чем она выше, тем больше будет типоразмеров ИС и затруднительнее выпуск), рассчитывать на ранних стадиях проектирования тепловые ре- жимы РЭА (чем выше плотность ком- поновки ИС в РЭА, тем больше объем, сложность и энергопотребление си- стем обеспечения тепловых режимов), предусматривать новое технологиче- ское оснащение для выполнения со- единений на разных уровнях (чис- ло точек соединений может дохо- дить до 104 ... 106) 1.5. КОНСТРУКТИВНАЯ БАЗА [2...5J Конструктивной базой называют совокупность механических элемен- тов конструкции РЭА, обеспечиваю- щих механическую прочность и за- щиту от дестабилизирующих воздей- ствий, а также механическое управ- ление РЭА. Так же как и для эле- ментной базы в конструктивной базе принято различать иерархические уровни от низшего в виде печатной платы или панели (которые могут быть не только конструктивным эле- ментом, но и полем электрических соединений) до сложных размерно- параметрических рядов корпусов из- делий. Механические устройства управле- ния выполняются в виде кнопок, ры- чагов (головок тумблеров) и ручек, с помощью которых обеспечивается плавное или скачкообразное враща- тельное и поступательное перемеще- ние рабочих органов регуляторов (резисторов, конденсаторов и т. п.). В ряде случаев механические устрой- ства управления выполняются в виде ножных педалей. Электромеханические устройства служат для электрического управле- ния механизмами РЭА и для повыше- ния их динамичности. Включают в се- бя электродвигатели различных ти- пов, сельсины, электромагнитные муфты и т. п. устройства, используе- мые в механизмах настройки, антен- ных приводах, механизмах протяж- ки, знакопечатающих и др. Механизмы применяют для меха- нического перемещения рабочих эле- ментов устройств настройки и других отсчетных приспособлений, облуча- телей и антенных зеркал, дисковых и пленочных носителей информации, механических устройств ввода и вы- вода. Очень часто включают в себя разнообразные электромеханические устройства. Несущие конструкции предназна- чены для механического закрепления, защиты и обеспечения доступности схемных элементов при сборке и эксплуатации РЭА. Выполняются в виде шкафов, кожухов, блоков, плат, специальных направляющих и т. п. устройств. Нередко выполняются в виде модулированных элементов, яв- ляющихся основой размерно-пара- метрических типовых рядов изделий. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Брон О. Б. Электромагнитное поле как вид материи, — М.: ГЭИ, 1962.
26 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА 2. Варламов Р. Г. Компоновка ра- диоэлектронной аппаратуры. — 2-е изд., доп. и перераб. — М.: Сов. радио, 1975. 3. Ефимов И. Е. Современная мик- роэлектроника. — М.: Сов. ра- дио, 1973. 4. Краткий справочник конструк- тора РЭА/Под ред. Р. Г. Вар- ламова. — М.: Сов радио, 1972. 5. Справочник по радиоэлектронным устройствам в 2-х т./ Р. Г. Вар- ламов, С. Д. Додик, А. И. Ива- нов-Цыганов и др.; Под ред. Д. П. Линде, — М.: Энергия, 1978, — Т.2; разд. 9, 2. ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА РЭА Основные аббревиатуры В — обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в любом районе на поверхности земли Вл — относительная влажность ГВР — гололедно-ветровой район ГИО — гололедно-изморозевые отло- жения ИИ — ионизирующие излучения ИС — интегральная микросхема М — морской умеренно-холодный климат МФ — метеорологические факторы О — обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в любом (кроме морей и озер) районе на поверх- ности земли ОМ — обозначения РЭА, пригодной для эксплуатации на судах с не- ограниченным районом плавания ПДИ — поглощенная доза излуче- ния ПИЧ — перенос ионизирующих ча- стиц PC — солнечная радиация СНВ — скоростной напор ветра Т — обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в сухом и влаж- ном тропическом климате ТВ — тропический влажный кли- мат ТС — тропический сухой климат ТМ — тропический морской кли- мат У — умеренный климат ХЛ — холодный климат ЭГ — эквивалентный гололед (тол- щина) В зависимости от размещения РЭА на поверхности земли (в том числе в горных местностях), в атмосфере или в толще вод рек, морей и океа- нов, характер и интенсивность внеш- них естественных дестабилизирую- щих факторов будут различными. Их влияние может быть как усилено, так и ослаблено при размещении РЭА на или внутри различных объек- тов. Освоение космического про- странства требует учета дестабили- зирующих факторов космического пространства и знаний условий ра- боты РЭА на поверхности планет и других космических тел. Для земной РЭА определяющими естественными дестабилизирующими факторами яв- ляются климатические: воздейст- вие тепла (холода) (характеризуемое температурой в ° С или К), относи- тельная влажность Вл (в процентах), роса и обледенение (гололед), мор- ской туман (солевой), пыль и песок, солнечная радиация (инсоляция) PC и плесневые грибы. Нормальные климатические условии: и = 25 ± ± 10°С (288 ... 308 К), Вл состав- ляет 45... 80%, атмосферное дав- ление р = (8,36 ... 10,6) • 10* Па (630 ... 800 мм рт. ст.). Если й > > 30сС (303 К), то Вл < 70%. 2.1. КЛИМАТ, КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ГРУППЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ [2, 11] * Климат — характерная для данной области (региона) на поверхности земли совокупность типичных из- менений атмосферных процессов, обу- словливаемых географическими коор- динатами, уровнем солнечной ра- * Составитель Р. Г. Варламов.
2.1. Климатические зоны и характерные группы эксплуатации 21 диации, строением земной (подсти- лающей) поверхности, вертикальным теплообменом и другими определяю- щими метеорологическими факторами за длительное (обычно 20 ... 30 лет) время. В зависимости от размеров пространства земной поверхности различают макро-, мезо- и микро- климат. Макроклимат определяется гео- графическими координатами, поло- жением по отношению к океану, боль- шими горными массивами и регуляр- ными циркуляциями воздуха; мест- ные условия при оценке макрокли- мата не учитываются. Мезоклимат определяется только местными вли- яниями (местные изменения рельефа поверхностности, влияние реки или озера и т. п.). Параметры макро- и (частично) мезоклимата учитывают- ся при конструировании РЭА. Пара- метры микроклимата (сухой или сы- рой участок земной поверхности) весьма локальны, характерны для малых объемов (десятки м3) и практи- чески не учитываются. Большая ди- намичность факторов окружающей среды требует не только их диф- ференцированного учета, но и чет- ких определений. Основными климатическими фак- торами внешней среды являются: сол- нечная радиация, температура, отно- сительная влажность воздуха, его плотность, движение, наличие твер- дых и газообразных примесей, об- разование снега, тумана, инея, плес- невых грибков. Динамичность этих параметров заставляет рассматри- вать нормальные, номинальные, ра- бочие и предельные значения. Предельные значения климатиче- ских факторов проявляются чрезвы- чайно редко, в течение не более 6 ч, и допускают в этих условиях только сохранение работоспособности РЭА (без соблюдения номинальных зна- чений параметров, отклонения кото- рых оговариваются в ТУ). Рабочие значения характеризуют области со- хранения номинальных параметров при экономически целесообразных сроках службы РЭА. Записанные в ТЗ, ТУ или стандарты рабочие значения являются номинальными значениями параметров, при кото- рых обеспечивается нормальная экс- плуатация. Нормальными называют уточненные при проектировании зна- чения климатических факторов в пре- делах данной географической зоны с учетом места расположения изде- лия. Солнечная радиация PC (инте- гральная плотность теплового пото- ка для высот от 15 000 м включи- тельно) равна 1125 Вт/м2 (из них 42 Вт/м2 падает на ультрафиолетовую часть спектра 280 ... 400 нм). Ее колебания и свойства среды в данном месте определяют температуру. Если за счет PC дополнительное повыше- ние температуры < 3 К, то говорят о практическом отсутствии влия- ния PC. Различают эффективную темпера- туру внешней среды; температуру для тепловых расчетов изделий; сред- нюю (из ежегодных максимумов или минимумов) в виде среднеариф- метического значения за многолет- ний период и температуру внешней среды при эксплуатации. Для изде- лий с естественным воздушным (во- дяным) охлаждением температура внешней среды — это температура газовой среды (воды) на уровне рас- положения РЭА, на расстоянии, при котором влиянием рассеивания теп- ла от РЭА можно пренебречь (оно оговаривается в ТУ). Для РЭА с принудительным газовым или вто- ричным водяным охлаждением за температуру внешней среды прини- мают температуру газа или жидкости на входе в систему охлаждения, а для РЭА, работающей в почве, — температуру почвы на уровне по- гружения в нее РЭА и на расстоя- нии, при котором влиянием тепла от РЭА можно пренебречь. Относи- тельная влажность (Вл) воздуха—от- ношение количества невидимых гла- зу водяных паров при данной темпе- ратуре в объеме воздуха к их мак- симальному количеству. Абсолютная влажность— количество водяных па- ров в граммах в 1 ма воздуха; не зависит от температуры. Точка ро- сы— температура, при которой на- ступает насыщение (100% Вл). Осадки, жидкие (туман, дождь, роса) и твердые (град, снег, крупа, иней), возникают вследствие охлаж- дения влажного воздуха ниже точки росы. Капельки малых размеров (туман) висят в воздухе (при охлаж- дении у поверхности земли капли больших размеров образуют росу),
28 2. Окружающая среда н ее воздействие на РЭА zz 1.г з w&i u;i 1 W 5 v 1:г и гл » 5 I I Ж О 5 10 15 20 25 5, КН е ж
2.1. Климатические зоны и характерные группы эксплуатации Рис. 2.1. Диапазоны изменения температур (индексы: пв и рв — предельное и рабочее верхнее значение, пн и рн — предельное и рабочее нижнее значение, ср — среднее зна- чение) в °C для умеренного У, холодного ХЛ, тропического Т, тропического сухого и влажного ТС и ТВ, морского М, тропи- ческого морского ТМ климатов к для РЭА, работающей во всех наземных районах О, на морских судах с неограниченным райо- ном плавания ОМ к во всех районах на суше н на море В (а); температуры ох- лаждающей воды для проточных водяных систем охлаждения в ° С (штриховой ли- нией показаны диапазоны значений прк циркуляционных системах и использовании градирен, искусственных прудов и т. п.) (6); сочетание значений относительной влажности, температуры в ° С и продолжи- тельности влажного периода в месяцы /вл (а); условия хранения РЭА для легкой Л, средней С, жесткой Ж н особо жесткой ОЖ групп сочетания параметров (г); коррози- онная активность атмосферы для различ- ных категорий РЭА и (1.1 ... 5) к видов исполнения (У . . . ОМ) (д); содержание в атмосфере сельской местности I, промыш- ленных II и морских III районов сернисто- го газа и хлористых солей мг/м2сут (е); число частиц N, давление Р (мм рт. ст.) и относительная электрическая прочность Ее в зависимости от высоты Я, км (лс) больших размеров выпадают в виде дождя. Если температура воздуха значительно ниже точки росы, то образуются твердые осадки в виде некристаллических концентрических округлых градин (размеры от горо- шины до голубиного яйца), сне- жинок, крупы (кристаллики льда) или различных видов инея. Интенсив- ность дождя для зон У, ХЛ, ТС 3 мм/мин, для остальных зон 5 мм/мин — верхнее рабочее значе- ние. При изменении высоты над уров- нем моря происходит значительное изменение плотности и температуры воздуха, при постоянной высоте вли- яние температуры на плотность не- значительное. Ветер — горизонтальное движение воздуха (вертикальное — восходя- щий ветровой поток или термиче- ская циркуляция)—характеризует- ся направлением, силой в баллах (или скоростью в м/с) и порывами. Наличие твердых или газообраз- ных примесей существенно влияет на характер воздействия воздушной среды на РЭА. Пыль характеризует- ся размерами частиц (тонкая <20мкм, грубая > 20 мкм), их числом или массой на единицу объема (0,02 ... ... 500 мг/м3). Специфические газо- образные отходы промышленности могут обладать заметным разруши- тельным действием. Воздействие пы- ли и ее состав регламентируются ЧТУ. Плесневые грибки способны раз- лагать высокомолекулярные есте- ственные (древесина) и искусствен- ные (пластмассы) соединения и на- рушать работу РЭА. В соответствии с ГОСТ 15150—69 различают 6 макроклиматических районов: умеренного У (тЭ’= + 40 ... ... — 45°С 313 ... 228 К), холодно- го ХЛ (— тЭ1 > — 45° С), влажно- го тропического ТВ (тЭ1 > 20°С (293° К) при Вл > 80% 12 или бо- лее часов в сутки непрерывно в те- чение 2 ... 12 мес. в году), сухого тропического ТС (+ б1 > + 40°С 313 К), умеренно холодного мор- ского М и тропического морского ТМ климатов. Климатические районы СССР и Земного шара (Приложение 6 ГОСТ 15150—69) следующие: У — основ- ная часть территории СССР, Евро- па, США (кроме Аляски), юг Ав- стралии. ХЛ — северо-восток СССР, Аляска, Антарктида и Арктика. ТВ — Панамский перешеек, север Южной Америки, средняя часть Аф- рики, Индия, Индокитай, север Австралии. ТМ — полоса Мирово- го океана между 30° с. ш. и 30° ю. ш. Горныерайоны — Кордильеры (Юж- ная Америка), Тибетское нагорье, отдельные районы Африки. Наземная РЭА, годная для работы в районах ТВ и ТС («тропическое исполнение»), имеет обозначение Т, годная для работы во всех наземных районах — О. РЭА, установленная иа морских судах с неограничен- ным районом плавания, имеет обоз- начение ОМ, пригодная для всех районов на суше и на море — В. Изделия, эксплуатируемые на от- крытом воздухе (категория 1 ГОСТ 15150—69), могут храниться в по- мещениях (категория 4). РЭА, раз- мещенная в помещениях типа пала- ток, кузовов, прицепов, ангаров или под навесами и т. п., относятся к ка- тегории 2. Она соответствует кате- гории 1 при отсутствии прямого воз- действия PC и атмосферных осадков. Эксплуатация РЭА в закрытом по- мещении с естественной вентиля-
30 2. Окружающая среда и ее воздействие иа РЭА цией (без искусственного регулиро- вания климатических условий) при существенном уменьшении воздей- ствия PC, ветра, атмосферных осад- ков, при отсутствии росы, колебаний температуры и Вл, уменьшении воз- действия плесневых грибков, по срав- нению с их воздействием на откры- том воздухе — категория 3. В закрытых наземных или подзем- ных помещениях с искусственно ре- гулируемыми климатическими усло- виями (категория 4) выделяют поме- щения с кондиционированием возду- ха и помещения лабораторного, ка- питального, жилого и др. типа. Эксплуатация РЭА при повышенной Вл (неотапливаемые и невентилируе- мые помещения, в которых может быть влага или ее частая конденсация) — категория 5. Сводные данные по кли- матическим факторам даны на рис. 2.1. Если поверхность РЭА нагревает- ся Солнцем, то значения & должны браться на 15 ... 30 К выше, чем указано на рис. 2.1, а. Рабочие значения температуры почвы на глубине 1 м равны: для У -5 ... 25; ХЛ -20 ... 10; ТС, ТВ, Т 10 ... 35 и О, В -20 ... ... + 35° С (или 268 ... 290, 253 ... ... 283, 283 ... 308 и 253 ... 308 К). Температура окружающего воздуха за 8 ч может изменяться для испол- нений У, ХЛ, ТС, Т, О, В на 40°С, ТВ, ТМ на 10°С, М, ОМ на 30°С. 2.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРА И ГОЛОЛЕДА [1, 3, 5...7, 15]* Специфическим видом климатиче- ских воздействий на элементы назем- ной РЭА, расположенные вне поме- щений и укрытий, является одновре- менное воздействие ветра и гололеда. При оледенении увеличиваются по- перечные размеры и масса элементов, что приводит к росту аэродинамиче- ских и механических нагрузок. Слу- чайный характер метеорологических факторов МФ, формирующих голо- ледно-ветровой режим (гололедно- изморозевых отложений ГИО, изме- нение скоростей ветра и темпера- тур), требует вероятностного подхо- * Составители А. В. Кривозубов, И. П. Плево. да к решению задачи, которая опи- сывается следующими основными па- раметрами: d0 — диаметр цилиндрическо- го элемента конструкции бэг — толщина стенки экви- валентного гололеда ЭГ; бд — действительная тол- щина ГИО; бср — среднее значение тол- щины стенки ЭГ; Рт — обеспеченность сочета- ний интенсивностей МФ с периодом повторения умф. — обеспеченность ин- тенсивности х; Р (х, у) — обеспеченность соче- таний интенсивностей х и у; f (х) — плотность распределе- ния вероятностей интен- сивности х; f(x, У) ~ плотность распределения вероятностей сочетаний интенсивностей х и у, h — высота над поверхностью земли; Кд110 — поправочный коэффи- циент, учитывающий дей- ствительную величину ГИО; К£нн — коэффициент динамич- ности, учитывающий динамическое воздейст- ствие, вызываемое поры- вистостью скоростного напора ветра СНВ; К.Рр — коэффициент порывис- тости СНВ; — поправочный коэффи- циент, учитывающий за- вимость толщины стенки ЭГ от диаметра цилин- дрического элемента; — поправочный коэффи- циент на возрастание СНВ в зависимости от высоты над поверхно- стью земли; kxr — параметр уравнения Гуд- рича, аппроксимирующе- го распределение вероят- ностей интенсивности х;
2.2. Воздействие ветра и гололеда 31 — поправочный коэффици- ент на возрастание тол- щины стенки ЭГ в за- висимости от высоты над поверхностью земли; N — общее число наблюдений; лмф — абсолютная частота (число наблюдений) г-го интервала интенсивно- сти МФ; пхГ — параметр уравнения Гудрича в виде показа- теля степени, аппрокси- мирующего распределе- ние вероятностей ин- тенсивности х; Р(х < X) — вероятность интенсив- ности х; Ро — нормативный ветровой напор; рй — нормативная распреде- ленная гололедная на- грузка; — относительная частота l-го интервала интенсив- ности МФ; юРо — СНВ на высоте до 10 м над поверхностью земли; Тс — период собственных ко- лебаний конструкции; Тд* — период повторения ин- тервалов интенсивно- сти МФ; ^ип — непрерывная продол- жительность действия интервала интенсивно- сти МФ; — суммарная продолжи- тельность действий ин- тервала интенсивности МФ; Q(x) — повторяемость интенсив- ности х; Q(x, у) — повторяемость соче- таний интенсивностей х И у; — нормативная погонная гололедная нагрузка; v — скорость ветра; оСр — среднее значение ско- рости ветра; X, х, У,у—интенсивности МФ; РЁ — плотность ЭГ Расчет интенсивности метеорологических факторов Для получения расчетных значе- ний интенсивности МФ используются в основном графоаналитические ме- тоды обработки климатологических данных [1, 3]. Данные многолетних наблюдений группируются по ин- тервалам интенсивности МФ, пос- ле чего подсчитываются абсолютная частота и относительная частота i-ro интервала = nf^/N (здесь N — общее число наблюдений). Со- вокупность интервалов группирова- ния и их относительных частот назы- вают дифференциальным распреде- лением (плотностью распределения вероятностей). Последовательно сум- мируя относительные частоты ин- тервалов, получают накопленные от- носительные частоты: повторяемость Q (х) и обеспеченность F (х) = 1 — — Q (х). Совокупности интервалов группирования и накопленных отно- сительных частот называют инте- гральными распределениями. Для расчета интенсивности х па- раметров гололедно-ветрового режи- ма широко используют формулу рас- пределения Гудрича F (х) =ехр ( — kxr х"хг). (2.1) Откладывая на одной оси двойные логарифмы дроби l/F(x) или 1/Q (х), а на другой — логарифмы х, получа- ют функциональные шкалы сетчат- ки, на которой кривая (2.1) спрям- ляется. Повторяемость сочетаний интен- сивностей х и у двух МФ определя- ется по формуле Q (х, у)^Р [х< X, у < У] = * У = J J f (X, у) dxdy, — СО — со где / (х, у) — плотность распреде- ления вероятностей сочетаний ин- тенсивностей МФ. Если интенсивности х и д ивляются независимыми случайными величи- нами, то f (X, у) = / (х) / (у), (2.2) где f (х) и [ (у) — плотности рас- пределений вероятностей интенсив- ностей х и у двух МФ в отдельности. ГИО, плотность которых изменя- ется в пределах от 20 до 900 кг/м3, приводится к чистому гололеду с плотностью р6= 900 кг/м3 как экви-
32 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА валентному [3], При этом рассчиты- вается толщина стенки ЭГ 6, равно- мерно охватывающая цилиндр диа- метром d0 = 10 мм, расположенный на высоте h = 10 м над поверхно- стью земли. Расчеты коэффициентов,- корреля- ции и значимостей [5], характеризу- ющих статистические связи между толщинами стенки ЭГ и максималь- ными скоростями ветра при ГИО v, выполненные по большому числу метеостанций, показывают, что связь между этими переменными незна- чительна, а коэффициенты корреля- ции близки к нулю. Это позволяет пользоваться для определения плот- ности распределения вероятностей со- сочетаний био выражением (2.2), для определения аппроксимации рас- пределений толщин стенок ГИО и максимальных скоростей ветра при ГИО — формулой (2.1). Уравнение поверхности двумерного распреде- ления накопленных относительных частот сочетаний 6 и о имеет вид (6): Q (6, v) = 1 —F (б, v) = 6 о _ 1 = &бг габг ^ог п«г j J I (®/®ср) X о 0 X (о/Рср) ехр [ — й6гх X (6/6ср)Пбг -^(о/М^Вх Xd6do, где &6Г, я6г, kvr, поГ — пара- метры уравнений Гудрича, ха- рактеризующие режимы ЭГ и ветра при ГИО соответственно; 6ср и оср — средние значения толщины стенки ЭГ и скорости ветра при ГИО соответственно. В пересечении поверхности F (б; и) с плоскостями, параллельными пло- скости б о, получают изолинии рав- ной обеспеченности сочетаний 6 и v, характеризующие гололедно-ветро- вой режим метеостанции при соот- ветствующем периоде повторения Т”* Г ололедно-ветровое районирование Нормативные сочетания скоростей ветра, действующих на высоте 10 м над поверхностью земли, с толщина- ми стенок ЭГ, соответствующими диа- Таблица 2.1 Скорости ветра v [м/с] в гололедный период года при отсутствии ГИО ГВР тМф гп ле1 1 1 5 10 1 15 20 1 20,5 24,0 25,5 26,0 26,5 П 18,0 21,0 22,0 23.0 23,5 III 20,5 24,0 25,5 26,0 26,5 IV 26,5 30,0 32,0 32,5 33,0 V 28,5 33,5 36,0 36,5 37,0 VI 35,5 40,0 43,0 44,0 45,0 метру цилиндрических элементов конструкций 10 мм, расположенных на той же высоте, принимаются в за- висимости от периодов их повторения Карта-схема гололедно-ветро- вых районов (ГВР) на территории СССР показана на рис. 2.2. Нуме- рация ГВР принята с учетом возра- стания интенсивности гололедно-вет- рового воздействия при увеличении номера ГВР. Расчеты нормативных сочетаний 6 и v произведены с учетом их значе- ний, установленных в [15]. Используя метод графической интерполяции [1, 3], получаем кривые Q (б) и вычисля- ем F (о). Аналогичные построения производим для максимальных ско- ростей ветра при ГИО. Определяем обеспеченность сочетаний био для заданных Г”* по формуле FT = _ i/умф (выборка состоит из годо- вых максимумов ГИО). С учетом (2.2) F (о) = FT/F (б), что позволя- ет определить скорости ветра при ГИО, соответствующие заданным Т“*, по кривой Q (у). Построенные таким образом нормативные изолинии со- четаний 6 и о показаны на рис. 2.3, а. Скорости ветра, действующие в раз- личных ГВР в гололедный период года (с октября по апрель) при от- сутствии ГИО на высоте 10 м над поверхностью земли, приведены в табл. 2.1. При анализе результатов расчетов параметров гололедно-ветрового ре- жима преимущественно учтены дан- ные метеостанций, расположенных на наветренных склонах возвышен-
2.2. Воздействие ветра и гололеда 33 40 30 50“ 60° 70° 80° 80’ 70° 60° 60 70° 80° 90° 100° 50 Рис. 2.2. Гололедно-ветровое районирование СССР ностей и крутых берегах больших рек, вершинах возвышенностей и водораздельных плато с относитель- ной высотой более 50 м, а также на островах и открытых побережьях морей. Это позволяет оценить воз- можные отклонения параметров го- лоледно-ветрового режима от норма- тивных значений. Для I ... V ГВР эти отклонения невелики, и, с уче- том принципа равновероятного пре- бывания РЭА на территории харак- теризуемого района и понятия об изделии общего применения [12], допустимы. В горных местностях VI ГВР следует считаться с возмож- ностью превышения нормативных значений скоростей ветра в 1,6 раза, а толщин стенок ЭГ в 2 раза [7] При оценке работоспособности РЭА эксплуатируемой в условиях го- лоледно-ветровых воздействий, необ- ходимы сведения не только об ин- тенсивности МФ, но и о непрерывной продолжительности их действия Зависимости средней непрерывной продолжительности действия ветра в гололедный период года и ЭГ от их интенсивностей представлены на рис. 2.3, бив. При расчете прочности элементов РЭА широко используется метод эквивалентных нагрузок, основан- ный на обработке графиков загрузки этих элементов во времени. Для по- строения этих графиков необходимы сведения о суммарной продолжитель- ности ветра и ЭГ 1^*. Значения сум- марных продолжительностей скоро- стей ветра за гололедный и теплый периоды одного года указаны в табл. 2.2, а огибающие кривые сум- марных продолжительностей ЭГ за год представлены на рис. 2.3, г (продолжительность гололедного пе- риода принимается равной 5110 ч). Температура воздуха при ГИО в высокогорных местностях с отмет- ками более 1000 м над уровнем моря и на территории к востоку от Ени- сея (очень холодный район [2]), за исключением береговой полосы оке- анов и морей (ширина береговой по- лосы принимается равной 100 км, но не более, чем до ближайшего гор- ного хребта), принимается равной 253 К, а на остальной территории страны — равной 288 К. Абсолют- ный минимум температуры при ГИО в очень холодном районе принима- ется равным 233 К, а на остальной территории страны 238 К. В высо- когорных местностях с отметками более 1000 м над уровнем моря и в
34 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА
2.2. Воздействие ветра и гололеда 35 Рис. 2.3, Нормативные изолинии сочетаний б и v для гололедно-ветровых районов ГВР I ... VI (а); зависимость непрерывной продолжительности ветров от их СК0‘ рости v в гололедный период в ГВР 1 .. .VI (б); зависимость непрерывной продолжи* тельностн гололеда от толщины стен- ки эквивалентного гололеда ЭГ б (в); за- висимость толщины стенки ЭГ б от суммар- ной продолжительности гололеда зависимости К£, = f (Л), к£н„- f (Т) и K® = f (d) (д); зависимость = f (/И при различных и (е) ◄ очень холодном районе в гололед- ный период следует считаться с воз- можностью абсолютного минимума температуры, равного 208 К, а на остальной территории страны — рав- ного 233 К. Нормативные ветровая и голо- ледная нагрузки. Гололедно-ветро- вая нагрузка определяется как гео- метрическая сумма ветровой (гори- зонтальной) и гололедной (верти- кальной) нагрузок. Нормативный ветровой напор рв, действующий на наветренную по- верхность конструкции в рассматри- ваемой зоне ее протяженности по высоте, рассчитывается по формуле Po=10Pr4(1 + K^PKU’ где 1ОРВ = 0,612о2 — скоростной на- пор ветра на высоте до 10 м над по- верхностью земли, Па; Кд₽ — по- правочный коэффициент на возра- стание СНВ в зависимости от высо- ты над поверхностью земли; К£р — Коэффициент порывистости СНВ; К^нн — коэффициент динамично- сти, учитывающий динамическое воз- действие, вызываемое порывистостью СНВ. Для цилиндрических элементов конструкций нормативная погонная гололедная нагрузка q6 определяется по формуле: =981лбК,®К^ (do + SK^X ХРЙ- IO-6 [Н/м], где К® — поправочный коэффициент на возрастание толщины стенки ЭГ в зависимости от высоты над по- верхностью земли; Kj — поправоч- ный коэффициент, учитывающий за- висимость толщины стенки ЭГ от диаметра цилиндрического элемента. Для остальных элементов конструк- ций нормативная распределенная по площади гололедная нагрузка р6 определяется по формуле: р6 = ббК® Рб-Ю-З [Па]. (2.4) При расчете степени заполнения проницаемых конструкций (реше- ток, сеток, ферм и т. п.) ГИО дей- ствительная толщина стенки отло- жения 6д определяется по формуле 6Я=К™°6, где К.™0 — поп равочный коэффи- циент, учитывающий действительную величину ГИО (табл. 2.3). Для про- межуточных значений периода пов- торения КдИ0 определяется линей- ной интерполяцией. Пример расчета. Требуется опре- делить нормативные ветровые и го- лоледные нагрузки, действующие на Таблица 2.2 Суммарная продолжительность (в часах) скоростей ветра v в ГВР за год V, м/с Гололедный период Теплый период T-III IV v VI I—III IV v VI 5...10 3000 3000 2785 2400 2750 2570 2050 1700 10...15 500 1000 1300 1450 900 1000 1200 1100 15...20 100 200 650 650 — 80 365 600 20...25 —— 50 280 370 ' 35 175 25...30 — 95 160 — — —- 50 30 — — 80 — — — 25
36 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА Таблица 2.3 Значения поправочного коэффициента К™° при различной скорости ветра v [л(/с] ГВР 1 | п Ш | IV | v | VI Скорость от 0 до 8 м/с Скорость свыше 8 до 16 м/с Скорость свыше 16 м/с 4,0 3,0 3,0 1 10 20 6,0 6,5 4,3 4,0 3,5 2,5 4,5 4,0 3,5 4,0 3,5 4,0 5,0 4,0 5,0 4,0 4,0 сплошной отражатель, установлен- ный на высоте 50 м над поверхностью земли в VI ГВР при периоде повто- рения воздействия = 20 лет и периоде собственных колебаний си- стемы отражатель—опора Тй ~ 1 с. 1. По изолинии 6—v (рис. 2.3, а) при 7’^4’ = 20 лет определяем со- четания 6 и о и заносим их значения в табл. 2.4. 2. По кривым рис. 2.3,д при 6 = 50 м и Та != 1 с получаем KJ’ =1,85 и КдИН =2,0. Формула (2.3) преобразу- ется к виду рр = 1,13о2 (l-t-2Kgp) [Па]. (2.5) Таблица 2.4 Сводные данные к расчету нормативных нагрузок V, м/с 5, мм Кр пр pv, Па ₽8, Па 5 31 0,37 49 268 10 30 0,37 197 259 15 29 0,34 439 251 20 26 0,34 761 225 25 17 0,31 1145 147 27 5 0,31 1345 43 По кривым рис. 2.3, е получаем значение К₽р, соответствующие ско- ростям v, и заносим их в табл. 2.4. Используя пары значений о и К₽р, рассчитываем по формуле (2.5) р„ и заносим в табл. 2.4. В случае, ког- да б = 0, скорость ветра при Г”* = = 20 лет принимается равной 45 м/с по табл. 2.1, чему на основании кри- вых рис, 2.3, е соответствует K.{Jp = = 0,29, и тогда рассчитанный по формуле (2.5) нормативный ветро- вой напор р„ — 1,13 • 452 (1 + 2 X X 0,29) = 3610 Па. 3 По кривым рис. 2.3, д при h = = 50 м получаем К* = 1,6, и тог- да формула (2.4) приобретает вид рй = 8,65 6 [Па] (2.6) Используя указанные в табл. 2.4 значения б, рассчитываем по фор- муле (2,6) соответствующие им ве- личины р6 и заносим их в табл. 2.4. 2.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЛАГИ, ПЫЛИ, СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ [2, 11] * Воздействие влаги Воздействие влаги на металлы и изоляционные материалы имеет раз- ную природу, но одинаковый ко- нечный результат — разрушение ис- ходной структуры материала. В ме- таллах это происходит за счет кор- розии, в изоляционных материа- лах — за счет влагопоглощения. Термодинамической причиной кор- розии является переход корроди- рующего металла из менее стабиль- ного состояния, в котором он ис- пользуется в конструкции РЭА, в более стабильное первоначальное со- стояние, из которого он был полу- чен (в виде окислов, сульфидов, кар- бонатов и т. п.) На скорость кор- розии влияют: концентрационная по- ляризация, перенапряжение и пас- сивность металлов. Чисто химическая коррозия про- исходит во время реакции сухого * Составитель Р. Г. Варламов.
2.3. Воздействие влаги, пыли, солнечной радиации 37 газа с металлом при высокой темпе- ратуре (окалина на поверхности ста- ли). Наличие влаги — причина элек- трохимической коррозии, реакции которой идут при низких темпера- турах. Коррозия может быть равномер- ной (по всей поверхности изделия), неравномерной (например, за счет повреждения защитного слоя и об- разования затем отверстий в метал- ле) и межкристаллической (распро- странение вдоль границ кристаллов и разрывов их структуры). Влага является причиной и раз- личных побочных явлений, увели- чивающих дестабилизирующее воз- действие пыли и биологических фак- торов. Влияние влаги на изоляционные материалы определяется отсутстви- ем изоляционных пластмасс, кото- рые могут противостоять воздейст- вию влаги. Низкокачественные изо- ляционные материалы с макроско- пическими порами или трещинами поглощают влагу за счет капилляр- ных эффектов. В высококачествен- ных изоляционных материалах (ис- пользуемых обычно в РЭА) опреде- ляющим фактором влагопоглощения является диффузия. При процессах герметизации важен третий режим — проникновение (режим переноса вла- ги через полупрозрачную оболочку). Диффузия — поглощение изоля- ционным материалом (растворителем) растворяемого вещества (паров воды) до полного уравнивания давлений в окружающей среде и внутри изо- ляционного материала, после чего процесс поглощения влаги прекра- щается . Проникновение водяных паров че- рез пленку включает в себя три стадии: проникновение влаги через поверхность пленки со стороны по- вышенной концентрации влаги; диф- фузия влаги от наружной поверх- ности пленки к внутренней; вы- ход влаги через внутреннюю по- верхность пленки в область понижен- ной концентрации влаги. Свойства поверхности пленки оказывают су- щественное влияние. Процесс диффузии определяется в основном свойствами, формой и размером изоляционной детали при наличии разности давлений водяных паров в среде и детали. Процесс про- никновения определяется в основ- ном разницей степени концентрации водяных паров между наружной и внутренней поверхностями перего- родки. За счет достаточно высокой элек- тропроводности воды по сравнению с электропроводностью изоляционно- го материала при диффузии влаги имеет место существенное (на 2 ... 4 порядка) падение сопротивления изоляции, рост tg б и изменение от- носительной диэлектрической по- стоянной. При поглощении или отдаче влаги (набухание и усадка) происходит изменение объема и размеров изоля- ционных деталей, что может быть причиной возникновения заметных механических напряжений в матери- але. Иногда это приводит к уско- ренному и увеличенному влагопог- лощению (из-за трещин), нарушению механической прочности элементов или их работоспособности. Сухое тепло и сухой холод. Неко- торые сплавы меди при Ф < — 20°С (253 К) склонны к холодной хруп- кости. Термореактивные изоляцион- ные материалы сохраняют свою фор- му до момента разрушения из-за термохимической цепной реакции разложения. Термопластические — при температурной перегрузке сна- чала становятся эластичными и те- кучими и только после этого разру- шаются. Термочувствительны и мно- гие резины. Смазочные материалы при низкой температуре увеличивают свою вяз- кость и могут совсем застыть. При высокой температуре вязкость смаз- ки уменьшается и смазка может сов- сем испариться. Изменение температуры деталей особенно сложной формы и из раз- нородных материалов может быть причиной значительных механиче- ских напряжений и даже разрушений (гальванического или лакокрасочно- го покрытия, слоя глазури и т. п.). Песок и пыль Максимальная опасность — не от- носительно крупные частицы пыли и песка (у них меньше острых гра- ней), а мелкие, взвешенные в атмо- сфере, с величиной зерна 1 ... 40 мкм. Результаты их воздействия в под-
38 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА шипниках и механизмах — падение точности, заедания; в зазорах с кон- тактами — препятствие нормальной работе реле и переключателей; на поверхности изоляционных деталей из-за гигроскопичности — паразит- ная проводимость; на поверхности металлических деталей — увеличе- ние скорости коррозии. Во всех случаях в тропических условиях пыль может быть питатель- ной средой для плесневых микроор- ганизмов. Пыль в пустыне из-за высокого содержания кварца более твердая и абразивная. При значительной запыленности, повышенной температуре пыли, на- личии кислорода и источника энер- гии — пыль взрывается, что может быть причиной больших разрушений. Оптимальные условия работы кон- тактов в РЭА — обеспыливание воздуха и поддержание постоянной влажности. Солнечная радиация Различают две группы воздейст- вия PC: фотолитическое и фото- окислительное (перегрев). Фотоли- тическое характеризуется избира- тельным поглощением солнечных лу- чей в полосах поглощения. Воздейст- вие фотонов приводит к отрыву фо- тоэлектронов и разрыву молекуляр- ных связей. Следствием этого явля- ется изменение цвета ряда полимер- ных материалов, хрупкость и потеря прочности, нарушение лакокрасоч- ных покрытий. Фотоокислительное воздействие PC — разрыв химических связей при одновременном воздействии излуче- чения, воздействие кислорода, воз- духа и влаги. Результат — усилен- ная коррозия (особенно в условиях тропического климата). Перегрев РЭА до 25 ... 30 К от поглощения энергии солнечных лу- чей происходит за счет: непосредст- венного излучения Солнца; излуче- ния, рассеянного и отраженного атмо- сферой; теплых слоев воздуха, излу- чения от грунта, теплопроводности воздуха и грунта. Специфическим видом воздействий, которым подвергается РЭА и ее ма- териалы, являются воздействие СВЧ излучений. Биологические факторы [2, 11] К биологическим факторам относят плесневые грибки, насекомых и грызунов. Важнейшая группа био- логических факторов — плесневые грибки. Основной фактор их раз- вития — высокая влажность (80 .. ... 100% Вл), наличие естественных или искусственных высокомолеку- лярных соединений для питания и малая освещенность помещения. Изоляционные материалы на ос- нове целлюлозы при воздействии плесневых грибков ухудшают свои механические и электрические пара- метры и могут даже разрушиться (табл. 2.5). Насекомые редко повреждают РЭА. Наиболее опасны для РЭА, работаю- щей в тропических условиях, тер- миты. Они поедают преимуществен- но древесину, поэтому опасны для приборов, имеющих деревянные де- тали и пластмассы с древесными на- полнителями и установленных в де- ревянных строениях. Наиболее эф- фективная защита от термитов — бетонный фундамент зданий, про- питка фунгистатическими состава- ми деревянных материалов и спе- циальные пластмассы. В особо тер- митоопасных районах для надежной защиты подземных кабелей исполь- зуют, кроме свинцовой оболочки, дополнительную оплетку, пропитан- ную ядом против термитов. Однако такой кабель очень дорог. Опасность летающих насекомых в том, что они (главным образом но- чью) летят на источник тепла и све- та и погибают. Кроме случайных повреждений органических материа- лов трупы насекомых опасны для открытых контактов и при высокой влажности, так как, кроме коррозии, образуют питательную среду для развития плесневых грибков. В свя- зи с этим вентиляционные и другие отверстия в РЭА следует закрывать мелкой сеткой. Кабели в пластмассовой и неарми- рованной резиновой изоляции мо- гут повреждать грызуны (крысы, мыши). Для защиты изоляции при- меняют стальную оплетку, но обыч- но повреждения кабеля и проводов грызунами не превышают 2%, по- этому целесообразнее устранить слу-
2.4. Воздействие полей СВЧ 39 Таблица 2.5 Влияние плесневых грибков на изоляционные материалы Наименование спор Штамм Типичные культуры Свойства Aspergillus niger v. Tieghem ATCC.6275 Обильно растут на многих ма- териалах и стойки к солям Aspergillus terreus Thom PQMD82j Воздействуют на пластмассы Aureobasidium pullulans (de Barry) Arnand ATCC 9348 Воздействуют на краски и ла- ки Paecilomyces varioti Bainier JAM 5001 Воздействуют на пластмассу и кожу Penicillium Biourge ATCC.9112 Стойки к солям меди ochrocheloron Penicillium funiculosum Jhom JAM 7013 Воздействуют на многие мате- риалы, особенно на текстиль- ные Scopulario-psig (Sacc) JAM 5146 Воздействует па резину Bain Brevicaulis var. Glabrathom Irichoderma viride Pers. Ex Er. JAM 5161 Воздействуют на целлюлозу, текстиль и пластмассы чайное повреждение, чем применять дорогостоящие защитные мероприя- тия. 2.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОЛЕЙ СВЧ [8, 12... 14, 16, 19... 21]* В электромагнитном поле СВЧ ряд определящих свойств материа- лов существенно изменяется. За счет поверхностного эффекта уменьшает- ся проводимость металлов и сплавов; за счет явления поляризации изме- няется диэлектрическая проницае- мость и увеличиваются потери в ди- электриках; за счет гиромагнитного эффекта изменяется магнитная про- ницаемость ферритов. Металлические материалы на СВЧ используются в качестве токопрово- дящих поверхностей, линий пере- дачи, объемных резонаторов, инте- гральных микросхем и т. д. Поверх- ностный эффект — уменьшение плот- ности тока СВЧ в направлении от поверхности внутрь проводника по экспоненциальному закону — опре- * Составитель О. Н. Носов. деляется глубиной проникновения б (толщиной поверхностного слоя, в котором плотность тока уменьшается в е~ 2,72 раза). Глубина проник- новения зависит от длины волны СВЧ поля в свободном пространстве Хо, относительной магнитной проницае- мости и удельной проводимости о: б ~ О,О29Д/^о/Рг®- С ростом часто- ты тока, магнитной проницаемости и проводимости металла возрастает поверхностный эффект; при этом ток протекает вблизи поверхности про- водника, что вызывает увеличение ак- тивного сопротивления. Потери энер- гии СВЧ определяются величиной удельного активного поверхностно- го сопротивления: р = 1/бст. Зна- чения о характерных материалов приведены в табл. 2.6. Проводимость зависит не только от физических свойств материала, но и от вида обработки токонесущей по- верхности (табл. 2.7). При выборе способа обработки токонесущей по- верхности следует учитывать, что после чистовой механической обра- ботки образуется поверхностный слой толщиной до десятков микрометров с размельченными до 0,001...0,01 мкм
40 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭЛ Таблица 2.6 Удельные проводимости металлов и сплавов на постоянном токе <т= [См/м] пРи 293 К Материал О— • !07 См/м Материал а__ • 107 См/м Серебро (100%) 6,17 Бронза фосфатная 0,82...2,52 Медь (100%) 5,97 Вольфрам 1,78 Серебро (10% Си) 4,96 Тантал 1,55 Золото 4,10 Никель 1,28 Алюминий (100%) 3,54 Платина 0,91 Латунь отожженная: Палладий 0,91 90% Си 2,52 Родий 0,66 80% Си 1,88 Олово 0,65 70% Си 1,65 Свинец 0,45 60% Си 1,51 Ртуть 0,10 Хром 2,23 Нихром 0,10 Магний (100%) 2,18 Титан 0,22 Цинк 1,7 Цирконий 0,23 Магниевые сплавы 0,56... 1 Константан 0,21 Молибден 2,1 Инвар 0,14 Графит 0,013 зернами металла. Такой слой будет иметь меньшее электрическое со- противление, чем шлифованный или полированный поверхностный слой металла толщиной не более 0,1 мкм, но с частицами полировальной пасты и абразива. Поэтому (особенно в ди- апазоне миллиметровых и субмилли- метровых длин волн) полирование токонесущей поверхности не всегда приводит к уменьшению потерь, не- обходимо удалять поверхностный слой путем химического или элек- трохимического полирования. Диэлектрические материалы ши- роко используются в качестве за- полнителей различных линий пере- дачи, герметизирующих и согласую- щих вставок, антенных обтекателей, покрытий, поглотителей мощности Таблица 2.7 Удельные проводимости (См/м^Ю7) основных конструктивных материалов при 0=293 К на постоянном (о=) и переменном при v=9 ГГц) токах при различных видах обработки токонесущей поверхности Материал Характеристика обработки поверхности Необрабо- танная а~/о^ Отожженная в вакууме Ручная полировка о_/о^ Электрополи* ровка 0-/0^ Серебро 6,17/4,75 6,28/4,45 6,17/5,30 Медь 5,97/4,57 6,09/5,42 5,97/5,25 5,97/4,90 Алюминий 3,54/2,80 3,60/3,30 3,54/2,94 . Латунь мягкая 1,51/1,44 — 1,51/1,51 1,51/1,41 Примечание. Ручная полировка наждачной бумагой допускается только в продоль- ном направлении.
2.4. Воздействие полей СВЧ 41 Таблица 2.8 Параметры основных диэлектрических материалов 8=293 К (v = 10s Гц) Материал Pq, Ом-см 8Г х Т «о © S? х „иэ/j ‘а £ а, К-1* 1 ХЮ-4 Полиэтилен ПЭВД (ГОСТ 16337—70) Ю1’ 2,3 3 0,93 358 5,5 ПЭНД (ГОСТ 1638—70) Ю1’ 2,1 5 0,96 358 5,5 ПЭСД — 2,4 4 0,96 358 — Полипропилен (МРТУ6-05-1105—67) 10*в 2,2 5 0,9 — 1,1 Полистирол блочный (ГОСТ 9440-60) 1014 2,6 4 1,06 348 0,8 Ударопрочный полистирол (ТУ6-05- 1604—72) ю15 2,7 7 1,06 358 — Сополимер стирола (САМ) МРТУ6- 05-828—68 10ls 2,6 5 1,1 — 0,8 Фтооопласт-4 (ГОСТ 10007—72) ю17 2.21 I1 2,1 383 1,2 Фторопласт-4Д (ГОСТ 14906—69) 10ls 2,2 3 2,2 — — Примечание. На частоте v=!0’° Гц значения объемного термического коэффяци ента расширения За. и т. д. Их электрические и магнит- ные свойства полностью определяют- ся величинами комплексной диэлек- трической и магнитной проницае- мостей: /бо е = е —/е" = |е|е , Ц —ц — = | ц|е'Ч Качество материала определяется тангенсом угла электрических по- терь tg 6е=е"/е' и магнитных tg 6М = = g"/g'. Если 6е = 6М = 0, то сре- да без потерь (идеализированная). Диэлектрическая проницаемость вакуума е0 ~ 8,85 . 10-12 Ф/м, маг- нитная Цо — 1.26 • 10~6 Г/м. При практических расчетах пользуются Таблица 2.9 Некоторые параметры пенопластов 8=293 К, у=10е Гц Материал S Q 0, К Я с £ X * S О е> Я К £ к S Q. е> МПа Pg, Ом «см Е, кВ/мм ег СЭ 1 о X Ьд ПС-1 плиточный о,1 213...333 1 2 2,2 Ю12 2 1,1 1,2 (ТУ МХП 3202—54) 0,2 213...333 3 4,2 6,5 — 5 1,18 2,4 ПХВ-1 плиточный 0,1 213...333 0,9 2 2 1010 3,9 1,6 3,6 (ТУ МХП 4392—54) К-40 (АМТУ 0,2 213...333 2,6 4,5 4 ю12 4,1 2,4 1,6 429—59) ПУ-101 (АМТУ 0,23 до 523 0,8 0,58 — — — 1,2Р 1.31 420-75) ФФ (МХП М— 0,2 до 423 2,85 1,81 4,2 — — 1 ,25' 4,45’ 652—55) 0,23 до 423 4 1,18 — — — 1,31' Ю1 примечания. I. На частоте Ю10 Гц. 2. ас , ар , а„ —пределы прочности при сжатии, растяжении, нагибе.
42 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА Таблица 2.10 Лаки и эмали для покрытия токонесущих поверхностей устройств СВЧ (у=10е Гц) Материал pg , Ом «см tg бе Лак 976—1 Лак СБ-1С (ТУ МХП 10,4/1013 0,005/0,012 3,9/4,3 2785—54) Эмаль ЭП-74Т (СТУ 15- 10'VIO12 0.02/0,02 3,4/2,6 ЯН 141—59) 4-10|5/4,9- 10й 0,026/0,028 3,2/4,5 Примечания. I. Значения для сухого /влажного материала; 2, В нормальных ус- ловиях при 0=293 К/после 100 ч пребывания в условиях тропической влажности. Некоторые параметры пластмасс с наполнением титановыми соединениями (0 — 293 К, v=!06 Гц) Таблица 2.II Материал D, г/см’ _МХ Г-. сГр , МПа а, К-*х10-5 9м, К Ее, кВ/мм 8г tg беХ10-« пт-з 1.1 1,6 30 7 353 35 2,8 7 ПТ-5 30 5 353 27 5,0 8 ПТ-7 1,8 28 4 358 20 7,0 9 ПТ-10 2,1 24 3 358 15 10,0 12 ПТ-16 2,6 18 2 363 10 16,0 20 Таблица 2.12 Значения 6Г при 0 = 273 К, р=1Ф Па (~760 мм рт. ст.) Вещество Водород Кислород Воздух, сво« бедный от уг* лекислого газа Азот Углекислый газ £г 1,000264 1,000530 1,000574 1,000589 1,000988 Примечание. 8г практически постоянны в широком диапазоне частот.
2.4. Воздействие полей СВЧ 43
44 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА 2.13 кА/м II £ иэ 01 = СЧ со со см сч ю со со со со »—। СО ^юол^^л^о СЧ —• СЧ СО СМ ’—1 см СЧСЧШ'Ч’СОСЧ'^'^'Ч’ СО LD 1П ’Ч4" 05" со ’Ч4" табл. < С-1 1 иэ £=- 1 =°х со со со СО 5ГО СО СЧ Tf СЧ 'Ф СЧ т-н СЧ со см см со Ь* о I 05 СО СО СЧ — см Ю СЧ »—' СЧ —’ сч in С© со со in со" in со" СО чю 1 1 Продолжение о S S 0 о О. «3 О 1Л V5 СО СО О О О О О О О г—"4 СО, О, 1П О IO, Г*, СМ, СО" 00 СЧ" in ь-" ЮЮЧ'Ч'иэЮОЮ© ооооооооо т—Н d т—Н d г—Н ——d ——d со со см со, сч СО О Г* —<, со" in in со СО со СО С5 Q — © О — О) СО “ — о> о> —•_ —_ ООСООООООО •—« —Н т—1 —" т—( •—< СЧ СО ~ о о со о о со" СО in" 0? G> —Г-^сч sk/jm •(] Г* СЧ СО, о СТ> с\ о СО" СО" СО СО" Ю СО. Ю СЧ о СП о со, со" со" со со со" со О О СГ5 Ю 05,05 05 05, in" in" in in" ’Ч4" ’Ч4" о X о «О ьо С5,СЧ„СО, ст> СО О 05 сч" со" —Г — со £ s со со ю о см — —Г сч" со" со" сч" —Г сч" со" CO, b Ч1 о о г-н" co" in co" —" o" — co" сч" ' со*4 Л t- ГО к S S 2 СЧ_ 00 Ч *4. 0-^00000 —-d т—Н d Н 2 о сх * о й* •е LO in о.со г* —•„сч, со" О)" 05 со" 05" со" о" г*" 3 со го £Х CO CO in — ю. о ю iq о Ю co" ’4’" co" я ‘»0 ч ГО О -е- 4) СО СО СО СО СО СО СО со СЧ со Ь- СО —* сч in into О) со 4) 5 го СОСОСОСОСОСОСОСОСО »—•—«СЧ05С0ьПОЬ-Ь- •^•^icoioco-^mcoco Л S Й 4) СОСОСОСОСОСОСОСОСО inOintninC40>M< h* in in in in CO co 4 ►Д со <У S к ГО £. Ю —' СЧ СЧ О СО СО —< CD —' —и СО 2 S 4) S (П 4) ч 4) * —нГ*СОСТ>ОСОСООСО —! —! СЧ сч со Л CQ 4) К £Х S b- co CO Tf co CO I I CT> co r* CO СЧ СЧ 1 1 S' о о о о о о о о CD CD о о сч со со со — со *-< ооооооооо ОС005СЧОС0-^С0С0 СО ь- сч сч —* ooooooocoo оососососососо^-^ В Г, Тл г* in со о со со со СО СЧ со — г- сч о о, о о о О о" о" о" о о o' о" СЧ1ПО5С01П’—ЮЛ СО СО СО Ю СО —и СО С© СЧ СО о О е^О О «О О 0^0, со" о" со" о о о" о" о о Ш1ПСЧ’^^СЧСТ>005 СТ>С0СЧСОСЧСОО^О 0000000 0,0, о" о" о" о" о" о" о о" о" В, Тл СО о о о о о 05 со со со о со о о о о о — о о" о" о" о о’ о" о* ^CD05CDDOOCOr*^ ююсос^-^состзсосо ооооооооо о" о" о" о" о" со" о" о" о* со со ш сч со со о tDC4^b-COincOOCO —И о о со о о о со о" о" о" о" о" о" о" о" i <ч е СЧ L.O со со ю — о —О О —'„О о" о" о" о о о" о" Ь-Г*^СЧСОГ*С005СО о о —’ < О <D — С5. о, о" о" о о" о" со" о" о о" ООСЧСОСОСТ>ШСОГ*СЧ ’1’1’10,0 СР о о о о" о" о" о" о" о о о" о" Марка <м 2 S ~ ЕГ ЕГ ЕГ S’ ВДКииии UUUoooo с© со —« сч со со сч иии^и^и^и 222^2«g°§ иоиои^иои СО СО ’Т " Примечание. ц0/нс измерена методом Фарадея в поле 400...640 кА/м: В. Вг и Яс определены на кольцевых образцах баллистическим методом прн максимальной напряженности поля в образце 4 кА/м; значенияданы при v= 1,1 МГц, а ег и tg бе при v=3000 МГц
2.5. Ионизирующие излучения 45 относительными значениями е? — = е/80 и иг = ц/цо- При этом ве- щественные части 8Г и iir характе- ризуют плотности электрической и магнитной энергии, а мнимые — электрические и магнитные потери. В табл. 2.8, 2.9 приведены свой- ства твердых диэлектриков с 8Г < 6 и пенопластов с ег < 2. Характери- стики лаков и эмалей, используемых для покрытия токонесущих поверх- ностей устройств СВЧ, приведены в табл. 2.10. Для миниатюризации различных устройств СВЧ (волноводы, полос- ковые устройства и т. д.) их запол- няют пластмассами с наполнением титановыми соединениями, имеющи- ми высокое значение ег (табл. 2.11). Тракты СВЧ могут заполняться га- зообразными веществами (табл. 2.12). Ферриты используются при со- здании различного рода устройств СВЧ: резонансных вентилей (одно- направленные линии передачи), фа- зовращателей, циркуляторов, пере- менных аттенюаторов (ослабителей), модуляторов, переключателей, огра- ничителей мощности, направленных ответвителей, настраиваемых резо- наторов, излучателей антенн и т. Д. Ферриты — твердый, хрупкий ма- териал с механическими свойствами, близкими к керамике. По химиче- скому составу ферриты СВЧ можно разделить на группы: никелевые, магниевые, магниевые ферроалюми- наты; никелевые и магниевые ферро- хромиты, иттриевые ферриты — гра- наты. К основным параметрам ферритов СВЧ относятся: ширина линии фер- ромагнитного резонанса 2Д/7 [А/м], намагниченность при насыщении 7ИС [Тл], относительная диэлектриче- ская проницаемость ег = е' —je“, тангенс угла диэлектрических по- терь tg 6е, точка Кюри 0К [К]. Кро- ме того, ферриты характеризуются параметрами: магнитной индукцией В [Тл], остаточной магнитной индук- цией Вг [Тл]; коэрцитивной силой по магнитной индукции Нс [А/м]; от- носительной магнитной проницае- мостью Цг', плотностью D [кг/м3] и удельным электрическим сопротив- лением р£ [Ом • м] Основные пара- метры ферритов СВЧ приведены в табл. 2.13. Никелевые ферриты используются в основном в диапазонах милли- и сантиметровых волн; имеют боль- шие значения намагниченности при насыщении и высокую термоста- бильность. Их недостаток — высо- кие значения начальных потерь. Магниевые ферриты используют в основном в средней части санти- метрового диапазона; обладают ма- лыми магнитными и диэлектрически- ми потерями, высоким коэффициен- том прямоугольности, но меньшей термостабильностью по сравнению с ферритами из никеля. Максималь- ной намагниченностью при насыще- нии обладают ферриты марки ЗСЧ6 и ЗСЧ9. Магниевые ферроалюминаты и фер- рохромиты используют в длинно- волновой части диапазона СВЧ; ха- рактеризуются малыми значениями индукции при насыщении; недостат- ком является низкая термостабиль- ность. Никелевые феррохромиты приме- няют в резонансных устройствах при работе на высоком уровне мощ- ности. Иттриевые ферриты-гранаты ис- пользуют в низкочастотной области СВЧ диапазона. 2.5. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ [9, 12, 17, 18, 22 ... 26]* Ионизирующие излучения (ГОСТ 15484—74) — любые излучения, вза- имодействие которых со средой при- водит к образованию электрических зарядов разных знаков. Первичное ИИ в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается исходным. Вторичное ИИ возникает в резуль- тате взаимодействия первичного с рассматриваемой средой. ИИ могут быть электромагнитными (фотонными) в виде у- и рентгенов- ского излучений и корпускулярными в виде потока частиц с массой покоя отличной от нуля (а- и Р-излучения, нейтронное излучение). ИИ характеризуется полем (про- странственно-временным распреде- лением ИИ в рассматриваемой сре- де); потоком ионизирующих частиц * Составитель И. В. Василькевич.
46 2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА Ф№ плотностью потока ионизи- рующих частиц Фл/’ потоком энер- гии ИИ Фии, плотностью потока энергии ИИ ф, переносом ионизирую- щих частиц Fn, переносом энергии ИИ Fw. Поток ионизирующих частиц — отношение числа ионизирующих ча- стиц dN, проникающих через дан- ную поверхность за интервал вре- мени di, к этому интервалу: Фы = dN/dt [част./с]. Плотность потока ионизирующих частиц — отношение потока иони- зирующих частиц проникаю- щего в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS\ <pN = dO>NldS [част./(с • см2)]. Поток энергии ИИ — отношение суммарной энергии dE всех ионизи- рующих частиц, проходящих через данную поверхность за интервал вре- мени dt, к этому интервалу: ФИИ = dE/dt [Дж/с]. Плотность потока энергии ИИ — отношение потока энергии ИИ d(£>, проникающего в объем элементар- ной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS: Ф == d&/dS [Дж/(с . см2)]. Перенос ионизирующих частиц (ПИЧ) — отношение числа ионизи- рующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к пло- щади поперечного сечения этой сфе- ры dS; Fn = dN/dS [част./см2]. Перенос энергии ИИ — отношение суммарной энергии dE всех ионизи- рующих частиц, проникающих в объем элементарной сферы, к пло- щади поперечного сечения этой сфе- ры dS: = dEldS [Дж/см2]. Взаимодействие ИИ со средой оце- нивают поглощенной дозой излуче- ния D и мощностью поглощенной Дозы Р. Поглощенная доза излучения (ПДИ) — отношение средней энер- гии dEcp, переданной ИИ вещест- ву в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме: D = dFCp/dm [Дж/кг или рад = = 10-2 Дж/кг]. Мощность ПДИ — отношение при- ращения поглощенной дозы излуче- ния dD за интервал времени dt к этому интервалу: Р = dDldt [Дж/(кг • с) или рад/с]. При проектировании РЭА, как правило, учитывают воздействие ней- тронов и у-излучения, обладающих наибольшей проникающей способ- ностью. Радиационная стойкость изделия или материала (ГОСТ 18298—72) — свойство аппаратуры, комплектую- щих элементов, материалов выпол- нять свои функции и сохранять па- раметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ. Кри- терием радиационной стойкости из- делия (материала) является предель- ное значение определяющего пара- метра радиационной стойкости. Опре- деляющий параметр — параметр из- делия (материала), изменение зна- чения которого в условиях воздейст- вия ИИ свыше определенного значе- ния исключает возможность его при- менения. Показателем радиационной стойкости изделия служит значение характеристики поля ИИ, при кото- ром достигаются критерии радиа- ционной стойкости. Воздействие ИИ на изделие (мате- риал) проявляется в виде радиацион- ного и ионизационного эффектов, об- ратимого или необратимого радиа- ционных дефектов, радиационного разогрева и других явлений. Ра- диационный эффект — изменение значений параметров изделий и ма- териалов в результате воздействия ИИ. Ионизационный эффект — ра- диационный эффект, обусловленный ионизацией и возбуждением атомов вещества. Радиационный дефект — радиационный эффект, проявляющий- ся в нарушении структуры вещества под воздействием ИИ. Обратимый радиационный дефект — радиацион- ный дефект в веществе, исчезающий с прекращением облучения. Необ-
2.5. Ионизирующие излучения 47 ратимый радиационный дефект — радиационный дефект, длительно со- храняющийся в веществе после пре- кращения облучения. Радиационный разогрев — радиационный дефект, проявляющийся в повышении тем- пературы материала в результате поглощения энергии ИИ. Нейтронное излучение в основ- ном является причиной радиацион- ных дефектов, обусловленных физи- ко-химическими преобразования- ми в материалах (например, сшива- ние и деструкция при облучении по- лимеров, окисление). Возможны ра- диационный разогрев, выделение кис- лот и активных газов (хлор, фтор, водород). При у-излучении преобладают ио- низационные эффекты. Скорость об- разования избыточных носителей за- ряда пропорциональна ПДИ. Уве- личение концентрации избыточных носителей — основная причина уве- личения проводимости диэлектриче- ских и полупроводниковых материа- лов. Влияние ИИ на материалы [9] Металлы наиболее устойчивы к воз- действию ИИ: им свойственна вы- сокая концентрация свободных но- сителей заряда, а характеристики их слабо зависят от дефектов кристал- лической решетки. Последствия ней- тронного облучения начинают ска- зываться при ПИЧ порядка 1020 нейтр./см2; у-излучение на свойства металлов практически не влияет. У большинства металлов при воздей- ствии ИИ предел текучести возра- стает в 2 ... 3 раза, ударная вязкость снижается, р“ повышается на 10...30%. Наименьшей радиацион- ной стойкостью обладают электро- технические стали и магнитные ма- териалы, у которых изменяется р, ре при ПИЧ порядка 1013 нейтр./см2. Некоторые металлы, например, бор, марганец, кобальт, кадмий, цинк, молибден и др. после облучения теп- ловыми нейтронами становятся ис- точниками вторичного ИИ. Наименее устойчивы к воздейст- вию ИИ полупроводниковые и орга- нические материалы. У полупровод- никовых материалов при облучении изменяются время жизни и подвиж- ность носителей заряда, коэффициент Холла. У органических — механиче- ские свойства, электрическая проч- ность, е, tg б. Неорганические материалы устой- чивы к ИИ: з, гизол, tg 6 у них из- меняются незначительно; у стекол изменяются оптические свойства и цвет. Влияние ИИ на резисторы [9] Воздействие ИИ вызывает обра- тимые или необратимые изменения сопротивления, увеличение уровня шумов, ухудшение влагостойкости резисторов. Основные причины: де- градация электрофизических харак- теристик резистивного и электроизо- ляционных материалов (резкое уве- личение проводимости из-за иони- зационных эффектов в материалах, воздухе или другой среде, окружаю- щей резистор); у-излучение вызывает в основном обратимые изменения. После окончания облучения исход- ное значение сопротивления восста- навливается менее чем через 2 мс. Нейтронное излучение может стать причиной ухудшения влагостойко- сти резисторов и обратимых либо необратимых изменений их сопро- тивления. Последствия зависят от кинетической энергии частиц, ПДИ, типа резистора. Необратимые ра- диационные дефекты резисторов свя- заны с нарушением структуры мате- риалов основания, защитных покры- тий, опрессовки, резистивного слоя. Наиболее устойчивы к воздейст- вию ИИ керамические и проволоч- ные резисторы. В конструкции этих резисторов используются лишь ра- диационно-стойкие материалы: ме- талл, керамика, стекло. Так, облу- чение проволочных резисторов теп- ловыми нейтронами ПИЧ около 1019 нейтр./см2 приводит к необратимому увеличению сопротивления (менее чем на 2% от исходной величины). При облучении их быстрыми ней- тронами до ПИЧ 1020 нейтр/см2 изменений в характеристиках не наблюдалось. Менее устойчивы к ИИ металлопле- ночные и пленочные углеродистые резисторы. При их облучении одно- временно быстрыми, тепловыми, над- тепловыми нейтронами (соответст- венно величины ПИЧ: 1014, 1018, 1016 нейтр./см2) и у-излучением (ПДИ
48 2. Окружающая среда и ее воздействие иа РЭА 108 рад) отмечено постепенное уве- личение сопротивления до 3,5%. При этом необратимые изменения составляют менее 2%. Устойчивость к влаге, уровень шумов и ТКС ре- зисторов после облучения не ме- няются. Бороуглеродистые резисторы нена- дежны при облучении тепловыми ней- тронами: ПИЧ около 1018 нейтр./см2 вызывает существенное (на 20%) повышение сопротивления и сниже- ние влагостойкости резисторов в 2 раза. Основная причина в нарушении структуры проводящей пленки. Композиционные резисторы в рав- ной мере нестойки к корпускулярно- му и фотонному излучениям. Длитель- ное воздействие нейтронов ПИЧ 10й нейтр./см2 или у-излучения ПДИ 108 рад приводит к снижению влаго- стойкости, возрастанию уровня соб- ственных шумов в 2 раза, изменению номинального омического сопротив- ления гноМ до 10%. Причиной пере- численных необратимых радиацион- ных дефектов является нарушение структуры органических материалов, использованных в качестве связую- щих в проводящей композиции. Тонкопленочные интегральные ре- зисторы способны выдерживать по- токи быстрых нейтронов ПИЧ бо- лее Ю16 нейтр./см2 без существен- ных изменении величины сопротив- ления и параметров надежности. Наибольшей стойкостью к ИИ об- ладают танталовые, никелевые, ни- хромовые тонкопленочные резисто- ры, покрытые пассивирующей за- щитной пленкой. В радиационно-стойкой РЭА ре- комендуется применять резисторы с гном < Ю кОм. Высокоомные ре- зисторы защищаются заливкой либо опрессовкой эпоксидной смолой. Уве- личение толщины защитного покры- тия в 10 раз позволяет снизить не- стабильность резистора в 6... 8 раз. При уменьшении размеров рези- стора его устойчивость к ИИ повы- шается. Влияние ИИ на конденсаторы [9] Воздействие ИИ сказывается на параметры электрической прочности конденсаторов,гизол, tg 6, Сном. При- чины этих изменений: преобразова- ния в структуре диэлектрика, меха- нические деформации, ионизация диэлектрика и окружающей среды, выделение газов. Рентгеновское и у-излучение вызы- вают в основном обратимые радиа- ционные дефекты. При облучении нейтронами возможны как обрати- мые,так и необратимые радиационные дефекты. Наибольшей стойкостью к ИИ обладают конденсаторы с неор- ганическим диэлектриком: керами- ческие, стеклоэмалевые, слюдяные. Изменение их параметров при облу- чении нейтронами ПИЧ до 101с нейтр./см2 и воздействии у-излучения ПДИ до 109 рад не превышает долей или единиц процентов (исключение составляют низкочастотные сегнето- керамические конденсаторы, измене- ние их емкости достигает 25%). Ме- нее чем через 2 ч после окончания облучения параметры керамических, стеклоэмалевых и слюдяных конден- саторов восстанавливаются до исход- ных. Конденсаторы с органическим ди- электриком (бумажные, полистиро- ловые, лавсановые, триацетатные, фторпластовые) обладают понижен- ной устойчивостью к ИИ. При облу- чении таких конденсаторов резко падает гизол, в 10 ... 20 раз увеличи- вается tg б, изменения Сном состав- ляют единицы или десятки процен- тов. Общая причина этих измене- ний — разложение полимерных ма- териалов. Лишь через 200 ... 300 ч после облучения параметры таких конденсаторов восстанавливаются до допустимых пределов. Электролитические конденсаторы при облучении ненадежны. Отмече- ны случаи разгерметизации из-за разложения электролита. Изменение емкости носит нерегулярный харак- тер. Сведения о радиационной стой- кости электролитических конденса- торов не достоверны. Из интегральных тонкопленочных конденсаторов наиболее устойчивы к ИИ конденсаторы с диэлектриком на основе Та2О5 и А12О3. Влияние ИИ на полупроводниковые приборы [18, 23...26] Воздействие ИИ служит причиной обратимых либо необратимых ра- диационных дефектов, являющихся
2.5. Ионизирующие излучения 49 следствием ионизации и структур- ных нарушений в кристаллах. Ионизирующее действие радиации приводит к генерации в объеме по- лупроводника избыточных зарядов. Заряды, двигаясь под действием гра- диентов концентраций и электриче- ских полей, создают фототоки. Ве- личина избыточных фототоков про- порциональна эффективному (по сбо- ру дополнительных носителей) объе- му прибора. Последний (для бипо- лярных структур) определяется ши- риной области объемного заряда, площадью р-л-переходов и диффу- зионной длиной пробега неосновных носителей по обе стороны переходов. Поэтому минимизация размеров по- лупроводниковых приборов повы- шает их устойчивость к ИИ. Величина фототока зависит толь- ко от скорости поглощения энергии за счет электронных процессов и не зависит от типа и спектра ИИ. Пос- ле окончания ИИ фототок уменьша- ется До нуля в соответствии со вре- менем жизни неосновных носителей заряда. Структурные нарушения обуслов- лены взаимодействием ИИ с кристал- лической решеткой полупроводника. Степень структурных нарушений за- висит от вида и энергии частиц, ПДИ. Известно, что даже незначительные дефекты структуры кристаллической решетки вызывают существенное из- менение параметров полупроводни- ковых материалов: подвижности, эф- фективной концентрации, времени жизни носителей заряда. Поэтому следствием структурных нарушений являются необратимые дефекты по- лупроводниковых приборов. В зависимости от типа прибора, технологии его изготовления, усло- вий работы, вида и энергии излуче- ния, преобладает тот или иной ме- ханизм нарушений. Он и определяет радиационную стойкость прибора. Полупроводниковые диоды Основные радиационные эффекты в диодах: фототоки (на один-два порядка больше рабочих токов), из- менение сопротивления полупровод- ника, времени жизни носителей за- ряда. Германиевые диоды. Нейтронное ИИ при ПИЧ порядка 1011 иейтр./см2 вызывает заметное изменение вольт- амперных характеристик: проводи- мость диодов в прямом направлении уменьшается, в обратном — увели- чивается; полный отказ наблюдается при ПИЧ более 1013 нейтр./см2. При воздействии фотонных ИИ (ПДИ 104 рад, мощность ПДИ 102 рад/с) возникают фототоки, возра- стает обратный ток (на 10%), умень- шается емкость р—«-перехода (на 10%). Через несколько дней после прекращения ИИ параметры диодов восстанавливаются до первоначаль- ных. Кремниевые диоды. Нейтронное ИИ при ПИЧ порядка 1012 нейтр./см2 вызывает заметное изменение вольт- амперных характеристик. При этом проводимость точечно-контактных диодов уменьшается в прямом и об- ратном направлениях. У плоскост- ных диодов проводимость в прямом направлении также уменьшается. В обратном направлении проводимость некоторых типов плоскостных крем- ниевых диодов с увеличением ней тронного потока увеличивается, до- стигает максимума при некоторой величине потока, после чего умень- шается. При 0 = 423 К воздействие ИИ на прямые характеристики ска- зывается меньше, нежели при нор- мальной температуре. Облучение нейтронами позволяет до 1000 раз уменьшить время переключения кремниевых диодов. Полный отказ диодов при нейтронном облучении на- блюдается при ПИЧ порядка Ю3 ... ...1017 нейтр./см2; у-излучение вызы- вает обратимые изменения вольт-ам- перных характеристик. Туннельные диоды. При нейтрон- ном ИИ заметное изменение вольт- амперных характеристик диодов на- блюдается лишь при ПИЧ порядка 1017 нейтр./см2 Потенциальная ус- тойчивость туннельных диодов к ИИ обусловлена низким ре полупровод- никового материала, сравнительно высокой рабочей 0, слабой зависи- мостью характеристик диодов от ионизационных эффектов. Интегральные диоды. Радиацион- ная стойкость обеспечивается при использовании коллекторного или эмиттерного переходов радиационно- стойкого транзистора. Наибольшей устойчивостью к ИИ обладают высоко- частотные диоды (с тонкой базой).
50 2, Окружающая среда и ее воздействие на РЭА Транзисторы Биполярные транзисторы. Радиа- ционная стойкость в основном оп- ределяется деградацией коэффициен- та передачи по току. Второстепенные эффекты: изменение вольт-ампер- ных характеристик р—«-переходов, уменьшение емкостей р—«-перехо- дов. Главная причина деградации параметров биполярных транзисто- ров при ИИ — радиационные де- фекты в полупроводниковом мате- риале. Максимально допустимый ПИЧ, который может выдержать биполяр- ный транзистор для заданного изме- нения параметра йя, определяется из соотношения: FN 15K-Va 0/Л21, где — граничная частота усиле- ния транзистора по току в схеме с общей базой, Гц; h21 — коэффициент передачи транзистора по току в схе- ме с общим эмиттером до начала ИИ, ! — коэффициент передачи тран- зистора потоку в схеме с общим эмит- тером после ИИ; К —постоянная, зависящая от типа транзистора, нейтр - с/см2 (для германиевых транзисторов р—п—p-типа К = = (4,2 ± 0,2) - 107 и п—р—«-типа К = (1,8 ± 0,2) • 107; для кремни- евых транзисторовр—п—p-типа К = = (0,3 ± 0,04) • 10’ и п—р—«-ти- па К = (0,46 ± 0,033) - 107. При облучении биполярных транзи- сторов, не имеющих на поверхности кристалла защитных покрытий, на- блюдается обратимое возрастание то- ка /ко из-за ионизационных эффек- тов. Удовлетворительного метода про- гнозирования изменений /ко при ИИ пока не найдено. При прочих равных условиях наиболее устойчи- вы к ИИ транзисторы с минимальны- ми размерами структуры и ступенча- тым распределением примеси в р—п,- переходах. Для повышения радиационной стойкости РЭА рекомендуется при- менять высокочастотные транзисторы с пассивирующими покрытиями на поверхности кристалла и с низкой мощностью рассеяния, работающие в режиме больших токов. Униполярные транзисторы. Радиа- ционная стойкость определяется из- менениями поверхностных и объем- ных состояний, обусловленными про- цессами в окисле, покрывающем по- верхность приборов. Униполярные транзисторы выдерживают уровни ИИ меньшие, нежели биполярные. Наиболее чувствительны к воздейст- вию ИИ униполярные транзисторы с изолированным затвором (МДП тран- зисторы). Уже при ПДИ фотонного излучения менее 104 рад и ПИЧ, рав- ном 1012 част/см2, наблюдается не- обратимый сдвиг характеристик пря- мой передачи в сторону более от- рицательных смещений затвора (из- менение порогового напряжения). Направление сдвига не зависит от ти- па проводимости канала и напряже- ния на затворе. Равные дозы раз- личных излучений создают одинако- вый сдвиг характеристик. Абсолютная величина сдвига зависит от толщины и материала диэлектрической пленки (чувствительность к ИИ снижается в следующей последовательности: SiO2, SiN4, SiO, А12О3), материала электродов, технологии изготовле- ния приборов, напряжения на зат- воре. Наиболее устойчивыми к ИИ являются МДП структуры с диэлек- триком на основе Д12Оа. Они вы- держивают фотонные излучения с ПДИ до 107 рад и уровни быстрых нейтронов ПИЧ до 1015 нейтр./см2. Униполярные транзисторы с управ- ляющим р—«-переходом обладают большей устойчивостью к ИИ, чем МДП транзисторы. Последствия ИИ проявляются в увеличении тока утечки затвора. Минимально изменяются и характеристики тран- зисторов с p-каналом: ток утечки затвора при ИИ не превышает 10 нА. В транзисторах с «-каналом при об- ратном смещении на затворе ток утечки может достигать 1 мкА. Таким образом, среди униполяр- ных транзисторов наибольшей ус- тойчивостью к воздействию ИИ обла- дают приборы с управляющим р—п- переходом и р-каналом. Интегральные микросхемы Действие ИИ проявляется в обра- тимых нарушениях работоспособ- ности, вызванных ионизационными эффектами, и в необратимой дегра- дации параметров.
2.5. Ионизирующие излучения 51 Основные причины нарушения ра- ботоспособности: изменение пара- метров у входящих в них элементов (резисторов, транзисторов и др.), по- вреждение межсоединений, ухудше- ние качества изоляции. Радиацион- ная стойкость конкретных ИС опре- деляется их конструктивно-техноло- гическими и схемными особенностями. Конструкти вно-технологические методы повышения радиационной стойкости ИС следующие: — обеспечение стойкости к ИИ активных и пассивных элементов; — создание надежной электриче- ской изоляции элементов в условиях воздействия ИИ; — использование радиационно- стойких проводящих и диэлектриче- ских пассивирующих материалов; — ослабление первичного ИИ за счет рационального выбора конструк- ции корпуса и применение материа- лов, поглощающих энергию ИИ. Наименее устойчивы к ИИ ИС с изоляцией встречно включенными р—«-переходами. Уже при ПДИ 104 ... 108 рад существенно возра- стает уровень электрических пара- зитных связей между элементами. Активизируются также паразитные переключающие четырехслойные структуры, связанные с изолирую- щими переходами. Все это вызывает сбои или полный отказ ИС. Совер- шенствование этого способа ведется по пути уменьшения площади изо- лирующего перехода (метод ионной имплантации и др.) и использования изоляции в виде двуокиси кремния, сапфира, керамики. При использо- вании сапфировых подложек можно получить ИС, способные работать при мощности ПДИ до 1041 рад/с. ИС на поликристаллической под- ложке выдерживает излучение с мощ- ностью ПДИ до 107 ... 108 рад/с. Повреждение межсоединений может произойти из-за фототоковой гене- рации и теплового поглощения ма- териалом межсоединений низкоэнер- гетических фотонных излучений. Разрушение межсоединений из-за фототоковой генерации характерно для биполярных ИС, в которых при ИИ плотность тока в металлизации может возрасти в 100 раз. Для алю- миниевой металлизации типичной тол- щины предел термоэлектрической про- чности составляет 5 • 105 А/см2, что достигается при мощности ПДИ, равной 2 • 1011 рад/с. При тепловом поглощении фотон- ных излучений наблюдаются различ- ные повреждения: от разрушения контактов до полного испарения меж- соединений. Степень разрушений воз- растает с ПДИ и зависит от атом- ного веса материала. Надежность алюминиевых соединений существен- но не изменяется при действии ПДИ, полностью разрушающей золотые проводники. Значительный интерес для исполь- зования в условиях ИИ представ- ляют ИС на основе керамических элементов (керамические твердые схемы). Такие ИС способны работать при нейтронном ИИ при ПИЧ 1017 ... ... 1018 нейтр./см2 и ПДИ фотонных излучений до 1010 ... 10п рад. С помощью конструктивно-техно- логических мер предполагается в ближайшие годы повысить радиа- ционную стойкость ИС на 3 ... 4 по- рядка [22 ... 26]. В настоящее вре- мя хорошо отработаны и широко используются схемотехнические ме- тоды фототоковой компенсации, функциональное резервирование и другие меры, позволяющие повысить радиационную стойкость ИС на один-два порядка. Данные по допустимым ПИЧ и ПДИ для некоторых материалов и ЭРЭ приведены на рис. 2.4, Влияние ИИ на электровакуумные приборы Основные радиационные дефекты при воздействии ИИ на электрова- куумные приборы: комптоновские то- ки, разгерметизация или разрыв бал- лона, выделение газов (СО, СО2, О2 пары Н2О) с последующим отравле- нием катода, вторичное ИИ. Главным источником комптонов- ских электронов является сетка. Анодный ток при воздействии ИИ увеличивается так, как если бы на сетку было подано положительное напряжение. Степень возрастания анодного тока зависит от коэффициен- та усиления лампы и величины со- противления между сеткой и като- дом. Степень воздействий ИИ на бал- лоны из стекла и керамики зависит от сорта материала. Наименее стой-
52 2. Окружающая среда и ее воздействие иа РЭА п8 юв то5ю111юкюппкто18тог1!1аг1то111 (Двцокись алюминия Кварц Керамика -i fr- 4 > z _k > -4 J Полиамиды Полистирол У у Полупроводники Мет алло/ X 4_ "n. >O _/ Смоль/ эпоксадные Js Стекло “I J— nt L- _1 _z k_ Фторопласт _/ J— k 4 n. Керамические (дискретные и интегральные) Композиционные: —РРПРМРНМЬ IP PPPPPl/Ph/P J X 4_ 1 > -переменные одьемнь/е - плстаянныр _/ k —У 4—1 4 I Проволочные: S’ -в эпоксидном компаунде -на керамике “C J _z T t _/ 4_ -4. /UtfKuf?.//спи Чри/с (</7///cc^/Uj7omO/G Углеродистые пленочные Бумсшмы& f У V- - Керамические § Пленочные J- l 1 J ч Стенлоэмалевые и слюдяные {Электролитические тС. JT 1 -z. in -( W- । Диоды низкочастотные i ч Диоды туннельные § Транзисторы диполярные: 'м. 4 г 2 Л- z H л- “L •X-u j— t p" -гермаяиевь/е //./ i -кремниевые в. ч. Чл — KpRMf/!/&/?htR R. V - - / “X. r X J К t Чу Транзисторы МДП i Интегральные микросхемы: § -херансыесхие -пленочные — л- 2 л X rx — -полупроводниковые ТТЛ §- -на комплементарных Is МДП транзисторах — Mff М/7/7 тПгвмЪ//птллтгу пЯипоп -1 X- V f 1— та па проводимости
2.5. Ионизирующие излучения 53 Рис. 2.4. Стойкость материалов и ЭРЭ к воз- действию переноса ионизирующих частиц ПИЧ (о) Fn, нейтр/см2 и к поглощенной дозе D (Д), рад кими к ИИ являются баллоны из стекла, содержащего бор: при ПИЧ порядка 1016 нейтр./см2 они разгер- метизируются. Радиационные дефек- ты керамических баллонов: повышен- ное газовыделение и в 2 ... 5 раз больше, нежели у стеклянных, вто- ричное ИИ (до 100 рад/ч). Наибольшей стойкостью к ИИ обладают приемно-усилительные лам- пы (допустимый ПИЧ 1016 нейтр./см2). Фотоэлементы и электронно-лучевые трубки наименее устойчивы к ИИ (допустимый ПИЧ 1013 нейтр./см2): их отказ может произойти как из-за повреждения рабочих элементов, так и из-за изменения свойств защитных стекол. Защита РЭА от ИИ [18] На рис. 2.5, а—д показаны ха- рактерные варианты защиты РЭА от ИИ. Общая экранировка (а) тре- бует наличия массивного (для эф- фективности) экрана 1, защищаю- щего РЭА 2 от ИИ с любой стороны. Если взаимное положение источника ИИ в РЭА известно и стационарно, то можно применить теневой экран (б). Для защиты от космического ИИ используют многослойные экра- ны (в) из металлов с высоким куло- новским барьером (например, сви- нец) 5 и поглощающие прослойки 6, 7. Большее число слоев (г) тре- бует гамма-нейтронная защита, при которой, наряду с кожухом РЭА 8, используют полиэтилено-свинцовый экран 9 для защиты от у-излучения, термический противонейтронный эк- ран 10 из полиэтилена с окисью бо- ра, полиэтилено-графитовый замедли- тель быстрых нейтронов 11 и нержа- веющую сталь 12. Точная информация о свойствах источника ИИ и специфике РЭА по- зволяет комплексно применять все приемы защиты с целью минимиза- ции ее размеров и массы. В этом случае наряду с защитным экраном/ и радиационно-стойкими компонен- тами 2 используют локальную за- щиту отдельных компонентов РЭА 3 и специальное защитное покрытие 4 (9). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Анапольская Л. Е. Режим скоро- стей ветра на территории СССР— Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 2. Астафьев А. В. Окружающая среда и надежность радиотех- нической аппаратуры. — М.— Л.: Энергия, 1965. 3. Бургсдорф В. В., Муретов Н.С. Гололедные нагрузки воздушных линий электропередачи.— Тру- ды ВНИИЭ, 1960, вып. 10. 4. Бушминский И. П. Изготовление элементов конструкций СВЧ. — М.: Высшая школа, 1974. 5. Вентцель Е. С. Теория вероят- ностей.— М.: Физматгиз, 1960 6. Гарцман Л. Б., Меламед М. Н., Кривозубов А. В., Плево И. П. Метод расчета интенсивности внешних воздействий на меха- нические устройства радиотех- нических систем.— Вопросы ра- диоэлектроники. Сер. общетех- ническая, 1975, вып. 6. Рис. 2.5. Защита РЭА от ИИ общим (а): теневым (б) и многослойным экраном (в) и поглощающей прослойкой (г); схема гамма-нейтронной защиты (д) 8^ а б в г
54 3. Объекты-носители для размещения РЭА 7. Гарцман Л. Б.; Меламед М. Н.; Кривозубов А. В., Плево И. П. Расчет комплекса параметров гололедно-ветрового режима для проектирования механи- ческих устройств наземных ра- диотехнических систем. — Во- просы радиоэлектроники. Сер. общетехническая, 1976, вып. 7. 8. Горбунов Н. Д., Матвеев Г. Д. Ферриты и магнитодиэлектри- ки: Справочник.— М.: Сов. ра- дио, 1968. 9. Горячева Г. А., Шапкин А. А., Ширшев Л. Г. Действие про- никающей радиации на радио- детали.— М.: Атомиздат, 1971. 10. Гуревич Л. Г. Ферриты на сверх- высоких частотах — М.: Физ- матгиз, 1960. И. Защита радиоэлектронной ап- паратуры от влияния климати- ческих факторов: Пер. с нем./ Под ред. Г. Юбиша. — М.: Энергия, 1970. 12. Краткий справочник конструк- тора радиоэлектронной аппара- туры/ Р. X. Вальян, Н. А. Бар- канов, А. В. Борисов и др.; Под ред. Р. Г. Варламова.— М.: Сов. радио, 1972. 13. Конструирование и расчет по- лосковых устройств/ В. И. Го- лубев, И. С. Ковалев, Е. Г. Кузнецов и др.; Под ред. И. С. Ковалева.—М.:Сов. радио, 1974. 14. Мейнке X., Гундлах Ф. Ра- диотехнический справочник. — М.: Госэнергоиздат, 1961. 15. Нагрузки и воздействия: СНиП П-6-75. — М.: Стройиздат, 1975. 16. Преображенский А. А. Теория магнетизма, магнитные мате- риалы и элементы.— М.: Выс- шая школа, 1972. 17. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схе- мы.— М.: Энергия, 1971. 18. Радиационная стойкость мате- риалов радиотехнических кон- струкций: Справочник/ Под ред. Н. А. Сидорова, В. К- Князе- ва.— М.: Сов. радио, 1976. 19. Фельдштейн А. П., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техни- ки.— М.: Сов. радио, 1967. 20. Харвей А. Ф. Техника сверхвы- соких частот в 2-х т.— М.: Сов. радио, 1965.— Т.1. 21. Штольц Н. Н., Пискарев К. А. Ферриты для радиочастот.— М.: Энергия, 1966. 22. Хасси А. Г., Найман Д., Симон X. Радиационная стойкость ти- ристоров.— Электроника, 1968, т. 41, № 7, с. 65—69. 23. Olson R. J., Alexander D. R., Antonine R. J. Radiation res- ponse study of new radiation — hardened low power TTL se- ries.— IEEE Irans., 1971, v. NS-18, № 6, p. 243—249. 24. Berger R. A., Azarewicz J. L., Eisen H. Hardness assurance gui- delines for moderate neutron envi- ronment effects in bipolar tra- nsistor and integrated circuits. — IEEE Trans, 1973, v. NS-20, № 6, p. 180—184. 25. Raymond J. P., Pocock D. N. Transient radiation effects in MOS/LSi. — IEEE Trans., 1974, v. NS-21, № 6, p. 179— — 185. 26. Gwyn G., Gregory B. L. Desig- ning ultrahard bipolar transis- tors. — Sol.-St. Tech., 1972, v. 15, № 4, p. 50—55. 3. ОБЪЕКТЫ-НОСИТЕЛИ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ РЭА* Основные аббревиатуры В — вибрации Вл — влажность относительная ИС — интегральная микросхема КК — космический корабль СА — система амортизации У — удары (механические) УЛ — ускорения линейные * Составители В. М. Городи- лин, Р. Г. Варламов. 3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЭА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗМЕЩЕНИЯ И СВОЙСТВ ОБЪЕКТА-НОСИТЕЛЯ [1...18J РЭА может размещаться на по- верхности земли, в различных на- земных или подземных помещениях (объектах), на разнообразных транс-
3.2. Размещение стационарной РЭА 55 портных средствах (носителях), на человеке и вьючных животных, для обозначения которых обычно поль- зуются собирательным термином объект-носитель. Диапазон дестабилизирующих воз- действий объекта-носителя очень ши- рок: от климатических воздействий данного региона при эксплуатации РЭА на поверхности земли до спе- цифических условий радиоотсеков самолетов и ракет. В соответствии с этим по ГОСТ 16019—78, 17167—71, 17785—72, 17412—72 и [1 ... 18] различают: — стационарную РЭА (объекты- носители — поверхность земли или помещения), — возимую на наземных транс- портных средствах (объекты-носи- тели — автомобильный, гусеничный и железнодорожный транспорт). — возимую на речных и морских судах (объекты-носители — внутрен- ние помещения, палубы и мачты су- дов), — носимую и портативную (объек- ты-носители — человек или вьюч- ные животные, возможна работа вне помещений и на ходу), — самолетную и ракетно-космиче- скую (объекты носители —самолеты, вертолеты, ракеты и космические ко- рабли). В процессе эксплуатации разли- чают два режима: 1) сохранение ра- ботоспособности РЭА при воздейст- вии дестабилизирующих факторов с экстремальными значениями (обычно описывают термином устойчивость) и 2) обеспечение работоспособности в нормальных условиях непосредст- венно после воздействия дестабилизи- рующих факторов с экстремальными значениями на неработающую РЭА (обычно описывают термином проч- ность). Сохранение работоспособно- сти РЭА при экстремальных зна- чениях дестабилизирующих факторов обычно требуется при воздействии вибраций в диапазоне частот, ударов, повышенной влажности, пониженной и повышенной температуры и пони- женном атмосферном давлении. Ра- ботоспособность в нормальных усло- виях (после воздействия экстремаль- ных значений дестабилизирующих факторов) обычно проверяется при воздействии вибраций на одной ча- стоте или в диапазоне частот, ударов и падений, инея и росы, дождя и по- гружения в воду, пыли и соляного тумана, после обнаружения механи- ческих резонансов конструкции, ци- клических изменений температуры, проверки прочности при транспорти- ровании. Все эти требования форму- лируются в ГОСТах, ТУ и ЧТУ на РЭА. 3.2. РАЗМЕЩЕНИЕ СТАЦИОНАРНОЙ РЭА [6, 7, 11, 13] Общие положения Стационарная РЭА по ГОСТ 16019—78 разделяется на стационар- ную, работающую в отапливаемых наземных и подземных сооружениях (1 группа) и стационарную, работа- ющую на открытом воздухе или в не- отапливаемых наземных и подземных сооружениях (2 группа). При размещении РЭА 2 группы необходимо учитывать деление тер- ритории СССР на четыре климатиче- ских района: I, II, III и IV (I — су- ровая и длительная зима, короткий световой год, толщина снежного по- крова до 1,2 м, среднемесячные тем- пературы января и июля — 32°G и 4- 21°С (241 К и 294 К), II - умеренная зима, толщина снежного покрова до 1 м, среднемесячные тем- пературы — 14°С и -|-21оС (259 К и 294 К), III — континентальный климат с холодной зимой и жарким летом, незначительный снежный по- кров, большая интенсивность сол- нечной радиации, среднемесячные температуры — 20°С и + 25°С (253 К и 298 К), IV — жаркое лето с интенсивной солнечной радиацией, относительно короткий зимний пе- риод, среднемесячные температуры — 15°С и -ф28°С (258 К и 301 К). Кроме четырех климатических райо- нов, различают 16 подрайонов и ге- офизические показатели (норматив- ная глубина промерзания грунтов, наличие вечной мерзлоты, карстов, оползней и т. п.), которые опреде- ляют как микроклимат в месте рас- положения РЭА, так и требования к конструкции зданий и отдельных помещений. Значения дестабилизирующих фак- торов для РЭА 1 и 2 групп приведе- ны в табл. 3.1.
56 3. Объекты-носители для размещения РЭА Таблица 3.1 Параметры РЭА и определяющие их дестабилизирующие факторы для стационарной РЭА 1 и 2 групп (ГОСТ 16019— 78) Параметры 1 группа 2 группа 1. Прочность при синусоидальных вибрациях: v, Гц 20 20 а, м/с2 /выд, Ч 2. Обнаружение резонансов в конструкции: 19,6 19,6 >0,5 >0,5 Av, Гц 10...30 10...30 мм 0,5...0,8 0.5...0.8 /вид, МИН 3. Воздействие повышенной влажности: >0,4 >4 Вл, % 80 93 01 (0ы), К 298(298) 298(313) /выд, Ч 4. Воздействие пониженной температуры: 48 72 ^рд(0,прд). К 233(233) 233(223) 0рб(0рб). К 278(278) 263(248) ^выд, ч 5. Воздействие инея и росы: 2...6 2...6 0, к — 263 /в ы д, ч 6. Воздействие повышенной температуры: — 2...6 Опрд, К 328 333 0рб, к 313 323 t в ы д, Ч 7. Воздействие пониженного атмосферного давле- ния: 2...6 2...6 0, к 263 263 р, кПа 61 61 /выд, Ч 8. Прочность при транспортировании: 2...6 2...6 /и, МС 5... 10 5...10 V, мин-1 40...80 40...80 Птах, М/С2 49...245 49...245 А2, ударов 9. Воздействие дождя с интенсивностью А: 13 000 13 000 А, мм/мин — 3 /выд, МИН 10. Воздействие воздушно-пылевого потока: — >20 и, м/с — >10 1выд, МИН 11. Воздействие соляного (морского) тумана с дисперсностью (95% капель) А и водностью Б: — >60 0, К 300 300 А, мкм 1...10 1...10 Б, г/м3 2...3 2...3 /выд, Ч 24 48 Примечание. Индексы ! н И относятся к первой н второй степеням жесткости эксплуатации.
57 3.2. Размещение стационарной РЭА Требования к помещениям зданий Помещения для размещения ста- ционарной РЭА являются частью зда- ний, в которых, в общем случае, мо- гут быть три вида помещений: — основные (общие рабочие ком- наты, лаборатории, кабинеты), — вспомогательные (конференц- залы, залы для совещаний, выставок и демонстраций, помещения для при- ема, переговоров и ожидания посе- тителей, для общественных органи- заций, архивов, проектных кабине- тов и технических библиотек, поме- щений для ЭВМ, копировально-мно- жительных служб, макетных мастер- ских, бюро пропусков, экспедиций, телекоммуникационной связи), — обслуживающие (вестибюли, гардеробные, курительные, санузлы, медпункты, столовые и буфеты, кла- довые и т. п.). В зависимости от назначения зда- ния и используемой РЭА соотноше- ние между этими видами помещений а Рис. 3.1. Ширина коридоров (а) при проходе одного (1) или двух (2) человек и откры- вании дверей внутрь коридора или помещения, средине размеры тела (6) мужчины и женщины (в скобках), определяющие размеры коридоров и проходов в помещениях б
58 й. Объекты-носители для размещения РЭА Рис. 3.2. Внешний вид экспериментальных инвентарных зданий: общежития нэ трех человек ЭИЗ-1 с 52= =24.6 м2 (а), столовой на 18 посадочных мест ЭИЗ-2 с 52 =49,2 м2 (б), красного уголка на 40 мест ЭИЗ-З в 52=71,8 м2 (в). здания конторского типа на 20 рабочих мест ЭИЗ-4 с 52=95,7 м2 (г) и бытового помещения с душевыми и туалетами на 20 человек ЭИЗ-5 с 52 = 71,8 м2 (д) ◄ может изменяться. Для укрупненных оценок по СНиП используют следу- ющие соотношения. Строительный объем на одного сотрудника берется 35 ... 45 м3 (им определяется общий объем здания), а площадь помещений основного назначения определяется из расчета 5 ... 6 м2 на одно рабочее место (без учета коридоров, лестнич- ных клеток и т. п.). При наличии значительного количества крупных блоков и стоек РЭА (например, типа ЭВМ), внутренних транспортных средств, ЗИП, закрытых зон с огра- ниченным проходом, бытовых поме- щений и т. п. в качестве расчетной площади берется значение 15 ... 20 м2 на одного человека. При решении планировочных задач размещения РЭА и обслуживающего персонала необходимо учитывать, что в основе современного строи- тельства лежит единая модульная система (ЕМС) с основанием (моду- лем) 0,1 м (М). Для размеров продоль- ных и поперечных опорных несущих конструкций зданий принимают ук- рупненные модули 60М и 30М, для высоты — 12М, 6М и ЗМ. Под вы- сотой этажа понимают расстояние между уровнями полов помещений (обычно 3,3 ... 3,6 м), что дает в чи- стоте от пола до потолка помещения высоту 3 ... 3,3 м. Высокая стои- мость РЭА — причина использова- ния для нее зданий высших (I или II) классов по долговечности. При планировке здания необхо- димо правильно выбирать ширину коридоров (рис. 3.1, а), а при плани- ровке помещений — учитывать га- бариты человека в разных позах (рис. 3.1,6). При оперативном раз- мещении стационарной РЭА 1 груп- пы и ее обслуживающего персонала целесообразно использовать экспери- ментальные инвентарные здания ЭИЗ (рис. 3.2), пригодные для эксплуата- ции при пониженной температуре
3.3. Размещение возимой РЭА 59 среды — 55° С (218 К) и повышенной + 30° С (303 К), снеговой нагрузке до 2000 Н/м2 и ветровой нагрузке до 550 Н/м2. Они рассчитаны на под- ключение к внешнему водопроводу, канализации, электрическим и вод- ным сетям. Особенности размещения в помещениях ЭВМ и устройств обработки данных ЭВМ и устройства обработки дан- ных обычно требуют специальных условий размещения. Стандартными требованиями являются: температура в помещении 19...23°С (292 ... 296К), изменение температуры со ско- ростью не более 2 К/ч, Вл = 60 ± ± (2 ... 5)% при малой запыленности с частицами не более 3 ... 5 мкм. Обеспечение этих требований воз- можно только при использовании кон- диционеров. При расчете Фтп2 кондиционера исходят из следующих величин: для оператора Фтп = 120 Вт, для лампы накаливания Фтп = 0,97РП11Т, для люминесцентной — Фтп = 0,8 РПит, для большинства блоков ЭВМ и уст- ройств обработки данных Фги = = Впит- Для ориентировочных рас- четов машинных залов ЭВМ можно положить Фтп=600 Вт/м2. Смена воз- духа (сквозняки исключены) произ- водится через отверстия в фальшпо- ле и фальшпотолке или специальные решетки (их устанавливают там, где нет движения людей) со скоростью 50 ... 20 м3/мин. В составе кондицио- нера должны быть водоиспаритель- ные или пароувлажнительные систе- мы и фильтры для очистки воздуха от пыли. При требованиях к повышенной надежности работы ЭВМ и устройств обработки данных может потребо- ваться резервирование как основных, так и вспомогательных устройств. В частности, резервирование систе- мы электропитания требует не толь- ко двух самостоятельных вводов от разных линий электропередачи, но и резервной аккумуляторной бата- реи с преобразователем и резервной дизельной электростанции, что не- обходимо учитывать при планиров- ке помещений. Специальными требованиями по размещению ЭВМ и устройств обра- ботки данных являются: размещение склада с магнитными лентами и ди- сками вдали от возможных источни- ков электрических помех, использо- вание экранированных помещений или специальных металлических храни- лищ с дополнительной противопо- жарной защитой, отдельное разме- щение кондиционера и резервных источников электропитания. Противопожарные требования к помещениям Как правило, помещения для РЭА 1 группы выполняются с повышен- ной степенью огнестойкости (I или II), из несгораемых или трудносгора- емых материалов, с размерами дверей и проемов в чистоте 2 X 1,2 м. По- мещения для хранения магнитных лент или дисков должны иметь наи- высшую степень огнестойкости и до- полнительные меры защиты. В си- стеме огнетушения в помещениях для ЭВМ и устройств обработки данных используют галоновые газы, которые эффективно нарушают про- цесс горения и при малых концен- трациях не требуют вывода людей из помещения, не влияют на работу РЭА и носители информации в виде перфолент, перфокарт, магнитных лент и дисков. Системы огнетушения требуют специальных помещений, что учитывается при выборе планировоч- ных решений. 3.3. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОЗИМОЙ РЭА [6, 7, 8, 10...12, 18] Общие положения Возимая РЭА (3 и 5 группы по ГОСТ 16019—78) размещается на объектах-носителях в виде легковых и грузовых автомобилей, автобусов, седельных автомобилей-тягачей с полуприцепами, автомобилей повы- шенной проходимости, автомобилей- фургонов, тракторов, вездеходов, транспортеров, железнодорожных ло- комотивов и вагонов. Значения де- стабилизирующих факторов для РЭА 3 и 5групп приведены в табл.3.2. Особенности транспортных средств, влияющие на размещение на них РЭА, даются отдельно для каждой группы.
60 3. Объекты-носители для размещения РЭА Таблица 3.2 Параметры РЭА и определяющие их дестабилизирующие факторы для возимой РЭА и 3 и 5 групп (ГОСТ 16019—78) Параметры 3 и 5 группы 1. Прочность при сину- соидальных вибрациях: v, Гц 20 а, м/с2 19,6 ^ВЫД> Ч >0,5 2. Обнаружение резонан- сов в конструкции; Av, Гц 10...30 В, ММ 0,5...0,8 1выд, МИН >4 3. Устойчивость к сину- соидальным вибраци- ям: Av, Гц 10...70 а, м/с2 6,8...37 ^ВЫД) мин >12 4. Устойчивость к меха- ническим ударам: /и, МС 5...10 V, мин-1 40...80 йгпах, м/с2 147 A'j, ударов >60 5. Устойчивость к цикли- ческим изменениям температуры: де, к 223...333 ^ВЫД! Ч 2...6 6. Воздействие повышен- ной влажности: Вл, % 93 Oi(0n), к 298(313) ^ВЫД, Ч 72 7. Воздействие понижен- ной температуры: 0прд (0прд)’ К- 233(223) брб(0рб) к 249(233) ^ВЫД, Ч 2...6 8. Воздействие инея и росы: 0, к 263 ^ВЫД, Ч 2...6 9. Воздействие повышен- ной температуры; 0прд> К 333 Продолжение табл. 3.2 Параметры 3 и 5 группы 0рб, к ^выд5 Ч 323 2...6 10. Воздействие пони- женного атмосферного давления: е, к 263 р, кПа tвыд, Ч 11. Прочность при транс- 61 2...6 портировании: /и» МС 5...10 V, мин-1 40...80 Отах, м/с2 49...245 A'j, ударов 12. Прочность при воз- >13 000 действии синусоидаль- ной вибрации: Av, Гц 10...70 ^ВЫД» Ч 1,5...0,75 а, м/с2 13. Прочность при воз- 9,8...39,2 действии многократных ударов: /и, мс 5...10 V, мин-1 40...80 Отах, м/с2 147* Л'2, ударов 14. Воздействие дождя с > 12 000 интенсивностью А: А, мм/мин 3 ^выд, МИН ]5. Воздействие воздуш- >20 но-пылевого потока: vf м/с ^ВЫДг МИН >10 >60 16. Воздействие соляно- го (морского) тумана с дисперсностью (95% капель) А и водно- стью Б: 0, К 300 А, мкм 1... 10 Б, г/м3 2...3 ^ВЫД> Ч >48 Примечания: I. Индексы I и II отно- сятся к первой и второй степеням жестко- сти эксплуатации. 2. Прочность при воз- действии многократных ударов для РЭА 5 группы Птах =245 м/с2*.
3.3. Размещение возимой РЭА 61 рис. 3.3. Основные размеры автомобилей и кузовов Автомобили Для легковых автомобилей и ав- томобилей повышенной проходимо- сти частота колебаний подвески око- ло 1 Гц при амплитудах до 150 мм. Резонансная частота подрессори- вания Vn = 8 ... 12 Гц при ам- плитуде g = 0,5 мм, а вибрации В и удары У возникают за счет толч- ков от неровностей дороги (асфаль- тобетон с неровностями 0,7 ... 1,2 см для дорог I категории и 1,5 ... 1,9 см для II категории). У двигателя В лежат в диапазоне частот 20 Гц и выше при Е; = 0,05 мм. Во всех этих случаях перегрузки от линейных ускорений УЛ обычно не более 0,98 ... 3,12 м/с2. Поэтому собствен- ные частоты систем амортизации СА берут в районе v0 = 25 Гц, что поз- воляет избежать сложных резонанс- ных явлений с устройствами под- вески и подрессоривания. Для грузовых автомобилей диа- пазон частот В сдвигается в область более высоких частот (соответствую- щие значениям v = 4, 20, 80 Гц и выше при £ = 120, 0,15, 0,01 мм) с максимальными перегрузками 1,96 ... 78,5 м/с2, что требует выбора v0 С А в области выше 20 Гц и вда- ли от v0 элементов конструкции ав- томобиля. В зависимости от габаритов РЭА и назначения она может быть рас- положена на легковом автомобиле (радиовещательный приемник, маг- нитофон, проигрыватель, телевизор, радиотелефон), автобусе (передвиж- ные усилительные, телевизионные и звукозаписывающие установки), автомобилях и прицепах различного назначения (передвижные лаборато- рии, радиолокационные станции, свя- зное оборудование). Площади и объе- мы кузовов и полуприцепы для раз- мещения возимой РЭА даны на рис. 3.3 и 3.4. Гусеничный транспорт Гусеничный движитель характе- ризуется тем, что в нем использует- ся бесконечная лента (гусеницы) УАЗ-469 ГАЗ-66 Урал-375Л
62 3. Объекты-носители для размещения РЭА с шагом звена (длиной трака) 120 ... ... 240 мм. Это позволяет двигаться в условиях бездорожья гусеничным тракторам, вездеходам, бронетранс- портерам и т. п. РЭА 3 группы по ГОСТ 16019—78 располагается снаружи, в неотапли- ваемых или отапливаемых кабинах (в последних по ГОСТ 14892—69 теплоизоляция кабины должна обес- печивать с системой подогрева тем- пературу не менее 10°С (283 К))- Воздействие В и У характеризуется резонансными и нестационарными явлениями в устройствах подвески (v0CH =1 ... 3 Гц при £ ~ 50 мм) и в конструкции объекта (vOOH ~ — 100 Гц при £ ~ 0,025 мм), спектр которых может простираться до со- тен и тысяч герц. Резонансные коле- бания подрессоривания зависят от скорости движения и шага звена: 0,045; 0,225 и 1,35 Гц при шаге 120 мм и ц = 2,10 и 60 км/ч; 0,09; 0,45 и 2,7 Гц при шаге 240 мм и о = 2, 10 и 60 км/ч. Дополнительно на них будут на- кладываться вибрации двигателя (3 ... 30 Гц), а также толчки и удары на неровностях дороги. В зависи- мости от компоновочной схемы ка- бины или кузова возможно разме- щение РЭА одной или двух высот на индивидуальных амортизаторах (обычно серии АКСС или рамочных) с дополнительными точками крепле- ния (для ограничения раскачивания) на задней стенке (рис. 3.5). Наиболее характерные значения перегрузки 1,96 ... 19,6 м/с2. Для СА рекомендуется выбирать v0 > > 20 Гц в нерезонансной области конструкции объекта-носителя. Железнодорожные локомотивы и вагоны Железнодорожный транспорт ха- рактеризуется наличием специаль- ного высококачественного пути с не- значительными (по сравнению с ав- тодорогами) уклонами, радиусами по- воротов и неровностями. Верхнее строение пути состоит из рельсов и скреплений (в том числе противоугонов), рельсовых опор (шпал), щебеночного балласта и пес- чаной подушки. Различают особо тя- желый путь для интенсивной на- грузки и больших скоростей (140 ... Рис. 3.4. Основные размеры полуприцепа ОдАЗ-935 и допустимые нагрузки Рис. 3.5. Размеры кузовов для шасси на гусеничном ходу. Длннз кузовов обычно 3,74 .. . 4,67 м Рис. 3.6. Основные размеры четырехосных железнодорожных платформ, полувагонов, вагонов н дверных проемов в них (а), до- пустимые габариты подвижного состава же- лезных дорог (б) и габариты приближения строений (в) ... 160 км/ч) и тяжелый для нормаль- ной. Особо крупные части РЭА в виде крупногабаритных антенн, комплек- сов РЭА, установленных на назем- ном транспорте (автомобильный и гу- сеничный транспорт), при перевозке по железным дорогам должны ук- ладываться в габариты подвижного состава дорог. Предельные очерта- ния погрузки грузов на открытый подвижной состав (при колее 1520 мм и скорости до 160 км/ч) должны соот- ветствовать ГОСТ 9238—73 (рис. 3.6) Основной расчетной базой при определении габаритов подвижного состава и погрузок груза является уровень головки рельсов, от кото- рого ведутся все построения. Рельсы выпускаются четырех типоразмеров: Р75 (ГОСТ 16210—70: высота рель- са от основания подошвы до верха головки 192 мм), Р65(ГОСТ 8161—56, h = 180 мм), Р50 и Р43 (ГОСТ 7173— 54, h = 152, 140 мм). Рельсы Р75 используются для особо тяжелого, а Р65 — для тяжелого пути. При оценке транспортабельности и удоб- ства погрузно-разгрузочных работ необходимо учитывать высоту шпал и подушки. Для перевозки грузов используют, как правило, четырехосные вагоны (закрытые с дверным проемом в све- ту 2000 X 2300 мм), полувагоны и платформы, основные размеры кото- рых показаны на рис. 3.6, а. Кро- ме предельных очертаний груза, рас- положенного на подвижном составе (рис. 3.6, б), для перевозки негаба- ритных грузов 0, 1, 2, 3 и 4 степе- ней негабаритности необходимо знать габариты приближения строений (рис. 3.6, в). Погрузка и перевозка негабаритных грузов выполняется только по согласованию с МПС СССР.
3.3. Размещение возимой РЭА 63
64 3. Объекты-носители для размещения РЭА Перевозка крупногабаритных гру- зов может выполняться на открытых товарных платформах и полувагонах при воздействии всех метеорологиче- ских факторов местности перевозки и с дополнительным ветровым на- пором с d — 33 м/с, в закрытых не- отапливаемых вагонах и в пассажир- ских отапливаемых с нормальными для закрытых помещений условиями. Дополнительными дестабилизиру- ющими воздействиями при перевозке являются — В, У и УЛ. Их спектр широкий и неустойчивый, характе- ризуется резонансными и переход- ными явлениями в устройствах под- вески и конструкции объекта-носите- ля за счет ударов на стыках рельс. Старые железнодорожные пути име- ют рельсы с длиной плети 12,5 м, а новые — 25, 37,5 и 50 м. В соот- ветствии с этим при различной ско- рости движения (о — 4, 20 и 120 км/ч) частоты вибраций в герцах будут сле- дующие: для 12,5 м — 0,086; 0,43; 2,6; для 25 м — 0,043; 0,22; 1,3; для 27,5 м — 0,029; 0,14; 0,86; для 50 м —0,021; 0,11; 0,65. Дополнительно на них будут на- кладываться вибрации от стука ко- лесных пар в тележке (база 1850 мм), •V = 0,58; 2,9; 17,5 Гц и между те- лежками (база вагона до 10 000 мм), колебания за счет боковых наклонов рельсов колеи и неравномерности тяги. Наиболее характерный диапазон частот вибраций Av = 2 ... 100 Гц с максимальной амплитудой £ = 40 ... 2 мм (перегрузки 1,96 ... ... 19,6 м/с2 и более). Величина УЛ связана с У, возникающими при сцепке, трогании или торможении. Для товарных поездов У могут быть с /и = 3 ... 5 мс и изменением о = = 2 ... 5 м/с, что вызывает появле- ние перегрузок (при ускорении или замедлении движения) до 196 ... ... 392 м/с2. Чаще всего используют (при не- обходимости) амортизаторы, обеспе- чивающие v0 ~ 20 Гц. 3.4. РАЗМЕЩЕНИЕ РЭА НА СУДАХ [6, 7, 11, 15, 17] Общие положения Все морские самоходные суда (включая суда смешанного плавания «река—море») делят на три группы по водоизмещению: 1 — пассажирские и грузовые валовой вместимостью > > 1600 per. т, II — грузовые 1600 ... ... 300 per. т, III — грузовые < 300 per. т. Суда этих групп имеют район плавания от мест убежища на рас- стояние > 20 миль (~ 37 км). Су- да III группы могутбыть с ограничен- ным районом плавания от мест убе- жища (< 20 миль). Этими подразде- лениями определяется состав РЭА, устанавливаемой на суда и общие требования к помещениям для РЭА. На судах I и II групп для разме- щения РЭА предусматриваются: ра- диорубка, агрегатная или аккуму- ляторная. Площадь радиорубки долж- на быть не менее, чем в два раза больше площади, устанавливаемой в ней РЭА и оборудования, a h > 2 м. Переборки должны быть металличе- ские или металлизированные и надеж- но электрически соединенные между собой и корпусом судна с непрерыв- ностью экранировки. Уровень аку- стических шумов <65 дБ. Двери ра- диорубки (Ь > 600 мм) должны обес- печивать выход на открытую палу- бу кратчайшим путем. Расположение и крепление РЭА должно обеспечивать легкий и бы- стрый доступ для обслуживания и ремонта и отсутствие перемещений при крене и дифференте судна, У и В. Общие требования к РЭА 4 груп- пы по ГОСТ 16019—78 приведены в табл. 3.3. Дополнительные требова- ния к РЭА, устанавливаемой на су- дах, даны в ГОСТ 17672—72. По В суда можно разделить на две категории: большие и относи- тельно тихоходные (пассажирские ди- зельэлектроходы, теплоходы, паро- ходы, военные крупнотоннажные ко- рабли) и малые с повышенной ско- ростью (катера, суда на подводных крыльях). На крупных судах (рис. 3.7, а) вибрации в области I определяются ударами о волны, в области III — В двигателя (v = 0,5 ... 25 Гц с а ~ 7,8 ... 58,9 м/с2) и В винта или другого движителя (v = 4 ... 100 Гц с а ~ 7,8 .. 78,5 м/с2). На малых судах (рис. 3.7, б) имеют место бо- лее высокочастотные В (v = 5 ... ... 150 Гц с а > 196 м/с2). Возможны УЛ до 58,9 м/с2. СА рассчитывают на v0 = 25 ... 30 Гц, на которой возможно увеличение амплитуды виб-
3.4. Размещение РЭА на судах Таблица 3.3 Параметры РЭА и определяющие их дестабилизирующие факторы для РЭА, возимой во внутренних по- мещениях речных судов (4 группа по ГОСТ 16019—78) Параметры 4 группа 1. Прочность при сину- соидальных вибрациях: 20 v, Гц а, м/с2 /выд, Ч 2. Обнаружение резонан- сов в конструкции: 19,6 >0,5 Av, Гц 10.. .30 мм 0,5...0,8 t выд , МИН 3. Устойчивость к сину- соидальным вибраци- ям: >4 Av, Гц 10...30 а, м/с2 2,4...10,7 /выд, МИН 4. Устойчивость к меха- ническим ударам: >4 t-Я, мс 5...10 V, мин-1 40.. .80 Отах, М/С2 147 W2, ударов 5. Устойчивость к цикли- ческим изменениям температуры: >60 де. к 223...333 tвыд, Ч 6. Воздействие повышен- ной влажности: 2...6 Вл, % 93 01(011), К 298(313) tвыд, Ч 7. Воздействие понижен- ной температуры: 72 епрд(0прд) К 233(223) ерб = 0рб. К 263 /выд, Ч 8. Воздействие инея и росы: 2...6 0, к 263 /выд, Ч 9. Воздействие повышен- ной температуры: 2...6 0црд. К 333 0рв, к 323 /выд> Ч 2...6 65 Продолжение табл. 3.3 Параметры 4 группа 10. Воздействие пони- женного атмосферного давления: 0, К 263 р, кПа tвыд, Ч 11. Прочность при транс- портировании: /и, мс 61 2...6 5...10 V, мин-1 40...80 flmaxj м/с2 49...245 iVj, ударов >13000 12. Прочность при воз- действии синусоидаль- ной вибрации: Av, Гц 10...30 tвыд > Ч а, м/с2 13. Прочность при воз- действии многократных ударов: 1и, мс 2 9,8...39.2 5...10 V, мин-1 40...80 Отах» м/С2 147 Л12, ударов >12 000 14. Воздействие дождя с интенсивностью А; А, мм/мин 3 t выд, МИН 15. Воздействие соляно- го (морского) тумана с дисперсностью (95% капель) А и водно- стью Б: 0, К >20 300 А, мкм 1...10 Б, г/м3 2...3 /выд > ч >48 Примечание, Индексы 1 и II отно- сятся к первой и второй степеням жестко- сти эксплуатации. раций при резонансе втрое. Устой- чивость к качке определяется в те- чение t >5 мин, периоде качки 7...9 с при предельных углах наклона 45°. Размещение РЭА и антенн Конструкции судовой РЭА имеют много общего с наземной стаци- онарной РЭА, отличаясь от нее уст-
3. Объекты-носители для размещения РЭА Рис. 3.7. Характерные зоны вибраций на больших (а) н малых (б) морских судах. Расположение РЭА целесообразно в зоне II, а антенн — в зоне IV, нецелесообразно рас- полагать РЭА в зонах I и III, где вибрации значительные ройствами водо- и брызгозащищенно- сти, высоким уровнем типизации (уп- рощение ремонта и снабжения ЗИП), блочно-разборными конструкциями РЭА значительных размеров (огра- ниченность размеров люков и пере- ходов на судне), защищенностью от сильных высокочастотных и низко- частотных (гидроакустические стан- ции) полей, вибростойкостыо и уда- ростойкостью (особенно для воен- Рнс. 3.8. Характерные виды малогабарит- ной морской РЭА: / — функциональные узлы; 2— шасси; 3— блоки питания; 4 — рама с амортизатора- ми; 5 — блок настройки; б — антенна; 7 — трос; 8— пульт управления; 9 — привод ручного генератора питания; 10 ~ сигналь- ный фонарь; и — мнкротелефонная гарни- тура; 12 — аппаратура радиобуя с источ- никами питания; 13 — гермокорпус б ных кораблей с артиллерийским, торпедным или ракетным вооруже- нием), высокой степенью ремонто- пригодности в условиях эксплуата- ции, разнообразием конструкций. Рис. 3.9. Расположение антенн (отмечены звездочкой) на различных судах
3.5. Размещение носимой и портативной Вся РЭА выполняется, как пра- вило, брызгозащищенной. РЭА, ус- танавливаемая на открытой палубе — водозащищенная, а аварийная — герметичная. Малогабаритная судо- вая РЭА несколько напоминает са- молетную, но отличается наличием уплотненного кожуха большей проч- ности (рис. 3.8, а). Различные ва- рианты аварийных судовых раций характеризуются наличием вспомо- гательных приспособлений (сигналь- ный фонарь, трос с лебедкой), по- ложительной плавучестью и герме- тичностью (рис. 3.8, б). На каждом судне устанавливается главная антенна, подключаемая с помощью антенного переключателя к любым видам радиоприемных и радиопередающих средств. Кроме это- го, устанавливаются дополнительные антенные системы для радиосвязи, навигации, радиолокации и радио- вещания. Общее количество антенных систем может доходить до несколь- ких десятков, что создает значи- тельные трудности при их компонов- ке. Антенны должны работать при ветровой нагрузке со скоростью по- тока воздуха до 60 м/с. Возможные места расположения антенн на ма- лом военном фрегате, противопо- жарном и научно-исследовательском судне показаны на рис. 3.9 а, б, в. 3.5. РАЗМЕЩЕНИЕ НОСИМОЙ И ПОРТАТИВНОЙ РЭА [6, 7, 11, 16] Общие положения Человек используется в качестве транспортного средства или объек- РЭА 67 та для установки РЭА в различных случаях: переноска РЭА с места на место в условиях лабораторий и це- хов, переноска и работа РЭА на открытом воздухе или во временных сооружениях, использование РЭА, размещенной на человеке для раз- влечений (переносные радиоприемни- ки, магнитофоны, телевизоры), уп- равления или контроля производст- венного процесса (диспетчерские уст- ройства), для связи в военных целях. Значения дестабилизирующих фак- торов для носимой и портативной радиоэлектронной аппаратуры 6 и 7 групп по ГОСТ 16019—78 приведены в табл. 3.4. Человек как транспортное средст- во работоспособен в довольно узком диапазоне рабочих температур, рель- ефа и высоты поверхности данной местности над уровнем моря. Перено- симая им РЭА при ходьбе или беге подвергается ударным воздействиям (смягчаемым рукой или мягкими тка- нями организма) с периодом 0,5... ...0,8 с при ходьбе и 0,1...0,3 с при беге с шагом 0,03...0,3 м. На его работоспособность влияют ре- жимы физической нагрузки, кото- рая может быть легкой, средней и тяжелой (верхнее ее значение рас- ценивают как очень тяжелую на- грузку). Длительность рабочей сме- ны для легкой и средней нагрузки 8 ч, для тяжелой и очень тяжелой 6 или 4 ч. Сводные данные для мужчин (м) и женщин (ж) по макси- мальному весу груза G, мощности ра- боты Ppg, характеру рабочего места, числу наклонов до 30° и энергоза- тратам за 8-часовую смену следую- щие. Работа G, Н Ррб, Вт Характер рабочего места Число наклонов Энергозатра- ты, 10е-Дж Легкая (м) до 29 6...12 Стацио- 1,7...3,6 (ж) Средняя до 16 3,5...6,6 нарное — 1,1...1,9 (м) 49...147 10...44 То же 50... 100 2,9...12,7 (ж) Тяжелая 26...80 5,5...24 — 1.6...6,9 (м) 147...390 22.„90 2> 100...200 6,3..25.9 (ж) 80...216 12...49 100...300 3,5..14,1
68 3. Объекты-носители для размещения РЭА Таблица 3.4 Параметры РЭА и определяющие их дестабилизирующие факторы для носимой и портативной РЭА 6 и 7 групп (ГОСТ 16019—78) Параметры 6 группа 7 группа 1. Прочность при синусоидальных вибрациях; v, Гц 20 20 а, м/с2 19.6 19,6 ^выд» ч >0,5 >0,5 2. Обнаружение резонансов в конструкции: Av, Гц 10...30 10...30 мм 0,5...0,8 0,5...0,8 t ВЫД, мин >4 >4 3. Устойчивость к синусоидальным вибрациям: Av, Гц 10...70 10...30 а, м/с2 7.8...37 2.4...10.7 ^ВЫД> мин >12 >4 4. Устойчивость к механическим ударам: tn, мс 5... 10 — V, мин-1 40...80 — атах, м/с2 98 — ударов >60 1— 5. Устойчивость к циклическим изменениям гем- пературы: А0. К 223...333 223...333 £выд» Ч 2...6 2...6 6. Воздействие повышенной влажности: Вл, % 93 80 01(011), К 298(313) 298 ^ВЫД» Ч 72 48 7. Воздействие пониженной температуры: 9прд(0прд)> К 233(223) 233(223) брб (0рб), к 263(248) 278(263) tвыд.ч 2...6 2...6 8. Воздействие инея и росы: 0, К 263 ^ВЫД» ч 2...6 — 9. Воздействие повышенной температуры: Опрд» К 333 328 0рб, к 232 313 £выд» Ч 2...6 2.. 6 10. Воздействие пониженного атмосферного дав- ления: 0, к 263 263 р, кПа 61 61 t ВЫД» Ч 2...6 2.6 11. Прочность при транспортировании: fab МС 5.. 10 5...10 V, мин-1 40...80 40...80 Оглах, м/с2 49...245 49...245 ЛГ2, ударов >13 000 >13 000 12. Прочность при воздействии синусоидальных вибраций: Av, Гц 10...70 10...30
3.5. Размещение носимой и портативной РЭА 69 Продолжение табл. 3.4 Параметры 6 группа 7 группа ^выд, Ч 1,5...7,5 2 а, м/с2 9,8...39,2 9,8...39,2 13. Прочность при воздействии многократных уда- ров: /и, мс 5...10 5...10 V, МИН'1 40...80 40...80 Птах, м/с2 98 98 ударов >6000 >6000 14. Прочность при падении с высоты h [мм]: т^5 кг 750 500 т>5 кг 500 — ударов 11 11 15. Герметичность при погружении в воду на глу- бину h: h, м >0,5 /выд, мин 16. Воздействие дождя с интенсивностью А: А, мм/мин >60 , 3 3 /выд, мин 17. Воздействие воздушно-пылевого потока: и, м/с >20 >20 >10 . /выд, мин >60 —. 18. Воздействие соляного (морского) тумана с дисперсионностью (95% капель) А и водно- стью Б: 0. К 300 300 А, мкм 1...10 1...I0 Б, г/м3 2...3 2...3 ^ВЫД» Ч >48 >48 Примечание. Индексы I и II относятся к первой и второй степеням жесткости эксплуатации. При нестационарном рабочем ме- сте протяженность ходьбы за смену для средней нагрузки 2 ... 4 км, а для тяжелой — 7 км и более. Темп ходьбы с нагрузкой в 156 ... 196 Н (м) и 78 ... 118 Н (ж) по практически ровной поверхности 100 ... 120 ша- гов в минуту при длине шага 0,6 ... ... 0,7 м, что соответствует скорости передвижения ~ 4 ... 5 км/ч. При подъеме с уклоном 5° темп падает на 20% (скорость 3 ... 4 км/ч), с укло- ном 25 ... 30° — вдвое. Зоны комфорта для человека в легкой одежде характеризуются 0 среды 18 ... 24°С(291 ... 297 К), уров- нем шума 70 ... 85 дБ. Вл 90 ... ... 20% и высотой над уровнем моря до 3 000 м. Превышение этих зна- чений воспринимается как психологи- ческая граница и существенно влия- ет на работоспособность человека. Если температура среды меньше или больше — 17°С (256 К) и 43,5°С (316,5 К), уровень шума > 120 дБ, Вл меньше единицы или долей %, а высота над уровнем моря > 6000 м то это воспринимается как физио- логическая граница условий жизне- деятельности, в которых возможно существование человека в течение нескольких единиц или десятков ми- нут. Для защиты от нежелательных воздействий человек пользуется раз- личной защитной одеждой, перчат- ками, обувью, заглушками в ушах,
3. Объекты-носители для размещения РЭА 70 защитными очками, шлемами, ком- бинезонами и кислородными при- борами, масса которых входит в до- пустимую для человека нагрузку и является причиной уменьшения до- пускаемой полезной нагрузки на человека. Характерные компоновочные схемы размещения РЭА Носимая и портативная РЭА мо- жет переноситься человеком на раз- ной высоте (рис. 3.10). Для мужчи- Рис. ЗЛО. Схема расположения носимой и портативной РЭА ны среднего роста 168 см высота рас- положения РЭА от уровня поверх- ности примерно следующая: на пле- че / (основание) — 140 см, на спине 2 — 97 см (низ) и 155 см (верх, что- бы не загораживать обзор), в кар- мане или на груди 3 (для малогаба- ритной РЭА) — 96 ... 135 см, на гру- ди с шейным ремнем 4 (верх) — 126 см, на поясе 5 (верх) — 97 см, в вытянутой руке вниз 6 (верх) 68 см и не менее 20 см (низ). Для жен- щины ростом 157 см соответствую- щие размеры равны: 1 — 132 см, 2 — 88 см и 137 см, 3 — 88 см и 108 см, 5 — 98 см, 6 — 64 см и не менее 20 см. Высота переноски РЭА зависит от ее массы, которой определяются и принятые компоновочные схемы (рис. 3.11). Измерительные приборы 1 и 2 (допустимая масса от < 15 ... ... 20 кг) переносятся одной рукой. Работа на ходу невозможна. Пелен- гаторная станция 3 в упаковке (ящик-подставка) может иметь мас- су до 50... 60 кг и переносится дву- мя человеками. Переносная рация 4 (т < 15 ... 20 кг) переносится на спине и при наличии второго чело- века-оператора допускает работу на ходу. Переносный измерительный прибор 5 носится на плечевом рем- не на правом боку или животе че- ловека, что позволяет работу этим прибором на ходу. Переносная телекамера с передат- чиком 6 выполнена из трех упако- вок. Основной блок (от < 15...20 кг) носится на спине, собственно камера с видиконом и трубкой-монитором — в руках (от < 3...5 кг), выносной пульт управления (от = 0,4...0,6 кг) — на поясе. При общей массе те- лекамеры с передатчиком 5...8 кг возможно выполнение ее в одной упаковке на плече на специальном упоре. Переносная рация 7 массой до 3...5 кг носится на шейном ремне и позволяет работать на ходу. Пор- тативные рации 8 и 9 выполнены на ИС, имеют массу 0,3...0,6 кг и могут носиться либо на частях одеж- ды, либо в специальных карманах и обеспечивают работу на ходу. Более мощная УКВ рация 10 массой до 10... 12 кг может работать на ходу (в одной руке собственно рация, в другой — микрофон-громко-
3.5. Размещение носимой и портативной РЭА Рис. З.П. Характерные компоновочные схемы носимой и портативной РЭА
72 3. Объекты-носители для размещения РЭА говоритель с выключателем и пере- ключателем рода работы). Компоно- вочная схема портативной рации // в виде микротелефонной трубки (т ~ ~ 1 кг) обеспечивает удобную ра- боту, потребует специального карма- на или упаковки для переноски. Использование дифференциально- го микрофона и ИС дает возмож- ность выполнить портативную ра- цию 12 массой 0,2 ... 0,4 кг в виде упаковки на шлеме и освободить ру- ки. Рация 13 выполнена с кнопоч- ным нвбором и имеет вид стилизо- ванной микротелефонной трубки мас- сой 0,6 ... 0,8 кг. Комплект измери- тельных приборов 14 с вспомога- тельным оборудованием выполнен в виде небольшого чемоданчика общей массой 1 ... 2 кг. Лазерный приемопередатчик 15 (т ~ 1 кг) позволяет через моно- кулярный объектив наблюдать за абонентом, с которым ведется ду- плексная связь. Две упаковки зе- нитного управляемого снаряде «Бла- упайп» 16 имеют общую массу ~ 25 кг и переносятся одним человеком. Пор- тативная ЭКВМ 17 умещается в кармане и имеет массу 0,2 ... 0,4 кг. 8.6. РАЗМЕЩЕНИЕ РЭА НА САМОЛЕТАХ, ВЕРТОЛЕТАХ, РАКЕТАХ И КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЯХ [2...7, 9, 11] Общие положения К воздушному и ракетно-косми- ческому транспорту относятся воз- душные шары, дирижабли, верто- леты, дозвуковые и сверхзвуковые самолеты, различные ракеты и кос- мические объекты в виде ИСЗ, кос- мических кораблей (КК) и космиче- ских лабораторий. Малые скорости передвижения воздушных шаров и дирижаблей позволяют рассматри- вать воздействие на их РЭА, в основ- ном, только метеорологических фак- торов. Для всех остальных носителей влияние дестабилизирующих факто- ров объекта и окружающей его среды является определяющим. Разнообразие условий и параметров носителей — причина того, что про- ведение испытаний РЭА для них ведется, как правило, по частным ТУ, что затрудняет обобщение соот- ветствующих значений. В табл. 3.5 приведены обобщенные данные по дестабилизирующим факторам для штатной и аварийной РЭА самоле- тов и вертолетов, РЭА для ракет и космических объектов. Для авиационного, ракетного и космического оборудования опреде- ляющим параметром является отно- сительная масса оборудования (при- мерно 50 .. 70% — это масса РЭА), которая лежит в пределах от 0,14 до 0,08 у пассажирских самолетов, истребителей и истребителей-бомбар- дировщиков с турбореактивными двигателями и падает до 0,02 .. ... 0,001 для космических ракет. Это определяет жесткие весовые требо- вания к подобной РЭА. В процессе эксплуатации бортовая штатная и аварийная РЭА подвер- гаются воздействию вибраций, уда- ров, линейных ускорений, понижен- ному давлению и разгерметизации, воздействию тепла и холода, влаги, морского (соляного) тумана, росы и обледенения, песка и пыли, солнеч- ной радиации и плесневых грибков. Характер этих воздействий опреде- ляется зонами расположения РЭА. Для самолетной РЭА различают цен- тральную зону Цн (область, удален- ная от двигателей и винтов А, вбли- зи двигателей или винтов 5, амор- тизированная РЭА В), концевую Кн (хвостовое оперение Г, концы крыль- ев, подвесные контейнеры и вынос- ные штанги Д) и двигательную Дв (установка РЭА непосредственно на двигателе Е либо в зоне установки двигателя Ж). При этом за направле- ние полета принимается коорди- ната х. В соответствии с этими зо- нами на рис. 3.12 показаны значе- ния перегрузок иа различных ча- стотах и для различных типов само- летов. РЭА, расположенная в термокон- тейнерах или кабинах, работает при р ~ 79,8 кПа на высоте полета 10 ... ... 12 тыс. м. При расположении антенн и блоков РЭА на обшивке следует учитывать аэродинамический нагрев до 423 ... 573 К (в зависимо- сти от скорости). Полет выше обла- ков — причина значительной сол- нечной радиации с интегральной ин-
3.6. Размещение РЭА на самолетах, вертолетах, ракетах 73 Таблица 3.5 Параметры РЭА и определяющие их факторы для воздушной и ракетно-космической РЭА [2 ... 6, 9] Параметры Штатная для самоле- тов и верто- летов Аварийная Ракетная Космическая 1. Устойчивость к сину- соидальным вибраци- ям: Av, Гц См. 10...70 0...500 1.5...2500 а, м/с2 ^выд, Ч рис. 3.12 19,6...34,3 1 до 196,2 4,9...58,9 — 0,5 2. Устойчивость к меха- ническим ударам: м/с 15 10...12 а, м/с2 ударов 58,8...! 17,7 736 490...981 — 18 500 — — 3. Устойчивость к цикли- ческим изменениям температуры: АО, К — 223...333 — — 4. Воздействие повышен- ной влажности: Вл, % 93...100 98 100 — 9, К 321...330 313 — — ^вьтд, СуТ 5. Воздействие термоуда- 4...7 — ров: 9ч,- К/мин А9прд, К 2...10 — — 213...588 221...325 208...437 — 6. Воздействие понижен- ного атмосферного давления: (0...101) - 103 р, Па 7. Воздействие тумана с (2...101) • 103 (2...101) • 103 (0,13...101) X хю3 дисперсионностыо А и водностью 5: 9, К 306±5 — — — А, мкм <20 — — — 5, г/м3 2...3 — — — ?выд, СуТ 8. Прочность при пвде- — до 5 нии с высоты /г: h, мм — 750 — Nz, ударов 1 10 — Примечания: I. Воздействие повышенной влажности (п. 4) на ракетную РЭА про- веряется при конденсации водяных паров в процессе эксплуатации и в заданном по ТУ диапазоне температур. 2. Прочерки в таблице ставились, когда в Е2...6 и 91 имеются противоречивые данные либо когда данные определяются частными ТУ.
74 3. Объекты-носители для размещения РЭА Центральная—^ А (В) Ц В(6) Концевые —Я Г g Д Двигателе а — Щ Е;Ж Рис. 3.12. Значения перегрузок a (0,1g ... 20g—0,98 ... 196 м/с2) в диапазоне частот Av= =5 ... 2000 Гц для сверхзвуковых (а) и дозвуковых (б) гражданских самолетов I ,,. VI1I степени жесткости эксплуатации
3.6. Размещение РЭА на самолетах, вертолетах, ракетах тенсивностью 1125 Вт/м2 при плот- ности ультрафиолетовой части спек- стра 42 Вт/м2 (Л = 0,28 ... 0,4 мкм). Компоновочные схемы самолетной РЭА Возможные компоновочные схемы штатной РЭА для самолетов пока- заны на рис. 3.13. Они могут быть выполнены по централизованной или частично централизованной (чаще всего) и децентрализованной схеме. Основные компоненты: 1 — пульт управления, 2 — радиоотсек с ос- новными блоками РЭА, 3 — хвос- товой радиоотсек, 4 — РЛС и ее основные блоки, 5 — крупногаба- ритная РЛС, б— антенна в обтекателе, 7 —рабочий отсек для операторов, S— навигационно-пилотажное оборудо- вание, 9 — устройство отображения, 10— блоки РЛС, 11 — антенна РЛС за носовым обтекателем, 12 — ди- электрический кок, 13 — амортиза- ционная рама с блоками, 14 — люк в радиоотсек, 15 — радиокомпас, 16 — блоки РЭА, /7—антенна даль- номера. Типовая конструкция амортиза- ционной рамы и схема установки блоков самолетной РЭА (ГОСТ 17045—71 и 17413—72) показаны на рис. 3.14. Для увеличения полез- ного объема блока к корпусу до- бавляют пространство над внешними разъемами сзади, часть компонентов выносят на переднюю панель под крышку. Блоки быстросъемные, с врубными переходными разъемами, со стороны передней панели крепят- ся накидными болтами. Амортиза- ционная рама укрепляется на амор- тизаторах. Обозначение типоразме- ров блоков, их номинальные объе- мы и размеры сторон показаны на рис. 3.15. Особенности компоновки антенн Большое количество навигацион- ной, связной и контрольной РЭА на самолетах и вертолетах, их вы- сокие скорости и особенности экс- плуатации предъявляют жесткие тре- бования к конструкции и компонов- ке антенн, общее число которых до- ходит до двух-трех десятков (рис. 3.16, а): две для радиомаяков 1, две для станции дальней связи 2, Рис. 3.13. Некоторые компоновочные схемы самолетной РЭА
76 3. Объекты-носители для размещения РЭА 25 mtn Рис. 3.14. Типовая амортизационная рама для блоков самолетной РЭА
3.6. Размещение РЭА на самолетах, вертолетах, ракетах 77 Рис. 3.15. Типоразмеры блоков самолетной РЭА по ГОСТ 17045—71 с округленными зна- чениями объемов в дм3 к их шифрами для номографической компоновки. Рекомендуемые типоразмеры даны в кружках (L, Н и В в мм) три для станции командной связи 3, две для связи с ИСЗ 4, одна основной станции УКВ 5, метеолокатора 6, две курсового маяка 7, две глис- садного 8, две ответчика 9, две даль- номера 10, две высотомера 11, две радиокомпаса 12, системы опозна- вания 13, аварийной УКВ станции/4, ответчика заданной высоты 15. Антенны командной связи иногда выполняют в виде медной сетки, наклеенной на диэлектрическую вставку, форма которой зависит от скорости, измеряемой в числах М (М = 1200 км/ч) (рис. 3.16, б). Ско- рость полета влияет на форму вы- реза в носовой части, форму обте- кателя носовой РЛС и на углы про- хождения сигнала через обтекатель при горизонтальном и вертикальном положениях антенны (рис. 3.16, в). При этом важно найти (обычно гра- фически) оптимальные соотношения между размерами вырезов в самоле- те и обтекателе (рис., 3.16, г), чтобы обеспечить зоны прохода лучей во всех положениях (крайних) антенны (1 — верхнее, 2 — нижнее, 3 — при развороте к правому, а 4 — к ле- вому борту, 5 — дополнительные уг- лы в 2 ... 3° при косекансной фор- ме диаграммы направленности).
1 Сетка Мда 0,7 Рис. ЗЛ6. Компоновочные схемы антенн и аварийном самолетной РЭА. Места расположения комплекса антенн на пассажирском самолете (а), антенны команд* пой связи (6), компоновка антенн РЛС прн М—0,5 . . . 2,2 (в); схема определения раз- меров выреза в самолете н обтекателя (г), УКВ (д), пазовая дифракционная (е) н шты-
Антистатик ревая (йс) антенны, волноводная (и), дисковые (к) и рупорная с приводом (л) антенны, 12-канальный аварийный самописец (41), индивидуальная аварийная рация (к), аварий- ная рация АВРА в упаковке (о)
3. Объекты-носители для размещения РЭА 80 Штыревые УКВ антенны верх- него питания на киле (рис. 3.16, д) состоят из конусного металлического штыря 1, изолятора из стеклово- локна на эпоксидной основе 2, со- гласующего устройства 3, фидера и трубы наддува и обдува согласую- щего устройства 4. При этом удает- ся получить близкие по форме к ок- ружности диаграммы направлен- ности. Пазовые дифракционные антенны станций дальней связи (рис. 3.16, е) располагают в вырезе 1 самого ки- ля или в форкиле. Они имеют вид металлической пластины-возбуди- теля 2, соединенной коаксиальным кабелем 3 с согласующим устройст- вом 4. Их диаграммы направленно- сти по форме приближаются к эллип- су. Штыревые «копьевидные» антенны устанавливают на консолях крыль- ев (рис. 3.16, ж). Они состоят из ме- таллического штыря переменного се- чения 1 и изолятора 2. Волноводные (рис. 3.16, и), дис- ковые (рис. 3.16, к) и рупорные (рис. 3.16, л) антенны для улучше- ния их работы (на их работу влияет металлическая оболочка фюзеляжа) выносят за обводы фюзеляжа в по- ток на специальном пьедестале 1 или закрывают радиопрозрачным об- текателем 2. Их основные элементы: волновод 3, рупор 4, дисковая антен- на 5, коаксиальный кабель 6, ру- порная вращающаяся антенна 7 с приводом 8. Аварийная авиационная РЭА К аварийной авиационной РЭА относятся: аппаратура записи пере- говоров экипажа и аварийно-спа- сательные рации метрового (vpag = = 212,5 и 253 МГц) и коротковол- нового (vpag = 2182, 4364 и 8364 кГц) диапазонов. Аппаратура записи переговоров членов экипажа в защитном кон- тейнере должна сохранять речевую информацию по четырем каналам в течение 30 ... 40 мин при воздей- ствии в течение 15 мин тепловых уда- ров при v < 1273 К на 50% поверх- ности контейнера и статических на- грузках до 10000 Н в направлении всех трех осей с последующим воз- действием всех дестабилизирующих факторов самолета соответствую- щего типа в течение 60 сут и при оди- ночных ударах с (и = 10 мс и а < < 1962 м/с2. Механизм аварийного самописца рис. 3.16, м (без блоков преобразования сигналов от дат- чиков) помещается в ударостойкий сферический корпус 1. Аварийные рации могут быть ин- дивидуальные (рис. 3.16, н) мало- мощные и более мощные (рис. 3.16, о), в состав которых входят: портатив- ный приемопередатчик с телескопи- ческой антенной и микротелефоном 1 и блоком питания 2, лебедка с ан- тенной 3 и воздушный змей 4. Особенности компоновки ракетно-космической РЭА [4] К космической и ракетной РЭА предъявляется ряд особых требо- ваний, связанных с высокой безот- казностью их работы, высокой ре- монтопригодностью в предстарто- вый период, большими ударными на- грузками и совместным воздействием В и УЛ при старте. Это также ра- бота в условиях термоударов на по- верхности обшивки, длительная со- хранность при многолетнем хранении и особая ограниченность объема и массы из-за минимизации стартового веса носителя. В ряде случаев для повышения надежности работы РЭА и ракеты в целом используют термостатиро- вание, хранение в специальных кон- тейнерах с нейтральным газом, от- ветственные блоки хранят в специаль- ных укупорках и т. д. Кроме пара- метров, приведенных в табл. 3.5, не- обходимо учитывать перегрузку тем- пературу и вибрации, возникающие в полете, постоянный (36 м/с) и по- рывистый (50 м/с) ветер, воздействие дождя с каплями d = 2,5 мм, сне- га со снежными хлопьями d = 1 ... ... 3 мм, града и крупной пыли (d = = 0,2 ... 0,3 мкм при ветре до v = = 18 м/с и v = 40°С (313 К)) и другие параметры, оговариваемые в частных ТУ на изделие. РЭА ИСЗ и КК чаще всего яв- ляется необслуживаемой с длитель- ным сроком автономной работы в условиях невесомости (без механиче- ских нагрузок), в среде азота с малой примесью гелия, фреона или арго- на при р = 53,2 ... 159,6 кПа и
3.6. Размещение РЭА на самолетах, вертолетах, ракетах 81 Рис, 3.17. Компоновочные схемы космиче- ской РЭА: для ИСЗ «Молння-1» (а), станции «Веие- ра-4» (б) и ее спускаемого аппарата (в), ИСЗ «Интелсат» (г) температуре 273 ... 313 К или в ва- кууме и при сильном воздействии солнечной радиации. Кроме невесомости специфическим воздействием на космическую РЭА является воздействие естественного космического излучения потоков электронов и протонов с энергией > 1 МэВ до 3 • 1013 электр./см2 и до 2 • Ю10 протон/см2 за год. При этом РЭА в термоконтейнере должна выдерживать дозу радиации ~ 104 рад/г. При выборе систем защиты от В следует учитывать v0 характерных элементов: конструкция корпуса — 1 ... 150 Гц, миниатюрные лампы — 175 ... 50С Гц, резисторы и конденса- торы с проволочными выводами — 1000 ... 2500 Гц, шасси - 30 .. 200 Гц, гироскопы — 30 ... 50 Гц, сер- вомеханизмы органов управления — 10 ... 50 Гц. Обычно значение v0 бортовой РЭА выбирают из условия 25 < v0 < 100 Гц. Характерные компоновочные схе- мы РЭА для КК показаны на рис. 3.17. ИСЗ «Молния-1» (рис. 3.17, а) имеет двойное резер- вирование РЭА и антенн. Внутри корпуса 1 на специальной раме ус- тановлена РЭА 2, система терморе- гулирования 3, радиаторы 4. Сол- нечные батареи 5 располагаются на специальных «крыльях». Антенна ре- транслятора 6 управляется приводом 7. Телекамеры имеют автономную систему наведения 8. Станция «Венера-4» (рис. 3.17,6) состоит из двух частей: собственно станции и спускаемого аппарата. Основная РЭА располагается в ор- битальном отсеке 1. Для ориентации используют датчик 2, двигатель 3 и микродвигатели 4. Для связи ис- пользуются слабонаправленные 5 и остронаправленная параболическая антенна 6, для подзарядки аккуму- ляторов — солнечные батареи 7. У спускаемого аппарата (рис. 3.17, в) имеется специальная система тер- морегулирования 8... 11, програм- мно-временное устройство 12, бор-
82 3. Объекты-носители для размещения РЭА товой передатчик 13, блок питания 14, второй передатчик 15, блок ком- мутации 16, вентилятор 17 и две ан- тенны 18 и 19. В спутнике связи «Интелсат» (рис. 3.17, г) двигатель 1 закрыт тепловым экраном 2, на котором установлены топливные баки 4, ак- кумуляторы 3, блок управления ан- тенной платформой 5, узел враще- ния антенной платформы 6, сама платформа с ЛБВ и их блоками питания 7, телеметрическое и коман- дное оборудование 8, мультиплексоры 9, антенны 10 ... 13, укрепленные на антенной мачте 14, и солнечные батареи 15. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Автомобилестроение; Автомо- били, прицепы и полуприцепы.— Сб. ГОСТов, отраслевых стан- дартов и отраслевых норм.— М.: Стандарты, 1974. 2. Александров В. Г. Справочник авиационного инженера.— М.: Транспорт, 1973. 3. Братухин И. П. Проектирование и конструирование вертолетов,— М.: Машиностроение, 1973. 4. Белов Г. В., Зонштайн С. И., Осерко А. П. Основы проекти- рования ракет.— М.: Машино- строение, 1974. 5. Бессерер К- Ч. Справочник по управляемым снарядам: Пер. с англ./Под ред. Д. М. Комаро- ва, X. Л. Мучника.— М.: Вое- низдат, 1972. 6. Варламов Р. Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры. — 2-е изд., доп. и перераб. —М.: Сов. радио, 1975. 7. Вудсон У,, Коновер Д. Спра- вочник по инженерной психоло- гии для инженеров и художни- ков-конструкторов: Пер. с англ. Под ред. В. Ф. Венда.—М.: Мир, 1968. 8. Забавников Н. А. Основы тео- рии транспортных гусеничных машин.— М.: Машиностроение, 1968. 9. Кербер Л. Л. Компоновка обо- рудования на самолетах.— М.: Машиностроение, 1972. 10. Краткий автомобильный спра- вочник/НИИАТ. — 7-е изд., перераб. и доп.— М.: Транспорт, 1975. 11. Краткий справочник конструк- тора РЭА/Под ред. Р. Г. Вар- ламова.— М.: Сов. радио, 1972. 12. Краткие технические характе- ристики советских тракторов.— Научный авто-тракторный ин-т, 1970. 13. Краткий справочник архитек- тора: Гражданские здания и со- оружения /Ю. Ы. Коваленко, В. Н. Шевченко, И. Д. Михай- ленко. — Киев: Буд1вельник, 1975. 14. Межотраслевые нормативные материалы НОТ, обязательные для применения при проектиро- вании предприятий, техноло- гических процессов и оборудо- вания.— НИИ труда ГК СМ СССР по вопросам труда и за- работной платы и ВНИИТЭ ГК по науке и технике при СМ СССР, 1975. 15. Правила по конвекционному оборудованию морских судов. — Л.: Транспорт, 1975. 16. Синельников Р. Д. Атлас ана- томии человека в 3-х т. — 4-е изд.— М.: Медицина, 1974. — Т.З. 17. Справочник по серийным тран- спортным судам. — М.: Тран- спорт, 1974. 18. Чернышев М. А. Железнодо- рожный путь.— 2-е изд., пере- раб. и доп.— М.: Транспорт, 1974.
4.1. Человек — интегральное звено управления 83 4. ЧЕЛОВЕК-ОПЕРАТОР* 4.1. ЧЕЛОВЕК—ИНТЕГРАЛЬНОЕ ЗВЕНО УПРАВЛЕНИЯ [1, 2, 4, 5] Человек-оператор (Ч-О) являет- ся интегральным и определяющим звеном любой системы управления, независимо от степени автоматиза- ции ее работы, им принимаются прин- ципиальные решения, он является юридическим лицом. Все это застав- ляет внимательно подходить к во- просам работы Ч-О с РЭА, изучать и рационально использовать его на- выки и способности, создавать для Ч-О комфортные условия работы. В соответствии с ГОСТ 21033—75 Ч-О рассматривают как человека, осуществляющего трудовую дея- тельность посредством взаимодейст- вия с машиной (РЭА) и окружающей средой. Система из Ч-О и РЭА, по- средством которой человек осущест- вляет трудовую деятельность, назы- вается системой человек—машина. В этой системе Ч-О может выступать в различных ролях. Ч-О может выступать в роли «при- емника» осведомительной информа- ции от РЭА, «ретранслятора» ин- формации от одного ее звена к друго- му, «анализатора» информации и ис- полнителя принятого решения, вы- полнять программирование работы РЭА или просто исполнять получае- мые с помощью РЭА команды. Все эти функции Ч-О выполняет с помо- щью различных технических уст- ройств в виде индикаторов (представ- ляющих необходимую Ч-О инфор- мацию) и регуляторов (с помощью ко- торых Ч-О вводит в РЭА сигналы управления). Для оптимизации связи в системе человек — РЭА необходимо раско- дировать или закодировать информа- цию наивыгоднейшим образом, вы- полняя «подгонку» РЭА под способ- ности и возможности Ч-О, а не на- оборот, ибо возможности ускорения познавательных процессов (ощуще- ние, восприятие, представление и мышление) весьма незначительны, а перегрузка Ч-О может нарушить нор- * Составитель Р. Г. Варламов, мальную работу сложных и ответст- венных комплексов. Основными стадиями процесса ра- боты системы человек—РЭА явля- ются: восприятие показаний инди- каторов, сравнение этих показаний с программой работы РЭА, принятие решения об изменении режима рабо- ты РЭА, воздействие иа органы уп- равления, реакция РЭА на сигналы управления, работа по новой про- грамме, отражение этого режима на индикаторах и т. п. Определяющими параметрами этого процесса являют- ся: скорость обращения сигнала по контуру, погрешности и надежность работы звеньев системы и скорость обработки информации. Скорость обращения сигналов по контуру зависит от длительности латентного периода соответствую- щего анализатора /лп (время от мо- мента появления сигнала средней ин- тенсивности до момента ответа Ч-О на него действием), количества при- боров, стрелок и знаков на индика- торных устройствах и их сложности, количества регуляторов и их слож- ности и длительности самопроизволь- ного отвлечения Ч-О от процесса управления РЭА. Длительность на один сигнал у основных анализато- ров /лп = 0,09 ... 0,22 с. Сложная по управлению РЭА может потре- бовать на один цикл управления де- сятки и сотни секунд от самого ква- лифицированного оператора. Для по- вышения скорости обращения сигна- лов по контуру и приближения его к сумме элементарных /лп требуется специальная тренировка Ч-О, со- здание для него комфортных усло- вий работы и (самое эффективное) сокращение числа регуляторов и ин- дикаторов до обоснованного мини- мума. Для уменьшения погрешностей в работе Ч-О и повышения его на- дежности используют следующие ме- ры: оптимизируют темп приема X и выработки Y сигналов (0,5 ... ... 5 бит/с), используют наиболее целесообразную модальность (при- роду) сигналов, определяют опти- мальное соотношение между степенью полноты изображения и его знаково- стью, представляют Ч-О предвари-
Оператор 1 - Оператор 2 (0г) 4. Человек-оператор Рис. 4.1. Представление 4-0 в виде двух- стороннего преобразователя (а); амплитуд- ная характеристика 4-0 при переработке информации и потоках входной Нх и вы- ходной Ну информации в бит/с (б); ампли- тудная характеристика 4-0 при формирова- нии сигналов управления и относительных (в процентах) сопротивлениях перемещению /?£, перемещения регулятора х и степени полноты регулировки N (в); относительная доля информации, воспринимаемой посред- ством зрения, осязания и слуха (г); при- мер использования суфлирующего сигнала в виде лампочки при приближении стрелки прибора к опасной зоне (д); схемы неупо- рядоченного (слева) и упорядоченного (справа) расположения регуляторов (е); схема повышения надежности управления (ж) Е Оинокулярное зрение Поле зрения левого глаза Сигнал управления (Оъ) Ф Мононулярное зрение Поле зрения правого глаза а Ж ЙО тельную информацию об особо важ- ных сигналах, оптимизируют про- цесс управления, используют ре- зервирование операторов (рис. 4.1). Анализаторы 4-0 Анализаторами (органами чувств) называют совокупность рецепторов (в которых под влиянием раздраже- ний от внешних сигналов различной физической природы возникают воз- буждения), нервных волокон (транс- лирующих эти возбуждения) и уча- стков коры больших полушарий го- ловного мозга (где формируется све- товое, слуховое, осязательное или иное ощущение). При конструирова- нии РЭА важно знать параметры зри- тельного, слухового, осязательного и двигательного анализаторов. Зрительный анализатор включает в себя глаз, зрительный нерв и зри- тельный центр в затылочных облас- тях коры головного мозга. На све- точувствительной внутренней обо- лочке глаза — сетчатке — находятся светочувствительные окончания зри- тельных рецепторов: ~ 130 млн. па- лочек (черно-белое зрение) и ~ 7 млн. колбочек (цветовое зрение). Так как от группы палочек примерно в 100 шт. отходит одно нервное волокно, то они имеют меньшую разрешащую способность, но большую чувстви- тельность, чем колбочки (разрешаю- щая способность выше, чувствитель- Рис. 4.2. Схема полей черно-белого изобра- жения для одного и двух глаз (а) и цвето- вого изображения для левого глаза (б)
4.1. Человек — интегральное звено управления ность ниже, зрение цветовое). Ос- новные параметры зрения следую- щие: бинокулярное цветовое (объем- ное, двумя глазами) зрение имеет место в области от оси наблюдения ± 30°, бинокулярное черно-белое — от оси наблюдения ± 45°. На рис. 4.2 показаны области раз- личения цвета для различных цве- тов (самая узкая — зеленый 40 ... ... 60°, затем красный, синий, жел- тый). Цветочувствительность зави- сит от освещения и имеет разницу максимумов на 0,048 мкм при днев- ном и сумеречном освещении, из-за чего меняется характер цветопере- дачи. Зависимость между расстоя- нием наблюдения и погрешностью отсчета показаний на шкале — нели- нейная, оптимальное расстояние 300 ... 500 мм, при его увеличении точность отсчета падает. Среднее время наведения глаз в одну точку 0,17 с, точность определения пло- щади двух фигур или их яркости ~ 2%, разрешающая способность по углу до 3 ... 12' при достаточной длительности наблюдений (не менее 0,5 с). Время адаптации при изме- нении освещенности от единиц до 30 ... 40 мин. Для повышения скорости обработ- ки информации выбирают ее харак- тер, конструкцию индикатора, ха- рактер чтения и различимость сиг- нала. Чем больше внутренняя логиче- ская связь в отдельных сигналах тем большее количество информации 4-0 может воспринять и перера- ботать в единицу времени. Напри- мер. незнакомая информация вос- принимается обычно с темпом 3 бит/с, работа на печатающих уст- ройствах (наличие логической связи между знаками и их последователь- ностью) — 16 бит/с, считывание ин- формации с выборкой нужной для решения данной задачи — 30 ... 45 бит/с. Используя разные виды шкал, мож- но увеличивать число измерений («мерность» стимула), дающих све- дения оператору, и скорость счи- тывания и обработки информации. Например, круглая, полукруглая линейная горизонтальная и ли- нейная вертикальная шкалы одной и той же длины и с одинаковым чис- лом делений дают относительные по- 85 грешности 1; 1,6; 2,6 и 3,5. Разни- ца между первой и второй парой шкал объясняется тем, что послед- ние шкалы дают только одномерный стимул сигнала. Так как разрешаю- щая способность глаза по горизон- тали выше, чем по вертикали, то при считывании показаний с верти- кальной шкалы погрешность боль- ше. Однако если шкала расположена в пространстве так же, как меняется параметр, то в ряде случаев верти- кальная шкала может оказаться бо- лее выгодной. Разница в погреш- ностях считывания с круглой и полу- круглой шкалы объясняется умень- шением вдвое в последнем случае угла отклонения (первый параметр — положение указателя на шкале — одинаков для обеих шкал). Более быстро командное чтение, но оно не позволяет оценить ситу- ацию, ситуационное чтение (пано- рамный индикатор) — медленнее, но более содержательное. Оптимальное различение сигнала имеет место при его интенсивности в 3 ... 4 раза выше интенсивности фона (шума). Слуховой анализатор включает в себя барабанную перепонку во вну- треннем конце наружного уха, по- лость среднего уха с системой слу- ховых косточек и внутреннее ухо с улиткой и ~ 20 000 попереч- но натянутых волокон разной дли- ны, которые и представляют собой слуховой рецептор. Основные параметры слуха сле- дующие: диапазон различаемых ко- лебаний от 20 до 20 000 Гц (сильно зависит от индивидуума, его пола, возраста), разрешающая способ- ность по частоте и уровню сигнала 0,2... 5%, разрешающая способ- ность по углу (без поворота головы на источник звука) 15 .. 20° и 3 ... ... 4° (при повороте), зависимость воспринимаемого уровня сигнала от частоты нелинейна (кривые равной громкости), порог слышимости за- висит от уровня шума в помещении, модуляции сигнала и наличия мешаю- щих сигналов, длительность зву- чания сигнала должна быть не ме- нее 0,5 с. Осязательный (тактильный) ана- лизатор позволяет определить ха- рактер поверхности предмета (глад- кая, шероховатая, сухая, влажная),
86 его форму (до 14 разновидностей), твердость, упругость, мягкость. Ис- пользуется, когда зрение и слух заняты или когда нужны дополни- тельные подтверждающие сигналы. Двигательный анализатор явля- ется органом мышечно-суставного чувства, тесно связан с эффекторным (двигательным) аппаратом и опре- деляет выполнение и координацию движений и величину прилагаемых усилий (точность определения ве- личины прилагаемого усилия вы- ше точности определения положения рукоятки регулятора). Рекомендации по использованию Ч-О в качестве «машины» управления Ч-О целесообразно использовать при обобщении результатов наблю- дений, опознании и анализе образов, воздействии сигналов различных ви- дов, выполнении разных по харак- теру действий, контроле работы сложных систем РЭА и решении возникающих при этом проблем, а также при возникших случайных и непредвиденных ситуациях. Эффек- тивность работы Ч-О возрастает, если используется наглядное коди- рование информации, работа выпол- няется по собственному темпу Ч-О, в сигнале нет лишней информации (которую надо отбросить, предвари- тельно обдумав), нет пауз, сбиваю- щих принятый Ч-О темп работы. Если в процессе работы с РЭА Ч-О должен решать в уме различ- ные арифметические задачи, дер- жать в памяти большое количество информации и применять общие прин- ципы к частным решениям, выпол- нять повторяющиеся стандартные решения, прилагать большие усилия к органам управления и быстро реа- гировать на изменения режима ра- боты РЭА, то его использование не- целесообразно и лучше поставить простейший автомат механического или электронного типа. Зрительный анализатор целесооб- разно использовать для самоориен- тации, снятия показаний с много- шкальных приборов, при сравнении быстро следующих друг за другом сигналов, при наблюдении за ис- точником информации и получением точной информации о нем, при оцен- 4. Человек-оператор ке движения. Во всех этих случаях целесообразнее использовать дис- кретные сигналы. Слуховой анализатор целесообраз- но использовать для индивидуальной одноканальной связи, передачи крат- ких циркулярных сообщений, сиг- нализации о завершении следующих друг за другом операций при усло- вии плохой видимости, для суфли- рующих (подсказывающих) сигна- лов. Во всех этих случаях целесооб- разнее использовать непрерывные по амплитуде сигналы с изменяющейся частотой. Тактильный (осязательный) ана- лизатор используется в качестве дополнительного для не особо от- ветственных операций управления или тогда, когда зрение и слух за- няты. Комфортная рабочая среда Ч-О как звено системы человек— РЭА выполняет свою трудовую деятельность на рабочем месте, ос- нащенном средствами отображения информации, органами управления и вспомогательным оборудованием. Рабочее место Ч-О функционирует в условиях, определяемых окружаю- щей средой. По ГОСТ 21035—75 эту среду называют рабочей, понимая под ней совокупность физических, химических, биологических, инфор- мационных, социально-психологиче- ских и эстетических свойств внеш- ней среды, воздействующей на Ч-О. В зависимости от значения факто- ров внешней среды на рабочем мес- те различают комфортную, относи- тельно дискомфортную, экстремаль- ную и сверхэкстремальную рабочую среду. Допустимыми являются ком- фортная и относительно дискомфорт- ная рабочая среда. Наиболее важными факторами ра- бочей среды являются: температу- ра, влажность, шум, вентиляция, от- вод тепла и влаги, плотность воз- духа, вибрации, освещенность и цвет. Для комфортной рабочей среды ре- комендуется температура среды 18 ... ... 24° С (291 ... 297 К) (наиболее бла- гоприятные значения 20 ... 22° С или 293 ... 295 К) при относительной влажности 40 ... 80% и уровне шу-
4.1. Человек — интегральное звено управления ма 70 ... 75 дБ. При атмосфер- ном давлении 760 мм рт. ст. (101 кПа) на одного Ч-О должен приходиться объем помещения 35 ... 45 м3 при площади 5 ... 6 м2 (без учета про- ходов и оборудования). В этом слу- чае для обеспечения комфортной ра- бочей среды необходимо обеспечить в течение 8-часовой смены вентиля- цию воздуха объемом 25 ... 50 м3, отвод влаги 350 ... 500 г и тепла 50000 Дж на каждый килограмм мас- сы Ч-О. Для уменьшения вероятно- сти простудных заболеваний нерав- номерность температуры по гори- зонтали должна быть не более пяти градусов, а по вертикали — три- четыре градуса (более теплый воз- дух должен быть у поверхности по- ла). Температура стен не должна более чем на три градуса отличаться от температуры воздуха в помеще- нии, а скорость движения воздуха не должна превышать 0,5 м/с. При работе Ч-О в кабинах само- летов и космических кораблей тре- бования к температуре, влажности, вентиляции и отводу тепла сохра- няются примерно на тех же уровнях, за исключением плотности воздуха. При высоте полета до 2 000 м давле- ние в кабине равно внешнему или на 30 мм рт. ст. (3,99 кПа) выше, на высотах 2000 ... 7000 м равно 596 мм рт. ст. (79,27 кПа) и на высотах более 7000 м—300 мм рт. ст.(39,9 кПа) для военных самолетов и не менее 540 мм рт. ст. (71,82 кПа) —для гражданских. Точные значения фак- торов рабочей среды при необхо- димости оговариваются в ЧТУ. Ощущение дискомфорта у Ч-О возникают при понижении или по- вышении температуры в помещении, повышенной влажности, механиче- ских колебаниях и нерациональном освещении помещения. В зависимости от характера вы- полняемой работы освещенность по- мещения должна быть 200 ... 1000 лк, предпочтительнее использовать рас- сеянное освещение. Рекомендуемая степень отражения света от потолка должна быть 0,8 ... 0,9, от стен — 0,5 ... 0,6, от панелей — 0,15 ... 0,2 и от пола — 0,15 ... 0,3. Рекоменду- емые цвета окраски помещения: по- толок — белый или светлый цвет- ной, стены—-желтые, салатные, свет- ло-голубые или серые, панели и 87 полы — темно-серые, темно-крас- ные и коричневые тона. Цвета теплой гаммы (красный, оранжевый, желтый) создают впе- чатление бодрости, возбуждения и замедленного течения времени. При этом повышается частота пульса и давление крови. Цвета холодной гам- мы (синий, зеленый, фиолетовый) создают впечатление покоя, пониже- ния температуры в помещении. Не- квалифицированное цветовое реше- ние интерьера помещения при одно- временном использовании цветов теп- лой и холодной гаммы вызывает ощу- щение дискомфорта и нарушения нормальной работы Ч-О. В РЭА, расположенной на рабо- чем месте Ч-О, могут быть источни- ки магнитных полей, ионизирую- щих и СВЧ излучений, которые при недостаточной экранировке вли- яют на самочувствие и здоровье Ч-О. Магнитные поля вызывают дер- матиты (зуд и покраснение кожи), понижение кровяного давления, на- рушение работы нервной и сердечно- сосудистой систем. Ионизирующие излучения от высоковольтных ки- нескопов, ЛБВ, мощных клистронов и магнетронов могут быть причиной белокровия. СВЧ поля вызывают перегревы организма, химические нарушения в клетках, мутацию ге- нов, воздействуют на психику. Осо- бенно чувствительны к СВЧ полям мозг, глаза и половые органы, имею- щие развитую кровеносную сеть. Поэтому при анализе рабочего места и рабочей среды Ч-О необхо- димо выполнять проверку наличия и допустимости уровней воздейст- вия опасных и вредных физических, химических, биологических и пси- хофизиологических факторов по ГОСТ 12.0.003—74, другим стандар- там ССБТ и нормам ЧТУ. К физическим факторам относятся: — движущиеся машины, механиз- мы и их элементы, запыленность и загазованность воздуха, темпера- тура поверхностей оборудования, материалов и воздуха; — уровень шума, вибраций, инфра- и ультразвуков, — плотность воздуха, ее резкое изменение, подвижность и иониза- ция воздуха; — ионизирующие и электромаг- нитные излучения, статические
88 заряды и повышенные напряжения в цепи, электрические и магнитные поля; — отсутствие или недостаток есте- ственного света, повышенная или пониженная освещенность, яркость и контрастность, блесткость поверх- ности, пульсация светового пото- ка; — ультрафиолетовая или инфра- красная радиация. К химическим факторам относятся: — общетоксические, раздражаю- щие, сенсибилизирующие, канцеро- генные, мутагенные, влияющие на репродуктивную функцию, — действующие через дыхатель- ные пути, пищеварительную систе- му, кожный покров. К биологическим факторам отно- сятся: — микроорганизмы (бактерии, ви- русы, грибы, простейшие и т. п.), — макроорганизмы (растения и животные). К психофизиологическим факторам относятся: — физические перегрузки (стати- ческие, динамические, гиподинамия), — нервно-психические (умствен- ное перенапряжение, перенапряже- ние анализаторов, монотонность тру- да, эмоциональные перегрузки). 4.2. ЧЕЛОВЕК — «МАШИНА» ПО ВЫРАБОТКЕ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ [4...6] Ввод сигналов управления в РЭА от 4-0 может быть выполнен за счет преобразования данных физи- ологической активности в электри- ческие сигналы, голосом и изменением пространственного положения ра- бочих органов различных регуля- торов. Преобразователи данных физио- логической активности широко ис- пользуются в разнообразных теле- метрических системах контроля со- стояния космонавтов или больных и для формирования сигналов уп- равления системами жизнеобеспече- ния или лечения. Их основой явля- ется датчик, преобразующий соот- ветствующие физиологические пара- 4. Человек-оператор метры (температуру поверхности ко- жи, ее влажность, частоту пульса и т. п.) в электрические сигналы. В качестве таких датчиков исполь- зуют полупроводниковые, емкостные, резистивные или сложные комбини- рованные датчики (например, источ- ник света и фотодиод). Ввод сигналов управления голо- сом возможен для двух крайних режимов: управление простейшими операциями любым 4-0 и управле- ние РЭА только определенным Ч-О. В первом случае используется комбинация высокочувствительного микрофона с одним или несколькими простейшими фильтрами, настроен- ными на характерные для данных звуков полосы частот. По команде голосом может быть включен маг- нитофон, приемник и т. п. Во втором случае система намного сложнее, так как она обеспечивает анализ индивидуальных характери- стик голоса Ч-О и способна разли- чать до 300 .. 1000 команд управ- ления, например, ЭВМ. Для ее раз- мещения требуется объем около 1 м3 с соответствующими компоновочными характеристиками по массе и энер- гопотреблению. В настоящее время наиболее рас- пространенными являются системы управления РЭА с помощью раз- личных ручных и ножных регуля- торов. Человек — «машина» управления Ч-О может работать в двух ха- рактерных вариантах «машины» уп- равления: «человек-инструмент» и «человек-машина». В варианте «человек-инструмент» Ч-О — основной источник энергии, необходимой для выполнения дан- ного процесса управления. Харак- терные примеры: человек как источ- ник энергии для работы РЭА через мускульный генератор, использова- ние акустической энергии голоса как для питания микропередатчика (большая часть), так и для модуля- ции высокочастотного сигнала (мень- шая часть). Такой вариант в систе- ме человек—РЭА используется ред- ко. В варианте «человек-машина» Ч-О практически не является источником
4.2. Человек — «машина» по выработке сигналов управления 89 Z2 Перемещение —> а влево О ""вправо Отклонение, Z в Рис. 4.3, Изменение сопротивления регулятора (усилия нажима) в зависимости от пере- мещения при движениях управления 1 и 2 классов (а); оптимальное значение передаточ- ной функции N и зависимость сопротивления регулятора от величины его отклонения пои движениях управления з и 4 классов (б и в) энергии, необходимой для работы РЭА, а определяет только вре- мя, место и характер ввода сигнала управления. Это наиболее харак- терный вариант работы системы че- ловек-РЭА. Для успешного выбора и конструирования регуляторов в этом варианте необходимо твердо помнить следующее: — Ч-О — разумный, экономичный и гибкий источник малых, точно дозированных сигналов управления и поэтому пренебрежение к его дви- гательным навыкам значительно обедняет возможности по выработ- ке и рациональному использованию сигналов управления; — максимальный эффект управле- ния может быть достигнут только при определенных и пропорциональ- ных акту регулировки усилиях, определяемых конкретными парамет- рами задачи управления. По решаемым задачам регуляторы (органы управления) делят на че- тыре класса. 1 класс — простые оди- нарные (дизъюнктивные) движения типа нажима кнопки или поворота рукоятки. Общее число отдельных микродвижений доходит до 80. Усилие нажима и перемещения ра- бочего органа должны быть такими, чтобы зависимость на первом участ- ке была прямая, на втором — об- ратная (фиксация выполнения акта переключения), на третьем — резкое возрастание силы нажатия (рис. 4.3,а). 2 класс — повторяющиеся движе- ния вращательного, нажимного или ударного характера. Максимальный темп работы зависит от размеров ру- коятки или кнопки и момента тре- ния. При работе по программе (пе- чатание на машинке) темп ввода сиг- налов заметно выше, чем при ответе на внешние раздражители, когда сигнал проходит по внешнему кон- туру управления и длительность (лп ~ 0,5 с- 3 класс — двигательные задачи при выполнении точной на- стройки регулятором по определен- ной программе. Общее число отдель- ных микродвижений до 100. Харак- теризуются рабочими (дозировочны- ми) и корригирующими движениями. Определяющий параметр — переда- точное число (функция), значение которого (рис. 4.3, б) оптимально в пределах 2,5 ... 5 см/об (перемещение указателя/число оборотов рукоятки). Для уменьшения дрожания руки (что снижает точность управления) регулятор должен иметь некоторый момент сопротивления (рис. 4.3, в). 4 класс — двигательные задачи при выполнении операции слежения за объектами, параметры которых из меняются в процессе слежения (из- менение положения отметки на ин- дикаторе, совмещение двух стрелок или меток и т. п.). Различают ком- пенсирующее слежение (Ч-О имеет данные только о величине и знаке ошибки) и слежение с преследованием (когда Ч-О имеет данные об измене- нии входного и выходного сигналов и может оценить ситуацию в целом). При слежении с преследованием мож- но предвидеть характер изменения ошибки и получить точность в 1,5 ... 2 раза, большую, чем при компенси- рующем слежении.
90 Рекомендации по оптимизации работы 4-0 в роли «машины» управления Если движение регулятора соот- ветствует движению указателя, то число ошибок в 2 ... 3 раза меньше, чем когда движения не соответст- вуют (рис. 4.4, а). Целесообразность использования различных видов со- четаний движений указателя и ре- гулятора показана на рис. 4.4, б. Расположение индикаторов и ре- гуляторов должно соответствовать друг другу (рис. 4.4, в). Возможно их объединение в устройства вида светящейся при нажатии кнопки. При несоответствии положений ин- дикатора и регулятора скорость ра- боты 4-0 падает в 2 ... 4 раза. Если использовать для регулиров- ки сигнала по амплитуде или ско- рости неподвижные рычаги (управ- ляющий сигнал в виде изменения усилия на головке), то возможно увеличение точности на 25 ... 80% по сравнению с регулировкой качаю- щимся рычагом. Количество оши- бок управления пропорционально порядку системы (0 порядок — дви- жение регулятора непосредственно 4. Человек-оператор определяют движение указателя (из- менение выходного параметра), 1 по- рядок — перемещение регулятора пропорционально скорости изменения выходного параметра, 2 порядок — перемещение регулятора пропорци- онально ускорению изменения вы- ходного параметра). Для повышения точности управле- ния следует использовать (или вво- дить) дополнительные контуры уп- равления, различные виды управле- ния (виды движений) для различных задач управления. Для использова- ния гностатических (познаватель- ных) и приспособительных движений руки (что повышает точность и на- дежность управления) не следует выбирать форму рукоятки точно по «хватке» руки. Ручное управление выгоднее нож- ного при точных, но не очень силь- ных сигналах управления (практи- чески все виды регулировок в РЭА). Движение рук к себе быстрее, но менее точны, а от себя — менее быстры, но более точны. Поэтому для быстрых операций управления следует использовать движения к се- бе, а для точных — от себя. Для плав- ного и точного движения регуля- рно. 4.4. Рекомендуемые (слева н в центре) н нерекомендуемые (справа) сочетания дви- жений регулятора и указателя (а); наиболее целесообразное I и наименее целесообразное 4 сочетания характеров движения регулятора и указателя (б); допустимое (слева), рациональное (в центре) и нерекомендуемое (справа) расположения индикаторов и ре- гуляторов (в) В
4.2. Человек — «машина» по выработке сигналов управления 91 Ркс. 4.5. Размеры рукояток в мм и усилия управления (а); характерные формы рычагов управления (б) и схемы ножных педалей (в)
92 торов следует использовать махови- ки или механизмы с вязкой смазкой. Характерные примеры ручного и ножного управления показаны на рис. 4.5. 4.3. ЧЕЛОВЕК —«МАШИНА» ПО ПРИЕМУ СИГНАЛОВ [3...6] При работе Ч-О в качестве «ма- шины» по приему сигналов чаще всего используют зрительный, слу- ховой и частично, тактильный ана- лизаторы. Наибольшее количество информации Ч-О получает с помощью зрительного анализатора (~ 80% к заметно меньше слуховым (~ 15%) и немного (~ 5%) тактильным ана- лизаторами. Однако «емкость» слу- хового анализатора достаточно ве- лика (после соответствующей тре- нировки возможно выполнение взле- та, полета по заданному курсу и посадки самолета только по слухо- вым сигналам), а зрительный ана- лизатор (несмотря на его большие возможности) часто оказывается сильно перегруженным. Визуальные индикаторы Они выполняются в вице светофо- ров, счетчиков, шкал и светопланов различной конструкции. Светофоры выполняются в виде индикаторных ламп с различным обрамлением и конструкцией в виде табло, светящихся кнопок, клави- шей и их комбинаций. Характер ин- формации — наличие или отсутст- вие свечения. Для улучшения на- блюдаемости рекомендуется группи- ровать ответственные светофоры, ис- пользовать мерцающий сигнал (с ча- стотой доли герца или 3 ... 10 Гц при длительности отдельных вспы- шек 0,05 с), нанесение черного кон- тура (в виде затертой черной крас- кой канавки по периметру обрамле- ния), применить линзы с разной ог- ранкой поверхности. Знаки на по- верхности светофоров должны иметь высоту 3,3 мм при наблюдении с рас- стояния ~ 500 мм и быть черными на белом фоне (при хорошем освеще- нии) и красными на черном (при недостаточном освещении). Счетчики являются самыми точ- ными отсчетными устройствами, так 4. Человек-оператор как представляют Ч-О цифровую характеристику параметра. Могут быть электромеханическими и лю- минесцентными сегментного (знак по- лучается при различных комбина- циях светящихся сегментов) или знакового типа. Малогабаритные сег- ментные люминесцентные индика- торы часто выполняют в виде моно- дисплеев. Разновидностью счетчи- ков являются лимбовые ручки на- стройки с встроенными счетчиками, ленточные механизмы. Для улучше- ния наблюдения знаков (не только цифр, но и букв) конструкция счет- чика должна быть выполнена так, чтобы вспомогательные элементы кон- струкции не мешали Ч-О воспри- нимать полезную информацию. Шкалы имеют очень широкое при- менение и разнообразную констру- цию. Если параметр при наблюде- нии изменяется в широких преде- лах, то целесообразнее использовать неподвижную шкалу и подвижную стрелку. Шкалы в РЭА (для установ- ки частоты, амплитуды и других па- раметров, стабильных в процессе ра- боты) часто выполняют с неподвиж- ным указателем и подвижной шка- лой. Основное требование к шкале — хорошая различимость ее делений и знаков. Для этого выбирают оп- тимальную ширину и длину рисок, простую форму знаков, соответст- вующую форму шкалы. Форма концов указателей должна быть простой и четко показывать деления на шка- ле. Начало отсчета должно быть справа или снизу шкалы. Знаки и цифры должны наблюдаться в нор- мальном положении Ч-О. Характер- ные конструкции шкал и их эле- ментов приведены на рис. 4.6. Светопланы К ним относят в первую очередь разнообразные электронно-лучевые трубки и ряд комбинированных лю- минесцентных индикаторов. Для по- вышения контраста сигнала на экра- не следует использовать светофиль- тры с цветом свечения экрана. При ярком наружном освещении исполь- зуют защитные тубусы, а для ликви- дации бликов — систему из пере- крестных поляризационных филь- тров. Если на экране трубки долж- ны быть шкалы, то их размещают на
4.3. Человек — «машина» по приему сигналов 93 б Рис. 4.6. Варианты оцифровки шкал (в); схемы выполнения указателей (б); шкалы с уг- лами поворота указателя 90 н 270° и трехоборотиая шкала с углом поворота 540° (в); варианты барабанных и плоской шкал (г)
94 защитном стекле (светофильтре) и группируют (при большом количест- ве) по 3—4 шт., используя разделе- ние групп цветом или расположе- нием. Характер внешнего обрамле- ния светоплана должен соответство- вать характеру изображения (харак- теру развертки). При требованиях широкого (до 180°) угла обзора це- лесообразнее применять плоские лю- минесцентные индикаторы, либо их комбинации, которые обеспечивают в 1,5 ... 2 раза более широкий угол обзора, чем электронно-лучевые труб- ки. Акустические индикаторы Выполняются в виде громкогово- рителей и головных телефонов, сви- стков, вибраторов (зуммеров) и си- рен. Для воспроизведения монофо- нических передач достаточно иметь один источник звука, для стерео- фонических — два или четыре (квад- рофонические системы). Следует пом- нить, что для высококачественного воспроизведения звука, кроме вы- сококачественного громкоговорите- ля или телефона, должны быть соот- ветствующего качества усилители и дополнительные устройства в виде отражательных досок или специаль- ных футляров с высокими акустиче- скими показателями (чаще всего их выполняют в виде специальных зву- ковых колонок, отрегулированных и настроенных на заводе). Следует избегать расположения громкогово- рителей прямо сзади и прямо спере- ди, так как Ч-О не сможет их чет- ко различить. 4.4. ЧЕЛОВЕК И ДИЗАЙН [1,3, 6] Общие положения В основе дизайна лежат положе- ния эстетики — науки, изучающей прекрасное в окружающей нас дей- ствительности и общие принципы творчества по законам красоты. Те- оретической основой дизайна явля- ется техническая эстетика, изучаю- щая сущность и развитие промышлен- ного искусства, нового вида художе- ственного творчества в промышленно- 4. Человек-оператор сти, направленного на создание пред- метной среды. В ее основе изучение художественных возможностей совре- менного производства, выразитель- ных средств промышленного искус- ства, эстетического в форме, ком- позиции и цвете технических изде- лий. В настоящее время сущность ди- зайна формулируют обычно так: ди- зайн — создание нового типа изде- лия, отвечающего новой обществен- ной потребности при выполнении за- данных функций, выборе утилитар- ной формы, использовании функцио- нальной окраски и обладающего оп- ределенной эстетической выразитель- ностью. Для эффективной и плодо- творной работы дизайнер должен иметь тесный творческий контакт с конструктором и технологом РЭА. Таким образом, главная цель ди- зайна — разработка на промышлен- ной основе красивых, удобных и по- лезных изделий, позволяющих по- высить производительность труда и его качество и способных дать че- ловеку удовлетворение от работы и общения с предметной средой. Это предопределяет и другую ха- рактерную особенность современно- го дизайна — разработку комплек- сов и размерно-параметрических ря- дов изделий, которые могут «расти» (усложняться и развиваться) без нарушения исходных принципов их эстетического содержания. Работа дизайнера начинается с предварительного анализа прототи- пов и их эстетического и эргономиче- ского анализа. Если нет прототипов, то прибегают к построению идеаль- ного образа изделия, который явля- ется исходной точкой для разработ- ки. Затем выясняют несущие, ком- поновочные и структурные компонен- ты изделия, цветовую гармонию и стилевое единство изделия. После технологического анализа изделия, соответствия его моде и утилитар- ности переходят к наиболее важным стадиям: эргономическому и эсте- тическому анализу разработанного изделия. Итогом работы дизайнера являет- ся художественно- конструкторский макет изделия в натуральную вели- чину или в уменьшенном масштабе и комплект художественно-конструк- торских чертежей-плакатов.
4.4. Человек и дизайн 95 1080 1080 А Рис. 4.7. Характерные зоны расположения индикаторных устройств (а) и время считы- вания показаний с них (б); рабочие зоны расположения регуляторов (чем ниже номер, тем более точная регулировка) (в); основные размеры пульта рабочего места Ч-О (г) и’ компоновочная шарнирная модель Ч-О (д)
96 Для рационального и квалифици- рованного художественного конст- руирования необходимо знать ос- новные положения инженерной пси- хологии (психотехнологии, техниче- ской психофизиологии), в которой изучают сенсорный вход 4-0 (ор- ганы чувств), моторный выход (дви- гательный аппарат Ч-О), распреде- ление функций между Ч-О и РЭА (как преобразователями информа- ции) и условия жизнедеятельности Ч-О. Эргономическая отработка кон- струкций базируется на эргономи- ке, цель которой — совершенствова- ние орудий и условий труда. При эргономическом анализе иссле- дуют рациональность выбранных зон расположения индикаторов и ре- гуляторов, удобство пультов управ- ления, для чего часто пользуются компоновочной моделью Ч-О (рис. 4.7). Основные этапы художественно- конструкторской разработки мож- но представить в следующей после- довательности: анализ ТЗ, предва- рительные эскизы, определение вза- имосвязей Ч-О и РЭА, определение количества и качества индикаторов и регуляторов, определение общих объемов РЭА и доли в них регуля- торов и индикаторов, прорисовка вариантов, поиск гармоничного по форме и цвету решения, выполнение промежуточных (обычно бумажных клееных) макетов, окончательная от- работка формы, выполнение демон- страционных плакатов и художест- венно-конструкторских макетов. Художественно-конструкторская оценка РЭА Используют четыре вида оценки художественно-конструкторских по- казателей РЭА: правовая защита оригинальности РЭА, количест- венная оценка эстетических и эр- гономических показателей, качест- венная оценка и приемка опытных образцов и установочных партий на этапе авторского надзора. Оригинальность художественно- конструкторского решения РЭА да- ет право на авторскую защиту его в качестве промышленного образца, что учитывается при аттестации из- делий на присвоение Знака качества. Эстетические показатели качества 4. Человек-оператор РЭА оцениваются уровнем стилевого решения формы, ее функциональ- ностью и композиционной закончен- ностью и качеством отделки поверх- ностей. Эргономические показатели качества РЭА оцениваются по удоб- ству обслуживания, его оперативно- сти и безопасности. По ГОСТ 16456—70 используют четыре груп- пы эргономических показателей: ги- гиенические (освещенность, вентили- руемость, температура, влажность, давление воздуха, напряженность электрического и магнитного полей, запыленность, радиация, токсичность, шум, вибрации, гравитационные пе- регрузки и ускорения на объекте- носителе РЭА), антропометрические (соответствие форме, размерам тела человека и распределению его мас- сы),физиологические и психофизиоло- гические (соответствие силовым, скоростным и энергетическим воз- можностям человека и возможностям его зрительного, слухового и осяза- тельного анализатора), психологиче- ские (соответствие закрепленным и вновь формируемым навыкам чело- века и его возможностям по воспри- ятию, переработке и выработке сиг- налов управления). Для численных оценок этих параметров используют экспертные методы оценки. При качественной оценке художест- венно-конструкторского уровня РЭА для присвоения государствен- ного Знака качества, кроме ориги- нальности РЭА, принимают во вни- мание карты технического уровня из- делий, где, кроме эстетических и эргономических показателей, учи- тываются и технические (функцио- нальные) показатели. Считается, что весомость эстетических и эргономиче- ских показателей в комплексном по- казателе качества равна ~ 0,1. Приемка опытных образцов и уста- новочных партий РЭА на этапе ав- торского надзора служит для сохра- нения стиля, характера и используе- мых материалов (определяющих ори- гинальность в художественно-кон- структорском макете выпускаемого изделия). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Богданович Л. Б., Бурьян В. А.; Раутман Ф, И. Художествен- ное конструирование в машино-
5.1. Принципы построения размерно-параметрических рядов строении.— 2-е изд., перераб. и доп. Киев: Техника, 1976. 2. Варламов Р. Г. Компоновка ра- диоэлектронной аппаратуры.— — 2-е изд., доп. и перераб.— — М.: Сов. радио, 1975. 3. Варламов Р. Г. Основы худо- жественного конструирования радио- и электронной аппарату- ры.— М.: Сов. радио, 1967. 4. Вудсои У., Коновер Д. Спра- вочник по инженерной психоло- гии для инженеров и художни- ков-конструкторов: Пер. с англ./ 97 Под ред. В. Ф. Венда—М.: Мир , 1968. Ломов Б. Ф. Человек и техника: Очерки инженерной психоло- гии.— М.: Сов. радио, 1966. Художественное конструирова- ние в электронном машинострое- нии /В. К. Федоров, О. Д. Стру- ков, А. П. Корольков, А. А. Смирнов, А. М. Плотицкий.— Обзоры по электронной тех- нике: Сер. Технология и орга- низация производства /ЦНИИ Электроника.— М., 1977, вып. 5 (211). 5. ХАРАКТЕРНЫЕ ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ РЭА Основные аббревиатуры ИС — интегральная микросхема КУ — уровень конструкции (иера- рхический) ММ — микромодуль (плоского или этажерочного типа) МПП — многослойная печатная пла- та (число слоев более двух) МС — микросборка МУ — микроэлектронный узел ПП — печатная плата (одно- или двухслойная) ТК — типовая конструкция ТЭЗ — типовой элемент замены (обычно в ЭВМ) ТЭК — типовой элемент конструкции (обычно из системы ТК) УТК — универсальная типовая кон- струкция ФЯ — функциональная ячейка ЭРЭ — электрорадиоэлементы (обычно навесного типа) 5.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАЗМЕРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ РЯДОВ ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ [2, 3, 7, 10...13] * Общие положения Конструкция РЭА — совокупность определенным образом связанных конструктивных и схемотехнических * Составители О. Д.. Струков, Р. Г. Варламов, А. М. Плотицкий элементов и компонентов. В основу ее классификации можно положить: назначение (радиоприемная, теле- визионная, бытовая, самолетная и т. п.), элементная база (дискрет- ные или микроэлементы различной степени интеграции),физическая при- рода определяющего работу РЭА эффекта (электрические и магнит- ные поля, механические связи, свет, тепловые и др. поля), важность (ос- новная, вспомогательная), геомет- рия и масса (форма, размеры, объ- ем, плотность объемная), условия эксплуатации (легкие, средние, же- сткие), условные иерархические уров- ни конструкции. В зависимости от поставленной задачи используется та или иная классификация. Разработка компонентов РЭА в виде элементов единых по структуре размерно-параметрических рядов (но- миналы, допуски, мощности рассеи- вания и размеры резисторов, транс- форматоров, конденсаторов, микро- схем и т. п.) и относительно малые размеры компонентов по отношению к РЭА послужили основой разработ- ки размерно-параметрических рядов типовых конструкций. Типовая конструкция ТК — пло- ский или объемный несущий ком- понент размерно-параметрического ряда конструкций, используемый для размещения схемных элементов или компонентов РЭА. В простейшем случае несущий компонент — печат- ная плата. Возможно выполнение ТК в виде сложной трехмерной кон-
98 5. Характерные типовые конструкции РЭА струкции с защитным кожухом, опорными ножками или амортиза- торами, встроенными системами ох- лаждения и другими приспособле- ниями. Столь широкий диапазон конструкторских решений сущест- венно затрудняет построение раз- мерно-параметрических рядов типо- вых конструкций. Размеры сторон ТК могут изме- няться по метрическому или ритми- ческому соотношениям, прилагае- мым ко всем или части размеров сторон ТК. Возможно как совме- стное применение метрического и ритмического соотношений к разме- рам одной ТК, так и пропуски оп- ределенных значений. При метрических соотношениях ап = а0 + пт, при ритмических — ап — ав К", где ап — значение я-го размера, а0 — начальное зна- чение размера (например, ширины, высоты, глубины) данного ряда; п — целое или дробное число, лежащее в основе размерно-параметрического ряда данной ТК и определяющее диапазон изменений размеров в пре- делах а0 ... ап\ т — величина при- ращения (модуль) при метрическом соотношении; Кт — коэффициент прогрессии ритмического соотно- шения, обычно в виде Кт = у^Тб. Часто модулем называют любой не- сущий компонент ТК или готовое изделие из данного размерно-пара- метрического ряда, особенно если о0 =f= т. При использовании метри- ческого ряда проще обеспечить сты- ковку различных несущих компо- нент, но при этом общее число ком- понент для обеспечения заданного объема или площади получается со значительной избыточностью, по сравнению с числом компонент рит- мического ряда. Факторы, определяющие выбор а0, п, т и Кт конкретного размерно- параметрического ряда ТК, следую- щие. Выбор значений а0 для высоты, ширины и глубины ТК определяется минимальными размерами исполь- зуемых компонентов или их групп, регуляторов, индикаторов, разъемов и конструктивных элементов для установки, смены и крепления ТК- Обычно значения аа лежат в пределах 20... 100 мм. Значение п изменяется в пределах 4...24. Минимальное зна- чение характерно для измеритель- ных приборов, максимальное — для стоечной и шкафной РЭА. Общее число возможных вариантов объема или площади элемента ТК будет равно п±п2п3 и я1я2, где яг- — число значений высоты, ширины, глубины (для блоков) и ширины и длины (для плат). Поэтому рекомендуется выбирать значения а0 для высоты, ширины и глубины (или ширины и длины у плоских плат) разными, что дает возможность при минимальном ко- личестве определяющих размеров ТК получить максимальное разнообра- зие значений объемов или площадей. Например, используя для ширины 13 значений по ряду предпочтитель- ных чисел R10 от 31,5 до 500 мм, для высоты четыре значения от 45 до 224 мм и глубины четыре зна- чения от 140 до 450 мм, получим [2] 208 или 1248 значений для объ- емов 0,198...50,4 дм3 (разница в 254 раза) при отличии каждого по- следующего значения от предыду- щего на 25% и различные варианты выполнения. Если бы аа для высоты, ширины и глубины были одинаковы, то многие значения объемов много- кратно повторялись бы при незна- чительной (в ряде случаев) разнице друг от друга. Значение т изменяется в пределах 20... 120 мм. Его (как и п) целесооб- разно брать разным (например, по ширине /«£=40 мм, по глубине т2= = 120 мм, по высоте т3 = 80 мм). Значения Кт Для различных соотно- шений берут обычно из рядов пред- почтительных чисел R5, R10 или R20, иногда из рядов Е6 и Е12 (значения Кт при этом соответ- ственно равны 1,58, 1,26, 1,12, 1,47, 1,21). Часто используют не- полный ряд значений, пропуская одно или два и округляя полученные числа до рекомендуемых в стандар- тах величин. Схематически модульную струк- туру ТК можно представить так (рис. 5.1, а): заданное пространство расчленяется на модули с размерами сторон по ширине, глубине и высоте Щ1, т2> пг3. Минимальный размер модуля mi определяется необходи- мостью размещения в нем по ширине (глубине, высоте) заданного коли- чества компонентов размером пц.
5.1. Принципы построения размерно-параметрических рядов 99 И вход [£] выход И Органы управления и контроля б Рис. 5.1. Схема модульной структуры ТК (а), варианты компоновки модулей (б), обеспечение доступности модулей (в, г, д) и варианты конструкций РЭА иа базе элементов единой системы ТК (е)
100 5. Характерные типовые конструкции РЭА Модульность структуры ТК поз- воляет получить различные ком- поновочные решения устройств вхо- да и выхода, органов управления и контроля и РЭА в целом (рис. 5.1, 6). При этом для обеспечения удобств при эксплуатации и ремонте исполь- зуется выдвижение, повороты и ра- скрытие конструкции РЭА с возмож- ностью доступа к любому элементу ТК (рис. 5.1, в, г, д ). Использование разных вариантов корпусов ТК и их крепления дает возможность на единой конструкторской элементной Рис. 5.2. Телескопические направляющие (а) для шкафной РЭА (б), выдвижение РЭА из шкафа с «ножницами» с последующим по- воротом (в), выкатывание на роликах (г), выдвижение на шарнирах (д), варианты «раскрыва» блоков (е). ----Htl 7 плг базе создавать квазишкафные кон- струкции (установка блоков друг на друга), стоечные (крепление блоков к специальной раме) и шкафные (установка блоков на специальных направляющих в шкафу), схемати- чески показанных на рис. 5.1, е, Для крупногабаритной РЭА (в ос- новном, шкафного типа) используют телескопические направляющие, в в виде «ножниц», роликов и шарни- ров (рис. 5.2). Основными достоинствами модуль- ного принципа построения конструк- ций РЭА являются: — свобода доступа к модулю и его элементам, — параллельность выполнения мо- дулей в производстве, — сокращение сроков проектиро- вания и изготовления РЭА, — простота модернизации как от- дельных модулей, так и РЭА в целом, — снижение стоимости РЭА при использовании стандартных модулей, — гибкость конструктивной струк- туры РЭА. Иерархия несущих конструкций ТК и элементной базы Современная сложная РЭА со- стоит из законченных конструкций в виде блоков, шкафов и пультов, в которые входят частные конструк- ции плат, ТЭЗ, ТЭК, частичных и комплектных блоков, на которых устанавливаются дискретные ЭРЭ или ИС и МС различной степени интеграции (рис. 5.3). I иерархический (базовый) уро- вень или класс характеризует эле- ментную базу, которая может быть в виде дискретных ЭРЭ, корпусных и бескорпусных ИС и МС различной степени интеграции. II иерархический уровень (класс) объединяет частные конструкции ТК, которые не имеют самостоятельного применения, так как и схемотехни- чески, и конструктивно являются ча- стями III, более высокого уровня законченных конструкций ТК. Ко II уровню относятся: печатные пла- ты с элементами и компонентами, защищенные (заливкой, обволаки- ванием, экранами и т. п.) и незащи- щенные. К этой же категории (при наличии электрических разъемов) ча- сто относят типовые элементы заме-
5.1. Принципы построения размерно-параметрических рядов (01 Г уровень: элементная ваза Ц[уровень: законченные констдуиааа Л уровень: частнь/е нонструн/ноа Рис. 5.3. Уровни конструкторской иерархии РЭА ны ТЭЗ ЭВМ. В РЭА на микроэле- ментах вместо гетинаксовых или тек- столитовых печатных плат исполь- зуют многослойные керамические с межсоединениями, на которых уста- навливают МС и бескорпусные ИС высокой степени интеграции. К клас- су каркасов относятся типовые эле- менты конструкций ТЭК, блоки ча- стичные и каркасы блочные. При вы- полнении субблоков с компонента- ми их разделяют по геометрическим размерам. III иерархический уровень (класс) объединяет законченные конструк- ции сложной РЭА в виде блоков, пультов и шкафов. Деление шкафов по высоте определяется возможно- стью для сидящего оператора ча- стично следить за другой аппарату- рой при высоте шкафа < 1200 мм, что затруднено или невозможно при вы- соте шкафа > 1200 мм. Разработка элементов ТК в виде единой системы, допускающей раз- нообразные варианты компоновки, требует: — конструктивной входимости эле- ментов по всем иерархическим уров- ням, — конструктивно-технологической преемственности возможных решений при модернизации, — совместимости в масштабах от- расли, страны или межгосударст- венных организаций, — единого художественно-конст- рукторского решения, — использования современных тех- нологических приемов,
5. Характерные типовые конструкции РЭА 102 — обеспечения надежной работы при эксплуатации. При этом следует помнить, что самые рациональные структуры ТК окажутся экономически малоэффек- тивными, если для одинаковых ус- ловий эксплуатации и функциональ- ного назначения разработка будет вестись в разных организациях и ве- домствах и при невысоком уровне (по количеству и качеству) произ- водства. Все элементы и система ТК в це- лом должны отвечать определенным функциональным, конструктивным, технологическим, эстетическим и эр- гономическим требованиям, обеспе- чивающим требуемую надежность ра- боты РЭА (ее безотказность, долго- вечность, ремонтопригодность и со- храняемость). Функциональные требования. Обес- печение принципиальной возмож- ности компоновки элементной ба- зы заданного типа в конструктор- ских элементах данной системы ТК с обеспечением нормальных тепло- вых режимов, механической проч- ности, герметичности, экранирова- ния, размещения регуляторов, ин- дикаторов и разъемов натурными, номографическими, графо-аналитиче- скими и машинными методами ком- поновки [2]. Конструктивные требования. Реа- лизация функциональных требова- ний по компоновке элементной базы заданного типа (внутренняя компо- новка) и компоновке конструктив- ных элементов данной системы ТК с учетом рабочего места человека- оператора и (или) рабочей среды в месте размещения ТК на объекте- носителе (внешняя компоновка) в виде комплекта конструкторской до- кументации по определенной системе (например, ЕСКД). Технологические требования. Обес- печение выполнения подготовитель- ных и монтажно-сборочных работ (как для существующих конструк- тивных элементов ТК, так и для но- вых, разработанных для данной ча- стной конструкции) современными прогрессивными технологическими приемами с учетом масштаба и спе- циализации производства, стандар- тизации технологических процессов и рационального использования ма- териалов в виде комплекта техноло- гической документации и соответ- ствующего предприятия. Эстетические требования. Обеспе- чение композиционной целостности формы за счет соразмерности, мас- штабности, пропорциональности и пластичности, цветовой гармонии элементов, ТК в целом и среды (объ- екта) и требуемого психологического комфорта, стилевого единства на базе единых эстетических принци- пов, художественно- конструкторских методик и стандартизации (гл. 4). Эргономические требования. Обес- печение оптимального сопряжения человека-оператора с рабочим местом в заданной рабочей среде с учетом его антропометрических (рабочая зо- на) и санитарно-гигиенических (тем- пература, влажность, шум, вибрации, излучения и т. п.) требований, вклю- чая требования техники безопасности в соответствии с системой стандартов безопасности труда (ГОСТы 12-й группы) в процессе эксплуатации РЭА. 5.2. ОСОБЕННОСТИ РЭА НА МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТАХ [1, 2, 5, 8] * Элементную базу такой РЭА об- разуют микроэлектронные компонен- ты: микромодули (ММ) этажероч- ного или плоского типов с моно- и полиэлементными платами с пленоч- ными или объемными элементами, ИС (МС) и модульные узлы (МУ) различ- ной степени интеграции, в которой: — наименьшей иерархической единицей служат не отдельные ЭРЭ, а МУ (ММ, ИС или МС), — обеспечивается высокая плот- ность компоновки благодаря исполь- зованию стандартных модульных форм МУ (ММ, ИС или МС), унифи- кация и стандартизация элементов конструкции, — уменьшается число и объем меж- блочных соединений за счет меж- соединений внутри самих МУ (ММ, ИС и МС) или в их подложках, — создаются конструкции с эффек- тивным отводом тепла от каждого МУ (ММ, ИС, МС), блоков и РЭА в целом. * Составитель Н. А. Барканов
5.2. Особенности РЭА на микроэлектронных компонентах Принципы конструирования Общие принципы конструирова- ния РЭА на ИС и МС аналогичны принципам функционально-узлового конструирования с использованием модульных функциональных узлов. Для наиболее полной реализации преимуществ РЭА на ИС и МС ре- комендуется использование систем автоматизации проектирования. Выбор МУ (ММ, ИС и МС), выпу- скаемых промышленностью, осуще- ствляется на основе анализа ТТ, схе- мотехнического анализа РЭА и вы- явленных при этом функциональной номенклатуре и технических харак- теристиках требуемых МУ. При их выборе оценивают следующее: — функциональное назначение МУ и возможность реализации с их по- мощью требуемых функций проек- тируемой РЭА, — электрические и эксплуатацион- ные характеристики (входной и вы- ходной ток или напряжение, быстро- действие, полоса рабочих частот, по- требляемая мощность, помехоустой- чивость, надежность, удобство эк- сплуатации и т. д.), — соответствие проектируемой РЭА принципам рациональности кон- струкции и технологичности, — номинальные значения напря- жений питания, требования к ста- бильности и пульсации. — стоимость МУ, — сроки разработки РЭА, — предполагаемый объем произ- водства РЭА. На каждом этапе конструирования решающими могут быть различные требования и показатели, которые и должны учитываться в первую очередь при выборе МУ. Номен- клатура и технические данные МУ содержатся в специальных ведом- ственных справочниках и катало- гах. Характеристики проектируемой аппаратуры должны быть связаны только с такими параметрами МУ, значения которых гарантируются ТУ и могут быть измерены. Недопускает- ся специальный отбор МУ с улуч- шенными параметрами. Для обес- печения высокой надежности РЭА не допускается эксплуатация МУ в ре- жимах, близких предельным, а так- же при неблагоприятных сочетаниях 103 электрических, механических и кли- матических воздействий. Методика измерения электрических параметров МУ установлена ГОСТ 18683—73 и 19799—74. Конструи- рование РЭА на ИС и МС рекомен- дуется выполнять в соответствии с ОСТ4Г0.010.009 с учетом правил и особенностей монтажа МУ на ПП, установленных ТУ и руко- водствами по применению МУ и ОСТ4 ГО.ОЮ.ОЗО. Высокая плотность монтажа с при- менением МУ резко ухудшает теп- ловой режим, для облегчения ко- торого рекомендуется: — выбирать ПП так, чтобы от- ношение длины к ширине было мак- симальным, — в пределах установленных ог- раничений размещать требуемое чис- ло МУ на максимально возможном числе ПП, — располагать ПП с МУ на мак- симально возможном расстоянии друг от друга с ориентацией каналов между ними лиоо по вертикали, ли- бо (при принудительном охлаждении) по направлению движения охлажда- ющего агента, — использовать в качестве допол нительных теплостоков теплопро- водные шины (например, в виде рамок ПП) Тепловые режимы РЭА на ИС и МС рассчитывают по ОСТ4ГО.012. 032, способы охлаждения уз- лов и блоков выбирают по ОСТ4 Г0.070.003. Если возможно, вместо МПП рекомендуется приме- нять более надежные одно- или двух- сторонние ПП, имеющие меньшее число переходных контактов между слоями проводников. Конструкции РЭА на микромодулях В составе узлов и блоков ММ сое- диняются с помощью ПП толщиной 1....2 мм (в зависимости от механи- ческих нагрузок, заданных в ТУ). Не рекомендуется устанавливать ММ на ПП толщиной более 2 мм, так как в этом случае трудно выпол- нить печатный монтаж с шагом 3 мм, которому соответствует расположе- ние выводов ММ. Материалом ПП служат низко- частотные фольгированные диэлек-
5. Характерные типовые конструкции РЭА 104 трики марок НФД-180-1 или НФД-180-2 (МЖ-44-63 ТУ), стекло- текстолиты СФ-1 или СФ-2 (МРТУ-16-509-001-64). ММ устанав- ливаются на ПП с шагом 12,5 мм, кратным шагу координатной сетки печатного монтажа. Между ПП и ММ предусматривается зазор 1,5...2 мм, необходимый для прохождения лака при лакировке ПП для повышения их влагостойкости. На ПП с одно- сторонним печатным монтажом до- пускается установка ММ без зазора. Рекомендуется распаивать все 12 выводов ММ на ПП, уменьшение чис- ла распаянных выводов допускается только при положительных резуль- татах механических испытаний при заданных перегрузках. Верхние (не- запаянные) выводы ММ подреза- ются до высоты 0,5 мм от торца с последующей заливкой изоляцион- ным лаком (например, СБ-1). РЭА на ММ следует разраба- тывать с максимальным использова- нием ММ общего применения, ти- повых узлов и конструктивных эле- ментов, предусматривать в конструк- ции возможности их замены в про- цессе производства и эксплуатации. Части схемы, требующие экрани- ровки, следует выделять в отдель- ные сборки с последующей общей экранировкой или выполнять в ви- де герметизированных с помощью металлических капсул ММ. Особое значение имеет разнесение входных и выходных цепей в ММ и узлах на них. Рационально дублирование ос- новных цепей на ПП. Съемные узлы, субблоки и блоки РЭА на ММ должны иметь ключ или специальную метку, обеспечи- вающую правильную их установку, на ПП маркируют отверстия, со- ответствующие первым выводам ММ. Наибольшая плотность компонов- ки достигается при сплошной уста- новке ММ («поле ММ») с шагом 12,5 мм, обеспечивающим необхо- димый минимальный технологиче- ский зазор и кратным шагу коорди- натной сетки печатного монтажа (рис. 5.4, а). Однако при этом кон- струкция блока получается практи- чески неремонтоспособной, так как при замене вышедшего из строя ММ установить в образовавшийся про- межуток новый практически невоз- можно. ПП для таких блоков слож- ны в изготовлении из-за очень плот- ного печатного монтажа и большого количества отверстий (число отвер- стий в ПП примерно в 15 раз больше числа ММ, установленных на плате). Несложный печатный монтаж, хо- рошую технологичность и высокую ремонтопригодность имеют двух- рядные микромодульные линейки, устанавливаемые на объединитель- ные ПП. Хорошую плотность ком- поновки, технологичность и ремонто- пригодность имеют конструкции бло- ков с многорядной компоновкой ММ через ряд. При стыковке двух плат ММ, расположенные на одной ПП, размещаются между ММ, установ- ленными на второй ПП (рис. 5.4, ж). Можно монтировать ММ лежа (рис. 5.4, б, в, г, д), однако соедине- ние их при этом менее технологично. Иногда используют размещение ММ между двумя ПП (рис. 5.4, е). Для электрического соединения ММ с объединительными ПП или сое- динения между собой микромодуль- ных блоков используют объемный монтаж, колодки или разъемы. На- иболее просто выполняется соедине- ние объемным проволочным монта- жом. Объемный монтаж упрощает ремонт и замену узлов, однако при- водит к значительным потерям объ- ема РЭА, так как объем соединитель- ных элементов может занимать до 50% объема блока. Значительно уменьшают потери объема на соеди- нения и повышают их надежность специальные переходные колодки. С другими устройствами ММ бло- ки, как правило, соединяются с по- мощью разъемов. Если требуется повышенная надежность контактных разъемных соединений, то применяют разъемы с золочеными контактными парами, многоконтактные повышен- ной надежности или разъемы с по- следующей перепайкой контактных пар. Несущие конструкции ММ бло- ков изготавливают из алюминие- вых сплавов, конструкционных (СтЮ, Ст20) и нержавеющих (1Х18Н9Т) сталей, титановых спла- вов (ВТ1, ВТ5), пеноматериала ПУ-3 (армированного для прочности стек- лотканью ЭСТБ ВТУ 215-53Л). Расчет числа ИС на печатной пла- те. Максимальное число ИС на ПП
5.2. Особенности РЭА на микроэлектронных компонентах 105 Ж Рис. 5.4. Варианты компоновки этажерочиых ММ Разъем
106 5. Характерные типовые конструкции РЭЛ Рве. 5.5. Схема расположения ИС на ПП при одностороннем их размещении и одинаковых корпусах равно rijmax= пхпу, при двухстороннем размещении n2max = ^пхПу, где пх — ЧИСЛО ИС В ОДНОМ ряду, Пу — чис- ло рядов ИС на ПП (рис. 5.5). При этом пх — (Lx—2ак lx) !tx-\- 1, пу — ар—аь—1у) Иу-\~ 11 где Lx и Ly — размеры ПП по осям х и у, 1У и 1Х — расстояние между крайними выводами корпуса ИС по осям х и у, ак — краевые поля на плате по оси х; ар — краевое поле по оси у для элемента внешней ком- мутации (разъем, контакты площадки и т. п.), аь—краевое поле по оси у для элемента контроля. Размеры рекомендуемых шагов установки ИС, tx, ty, краевых полей аь, ак и ар выбирают согласно ре- комендациям ОСТ 4ГО.ОЮ.ОЗО. При этом учитывают типоразмеры корпусов ИС или подложек бескор- пусных ИС и МС, сложность прин- ципиальной электрической схемы (СхЭ), плотность компоновки, тем- пературный режим блока, метод раз- работки топологии ПП (ручной или машинный), ИС со штырьковыми выводами, расстояние между которыми 2,5 мм, размещают на ПП так, чтобы вы- воды совпадали с узлами координат- ной сетки. В противном случае хотя бы один вывод ИС располагают в узле координатной сетки, это отно- сится также к бескорпусным и к ИС в корпусах с планарными выводами. Чтобы автоматизировать монтаж, ИС со штырьковыми выводами уста- навливают только с одной стороны ПП, ИС с планарными выводами и бескорпусные можно монтировать на обеих сторонах ПП. ИС со штырь- ковыми выводами устанавливаются на ПП с зазорами около 1 мм без прокладок или подставок, однако иногда допускается устанавливать их с использованием изоляционных прокладок, применяя для крепления
5.2. Особенности РЭА на микроэлектронных компонентах мастику ЛН (ТУ МХП 3052—55), клей АК-20 (ТУ 6-10-1293—72) или клеи и лаки, указанные в ЧТУ на применение ИС. ИС с планарными выводами можно монтировать как с зазорами, так и без них. Гибридные ИС повышенной сте- пени интеграции рекомендуется кре- пить с помощью указанной мастики или клея. Допускается применение клеев дугих марок, согласованных в установленном порядке. Формов- ку выводов ИС рекомендуется про- изводить в соответствии с указания- ми ОСТ4ГО.ОЮ.ОЗО. В особых, технически обоснован- ных случаях допускается отступ- ление от указанных рекомендаций, если соблюдаются требования соот- ветствующих ГОСТ или ОСТ и ТУ на ИС. Однако в этом случае фор- мовку выводов, вариант установки ИС на ПП и установочные размеры необходимо оговаривать в сбороч- ном чертеже и согласовывать с го- ловной организацией по применению ИС или головным технологическим предприятием соответствующего ми- нистерства или ведомства. Эти тре- бования связаны с тем, что при не- правильной формовке можно по- вредить проходные изоляторы у вы- водов ИС, нарушить герметичность корпусов, что влечет за собой вы- ход ИС из строя вследствие корро- зии токоведущих дорожек на по- верхности подложки или кристалла. Расстояние от корпуса ИС до ме- ста изгиба, т. е. до оси вывода, изо- гнутого под углом 90°, или до места приложения паяльника или до зер- кала припоя, должны соответство- вать требованиям ОТУ и ЧТУ на ИС. При отсутствии в ГОСТ, ОСТ или ТУ указаний о расстояниях до ме- ста изгиба при одноразовой гибке или до места пайки обычно прини- мают следующие расстояния от кор- пуса ИС: до оси изогнутого вывода не менее 2 мм, до места пайки не менее 2,5 мм (при толщине ПП 1 мм). Для сохранения работоспособ- ности ИС, расположенных на ПП с максимально возможной плотно- стью, необходимо обеспечить: кон- векцию или теплостоки для тепло- нагруженных ИС, кроме того, тер- мо- и магниточувствительные ИС должны быть отдалены от элемен- 107 тов, выделяющих большое количе- ство тепла или являющихся источ- никами магнитных полей, доступ к любой ИС и возможность ее замены в ремонтируемой РЭА, возможность ручной или механизированной уста- новки ИС, их групповой пайки и покрытия влагозащитным лаком в требуемых местах, установку мас- сивных ИС (в РЭА, работающей в условиях значительных механи- ческих воздействий) вблизи точек крепления ПП. Если какое-нибудь из перечис- ленных правил не удается соблюсти, то придется уменьшить плотность компоновки ИС на всей или части ПП. Особенности конструирования РЭА на микросхемах и микросборках РЭА одного и того же назначения, выполненная на ЭРЭ или на ИС и МС, по схемотехническим и конструк- торско-технологическим принци- пам будет представлять собой раз- личные изделия, общими у которых будут только ТТ. В лучшем случае в основу разработки РЭА на ИС и МС можно положить лишь функцио- нальную схему аппаратуры, подле- жащей микроминиатюризации, да об- щие идеи компоновочных схем кон- струкции. Одной из главных задач разработ- чика и конструктора РЭА на ИС и МС является отказ от применения в конструкциях аналоговых устройств на крупногабаритных ЭРЭ. Это достигается путем прямой миниа- тюризации (что не всегда возможно и имеет свои пределы), либо изме- нением принципов преобразования сигналов и электрической схемы с таким расчетом, чтобы функции схемного узла выполняли бы толь- ко ИС. Например, аналоговый С-интегратор заменяют цифровым, резонансный усилитель LC—широко- полосным /?С-усилителем с инте- гральным полосовым или цифровым фильтром. Примеры характерных аналогов, имеющих примерно одинаковые функ- ции, но построенных на различных схемотехнических принципах, сле- дующие:
5. Характерные типовые конструкции РЭА РЭА на ИС и МС 108 РЭА на дискретных ЭРЭ Частотно-избирательные узлы LC- типа на дискретных ЭРЭ Интеграторы аналогового типа Линии задержки на дискретных ЭРЭ, ультразвуковые объемного типа («механические») ЗУ на ферритовых сердечниках Аналоговые устройства автоматики на дискретных ЭРЭ Объемные волноводы и элементы СВЧ трактов Методы конструирования РЭА по мере развития микроэлектроники претерпевали коренные изменения. При конструировании РЭА первого и второго поколений разработчики старались использовать в схемах минимально возможное количество ЭРЭ, особенно таких, как лампы и транзисторы из-за их относительно высокой стоимости и габаритов и по- нижения надежности РЭА по мере увеличения количества ЭРЭ. Вви- ду относительно большой массы и объема ЭРЭ увеличение их числа в РЭА первого и второго поколений быстро увеличивало общие массу и габариты. При конструировании РЭА тре- тьего и четвертого поколений (ко- торую иногда называют микроэлек- тронной аппаратурой МЭА) сформи- ровался иной подход к конструирова- нию, суть которого в использовании ИС возможно большей степени ин- теграции. Это объясняется тем, что ЭРЭ (в том числе и активные), вхо- дящие в состав ИС, намного дешев- ле и меньше по размерам дискрет- ных аналогов, что позволяет суще- ственно повысить надежность РЭА, уменьшить массу и габариты. Конструкции РЭА на ИС и МС можно разделить на четыре харак- терные группы (табл. 5.1), отличаю- щиеся степенью интеграции и плот- ностью компоновки. Компоновочные структуры пер- вой и второй групп применяются при конструировании массовой бы- товой и лабораторной РЭА, а также аппаратуры, для которой требова- ния по габаритам и надежности не являются жесткими. Структуры тре- тьего и четвертого типов применя- Пленочные индуктивности, активные интегральные фильтры, пьезо- и цифровые фильтры на ИС и МС Цифровые накопители на ИС Интегральные линии задержки на поверхностных волнах и цифровые ИС Полупроводниковые ЗУ на ИС и МС Цифровые устройства автоматики на ИС Микрополосковые линии передачи и пленочные элементы СВЧ трактов ются при конструировании РЭА, к которой предъявляются повышен- ные требования к надежности и га- баритам. Исходное значение плотности ком- поновки для четвертой группы рав- но 15 см-3. Анализ данных показы- вает, что конструкция РЭА на ИС и МС упрощается с ростом плотно- сти компоновки. Это объясняется тем, что «сложность» из конструк- ции аппаратуры переходит в МУ (ММ, ИС, МС) при росте их степени интеграции. Благодаря использова- нию более совершенных приемов ин- тегральной технологии снижается трудоемкость и повышается надеж- ность аппаратуры. Конструктивной единицей РЭА на ИС и МС является функциональ- ная ячейка (ФЯ) с каркасом или без него. Бескаркасные ФЯ пред- ставляют собой обычные ПП или МПП и применяются в аппаратуре, к которой не предъявляются жесткие требования в отношении механиче- ской прочности. В каркасных кон- струкциях несущим элементом слу- жит металлическая рамка, она же является теплоотводом. Каркасные конструкции могут иметь односто- роннюю (рис. 5.6), двухстороннюю и сдвоенную компоновочные схемы. ФЯ могут включать зону располо- жения навесных ЭРЭ. Несущая рам- ка с теплоотводами 3 на рис. 5.6 выполнена из алюминиевого сплава и имеет сквозные отверстия для зон межмикросхемной коммутации и зо- ны выходных отверстий или контак- тов. В центральной зоне рамки к ее продольным планкам-теплоотводам с помощью демпфирующего теплоот-
5.2. Особенности РЭА на микроэлектронных компонентах 109 Таблица 5.1 Особенности конструкций РЭА 3- и 4-го поколений, выполненных на ИС и МС Параметр Группа РЭА 1 2 3 4 Степень интеграции 1...2 3...4 2...3 3...4 Плотность компоновки 0.12 0,33 0,75 1 Наличие корпуса ИС, МС Наличие корпуса РЭА: Да Да Нет Нет с уплотнением Да Да Нет Нет (герметичного) (Да) (Да) (Да) (Да) Объем 16 5,3 2 1 Сложность конструкции Число слоев ПП или 13 4 2 1 МПП 2; 4 4 2; 4 4 Примечания: I. Плотность компоновки, объем и сложность конструкции даны в относительных единицах. 2. РЭА 1- н 2-й групп имеет на ПП разъем и армировку, 3-й группы — печатный разъем, 4-й группы — без разъема. 3. В качестве элементной ба- зы в РЭА I- и 2-й групп используются полупроводниковые или гибридные ИС. в 3-й -- бескорпусные гибридные ИС, транзисторы и простейшие диодные матрицы, в 4-й — по- лупроводниковые или гибридные ИС и активные элементы в виде бескорпусных полу- проводниковых ИС2 и ИСЗ на общей теплоотводящей плате в виде своеобразной «не- прерывной микросхемы». водящего компаунда крепят бескор- пусные гибридные ИС. Они выпол- няются на ситалловых подложках с навесными бескорпусными ЭРЭ. С противоположной по отношению к ИС стороны к планкам-теплоотводам рамки через изолирующую проклад- ку с помощью клея крепится ПП. Электрическое соединение перифе- рийных контактных площадок гиб- Рис, 5.6. Несущая рамка — теплоотвод для ПП с ИС: / — ситалловая подложка, 2 — ЭРЭ, 3 — металлическая рамка, 4— печатная плата А-А
5. Характерные типовые конструкции РЭА ПО ридной ИС с контактными площад- ками ПП осуществляется с помощью золотых перемычек диаметром 30...50 мкм или золоченых медных полосок шириной 300 и толщиной 20 мкм. В блоках аппаратуры групп I и 2 (табл. 5.1) ФЯ соединяются между собой по известным компоновочным схемам типа «сэндвич», «кассета» и т. п. При соединении ФЯ группы 3 и 4 оптимальной является «книж- ная» конструкция. До стягивания ФЯ в пакет винтом они могут разво- рачиваться подобно листам книги, этим достигается легкий доступ к лю- бому элементу конструкции при кон- троле и ремонте. ФЯ соединяются с помощью гибкого печатного ка- беля. Последовательное сложение ячеек в «книжку» образует пакет, который помещается в герметичный кожух и укрепляется в нем стяж- ными винтами. Рассмотренные компоновочные схемы ФЯ и блоков являются на- иболее эффективными, так как прин- ципы их построения базируются на типовых, унифицированных элемен- тах конструкции. Так, для ФЯ мож- но унифицировать габаритно-уста- новочные размеры, шаг и размеры контактных площадок ПП, классы точности и чистоты обработки оп- ределяющих размеров и поверхно- стей. Типовая компоновка и монтаж ФЯ и блоков, унификация их типо- размеров, принципов размещения ИС и МС повышают их эксплуата- ционную надежность и взаимоза- меняемость, снижают трудоемкость сборки, контроля и регулировки. Конструкции микросборок пред- ставляют собой функционально-за- конченные изделия, они могут быть в корпусе или без него. Кор- пуса МС должны соответствовать ГОСТ 17467—78. Бескорпусные МС герметизируются в составе узлов и блоков, выполняются они, как пра- вило, по гибридно-пленочной тех- нологии с использованием актив- ных и пассивных элементов и (или) бескорпусных полупроводниковых ИС, размещаемых на керамических или ситалловых подложках. Пред- почтительные размеры подложек: 60X48, 60X24, 60X 16, 48X30, 48X20, 48X 15, 36X24, 30X24, 30X 16, 24X20, 20X15 мм. Высота бескорпусных МС не превышает 5 мм. Размеры подложек МС, уста- навливаемых в корпуса, определя- ются размерами монтажных площа- док корпусов. Внешними выводами бескорпус- ных МС могут служить проволочки, балочки, штыри или лепестки со- единяемые с контактными площад- ками, металлизированными отвер- стиями или пазами подложек (рис. 5.7). Выводы, контактные пло- щадки, отверстия или пазы разме- щаются по краям подложек в соот- ветствии с шагом координатной сет- ки ПП. Компоненты МС закрепляют на подложках клеем или пайкой с ис- пользованием методов защиты от воздействия статического электри- чества. Конструкция МС не должна допускать локальных перегревов элементов и компонентов, элементы и компоненты с температурными ог- раничениями нельзя располагать вблизи источников тепловыделений. Для повышения допустимой мощно- сти рассеяния бескорпусные МС мон- тируют на теплоотводящих металли- ческих шинах, являющихся частью Рис. 5.7. Схемы конструкций бескорпусных МС: 1 — подложка; 2 — зона расположения компонентов МС; 3 — выводы МС
5.2. Особенности РЭА на микроэлектронных компонентах 111 Конденсаторы -61 К16-ъ К1О-176 / КОПМа-й Транзисторы Рис. S.8. Схемы установки монтажа компонентов МС несущей конструкции узла, либо на тепловых трубках. Чтобы улучшить технологичность конструкций рекомендуется приме- нять минимальное количество типо- размеров подложек, а для соедине- ния МС с общей ПП узла использо- вать плоские печатные кабели. Установка, формовка выводов и мон- таж компонентов на подложке МС должны производиться в соответ- ствии с требованиями ТУ. Пайку вести припоями ПОС-61, ПСр ОС-3-58, ПСр- ЗИ, ПОСК-50-18, приклеивание — клеями марок В К-9, КВ К-68, Д-9. Если ме- ханическая прочность обеспечи- вается пайкой, клей можно не при- менять. На рис. 5.8 приведены при- меры установки и монтажа неко- торых компонентов на подложке МС. Правила конструирования МС уста- новлены ОСТ4 ГО.010.043 «Микро- сборки. Установка бескорпусных элементов и микросхем, Конструи- рование», Принципы созданяя высоконадежной аппаратуры Применение полупроводниковых ИС высокой степени интеграции позволило резко увеличить надеж- ность узлов и блоков РЭА, появи- лась возможность создавать устрой- ства, обладающие адаптивностью по отношению к внешним эксплуатаци- онным факторам. Жесткие требования к стабиль- ности электрических параметров в различных условиях эксплуатации накладывают ограничения на допу- стимые изменения напряжения пи- тания, передаточные характеристи- ки, диапазон рабочих температур. Требования высокой надежности ра- боты РЭА при аномальных изме- нениях входных сигналов или на- грузки (вплоть до короткого замыка- ния) заставляют вводить дополни- тельные цепи защиты от этих воздей- ствий.
5. Характерные типовые конструкции РЭА 112 В аппаратуре на дискретных ра- диоэлементах (или ИС с малой сте- пенью интеграции) дополнительные стабилизаторы и корректирующие цепи увеличивали габариты и вес узлов, поэтому использование вся- кого рода защитных схем было про- блематичным. Преимущества использования бе- скорпусных ИС и МС позволят по- новому решить проблемы создания РЭА высокой надежности. Схемы стабилизаторов напряжения и тока, регуляторы температуры подлож- ки, различные корректирующие и управляющие цепи, защитные эле- менты можно изготавливать на том же основании ИС или МС, на кото- ром расположена основная схема, без существенного увеличения раз- меров кристалла или подложки. По зарубежным данным, придание МУ свойств адаптивности к внешним эксплуатационным факторам мо- жет уменьшить интенсивность отка- зов на один элемент до IO-11 ... ... 10-15 ч-1. Поэтому представляется целесооб- разным использовать новые возмож- ности микроэлектронной технологии не только для разработки ИС или МС с улучшенными электрическими параметрами по отношению к вы- пускаемым (например, меньшая по- требляемая мощность, большее бы- стродействие и т. д.), а создавать принципиально новый класс ИС и МС, надежность которых будет на несколько порядков выше, чем у современных. Номенклатура и об- ласти применения таких особо на- дежных МУ с высокой плотностью упаковки ЭЛ должны быть тщатель- но проработаны с целью создания стандартных МУ. 5.3. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ РЭА [2, 3, 4, 6, 7]* Структура и состав РЭА В зависимости от степени сложно- сти ТК можно разделить на три конструктивных уровня: I— эле- ментная база (конструктивно и тех- * Составители А. М. Плотицкий, О. Д. Струков, Р. Г. Варламов. нологически неделимая совокуп- ность материалов), II —типовые ком- поненты (совокупность ТК 1 уровня и электрических и механических элементов, имеющая самостоятель- ное функциональное назначение), III — конструкция РЭА в целом (совокупность схемно и конструктив- но-технологически законченных из- делий). Конструкции несущих элементов ТК строят по принципу входимости корпусов (модулей) одного уровня (младшего) в корпуса (модули) дру- гого уровня (старшего) за счет со- четания условных рам, построенных в прямоугольных координатах. Внешняя граница этих рам опре- деляется внутренними размерами рам старшего уровня, а внутренняя — размерами рам младшего уровня. Поэтому можно строить новые кор- пуса, комбинируя условные рамы. Для частичного блока рамы, уста- новленные с передней и задней сто- рон, соединяют одной или несколь- кими рамами yz. В комплектном блоке соединение осуществляют ра- мой ху. Для стойки характерна одна рама yz, а пульт чаще всего состоит из рам ху и хг. Некоторые стороны рам не воплощают в мате- риале, а другие могут развиться, превращая раму в объемную кон- струкцию. Согласно принципу структурной иерархии элементы низших уровней входят в элементы верхних, в неко- торых вариантах возможны пере- ходные конструкции. При отсут- ствии их элементы отдельных уров- ней могут выпадать из структуры (табл. 5.2). Далее приводятся струк- туры основных ТК, которые имеют применение при проектировании РЭА (рис. 5.9). Размерная система. Размерная преемственность для несущих кон- струкций РЭА и ее аналогов отра- жена в отечественных стандартах, рекомендациях МЭК и СЭВ, норма- лях ведущих фирм, где даны ряды размеров и их сочетания. В основу размерной преемственности ТК кор- пусов РЭА в СССР положен модуль с размером 20 мм. Совместимость несущих конструкций РЭА в между- народном масштабе затрудняется применением модульных систем, построенных на основе размера
|.3. Типовые конструкции РЭА Дискретные элементы П уровень Рис. 5.9. Схематическое изображение конструкций ТК I, II и III уровней
Н4 5. Характерные типовые конструкции РЭА Таблица 5.2 Характер структурной иерархии ТК Элемент ТК Расположение направляющих Возможное размер- ное развитие Состав элемента ТК Каркас блока ча- стичного Каркас блока ком- плектного Каркас блочный переходной Корпус стойки Сверху и (или) снизу Сбоку Сбоку Сбоку По ширине лице- вой панели По высоте лице- вой панели По высоте лице- вой панели По высоте стойки ПП, мпп, тэз ПП, мпп, тэз, блоки частичные Блоки частичные (с последующей установкой ТК в стойку и пульт) Блоки комплект- ные и блоки ча- стичные (в кар- касах блочных переходных) Корпус пульта Сбоку (сверху и снизу) По высоте и ши- рине пульта То ясе 19"(482,6 мм), и тем, что этим раз- мером в одних странах обозначают лицевую панель комплектного блока, а в других — его каркас. Так, на- пример, в СССР, ГДР, ФРГ лицевые панели имеют размер 520 мм, кар- касы 480 мм, что соответствует ре- комендациям СЭВ, в ВНР, ПНР, ЧССР, США размеры лицевых па- нелей 482,6 мм, каркасов 444,4 мм (рекомендовано МЭК). В конкретных разработках мо- гут быть отклонения от размеров принятого модуля, так как сущест- вуют два способа назначения разме- ров на каркасы блоков и лицевых панелей. В первом способе номиналь- ный размер лицевой панели выби- рают, как правило, из ряда предпоч- тительных чисел. При установке в корпусе рядом двух блоков зазор между ними получается за счет до- пусков по системе вала. Во втором способе расстояние между блоками увеличивают введением нормирован- ного зазора по широкоходовой по- садке и уменьшают номинальный размер панели. Точность изготов- ления деталей при этом одинакова (рис. 5.10). Таким образом, не удается по- строить размерную основу, общую для всех ТК, а это затрудняет меж- ведомственную кооперацию в раз- работках, увеличивает сроки проек- тирования РЭА. Рис. 5.10. Схема полей допусков при системе вала (а) и широкоходовой посадке (б), h9 — расчетный размер, ftt — минимальный размер, ft — номинал с полем допуска П = Н—В
115 Таблица 5.3 5.3. Типовые конструкции РЭА Антропометрическая система на базе модуля 5 см Малая функция Основной ряд Большая функция Уб У 4 У? 1/2 1 1/2 Уз У 4 Уб У 5 — 1 У54-1 75 85 100 120 170 240 300 340 380 210 550 45 55 60 75 105 150 185 210 235 130 340 30 35 40 45 65 95 115 130 145 80 210 20 25 30 40 55 70 80 90 50 130 20 25 35 45 50 55 30 80 15 25 39 35 20 50 10 20 5 10 При разработке размерной си- стемы необходимо не только соблю- сти преемственность конструкции, но и найти оптимальную компози- цию изделия, уточнить внешний вид, выявить главные элементы компо- зиции. В процессе разработки ком- позиции изделие перестает быть ме- ханическим соединением модулей и приобретает завершенный характер. Модульная координация размеров должна обеспечивать не только про- стую соизмеримость входящих в си- стему числовых значений, но и строиться с учетом антропометрии, устанавливающей основные стати- ческие и динамические характери- стики рабочей позы оператора в по- ложении «сидя» и «стоя». Антропометрическая модульная си- стема (опирающаяся на совокупность правил координации геометрических параметров конструктивных элемен- тов, элементов объемно-пространст- венной структуры изделий и самих изделий) может быть создана на базе модуля, равного 5 см (табл. 5.3), и полиметрического модуля (табл. 5.4). В табл. 5.4 горизонталь- ные ряды строятся на основе свойств ряда Фибоначчи, а вертикальные — по законам арифметической прогрес- Таблица 5.4 Антропометрическая система на базе полиметрического модуля Модуль М Числа Фибоначчи I 1 2 1 з 5 8 13 21 1/2 5 10 15 25 40 65 105 1 10 20 30 50 80 130 210 2 20 40 60 100 160 260 420 3 30 60 90 150 240 390 630 4 40 80 120 200 320 520 840 5 50 100 150 250 400 650 1050 6 60 120 180 300 480 780 1260 7 70 140 210 350 560 910 1470 8 80 160 240 400 640 1040 1680 9 90 180 270 450 720 1170 1890 10 100 200 300 500 800 1300 2100 11 НО 220 330 550 880 1430 2310 12 120 240 360 600 960 1560 2520
116 5. Характерные типовые конструкции РЭА Блок частичный Блок комплектный Стойка (шкаф} ГОСТ ГОСТ ГОСТ 12863-67; 74849-69,- 20504-75 7.74...3О.7,- 1,7^...30,1; 0,58.59.1 22,3.99.8; 17.7...100; 9.2.М.5 — 274... 935 — 97,5.507 — 368.1083 Рис. 5.11. Объемы блоков частичных, бло- ков комплектных, шкафов и стоек: / — ГОСТ 12863-67, 2 — ГОСТ 14847-69, 3 — ГОСТ 20504-75 сии с разностями 10, 15, 25, ...,что способствует достижению соразмер- ности и целостности формы на еди- ной размерной основе. Эти системы пока мало используются в практике проектирования ТК, так как (осо- бенно первая) расходятся по номи- налу модуля с принятым в прак- тике проектирования РЭА размером 20 мм, хотя обладают эстетическими достоинствами. Сведения по геометрии ТК и их элементам, приводимые в норматив- ных документах, имеют вид, неудоб- ный для конструктора, так как не дают определяющего компоновочно- го параметра — объема. На рис. 5.11 даны пределы объемов (дм3) харак- терных компонентов ТК. Рис. 5.12. Каркас частичного блока из лис- товых штампованных элементов (а) и из алюминиевых профилей (6), каркас на- стольного прибора из алюминиевых профи- лей и литых стенок (в), бескаркасная стой- ка из листовой стали н литого основа- ния (г) в
5.3. Типовые конструкции РЭА Конструктивно-технологическое исполнение Для изготовления несущих эле- ментов ТК используют листовую сталь, штампованные стальные про- фили, алюминиевые листы, прессо- ванные профили и литые детали. При выборе материалов и кон- струкции несущего элемента ТК сле- 117 дует тщательно проанализировать их преимущества и недостатки, а также учесть производственные и техноло- гические возможности предприятия- изготовителя. Основные характе- ристики несущих конструкций, при- меняемых в различного вида РЭА, приведены в табл. 5.5. На рис. 5.12 даны примеры конкретных конструк- ций. Таблица 5.5 Основные характеристики несущих элементов ТК РЭА Конструктивно- технологическое решение Характеристика, эффективность Недостатки Применение Каркас и кор- пус из листов стали, гнутый профиль, свар- ка. Бескаркас- ные конструк- ции Высокая жест- кость и прочность конструкции, точ- ность размеров, хорошее качество поверхностей, хо- рошая экраниров- ка электрических цепей и надежное заземление метал- лических частей, низкий удельный вес сборочных ра- бот Необходимость специального обо- рудования (гибоч- ные прессы, сва- рочные агрегаты) Крупногабаритные стойки, встраива- ющиеся блоки, на- стольные приборы (мелкосерийное производство) Каркас из алю- миниевых про- филей, стенки и крышки из ли- стовой стали или листового алюминия Высокие эстетиче- ские характеристи- ки, простота кон- струкции, доста- точная прочность для небольших и средних размеров конструкций, от- сутствие необхо- димости в специ- альном оборудо- вании при изготов- лении конструкций Недостаточная жесткость больших конструкций (сто- ек, шкафов), боль- шая доля сбороч- ных работ (винто- вые соединения), плохое заземление металлических ча- стей, ненадежность соединений при транспортировке Преимущественно настольные прибо- ры, встраиваемые блоки (мелкосе- рийное и серийное производство) Корпус из ли- тых алюминие- вых частей и алюминиевых профилей В ысокие эстетиче- ские характеристи- ки, точность раз- меров, достаточная жесткость, эконо- мичность конструк- ции Плохое заземление металлических ча- стей, необходи- мость специально- го литейного обо- рудования Настольные прибо- ры, основания сто- ек, вставные бло- ки (серийное про- изводство)
118 5. Зарубежные типовые конструкции РЭА В социалистических странах типо- вые конструкции РЭА разрабаты- ваются, как правило, на основе ре- комендаций СЭВ. В странах — чле- нах СЭВ — реализована Междуна- родная универсальная система ав- томатического контроля, регулиро- вания и управления (УРС). Наи- более полное отражение она нашла в ГДР в системе типовых конструк- ций Ursamat и в стандартах «Единой системы типовых конструкций EGS». В основе проектирования кор- пусов электронных блоков системы Ursamat лежит модуль 20 мм. Ursamat включает 16 типов конструк- ций, которые позволяют благодаря большому числу типоразмеров обра- зовывать различные конструкции, от простых вставных блоков до боль- ших стоек и пультов управления (рис. 5.13). Система EGS позволяет создавать сложные устройства пу- тем сочетания типовых конструкций: от печатных плат до стоек и пуль- тов. В НРБ разработана система встав- ных блоков (180 разновидностей) и блочных каркасов для различной электронной аппаратуры — нормаль 016.0000 завода «Электроника». В ВНР на типовые конструкции блочно-модульной системы суще- ствует отраслевой стандарт KG MSZ 841.101/1-5. Этот стандарт раз- работан на основе рекомендаций МЭК ТК 45, особенностью его яв- ляется то, что за основной размер принята ширина лицевой панели, а размеры блоков по высоте и глубине изменяются по модулю 44,45 мм (1 все размеры в дюймах. На основе этого стандарта в ВНР раз- работана система ТК KONTASET, включающая частичные блоки, блоч- ные каркасы, комплектные блоки, кожухи настольных приборов, стой- ки, рамы, пульты. Все конструкции выполнены из алюминиевых профи- лей. В ПНР разработаны единые раз- меры на вставные и настольные бло- ки РЭА (инструкция 1-04-060 за- вода «ЭЛЬПО»). Основной размер (ширина лицевой панели) — 480 мм. В ЧССР применяется отраслевая нормаль завода Тесла, в которой за Характерные типовые конструкции РЭА основу взята ширина лицевой пане- ли 480 мм, размерный ряд построен на модуле 15 мм. Система ТК вклю- чает частичный блок, комплектный блок, стойку. В капиталистических странах су- ществует множество фирменных стандартов на ТК РЭА, например, система конструкций фирмы Марко- ни, система конструкций RETMA (США), ELMASET (Швейцария) и др. Все размеры выражены в дюй- мах. Как правило, эти конструкции выполняются из алюминиевых про- филей, литых элементов и штампо- ванных из листового металла стенок Наибольшее распространение полу- чили системы ТК САМАС (США — Франция—Канада) и Intermas (ФРГ). Модульный комплекс аппаратуры САМАС (Computer Applications for Measurements and Control) предна- значен для создания информацион- ных систем с цифровой обработкой информации. Система САМАС рег- ламентирует способы механического и электрического соединения от- дельных модулей, установленных в каркасе и блоках управления. Элек- трические схемы монтируют на пла- тах с двухсторонним печатным мон- тажом. Платы крепят внутри метал- лических каркасов стандартных бло- ков. Минимальная ширина блока 17,2 мм, высота 221,5 мм, глубина 306 мм, высота и глубина постоянны, а ширина передней панели меняется по модулю 17,2 мм, система включает в себя девять типоразмеров. Блоки, выполняющие различные функции, устанавливаются в отсеки общего стандартного механического каркаса (крейта), внутренняя ширина кото- рого 430 мм, высота 200 мм, глубина 360...525 мм. Система типовых конструкций Intermas разработана фирмами AEG, Telefunken и Hartman Braun в 1970 г. С помощью системы Intermas могут быть изготовлены как отдель- ные функциональные блоки, так и сложные устройства путем состав- ления наборных конструкций из элементов. Размеры элементов Intermas, определяющие систему, Рис. 5.13. Элементы ТК Сатае (а), Intermas (6), Ursamat (в)
5.3. Типовые конструкции РЭА 119 5лои частичный Парнас блочный Парнас йлочный (номглентный) Парнас
120 5. Характерные типовые конструкции РЭА ЛУ-7 Корпусной МЭУ Реснорпусной МЭУ Рис. 5.14. Структура УТК-Ш: бескорпусиая элемеитиая база КУ-0, корпусные, бес- корпусиые и многослойные МЭУ КУ-1, типовые элементы конструкции ТЭК КУ-2, блоки универсальные, малой и средней комплектации КУ-3 и РЭА из них с децентрализованной и цеитрализоваииой (поли- и моноблочной) компоновкой КУ-4
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА соответствуют принятым националь- ным нормам и международным ре- комендациям по конструированию электронных устройств, благодаря этому можно использовать приборы стандартных размеров других изго- товителей. В основу всех размеров конструкций Intermas положены раз- меры 44,45 мм (разграничение пане- лей по высоте) и 19" (482,6 мм) — ширина лицевой панели. Последняя может быть набрана из отдельных вставных блоков, шаг которых по ширине п X 5,08 мм (10 < п < 81). Вставные блоки устанавливаются в комплектные шасси размеров «3» и «6» (в один и два этажа), а шасси с блоками — в настольные кожухи, стойки, пульты. На всех уровнях конструкций предусмотрена коммута- ция электрических сигналов через разъемные контактные соединения. Система Intermas позволяет состав- лять электронные устройства любой сложности при высоких конструк- тивно-технологических и эстетиче- ских характеристиках. Известные системы других фирм близки систе- мам Intermas и САМАС, поэтому в на- стоящем справочнике они не рассмат- риваются. 5.4. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ РЭА* Стандартизация конструкций РЭА, развитие модульной техники, ограни- чение рядов типоразмеров компонен- тов конструкций, ориентация на со- временные методы конструирования, достижения микроэлектроники и про- грессивные технологические процес- сы позволили создать единую кон- структивную базу РЭА — комплекс УТ К, совместимый с автоматизиро- ванными методами проектирования и изготовления РЭА. Комплекс УТ К в зависимости от условий эксплуатации и конструк- тивно-технологических особенностей РЭА, в которой применяются эти конструкции, можно подразделить на следующие три класса: — УТК-1 — стационарная РЭА, предназначенная для работы в ота- * Составители Н. Г. Одинцов, Ю. В. Киселев, А. С. Калакин, А. Н. Фролов 121 пливаемых и неотапливаемых поме- щениях (категории 3 и 4 по ГОСТ 15150—69), — УТК-П —стационарная, полу- стационарная и подвижная РЭА, работающая на открытом воздухе, во временных помещениях и укры- тиях, палатках, на колесном и гусе- ничном транспорте (категории 1 и 2 по ГОСТ 15150—69 и 4 и 6 по ГОСТ 16019—78), — УТК-Ш—РЭА на ИС и МС, устанавливаемая на подвижных объ- ектах в труднодоступных местах и работающая на ходу в жестких усло- виях эксплуатации. Таким образом, каждый класс УТК предназначен для РЭА, работающей в одинаковых или сходных условиях эксплуатации. Состав комплекса УТК Комплекс УТК построен по ие- рархическому принципу и включает компоненты пяти конструктивных уровней (рис. 5.14; 5.15); — КУ-0: бескорпусные активные и пассивные микроэлементы в виде по- лупроводниковых транзисторов, дио- дов, диодных матриц, интегральных схем различной степени интеграции, пленочных резисторов и конденса- торов (табл. 5.6), — КУ-1: корпусные резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы, ИС широкого применения, реле, элементы сигнализации и ин- дикации, гибридные ИС частного применения, МУ средней и большой степени интеграции, — КУ-2: унифицированные пе- чатные платы для РЭА, разрабаты- ваемой на базе УТК-1, и УТК-П, ТЭК для РЭА, разрабатываемой на базе УТК-Ш, — КУ-3: частичные вставные бло- ки, комплектные блоки, блочные каркасы для РЭА, разрабатываемой на базе УТК-1 и УТК-II, и несущие конструкции малогабаритных блоков для РЭА, разрабатываемой на базе УТК-Ш, — КУ-4: несущие конструкции стоек, шкафов, пультов управления, распределительных щитов, прибор- ных корпусов для РЭА, разрабатыва- емой на базе УТК-1 и УТК-П, и не- сущие конструкции агрегатирован- ных систем и подсистем малогабарит-
122 5. Характерные типовые конструкции РЭА Таблица 5.6 Бескорпусная элементная база Тнп элемента Размеры кристалла IXbXh Монтажная площадь, мм’ Выводы Интегральные микросхемы Серия 129 1.7X1,2X0,8 5,3 6-П Серия 703 1,8X1,8X0,8 3,24 14-Ш Серия 734 1,8X1,8X0,8 13,8 14-П Серия 739 1,45X1,45X0,8 2,25 8-Ш Серия 740 1,55X1,55X0,8 11,7 8-П Серия 756 1,6X1,6X0,8 2,56 14-Ш Серия 775 1,5X1,5X0,8 2,25 8-Ш Транзисторы 2Т202 1X1X0,8 3,3 з-п 2Т307 0,75X0,75X0,8 2,5 з-п 2Т317 1X1X0,8 2,8 з-п 2Т377 2X2X0,8 11,3 з-п 2Т381 1X1X0,8 2,8 з-п 2П201 1,2X1,2X0,8 4.8 з-п Диоды и диодные матрицы 2Д901 1,2X1,2X0,8 4,8 з-п 2Д907 1X1X0,8 7,4 4-П 2Д917 1X1X0,8 7,4 4-П Конденсаторы КТП-1 2,2X2,2X0,6 9,7 2-П КТП-2 3,5X3,5X0,6 20,2 2-П Резисторы РТП 1X2X0,6 4,3 2-П Примечание. Цифры обозначают число выводов, буквы — конструкцию: П — про- водочные, Ш — шариковые. ной и микроминиатюрной РЭА, раз- рабатываемой на базе УТК-Ш. Каждый уровень объединяет кон- струкции одинаковой сложности, причем компоненты высших КУ включают в себя сочетания компо- нентов низших КУ. Границы раздела между КУ — КС01; КС12; КС23; КС34 являются «конструктивными сечениями», по которым обеспечи- вается электрическая и механическая стыковка компонентов смежных КУ. Классы УТК-1 и УТК-П имеют единую номенклатуру и общее кон- структивное исполнение компонен- тов 1-, 2-, 3-КУ, что обеспечивает преемственность и взаимозаменяе- мость конструкций на уровне пе- чатного узла и частичного блока (рис. 5.15). Структура и состав УТК-Ш от- личаются от УТК-1 и УТК-П ши- роким применением бескорпусной элементной базы (микроминиатю- ризация и надежность), т. е. введе- нием нулевого КУ. Разделение комплекса УТ К на пять конструктивных уровней вме- сто трех обусловлено необходимостью выделить ряд компонентов в само- стоятельные группы, что не противо- речит общепринятому в Справочнике подходу, так как нулевой и первый уровни представляют первый уро- вень конструкций РЭА, второй и тре- тий уровни УТК — компоненты вто-
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА 123 УТК-1 и УТК-1 Рис. 5.15. Структура УТК-1 и УТК-П
5. Характерные типовые конструкции РЭА 124 рого общепринятого уровня, а ком- поненты четвертого уровня УТК являются одновременно компонен- тами третьего уровня конструкции РЭА. Конструкция и размеры компонентов УТК-I и УТК-П Основными конструкционными ком- понентами УТК-1 и УТК-П явля- ются четыре унифицированные ПП трех типоразмеров (рис. 5.16): 140X 150, 160X220, 160X280. ПП 140X 150 и МПП 140X150 мм предназначены для «кассетной» ком- поновки блоков комплекса и являют- ся конструктивным эквивалентом ТЭЗ ЕС ЭВМ, что обеспечивает кон- структивную совместимость комплек- са с единой конструктивной базой, разработанной для ЕС ЭВМ, ПП 160X220 предназначены для «книж- ной» компоновки блоков комплек- са, а ПП 160X280 — для установки в частичный блок. Размеры ПП выбраны по ГОСТ 10317—72 и определены типо- размерами частичных вставных бло- ков комплекса УТК- ПП в зависимости от типа корпуса и количества устанавливаемых ИС имеют несколько вариантов тополо- гии печатного поля верхнего слоя платы (рис. 5.17). Варианты I, 2, 3 предназначены для установки и ком- мутации соответственно 30, 54, 48 ИС в корпусе типа К401.14. Вариант 4 — для установки 36 ИС в корпусе типа К151.15, вариант 5 — для установки 10 ИС в корпусе К151.15 и 25 ИС в корпусе K401.I4, вариант 6 — для установки 40 ИС в корпусе К402.16. Двухслойные ПП изготавливают- ся из фольгированного диэлектри- ка, марки которого регламентирова- ны соответствующими ГОСТ и ОСТ. МПП 140Х 150 изготавливаются по методу сквозной металлизации из травящихся фольгированных элект- роизоляционных материалов и содер- жат 4...8 печатных слоев. ПП 140X150, МПП 140X150, ПП 160X280, предназначенные для «кассетной» компоновки блоков, име- ют стандартный выходной разъем типа ГРПМ-1 на 60 или 90 контактов. ПП 160X220, предназначенная для «книжной» компоновки частичных блоков, имеет систему выходных контактов для подсоединения внут- риблочного жгутового монтажа или плоского кабеля (рис. 5.18). Плоские ленточные кабели марок ЛФ и ЛФЭ ТУ16-505, 682—74 ра- ботоспособны после воздействия на них солевого тумана, бензина, ке- росина и масел, работоспособны при температуре й —60... + 200° С, влаж- ности 98% (при О 35° С), вибрации с частотой 1....2000 Гц и ускорением до 200 м/с2(~20£), линейных пере- грузках 250 м/с2 (~25 g) и ударах с /п 1...3 мс и ускорением 1500 м/с2 (~ 150 g). Число жил в кабеле ЛФ: 4, 7, 10, 14, 19, 24 и 32, сечения про- водов, 0,03, 0,05, 0,08, 0,12, 0,2, 0,35, 0,5 мм2. У кабеля ЛФЭ (экра- нированного) число жил 4, 7, 10, 14, 19, 32 сечением 0,08, 0,12 и 0,2 мм2 Кабели на основе дублированных пленок работоспособны в пределах следующих норм: влажность 98% при $ 35°С, частота вибрации 1...5000 Гц с ускорением до 30 g, линейные перегрузки до 500 g, удары с 1...3 мс и ускорением 150 g при Unca ~ 500 В. Рабочая температура кабелей с лавсано-по- лиэтиленом ПЭТФ + ПЭ А© — — 60...+85“ С, с полиимид-фторо- пластом — 90...+200° С. Число жил в этих кабелях 2, 5, 10, 20, 32 и 50 при сечениях 0,03, 0,05, 0,08; 0,12, 0,2 и 0,35 мм2. Ширина одной жилы 0,5, 0,6 при шаге укладки 1,25 мм и толщине 0,21...0,26 мм. При ширине 1 мм соответственно 2,5 и 0,24...0,28 мм. В конструкциях компонентов КУ-3 и КУ-4 для УТК-I и УТК-П применены стандартные алюминие- вые профили (рис. 5.19), детали, вы- полненные литьем под давлением из алюминиевого сплава АЛ-9, профи- лированные штампованные детали из листового алюминиевого сплава АМЦ, клеевинтовые соединения на основе клея К-400. Это обеспечивает высокую технологичность конструк- ций комплекса, минимальную трудо- емкость на сборочных операциях: Номенклатура частичных блоков охватывает 59 типоразмеров (рис. 5.20). Блоки типа 1,4 предна- значены для размещения ИС и кор- пусных ЭРЭ. Основные элементы конструкции блоков: ПП 160X280, передняя панель, направляющие.
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА Рис. 5.16. Унифицированные ПП для УТК-I и УТК-П
126 5. Характерные типовые конструкции РЭА 2 Рис. 5.17. Варианты (1...6) топологии верхнего слоя унифицированных ПП
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА 127
128 5. Характерные типовые конструкции РЭА Блок типа 7 предназначен для «книжной» компоновки ПП 160Х Х220, блок типа 8, с шириной пе- редней панели L = 200 мм — для «кассетной» компоновки ПП 140 X X 150 и МПП 140Х 150. Блоки типа 3, 5, 6 рассчитаны для установки объ- емных функциональных узлов, круп- ногабаритных ЭРЭ, электромеха- нических устройств и элементов пи- тания. В блоках типов 2, 3 основными несущими элементами являются ли- тые алюминиевые рамки, в блоках типа 4...8 —детали из стандарт- ного алюминиевого профиля ПС 885-800 (при L = 20, 40, 60, 80, 100, 120, 160) и ПС 885-798 (при L = 200, 240, 320, 400). Блоки ти- пов 2, 3, 5, 6, 7, 8 имеют передние и задние панели, выполненные штам- повкой из листового алюминия, де- тали технической фиксации блока. На задней панели находятся стан- дартные разъемы типа ГРПМ-2 на 60, 90 или 120 контактов. На перед- ние. 5.19. Профили Для шасси частичных блоков (а) и для каркасов стоек (б) б ние панели блоков вынесены органы управления, регулировки, индика- ции, контроля и т. п. Основным несущим элементом ком- плектных блоков (рис. 5.21) явля- ются литые рамы, к которым крепят- ся передняя и задняя панели. Блок укомплектован съемными боковыми, верхней и нижней крышками, вы- полненными штамповкой из листо- вого алюминия. На задней панели блока имеются разъемы типа ШР и 2РМД. В комплектных блоках размещают крупногабаритные блоки питания, электромеханические и индикатор- ные устройства. Блоки имеют одно конструктивное исполнение (только для УТК-1). На рис. 5.21 изображены блочные каркасы комплекса УТК, промежу- точные конструктивные компонен- ты, служащие для объединения ча- стичных вставных блоков в суббло- ки. Они представляют самостоятель- ные технологические единицы, со- бираемые и монтируемые незави- симо от остальных конструктивных компонентов РЭА. Блочные кар- касы комплекса УТК выполняются в двух конструктивных вариантах (для УТК-1 и УТК-П). Несущим элементом блочного кар- каса служит базовый каркас, ос- новными элементами которого яв- ляются стяжки из стандартного про- филя и штампованные из листового алюминия боковины. Конструктив- ные варианты блочного каркаса от- личаются только устанавливаемой на базовый каркас арматурой (руч- ки, кронштейны под разъемы, эле- менты фиксации и закрепления). Электрические соединения между ча- стичными блоками в блочных кар- касах выполняются либо объемным монтажом, либо с помощью коммута- ционной МПП. На рис. 5.22 показаны конструк- ции стоек различного назначения, предназначенные для РЭА, разра- батываемой на базе УТК-1 и УТК-Н соответственно. Стойки УТК подраз- деляются на открытые (тип I) и за- крытые, или шкафы (тип П) (рис. 5.23). Конструкцию стоек образуют ба- зовый каркас из стандартных алю- миниевых профилей и набор элемен- тов различного назначения: щиты,
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА 129 основания, дверцы, панели для разъ- емов, направляющие, электроэле- менты, шины питания, детали уста- новки и фиксации различных уст- ройств (например, лентопротяжных механизмов и графопостроителей) и т. п. Базовый каркас стойки выполняет- ся в двух вариантах, в зависимости от того, на какой основе (УТК-1 или УТК-Н) разрабатывается РЭА. Каркасы отличаются размерами (для УТК-П ограничением являются размеры объекта, стандартные люки и проемы, через которые транспор- тируются стойки) и конструкцией узлового соединения профилей, что обусловлено более высокими требо- ваниями к жесткости каркаса для стоек УТК-Н. Для разработки быстродействую- щих цифровых устройств РЭА в ком- плект конструктивных элементов сто- ек включены: блок-панели (взамен блочных каркасов), рамы, специаль- ная монтажная и крепежная арма- тура, Использование этих элементов позволяет производить рамную ком- поновку РЭА на базе стойки для УТК-1, при этом в стойке размеща- ются две подвижные рамы (рис. 5.24). На рамах устанавливается по 3— 4 блок-панели, в каждой из которых можно разместить до 40 ПП 140Х X150, или МПП 140X 150, или ТЭЗ ЕС ЭВМ. Рамная конструкция стойки обеспечивает совместимость комплекса УТК с единой конструк- тивной базой ЕС ЭВМ на уровне стойки, максимальную плотность компоновки РЭА на всех КУ, ми- нимальную длину электрических свя- зей в объеме одного или нескольких функциональных блоков. Для реализации устройств спе- циального назначения — магнитных и графических регистраторов, пуль- тов УТК-Н — имеется номенкла- тура специальных конструктивных элементов (рамы, кронштейны, две- ри специальной формы, поворотные и запирающие механизмы, фикса- торы) (рис. 5.25). Конструкции стоек всех типов позволяют применять в них как ин- дивидуальную (в виде автономного блока), так и централизованную приточно-вытяжную вентиляцию. Для приточно-вытяжной вентиля- ции в стойках предусмотрены воз- Gjiovm/if ю/риас УТК-1 Рис. 5.21. Схема конструкций блочных кар- касов и комплектный блок УТК (внизу)
130 5. Характерные типовые конструкции РЭА Рис. 5.20. Схема конструкций частичных блоков УТК
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА | Z | ZZ7 | ^ | | | ZZ^I 1W 1100I WO\UO\ 52271 4^1
132 5. Характерные типовые конструкции РЭА УТК-П
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА 133 I-Nl/i 5.22. Схема конструкций стоек УТК
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА 135 5. Характерные типовые конструкции РЭА 134 духоводы с каналами входа и вы- хода. Следующей группой компонентов КУ-4 УТК-I и УТК-П являются приборные корпуса различной кон- струкции. Приборные корпуса УТК-1 (рис. 5.26) комплектуются частич- ными вставными блоками непосред- ственно или через блочный каркас и комплектными блоками. Они мо- гут быть выполнены в виде настоль- ной и переносной конструкции. Ос- Рис. 5.23. Схема конструкции стоики открытого (а) и закрытого (б) исполнения новными конструктивными элемен- тами настольных корпусов являются передняя и задняя литые рамки, стяжки из стандартного алюминие- вого профиля, быстросъемные боко- вые щиты и крышки из листового алюминия. Переносные корпуса имеют переднюю литую рамку с обе- чайкой и штампованные крышки. Кроме основных конструктивных элементов, корпуса комплектуют- ся широкой номенклатурой уста- новочных, крепящих и фиксирую- щих деталей (ручки, замки, крон- штейны, опоры и т. д.). Электрические разъемы устанав- ливаются на специальных кронштей- нах и панелях на задней стороне корпуса. Откидывающаяся ручка у переносных корпусов позволяет уста- навливать корпус наклонно к пло- скости опоры. Приборные корпуса УТК-П (рис. 5.27) предназначены для раз- мещения частичных блоков или блоч- ных каркасов, а также специальных устройств индикации и контроля. Основными элементами приборных корпусов являются литые (верхнее и нижнее) основания, боковины из специального профиля, передняя (отрывающаяся) и задняя (неподвиж- ная) крышки, арматура крепления и фиксации, влагозащитные уплот- нения. На задней крышке или сбоку уста- навливаются разъемы электрическо- го входа — выхода непосредственно или через переходной элемент. Кон- струкции приборных корпусов УТК-П обеспечивают возможность агрегатирования их в стойки. Одной из конструктивных разно- видностей приборных корпусов УТК-П являются настенные щиты (рис. 5.28) для размещения специаль- ных распределительных и коммута- ционных устройств. Относительно самостоятельную группу компонентов КУ-4 УТК-1 составляют конструкции пультов, которые предназначены для построе- ния устройств оперативного управ- ления радиоэлектронными систе- мами, отображения получаемой в системах информации, контроля ре- жимов работы и оперативного обна- ружения неисправностей в системах. Это компоненты УТК, которые на- ходятся в непосредственном контак- те с человеком, что обусловило спе- цифику их конструктивного испол- нения и соотношения между раз- мерами отдельных конструктивных элементов. Конструкции пультов (рис. 5.29) построены по модульному принци- пу, что обеспечивает гибкость и преемственность при построении раз- личных устройств и систем управ- ления и отображения информации. Основные модули пультов — па- нели, корпуса, основания, крышки, рамы. Сочетания конструктивных мо- дулей позволяют получить множество модификаций. Так, пульты могут быть одно-, двух- и трехсекционны- ми, с тумбами и без них (облегчен- ными), с приборными отсеками и па- нелями управления и без них. Частные и общие конструктивные решения, используемые в конструк- Рис, 5.24. Схема конструкции стойки с ТЭЗ ЕС ЭВМ
5. Характерные типовые конструкции РЭА Мгг/ш/я/м/е регяя/яря/шнш стационара (УТК-1) полные (утк-щ Рис. 5.25. Схема конструкций стоек для магнитных и графических регистраторов
.4. Универсальные типовые конструкции РЭА Рис. 5.26. Схема конструкций настольного (а) и переносного (б) приборных корпусов
Рис. 5.27. Схема конструкции приборных корпусов УТК-П Рис. 5.28. Схема конструкции приборных корпусов для распределительных и коммутационных устройств >. Характерные типовые конструкции РЭА 5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА
140 5. Характерные типовые конструкции РЭА Рис. 5.29. Схема конструкции пультов с использованием частичных вставных блоков, блочных каркасов и комплектных блоков
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА циях основных модулей, заимство- ваны из конструкций стоек приборов, блочных каркасов УТК-1. Конструкция тумбы является од- ним из типоразмеров (наимень- шим) стойки УТК-1. Несущие кар- касы секций бестумбового варианта выполнены из того же набора стан- дартных профилей, что и каркасы стоек, и имеют те же элементы и технологические приемы стыковки профилей. Кроме основных конструктивных модулей, в конструкциях пультов применена широкая номенклатура несущих, установочных, фиксирую- щих и направляющих элементов, за- имствованных из конструкций других компонентов УТК-1. Пульты управ- ления, стойки и приборные корпуса компонуются единой номенклатурой ПП и частичных блоков, что обеспе- чивает преемственность и взаимо- заменяемость в разрабатываемой на основе УТК-1 и УТК-П РЭА по всем компонентам КУ-4. Для защиты компонентов КУ-4 УТК-П от влаги применяют рези- новые уплотнители и специальные прижимные замки, а для защиты от механических воздействий — переход- ные конструктивные элементы, поз- воляющие устанавливать компо- ненты на амортизаторах типа АКСС. Электрические соединения КУ-4 УТК-1 и УТК-П обеспечиваются разъемами типа ШР, СШР и 2РМД. В устройствах СВЧ применяются стандартные ВЧ разъемные соеди- нения. Конструкция и размеры компонентов УТК-Ш Универсальные типовые конструк- ции III конструктивного уровня от- личаются от УТК-1 и УТК-П со- ставом компонентов, элементной ба- зой, технологическими методами из- готовления компонентов конструк- ций, требованиями, предъявляемы- ми к малогабаритной РЭА на ИС, и условиями ее эксплуатации. Основными компонентами УТК-Ш являются микроэлектронные узлы, изготовленные по гибридно-пленоч- ной интегральной технологии кор- пусного, бескорпусного однослой- 141 ного и многослойного ТИПОВ (КУ-1, рис. 5.14). Основным несущим элементом МУ является плата, представляющая со- бой подложку из вакуумплотного ма- териала (ситалл, стекло, «поликор», сапфир) с сформированными на ней методом фотолитографии пассив- ными функциональными элементами схемы (резисторами, проводниками, контактными площадками) и защит- ным слоем. На ней устанавливают бескорпусные активные и пассивные элементы (см. табл. 5.6). Корпусные МУ предназначены для применения в негерметизированной малогабаритной аппаратуре. Для за- щиты от внешних воздействий под- ложки с элементами заключают в металлические корпуса типов 252МС15-1 (подложка 15x8 мм) и 253МС15-1 (подложка 15X16 мм), имеющие 15 выводов (один корпус- ной). Выводы (кроме корпусного) расположены с шагом 2,5 мм. Плот- ность компоновки элементов 10 см-2. Подложка с навесными элементами приклеивается к основанию корпуса клеем В К-9. Выходные контактные площадки и выводы корпуса соеди- няются перемычками из золотой про- волоки диаметром 0,05 мм. Герме- тизация осуществляется электронно- лучевой (вакуум в корпусе около 133 мкПа (10-е мм рт. ст.)) или кон- денсаторной (заполнение корпуса су- хим азотом или гелием) сваркой. Положительным качеством кор- пусных МУ является то, что их можно применять в негерметизиро- ванной РЭА, а корпус служит допол- нительным экраном. МУ допускают автоматизацию монтажно-сбороч- ных работ, имеют большой срок хра- нения. К недостаткам корпусных МУ можно отнести низкую степень интеграции, неремонтопригодность, малое число выходов. Бескорпусные МУ применяют в герметизированной РЭА на ИС. Конструкция МУ представляет со- бой однослойную плату — подлож- ку (30X 12, 30X16, 30X24) с напы- ленными резисторами и навесными активными и пассивными элемента- ми, 44 выходные контактные пло- щадки с шагом 1,25 мм расположены вдоль двух сторон платы (по 22 на каждой стороне). Электрические сое- динения между МУ и ПП выпол-
142 5. Характерные типовые конструкции РЭА няются контактной сваркой ( термо- компрессией или расщепленным элек- тродом) с помощью перемычек из золотой проволочки 0 0,05 мм. Плот- ность компоновки 100 см-2. Основные преимущества бескор- пусных МУ перед корпусными: вы- сокая степень интеграции, ремонто- пригодность, низкая себестоимость, большое число выходов; недостатки: небольшой допустимый срок хране- ния, невозможность экранировки каждого МУ, сложность автоматиза- ции монтажно-сборочных работ. Бес- корпусные многослойные МУ предна- значены для работы в герметизи- рованной малогабаритной РЭА, раз- меры их такие же, как и однослой- ных. Рис. 5.30, Схема конструкции ТЭК (а) и пе- чатной платы (б) Ti/лово/} элеггешп ноналращсш-ТЭК а Констр/ря/ия ллаты б На подложке формируется первый слой коммутации, резисторы малой точности, резисторы с повышенной мощностью рассеивания. Второй и третий коммутационные слои нано- сятся напылением на полиимидную пленку ПМФ-351. На втором слое формируются контактные площадки для электрических переходов между первым и вторым коммутационными слоями и стандартная система выво- дов МУ. Электрический контакт меж- ду первым и вторым слоями осу- ществляется через гальванически вы- ращенные столбики на проводниках полиимидной пленки (второй слой), а между вторым и третьим — через переходные металлизированные от- верстия, получаемые одновременно с коммутацией. На третьем слое создаются контакт- ные площадки для подсоединения бескорпусных полупроводниковых активных элементов и пассивной «мо- заики». Коммутация, контактные площадки и межслойные переходы покрыты оловянно-висмутовым при- поем. Между подложкой и полиимид- ной пленкой с коммутационными сло- ями помещается перфорированная изоляционная прокладка с клеевым слоем толщиной 0,05 мм. Перфора- ция осуществляется в местах фор- мирования электрических переходов с первого на второй коммутационный слой. Полиимидная пленка, изоля- ционная прокладка и ПП собирают- ся в пакет, который под давлением нагревается до температуры плавле- ния сплава олово-висмут, благодаря чему получается монолитная много- слойная структура с межслойными переходами. Плотность компоновки элементов 200 см-2. Бескорпусные многослойные МУ обладают повышенной степенью ин- теграции, позволяют автоматизи- ровать процесс разработки тополо- гии, при изготовлении МУ не при- меняется дорогостоящее золотое по- крытие, отсутствуют навесные пере- мычки, стандартная система выводов обеспечивает групповую пайку при установке МУ на печатную плату. Недостатком таких МУ является то, что они требуют большого объема КД, специализированного техноло- гического оборудования, кроме того, у них нельзя ремонтировать внут- ренние слои.
5.4. Универсальные типовые конструкции РЭА 143 Таблица 5.7 Параметры ПП ТЭК при односторонней компоновке Типоразмер 1, мм 5общ. см2 О МОНТ’ СМ2 5эрэ’ СМ2 5 ВЫХ’ см! АГ1 N3 Ni N:, "вых I 65 65 44 4,4 5,8 4 4 6 18 20 37 II 95 95 65 9 9,8 6 8 10 30 33 59 III 120 120 82 12 13 8 10 12 42 45 74 IV 150 150 103 15,6 14,5 10 12 16 54 57 98 Примечания: I, ЛЛ, Nt и Ni — максимальное число бескорпусных компонентов на подложках размеров 30X24, 30X16, 30x12 мм. 2. — максимальное число ИС в корпусе 101.CT14-I, — в корпусе типа «Посол». 3. Л^вых — максимальное число выходных кой- тактов. Унифицированной основой, опре- деляющей типоразмеры компонен- тов КУ-3 УТК-Ш, являются ТЭК. Основными элементами ТЭК являют- ся печатная плата 1 (рис. 5.30, а), несущая рамка-основание 2, рамка- вкладыш 3, колодка монтажная 4, крышка-экран 5. При необходимости применяют дополнительные теплоот- воды 2 для платы 1 (рис. 5.30, б). Конструктивно-компоновочные ха- рактеристики ТЭК даны в табл. 5.7. Способ изготовления МПП—элек- трохимический со сквозной метал- лизацией отверстий. Внешние слои МПП являются опорными для компо- нентов и выполняют функции несу- щей основы, теплоотвода, заземляе- мой шины. МПП изготавливаются из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,5 мм и имеют окна в местах электрических соединений компонентов с контакт- ными площадками платы. Применение в качестве клеящей основы для внешних слоев демпфи- рующих материалов типа специаль- ного клея КВ К-68 или мастики ИКЛ-60 обеспечивает защиту от ме- ханических воздействий. Монтажная плата крепится клеем типа ВК-9 в несущей рамке-осно- вании, которая изготавливается из алюминиевого сплава АЛ-2 мето- дом литья под давлением и имеет фиксирующие элементы, обеспечи- вающие жесткость конструкции ТЭК и их фиксацию относительно друг друга при сборке в блоке. Монтажные колодки из АГ-4В обеспечивают электрические сое- динения ПП и являются дополни- тельными конструктивными элемен- тами системы монтажа блока. Их ли- нейные размеры и число контактов унифицированы. Шаг между контак- тами 1,25 мм. Для создания в РЭА на ИС еди- ной системы заземления внешние слои ПП имеют электрические сое- динения электропроводным клеем с несущей рамкой и с общей зазем- ляемой шиной ПП, выходящей на крайние контакты монтажных ко- лодок. Для защиты бескорпусных МУ от световых, электрических и механи- ческих воздействий в процессе изго- товления применяются штампован- ные из листового алюминия АМЦ крышки-экраны. ТЭК устанавливают в компоненты КУ-3 УТК-Ш: корпуса блоков мало- габаритной РЭА.
144 5. Характерные типовые конструкции РЭА Блоки УТК-Ш подразделяются на автономные блоки малой комп- лектации (тип I), средней комплек- тации (тип II) и блоки универсаль- ные (тип III) (рис. 5.31, 5.32, табл. 5.8, 5.9). Основными элемен- Рис. 5.31. Блоки УТК-Ш: тип I (а), тип П (б) и тип III (в). а тами блоков УТК-Ш являются ли- тые корпуса-основания, штампован- ные кожухи, литые верхние крышки (для блоков типа II). Все элементы имеют четырехслойное покрытие (медь—никель—олово—свинец). ТЭК одного типоразмера собирают в вер- тикальные пакеты и крепят винтами к корпусу-основанию, при этом ТЭК с блоком питания располагают первым от основания. На корпусе-основании устанав- ливают межблочные электрические разъемы типа МР-1, штыри зазем- ления и штенгель для заполнения блока инертным газом (например, азотом), амортизаторы типа МР или элементы закрепления блоков на объекте и в компонентах КУ-4. В зависимости от типа блока разъ- емы могут находиться на боковой поверхности (тип I), на верхней (тип II) и на специальном выступе (тип III). Штыри заземления и штен- гель впаиваются в корпус-основа- ние. Монтаж выполняется проводом марки ФД-100 сечением 0,03 мм2 (сигнальные цепи) и 0,07 мм2 (цепи питания). Провода с помощью резиновой пластины образуют специальную пло- скую монтажную матрицу, которая в корпусе-основании блока собира- ются в общий жгут, который раз- ветвляется на разъемы. Заземляемая цепь блока объеди- няет крайние контакты монтажных колодок ТЭК с общим штырем ос- нования и через выходные разъемы блока соединяется с общей цепью системы. После настройки и регулировки блок герметизируют, т. е. заключают в кожух и заливают места механи- ческих соединений герметиками ти- па виксинта «Победа», силпена, ВГО-1 и т. п. Допускается герме- тизация путем запайки легкоплавки- ми припоями либо полиэтиленом. Способ герметизации выбирается кон- структором. Газонаполнение (последняя опе- рация сборки блока) производится через штенгель, который затем отку- сывается и запаивается. Вакуумная герметизация блока и заполнение сухим газом—необходимые условия работоспособности РЭА с бескорпус- ными МУ.
5.2. Особенности РЭА иа микроэлектронных компонентах в Рпс. 5.32. Схема конструкции блоков УТК-1П? / — амортизатор из МР, 2 — схема герметизации» 3 ~ схема раскрытия ТЭКов Компонентами КУ-4 УТК-Ш яв- ляются агрегатированные миниа- тюрные радиоэлектронные системы различного функционального назна- чения. Предусмотрены три схемы компоновки агрегатированных си- стем: децентрализованная, централи- зованная полиблочная и централизо- ванная моноблочная. Характерные признаки децентрализованной схе- мы компоновки: пространственная гибкость системы, возможность раз- мещения ее отдельных блоков-ком- понентов КУ-3 в различных местах Параметры ТЭК Таблица 5.8 Типоразмер Z, мм V, см3 А^кол Леконт А/общ I (II) 69 58(73) 1(2) 37 37(74) III (IV) 99 84(105) 1(2) 59 59(118) V (VI) 124 105(131) 2(4) 37 74(158) VII (VIII) 154 130(163) 2(4) 49 98(196) Примечания: 1. Данные в скобках относятся к двусторонней компановке. 2. Л/кол— число монтажных колодок. Кконт — число контактов в одной монтажной колодке. Уобщ — число выходных контактов.
140 5. Характерные типовые конструкции РЭА Таблица 5.9 Характеристики корпусов блоков Тип н типоразмер Число ТЭК V, см’ тп, г ^Вых I 2 600 660 200 3 900 1 000 200 4 1200 1 300 200 11 4 1000 1100 600 6 1500 1 650 600 8 2000 2 130 600 Ш-1 2...6 370. .840 400. .900 200 Ш—II 520. .1160 560. . 1250 202 III—III 530. . 1420 680. . 1530 304 III—IV 770. . 1880 830. . 1880 406 Примечания: 1. Объем электронной части блоков 0,23...0,48, питания — 0,15...0.43, механической — 0,02...0,9, амортизации 0,09...0,11, монтажа и разъемов — 0,08...0,17 и 0,04...0,11 общего объема (Уобщ). 2. Л'вых— максимальное число выходных контактов. 3. Ш—1...Ш—IV—1,,.4-й типоразмеры ячеек. на объекте с последующим объеди- нением их в систему кабельной се- ти, индивидуальная защита каж- дого блока от механических воздей- ствий. Централизованные полиблочные схемы построения отличаются от де- централизованных однозначной про- странственной фиксацией блоков от- носительно друг друга, возможностью применения единой системы защиты от механических воздействий на уровне системы, уменьшением объ- ема и массы системы за счет сокра- щения длины кабельных соедине- ний. Объем и масса систем, устанав- ливаемых по децентрализованной (дцк) или централизованной (цк) схеме, связаны следующими соотно- шениями: Удцц = 1,25 Уцк; тдцк = = 1,5 гМцк- Централизованная моноблочная компоновка сохраняет основные пре- имущества полиблочной, не имеет компонентов III уровня (собирается сразу из компонентов КУ-2), не имеет кабельной сети (монтаж в си- стеме выполняется так же, как в ти- повом блоке) и потому дает макси- мальный выигрыш в объеме и весе РЭА на ИС. Проведенная классификация уни- версальных типовых конструкций УТК, иерархический принцип по- строения комплекса, использование элементной базы всех трех типов: 1Д — дискретных элементов, 1М — интегральных микросхем различной степени интеграции, 1С — инте- гральных бескорпусных микросбо- рок и бескорпусных ИС, ограниче- ние до минимума типоразмеров ос- новных функциональных и конструк- тивно-технологических компонентов в виде МУ и ПП, оптимальная пол- нота номенклатуры компонентов на уровнях КУ-3 и КУ-4, общность кон- структивных решений внутри каж- дого класса и их максимальное за- имствование в конструкциях других
5.1. Принципы построения размерно-параметрических рядов классов УТК обеспечивают комплек- су универсальность, гибкость и эф- фективность, особенно при автома- тизированных методах проектирова- ния и изготовления РЭА на базе си- стемы автоматизации проектирова- ния и современной технологии. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Анисимов Б. В.; Савельев А. Я- Основы конструирования и про- изводства ЭВМ,— М.: Высшая школа, 1972. 2. Варламов Р. Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры, — 2-е изд., перераб. и доп.— — М.: Сов. радио, 1975. 3. Комплекс типовых конструкций операторского оборудования АСУТП.—Л: Каталог /Мин-во приборостроения, средств авто- матизации и систем управления СССР, 1971. 4. Композиция и стандарт. Под ред. Г. Б. Минервина, М. В. Федо- рова/ВНИИТЭ,— М., 1971. 5. Конструирование микроэлект- ронной аппаратуры (Под ред. Б. Ф. Высоцкого. — М.: Сов. радио, 1975. 6. Мельников А. П. Принципы по- строения соразмерности на основе стандартных элементов 147 (применительно к изделиям машиностроения): Дис. канд. искусств. наук/ ЛВХПУ. — М., 1973. 7. Пахомов В. А. Модульная ко- ординация в художественном конструировании (к проблеме создания антропоструктурной модульной системы): Дис. канд. искусств. наук/ЛВХПУ.— М., 1971. 8. Проектирование радиоэлектрон- ных устройств на интегральных микросхемах /Под ред. С. Я. Шаца.— М.; Сов. радио, 1976. 9. Bohnenberger W. und Hesse D. Intermas das mechanische Auf- bausystem. — Techn. Mittei- lung AEG — Telefunken, 1972, №4/5, S. 148—162. 10. CAMAC 1972—1973. SAIP SCH- LUMBERGER, Paris, 1973. (Каталог научно-исследователь- ского центра). 11. Electrotechnik, Electronik. Ein- heitliches GefaPsystem EGS. DDR Institut fur Nachrichten- technik. Berlin, 1974. 12. Hewlett Packard. Electronic In- struments and System. Каталог, 1978. 13. Ursamat Hanbbuch. VEB.Ver- lag Technik, Berlin, 1969. 6. СТАДИИ РАЗРАБОТКИ РЭА И КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ* Основные аббревиатуры ВД — ведомость ссылочных доку- ментов ВП—ведомость покупных изделий ВС — ведомость спецификаций ГКД —групповые КД ГЧ — габаритный чертеж Д — документ (ы) ЗИ — ведомость ЗИП ЗИП — запасное имущество и при- боры И — изделие (я) ИМ — инструкция по монтажу ИО — инструкция по техническому обслуживанию * Составитель В, Н. Квасницкий. ИЭ — инструкция по эксплуата- ции КД — конструкторская докумен- тация МС — микросборка МЧ — монтажный чертеж ООП — опытный образец (партия) ОТ — общие требования ПЗ — пояснительная записка ПМ — программа и методика испы- таний ПР — рабочий проект ПС — паспорт ПТ — техническое предложение ПФ — патентный формуляр РР — расчеты СИУ — уровень стандартизации и унификации
6. Стадии разработки РЭА и конструкторская документация 1 48 СМП — серийное или массовое про- изводство ТЗ — техническое задание ТП — технический проект ТТ — технические требования ТО — техническое описание УГО — условные графические обо- значения УС — установочная серия ФО — формуляр ВЧ — функциональная часть ЭМЧ — электромонтажный чертеж ЭП — эскизный проект ЭТ — этикетка В связи с тем, что система ЕСКД уже включает около 150 стандартов, в которые все время вводятся уточ- нения и изменения, а специалист- конструктор ведет разработку КД только по стандартам ЕСКД, в на- стоящей главе даются лишь общие положения по стадиям разработки КД, которые помогут (при необ- ходимости) конструктору оценить общие принципы и направление по- иска соответствующих стандартов ЕСКД по ежегодникам «Государ- ственные стандарты СССР. Указа- тель». Поэтому использовать мате- риал главы как рекомендации стан- дартов ЕСКД нельзя. 6.1. СТАДИИ РАЗРАБОТКИ РЭА В соответствии с ЕСКД и РЭА и ее части классифицируются как изде- лия. И — предмет или набор пред- метов производства, подлежащих из- готовлению на предприятии. При создании РЭА устанавливаются сле- дующие стадии разработки и их этапы (ГОСТ 2.103—68): Техническое задание ТЗ. Разработ- ка ТЗ. Техническое предложение ПТ. Под- бор материалов, разработка ПТ с присвоением Д литеры «П», Рассмот- рение и утверждение ПТ. Эскизный проект ЭП. Разработка ЭП с присвоением Д литеры «Э». Изготовление и испытание макетов. Рассмотрение и утверждение ЭП. Технический проект ТП. Разработ- ка ТП с присвоением Д литеры «Т». Изготовление и испытание макетов. Рассмотрение и утверждение ТП. Рабочий проект ПР. Разработка рабочей документации для опытного образца (опытной партии) ООП (а), установочной серии УС (б) и серий- ного или массового производства СМП (в). а) Разработка КД и испытания ООП. Изготовление и заводские ис- пытания ООП. Корректировка КД по результатам изготовления и за- водских испытаний ООП с присвое- нием КД литеры «О». Государствен- ные, межведомственные, приемочные и другие подобные испытания ООП. Корректировка КД по результатам испытаний с присвоением КД ли- теры «01». При последующих (повтор- ных) изготовлениях и испытаниях ООП и соответствующей корректи- ровки КД им присваивают соответ- ственно литеры «О2», «О3» и т. д. Из- готовление и испытание установоч- ной серии. б) Разработка рабочей КД уста- новочной серии У. Корректировка КД по результатам изготовления, испытания и оснащения технологи- ческого процесса ведущих составных частей изделия УС с присвоением КД литеры «А». Изготовление и ис- пытание головной (контрольной) се- рии. в) Разработка рабочей КД устано- вившегося серийного или массового производства СМП. Корректировка КД по результатам изготовления и испытаний головной (контрольной) серии с присвоением КД литеры «Б». Серийное или массовое произ- водство. В зависимости от сроков разработ- ки, наличия прототипов и т. п. ста- дии разработки И могут объединять- ся и изменяться, что определяется ТЗ. КД для индивидуального произ- водства (разовое изготовление од- ного или нескольких изделий) при- сваивают литеру «И». Разработке рабочей КД «И» мо- гут предшествовать стадии ТЗ, ПТ, ЭП и т. д. и соответствующие им этапы работ. Техническое задание ТЗ — основание для проектирова- ния РЭА. В нем определяются: назначение И (основные области применения, характер выполняемых работ, перечень задач и т. п.); со- став И (перечисляются разрабатыва-
6-1. Стадии разработки РЭА емые устройства, сервисная и (или) техническая аппаратура, комплект запасных инструментов и приспособ- лений ЗИП, установочных или ук- ладных средств), состав КД на И и документация программного обес- печения (для средств вычислитель- ной техники), На основе общего ТЗ разрабаты- ваются ТЗ на конкретные устрой- ства и входящие в них блоки с уточ- нением технических требований к каждому устройству. В качестве общих ТТ указываются: условия эксплуатации и транспортирования, требования к электрической проч- ности, помехозащищенности, со- противлению изоляции, условия хра- нения, обеспечение удобства обслу- живания и безопасности эксплуата- ции, использование комплектующих электрорадиоэлементов, требования к укладке, упаковке, транспортиро- ванию. К частным ТТ относятся основные структурные, программные и другие технические требования. При наличии требований по на- дежности дают количественные зна- чения параметров, методику оценки результатов испытаний, место и по- рядок проведения испытаний, меры повышения надежности и др. В кон- структивных требованиях излагают требования по элементной базе, со- кращению марок материалов, типо- размеров блоков, узлов, крепежа и т. п., модульности конструкции; эргономике и технической эстетике; обеспечению технологичности кон- струкции; удобству, простоте и без- опасности обслуживания, уровню унификации; сигнализации неисправ- ностей, составу пультов управ- ления и индикации; органам управ- ления; массе РЭА и ее частей; га- баритам и размещению центров тя- жести; окраске и т. п. В заключение указывают ориенти- ровочную номенклатуру КД на каж- дой стадии проектирования И и по- рядок испытаний и приемки опыт- ных образцов. Техническое предложение (ГОСТ 2.118—73) ПТ — совокупность КД, содер- жащих технические и технико-эко- номические обоснования целесооб- разности разработки И на основании 149 анализа ТЗ заказчика и различных вариантов возможных решений, срав- нительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и су- ществующих изделий, а также па- тентных материалов. Эта стадия вво- дится с целью выявления допол- нительных или уточненных требова- ний к И, которые не могли быть ука- заны в ТЗ без предварительной кон- структорской проработки и анализа различных вариантов. При разработке ПТ: выявляют варианты возможных решений, устанавливают особенности вариантов, их конструктивную про- работку. Глубина такой проработки должна быть достаточной для срав- нительной оценки рассматриваемых вариантов; проверяют варианты на патент- ную чистоту и конкуренто-способ- ность, оформляют заявки на изобре- тения; проверяют соответствие вариантов требованиям техники безопасности и производственной санитарии; выполняют сравнительную оцен- ку рассматриваемых вариантов, в том числе по показателям качества И по показателям технологичности, стандартизации и унификации. Если для сравнительной оценки необхо- димо проверить принцип работы раз- личных вариантов И, а также срав- нить их по эргономическим и эсте- тическим показателям, то могут быть изготовлены макеты. КД для изго- товления макетов в комплект доку- ментов ПТ не включают; выбирают оптимальный вариант (варианты) И; устанавливают тре- бования к И и к последующей ста- дии разработки И (необходимые ра- боты, варианты возможных решений, которые следует рассмотреть на по- следующей стадии и др.). В ведомость ПТ записывают все включенные в комплект КД неза- висимо от того, к какому варианту относится документ. В ПТ помещают выявленные в про- цессе разработки ПТ дополнитель- ные требования к разработке И, Необходимые Д и сведения приводят- ся в приложении к ПЗ (копия ТЗ; перечень работ, которые^ следует провести на последующей стадии разработки И (при необходимости);
6. Стадии разработки РЭА 150 материалы художественно-конструк- торской проработки, не являющиеся КД; перечень использованной лите- ратуры и т. п.). Это положение распространяется и на последующие стадии. После согласования и утверждения в уста- новленном порядке ПТ является основанием для разработки ЭП. Эскизный проект (ГОСТ 2.119—73) ЭП — совокупность КД, содер- жащих принципиальные конструк- тивные решения, общие представ- ления об устройстве и принципе ра- боты И, а также данные по назначе- нию, основным параметрам и габа- ритным размерам разрабатываемого И. Эта стадия вводится с целью проверки принципиальных конструк- тивных, схемных и других решений, когда это целесообразно сделать до разработки технического проекта И или рабочей КД- При разработке ЭП: выполняют варианты возможных решений и их конструктивную про- работку с глубиной, достаточной для сопоставления рассматриваемых ва- риантов; решают предварительные вопросы упаковки и транспортирования И; изготавливают и испытывают ма- кеты с целью проверки принципов работы И и (или) его составных частей; разрабатывают и обосновывают технические решения по обеспечению показателей надежности, установ- ленных ТЗ и ПТ; оценивают И на технологичность, по показателям стандартизации и унификации СИУ, поэргономическим и эстетическим характеристикам; проверяют варианты на патентную чистоту и конкурентоспособность, оформляют заявки на изобретения; проверяют соответствие вариантов требованиям техники безопасности и производственной санитарии; выполняют сравнительную оценку рассматриваемых вариантов; выбирают оптимальный вариант (варианты) И с обоснованием выбора; принимают принципиальные ре- шения; подтверждают (или уточ- няют предъявляемые к И требования (технические характеристики, пока- затели качества и др.), установлен- и конструкторская документация ные ТЗ и ПТ, и определяют технико- экономические характеристики и по- казатели, не установленные ТЗ и ПТ; выявляют на основе принятых принципиальных решений новые И и материалы, которые должны быть разработаны другими предприятия- ми (организациями), составляют ТТ к этим И и материалам; составляют перечень работ, кото- рые следует провести в дополнение или для уточнения работ, предусмот- ренных ТЗ и ПТ; прорабатывают основные вопросы технологии изготовления (при не- обходимости). В комплект документов ЭП вклю- чают КД, предусмотренные ТЗ и протоколом рассмотрения ПТ. После согласования и утверждения в уста- новленном порядке ЭП служит ос- нованием для разработки ТП или рабочей КД Технический проект (ГОСТ 2:120—73) ТП — совокупность КД, содержа- щих окончательные технические ре- шения и дающих полное представ- ление об устройстве разрабатывае- мого И и исходные данные для раз- работки рабочей КД. ТП вводится для выявления окончательных тех- нических решений, дающих полное представление о конструкции И (когда это целесообразно сделать до разработки рабочей КД) При разработке ТП: принимают конструктивные ре- шения по И и его основным частям; выполняют необходимые расчеты (в том числе подтверждающие тех- нико-экономические показатели, установленные ТЗ), принципиальные схемы, схемы соединений и др.; обосновывают принятые техниче- ческие решения по обеспечению по- казателей надежности установлен- ных ТЗ и предшествующими стадия- ми разработки; проводят анализ конструкции И на технологичность в условиях дан- ного конкретного производства и выявление необходимого для произ- водства И нового оборудования (обо- снование разработки или приобре- тения); разрабатывают, изготавливают и испытывают макеты и оценивают И
6-1. Стадии разработки РЭА по эргономическим и эстетическим показателям; — оценивают возможности транс- портирования, хранения, а также монтажа И на месте его применения и его эксплуатационных данных; проводят окончательное оформле- ние заявок на разработку и изготов- ление новых И и материалов, приме- няемых в разрабатываемом И, а также мероприятий по обеспечению ваданного в ТЗ уровня СИУ изде- лия; проверяют изделие на патентную чистоту и конкурентоспособность, оформляют заявки на изобретения, выявляют номенклатуры покупных И и согласовывают их применение, со- гласовывают габаритные, установоч- ные и присоединительные размеры с заказчиком или основным потре- бителем; оценивают технический уровень, качество И и разрабатывают чер- тежи сборочных единиц и деталей (при необходимости ускорения вы- дачи задания на разработку специа- лизированного оборудования для их изготовления); проверяют соответствие принимае- мых решений требованиям техники безопасности и производственной са- нитарии и составляют перечень ра- бот, которые следует провести на стадии разработки рабочей докумен- тации, в дополнение и (или) уточ- нения работ, предусмотренных ТЗ, ПТ и ЭП. В ТП включаются КД, предусмот- ренные ТЗ и протоколом рассмотре- ния ПТ и ЭП. После согласования и утверждения в установленном по- рядке ТП служит основанием для разработки рабочей КД. Рабочий проект На стадии ПР происходит созда- ние и отработка полного комплекта КД на РЭА. Ранее разработанная КД приме- няется при разработке новых или модернизации изготовляемых И в следующих случаях: в проектной документации ПТ, ЭП и ТП и рабочей документации ООП — независимо от литерности применяемых Д; в КД ООП с литерами «О», «Oj» и «О2» и др., установочной серии УС 151 с литерой «А» и установившегося серийного или массового производ- ства с литерой «Б», если литерность применяемых Д та же или «высшая». Литерность полного комплекта КД И определяют «низшей» литерой, которая указана на одном из КД, входящих в комплект. КД, держателями подлинников ко- торых являются другие предприя- тия, могут применяться только при наличии учтенных копий или дуб- ликатов. Пояснительная записка ПЗ составляется по окончании работ на стадиях ПТ, ЭП и ТП по единой схеме, включающей в себя сле- дующие основные разделы: Введение. Содержит наименование, номер и дату утверждения ТЗ и (при необходимости) ссылки на но- мера и даты протоколов рассмотре- ния ПТ или ЭП. Назначение и область применения. Содержит сведения из ТЗ и конкре- тизирующие и дополняющие их све- дения по области и условиям при- менения И, характеристике объекта (при необходимости) и основные дан- ные по обеспечению стабильности показателей качества в условиях экс- плуатации (обычно в ПЗ ТП). Техническая характеристика. Со- держит основные (из ТЗ) и допол- нительные к ТЗ технические харак- теристики, сведения о соответствии или обоснованных отклонениях от требований ТЗ, данные сравнения характеристик отечественных и за- рубежных аналогов, результаты ана- лиза карты технического уровня и качества. Описание и обоснование выбран- ной конструкции. Содержит описа- ние и анализ рассмотренных вариан- тов, в том числе на патентную чи- стоту и конкурентоспособность И, сведения об использованных изобре- тениях и заявках, сведения о назна- чении макетов и результатах их ис- пытаний, справочные сведения по основным КД, по результатам испы- таний и по соответствию рассмотрен- ных вариантов требованиям техники безопасности и производственной са- нитарии. В ПЗ ЭП дополнительно рассматриваются: соответствие ма- кетов требованиям эргономики и
152 6. Стадии разработки технической эстетики, соображения о технологичности, упаковке и тран- спортировке (при необходимости), ТТ к применяемым новым материалам и И других организаций, сведения о соответствии применяемых или ра- нее разработанных частей, покуп- ных И и материалов требованиям ТЗ на данное новое И. В ПЗ ТП выше- перечисленные сведения приводятся как результаты соответствующих ис- следований с представлением обо- снований (например, по необходимо- сти разработки или применения но- вого технологического оборудования, применения дефицитных изделий и материалов и т. п.). Расчеты, Содержит ориентировоч- ные (ПЗ ПТ и ЭП) и окончательные (ПЗ ТП) расчеты работоспособности (кинематические, электрические, теп- ловые, гидравлические, компоновоч- ные ит. п.) и надежности (показатели долговечности, ремонтопригодности, сохранности и т. п.). Описание организации работ. Со- держит предварительные сведения об организации работ с применением разрабатываемого И, о квалификации и количестве обслуживающего пер- сонала (ПЗ ПТ), о режимах и ус- ловиях работы, порядке и способах транспортирования, монтажа и вво- да И в эксплуатацию (ПЗ ЭП), опи- сание специфических приемов и спо- собов работы с И, оценку взаимоза- меняемости, удобства обслуживания, ремонтопригодности и устойчивости против воздействий внешней среды (ПЗ ТП). Ожидаемые технико-экономические показатели. Содержит предваритель- ные (ПЗ ПТ и ЭП) и окончательные (ПЗ ТП) расчеты экономичности, эффективности от внедрения в на- родное хозяйство, расчеты (ПЗ ТП) цены опытного и серийного И, за- траты на организацию производства и эксплуатацию. Уровень стандартизации и уни- фикации. Содержит (ПЗ ЭП) пред- варительные сведения о применяе- мых в разрабатываемом И стандарт- ных, унифицированных и заимство- ванных сборочных единиц, материа- лов и деталей, сведения (ПЗ ТП) о стандартных, унифицированных и заимствованных сборочных единицах и деталях, о показателях уровня унификации и стандартизации, обос- РЭА и конструкторская документация нования разработки государствен- ных и отраслевых стандартов на объекты стандартизации данного И, его составных частей и новых мате- риалов. Приложение к ПЗ, Содержит (ЭП и ТП) дополнительные сведения (при необходимости) по ГОСТ 2.119—73 и ГОСТ 2.120—73. 6.2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ЕСКД Группы стандартов ЕСКД и виды И ЕСКД — комплекс государствен- ных стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и поло- жения по порядку разработки, офор- мления и обращения КД- Распределение стандартов ЕСКД по классификационным груп- пам следующее: общие положения (ГОСТ 2.001...2.099), основные по- ложения (2.101...2.199), общие правила выполнения чертежей (2.301...2.399), правила выполнения чертежей изделий машиностроения и приборостроения (2.401...2.499), правила обращения КД(2.501..2.599), правила выполнения эксплуатацион- ной и ремонтной документации (2.601....2.699), правила выпол- нения схем и условные графические обозначения, используемые в схе- мах (2.701...2.799). К изделиям основного производ- ства относятся И, предназначенные для поставки (реализации), к И вспо- могательного производства — предна- значенные только для собственных нужд предприятия. Устанавливаются следующие виды И: детали, сбороч- ные единицы, комплексы, комплекты. Изделия делятся на неспецифици- рованные (детали) — не имеющие со- ставных частей, и специфицирован- ные (сборочные единицы, комплексы, комплекты) — состоящие из двух и более составных частей. Деталь — И, изготовленное из од- нородного по наименованию и мар- ке материала, без применения сбо- рочных операций, либо подвергну- тое защитным или декоративным по- крытиям независимо от их вида, толщины и назначения, либо изготов- ленное с применением местной свар-
6.2. Конструкторская документация по ЕСКД ки, пайки, склейки, сшивки и т. п. операций. Сборочная единица — И, составные части которого подлежат соедине- нию между собой на предприятии- изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, сочленением, клеп- кой, сваркой, пайкой, опрессовкой, развальцовкой, склеиванием, сшив- кой, укладкой и т. п.). К сборочным единицам также относятся: И, для которых конструкцией для удобства упаковки, транспортиро- вания и т. п. предусмотрена разбор- ка на составные части предприятием- изготовителем; совокупность сборочных единиц и (или) деталей, имеющих общее функ- циональное назначение и совместно устанавливаемых на предприятии- изготовителе в другой сборочной единице; совокупность сборочных единиц и (или) деталей, имеющих общее функ- циональное назначение, совместно уложенных на предприятии-изгото- вителе в укладочные средства (фут- ляр, коробку и т. п.), которые пре- дусмотрено использовать вместе с уложенными в них изделиями. Комплекс—два и более специфици- рованных И, не соединенных на предприятии-изготовителе сбороч- ными операциями, но предназначен- ных для выполнения взаимосвязан- ных эксплуатационных функций. В комплекс, кроме И, выполняющих основные функции, могут входить детали, сборочные единицы и ком- плекты, предназначенные для вы- полнения вспомогательных функций. Комплект—два и более И, не сое- диненных на предприятии-изготови- теле сборочными операциями и представляющих набор изделий, име- ющих общее эксплуатационное на- значение вспомогательного харак- тера. Основные виды текстовой и графической КД Текстовые Д выполняются на фор- мах, установленных стандартами ЕСКД следующего вида: машино- писные (на одной стороне листа, через два интервала, лента — черная), рукописные (шрифт по ГОСТ. 2.304—68, высота знаков не менее 2,5 мм, черной тушью), типо- 153 графские (по нормам и правилам вы- полнения типографских изданий). Общие требования к текстовым доку- ментам изложены в ГОСТ 2.105—68. Построение текстовых документов определяется их содержанием и объ- емом. Наивысшая степень деления — часть (она комплектуется отдельно), затем следуют разделы, подразделы, пункты и подпункты. В начале доку- ментов большого объема рекомен- дуется помещать содержание, а в конце — список используемых доку- ментов или литературы. Иллюстра- ции, таблицы или вспомогательный материал можно давать либо прямо в тексте (как можно ближе к ссылке), либо в виде Приложений, которые (при большом объеме) могут быть оформлены в виде самостоятельного документа. Формы текстовых документов дол- жны соответствовать ГОСТ 2.106—68. В ведомости спецификаций (ВС) за- писывают спецификации И, его со- ставных частей и комплектов, в ве- домости ссылочных документов (ВД) перечисляют документы, на которые есть ссылки в КД, в ведомости по- купных изделий (ВП) перечисля- ются все покупные И, в ведомостях технического предложения (ПТ), эскизного (ЭП) и технического про- ектов (ТП) записывают всю КД. разработанную для данного этапа и заимствованную из других разра- боток. В пояснительной записке (ПЗ) излагаются: основание для раз- работки проекта, назначение и об- ласть применения, техническая ха- рактеристика, описание конструкции и расчеты, в программе и методике испытаний (ПМ) и в расчетах (РР) формулируются правила и характер проверки изделия и правила изло- жения расчетов, в патентном форму- ляре (ПФ) дается оценка патенто- способности и чистоты И. На изделия (детали, сборочные еди- ницы, комплексы и комплекты), обладающие общими конструктив- ными признаками и имеющие неко- торые отличия друг от друга, соз- даются групповые КД (чертежи, схемы, спецификации). Оформ- ление Г КД должно соответствовать ГОСТ 2.113—75. ТУ являются той неотъемлемой частью комплекта технической доку- ментации на И, на которую она рас-
154 6. Стадии разработки пространяется. В ТУ должны быть изложены технические требования, правила приемки, методы контроля, транспортирования и хранения, ука- зания по эксплуатации и гарантии поставщика. Правила выполнения ТУ устанавливаются ГОСТ 2.114—70. Разработка рабочих чертежей должна обеспечивать оптимальное применение стандартных, покупных и освоенных ранее И, рационально ограниченную номенклатуру мате- риалов, покрытий, размеров, резьб, допусков и т. п., необходимую степень взаимозаменяемости, на- ивыгоднейшие способы изготовления и ремонта И, а также максимальное удобство их обслуживания при эк- сплуатации. Данные на рабочих чер- тежах должны содержать все све- дения, необходимые для изготовле- ния, контроля и испытания И. Раз- личают чертежи деталей; сборочные (сведения о составе, расположении и взаимной связи деталей), общего вида (И в целом с проекциями, разре- зами и текстом, достаточными для уяснения конструктивного устрой- ства изделия), габаритные ГЧ (све- дения о габаритах И с учетом край- них положений перемещающихся ча- стей, об установочных и посадочных размерах), монтажные (упрощенное изображение изделия и сведения по его установке на месте эксплуатации или при транспортировке). Схемы в КД различаются по ви- дам: электрическая Э, гидравли- ческая Г, пневматическая П, кине- матическая К и типам: структур- ная (1), функциональная (2), прин- ципиальная (3), соединений (4), под- ключения (5), общая (6), располо- жения (7). Структурная схема определяет ос- новные функциональные части И, их назначение и взаимосвязи. Функ- циональная— необходима для разъ- яснения процессов в функциональных цепях или изделии в целом. Принци- пиальная— определяет полный со- став элементов И и связей между ними и дает, как правило, детальное представление о принципах работы изделия. В схеме соединений даются соединения всех составных частей И проводами, жгутами, кабелями, тру- бопроводами и т. п. В схеме подклю- чений даются сведения о внешних подключениях изделия. Обшая схема РЭА и конструкторская документация определяет составные части ком- плекса и соединения их на месте эк- сплуатации. Схема расположения устанавливает относительное рас- положение составных частей изде- лия, а также (при необходимости) расположение соединений. Схемы выполняют без соблюдения масштаба, однако размеры одно- типных условных изображений эле- ментов на одной схеме должны быть одинаковы, а их взаимное располо- жение должно приближенно соответ- ствовать реальному расположению, что существенно упрощает решение задач компоновки реальных меха- нических, гидравлических, элект- рических и т. п. элементов. Правила выполнения электри- ческих схем установлены ГОСТ 2.702—75. На структурной схеме в виде прямоугольников или ус- ловных графических обозначений УГО изображают все основные функ- циональные части ФЧ и основные связи между ними. На функциональ- ной схеме изображают ФЧ и связи между ними (допускается показы- вать конкретные соединения в виде проводов, кабелей и т. п.). На принципиальной электрической схеме (ЭЗ) показывают все элект- рические элементы, необходимые для осуществления и контроля в изде- лии заданных электрических про- цессов, и все электрические связи между ними, а также электрические элементы ( разъемы, зажимы и т. п.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Элементы на схеме изображают в виде условных гра- фических обозначений, установлен- ных ГОСТ 2.721... ГОСТ 2.752. Каждому элементу, изображенному на принципиальной схеме, присваи- вается буквенно-цифровое позицион- ное обозначение, состоящее из со- кращенного наименования элемента, его порядкового номера и характера работы. Элементы, изображаемые на других документах комплекта, на- пример на чертежах, должны со- провождаться позиционными обо- значениями по принципиальной схе- ме. Данные обо всех элементах, вхо- дящих в состав изделия, помещаются в перечень элементов, а связь переч- ня с УГО на принципиальной схеме также осуществляется через пози- ционные обозначения.
6.2. Конструкторская документация по ЕСКД В схемах соединений указывают все внешние и внутренние соедине- ния с их входными и выходными эле- ментами, их наименования, типы или обозначения и т. п. При большом числе соединений все данные о про- водах и кабелях, а также об адресах их присоединений сводят в специаль- ную таблицу соединений. На общей схеме изображают уст- ройства и элементы, которые непо- средственно входят в данное И с их соединениями. На схеме расположения в виде внешних очертаний или УГО изо- бражают составные части И и свя- зи между ними с учетом (при необ- ходимости) конструкции изделия. Эксплуатационная и ремонтная КД Эксплуатационные документы (ГОСТ 2.601—68) должны разра- батываться с учетом уровня подго- товки специалистов по эксплуатации данного И. В техническом описании ТО дается описание устройства и принципа действия И, достаточные для обеспечения полного исполь- зования возможностей И при эк- сплуатации. В инструкции по эк- сплуатации ИЭ излагается минимум сведений по правильной эксплуа- тации, транспортировке, хранению и обслуживанию И. В инструкции по техническому обслуживанию ИО излагаются сведения по порядку и проведению обслуживания (регла- ментных работ) на различных ста- диях и в различных условиях эк- сплуатации. Инструкция по монта- жу, пуску, регулировке и обкатке И на месте его применения ИМ должна содержать сведения по монтажу и демонтажу изделия, необходимые для технически правильно проведенных операций изделий (их пуск, регули- ровка и обкатка должны произво- диться только на месте применения). В формуляре ФО и паспорте ПС приводятся гарантированные пара- метры изделия, а также состояние И в процессе эксплуатации (в ФО). Ведомость запасных частей, инстру- мента и принадлежностей (ЗИ) уста- навливает номенклатуру, назначение и количество запасных частей, ин- струментов и материалов ЗИП, не- обходимых при эксплуатации и ре- монте И. 155 Ремонтные документы разового РИ, опытного РО, установочного РА или серийно выпускаемого изде- лия РБ предусматривают техниче- ски возможное и экономически целе- сообразное восстановление техни- ческих параметров И при эксплуата- ции на различных стадиях. КД на ИС* КД на ИС выполняются в соот- ветствии с требованиями стандар- тов ЕСКД и дополнительными тре- бованиями ОСТ 11.000.028—73 «Микросхемы интегральные. Пра- вила выполнения конструкторской документации», которые распростра- няются на все виды ИС, кроме мик- росхем СВЧ диапазона. Обязательными документами яв- ляются: сборочный чертеж, габарит- ный чертеж, чертежи деталей (при наличии деталей), электрическая принципиальная схема, специфика- ция, частные технические условия, справочный лист, этикетка. На ИС, не подлежащие поставке другим предприятиям, а изготав- ливаемые изготовителем РЭА, ГЧ, ТУ, справочный лист и ЭТ допускает- ся не составлять. Обозначение сборочных чертежей (топологических) для гибридных ИС следует производить по видам АБ 7.100 или 7.107 (наименование изделия «Плата»). Рекомендуются следующие масштабы топологиче- ских чертежей 5 : 1, 10 : 1, 20 : 1 и 50 : 1. Топологические чертежи, как правило, следует выполнять на нескольких листах, при этом на пер- вом листе должна быть изображена подложка со всеми нанесенными на нее слоями элементов с указанием позиционных обозначений элемен- тов в соответствии с электрической принципиальной схемой. На после- дующих листах помещают послойное изображение элементов, а также сое- динительных проводников и кон- тактных площадок, отдельно для каждого слоя. При расположении элементов с двух сторон положки вид на одну из сторон допускается помещать на втором листе тополо- гического чертежа. * Составитель Н. А. Барканов.
(56 6. Стадии разработки Технические требования помещают на поле первого листа топологичес- кого чертежа и излагают в следующей последовательности: специальные требования к изго- товлению подложки, указания о материалах-заменителях; требования к выполнению размеров элементов, в том числе ссылка на соответствующие таблицы коор- динат, шаг координатной сетки, ука- зание точности выполнения размеров элементов и т. п.; требования к внешнему виду; характеристики и данные по из- готовлению отдельных слоев или эле- ментов; данные и указания по проверке параметров элементов. Предпочтительным является спо- соб задания размеров прямоуголь- ных координат с указанием их чис- ловых величин в таблицах. Коор- динатная сетка, применяемая в то- пологических чертежах, должна иметь шаг 0,01; 0,05; 0,1 или 0,2 мм. Вершины фигур элементов следует располагать в точках пересечения линий координатной сетки. Элементы каждого слоя на первых листах топологических чертежей сле- дует, как правило, штриховать (ус- ловное обозначение слоя). При штри- ховке нижней обкладки конденса- тора допускается заштриховать толь- ко те ее участки, которые выступают за край верхней обкладки (при этом направление штриховки обкладок должно быть разным). Диэлектрик конденсаторов сле- дует обозначать штрих-пуиктирной линией без штриховки площади ди- электрика, Защитный слой обозна- чают штриховой линией без штри- ховки площади защищенных уча- стков. Вид штриховки (условное обозна- чение) характеристики и данные по изготовлению отдельных слоев за- носят в таблицу: РЭА и конструкторская документация Величины электрических парамет- ров записывают в следующую таблицу: Точки измерения Проверяемая вели- чина и предельные отклонения 1 2 На топологических чертежах с не- большим числом элементов допу- скается совмещать в одном виде не более трех слоев, выделяя каждый слой с помощью штриховки. При этом совмещенный вид должен иметь до- статочную наглядность. На принципиальной электрической схеме должны быть изображены все элементы, компоненты и связи между ними, в том числе обозначены внеш- ние выводы. Все элементы и компо- ненты должны быть записаны в пе- речень по форме ГОСТ 2.702—75. На поле схемы допускается поме- щать функциональную схему в виде условных графических обозначений в соответствии с ЕСКД. Разработку конструкции узлов и блоков на ИС выполняют в соот- ветствии с ОСТ 4 ГО.010.036—74, «Узлы и блоки РЭА на микросхемах. Методика обоснования и выбора ти- повых конструктивно-технологиче- ских решений». Стандарт устанавли- вает методику обоснования и выбора типовых конструктивно-технологи- ческих решений при проектировании цифровых узлов и блоков РЭА с при- менением микросхем различного уровня интеграции на стадии эскиз- ного проекта. Исходными данными для разра- ботки являются: назначение аппара- туры; ориентировочное количество эквивалентных вентилей, необходи- мое для построения аппаратуры, конструктивные параметры выбран- ных серий ИС широкого применения (тип корпуса, габаритно-присоедини- тельные размеры и уровни инте- грации ИС); конструктивные пара- метры бескорпусных ИС; вид вы- бранной технологии изготовления ЛАС; выбранный вариант конструк- ции РЭА (кассетная, книжная и др.); характеристики окружающей среды; заданный срок службы РЭА; необ- ходимость резервирования; серий- ность РЭА,
6.2. Конструкторская документация по ЕСКД В результате разработки получа- ются обоснования следующих реше- ний: выбора оптимального уровня интеграции ИС широкого примене- ния и МС; выбора технологии изго- товления МС; выбора варианта кон- струкции РЭА; возможности реали- зации РЭА при условиях ограниче- ний объема, массы и затрат, задан- ных в ТТ на разрабатываемую РЭА. Обозначение, учет и обращение КД Каждый конструкторский документ должен иметь определенное обозна- чение. Для всей КД устанавливается обезличенная классификационная си- стема обозначений изделий и доку- ментов. Обозначение И и его основ- ного КД (спецификации и чертежа детали) имеет следующую структуру: индекс организации разработчика; классификационная характеристика; порядковый регистрационный но- мер. К обозначениям всех остальных документов добавляются шифры (на- пример СБ, Э5, БД, ТУ и др.). До утверждения классификатора ЕСКД (ГОСТ 2.201) можно использовать классификатор МН СЧХ НО. 000.005. При разработке макетов И для упрощения оформления КД исполь- зуют различные варианты предмет- ных систем обозначения КД- В этих системах применяются упрощенные шифры классификатора, обязательно с индексом Э. Предметная система обычно строится как замкнутая, развитие обозначений в которой идет по нисходящей (например: Э-42 ОВ — общий вид изделия, Э-42-01 157 СБ — первый сборочный узел изде- лия, Э-42-01-01 — первая деталь из- делия Э-42 и т. п.). Используя такие системы обозначения КД, можно су- щественно упростить процесс обра- щения КД на стадии выполнения лабораторных макетов, так как КД не проходят нормоконтроль и дру- гие службы учета и обращения КД по ЕСКД. Однако во всех этих слу- чаях необходимо соблюдать опре- деленную осторожность, так как в конце концов КД будет перевыпу- скаться по ЕСКД и наличие упро- щений, противоречащих нормам ЕСКД может стать причиной полной переработки ранее выпущенной КД- В соответствии с ГОСТ 2.501—68 все подлинники, дубликаты и ко- пии КД подлежат учету и хранению в отделе (бюро) технической доку- ментации (ОТД или БТД). Подлин- ник для сдачи в ОТД должен иметь необходимые подписи, подтверждаю- щие его соответствие нормам, и предусмотренные согласования со всеми заинтересованными службами. Вносить изменения в КД и аннули- ровать ее имеет право только пред- приятие-держатель подлинников. Ос- новой для этого служит «Извещение об изменении» или (если обнаружена ошибка, которая может вызвать брак изделия, требуется проверка предла- гаемых изменений в производстве или необходимо предварительно под- готовить производство) «Предвари- тельное извещение». Изменяемые раз- меры, слова, знаки, надписи и т. п., как правило, зачеркивают так, что- бы можно было легко прочитать за- черкнутое, и рядом с зачеркнутым проставляют новые данные. 7. МЕТОДОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ТРУДА Основные аббревиатуры АРМ — автоматизированное рабо- чее место АЦПУ — алфавитно-цифровое печа- тающее устройство ВУ — видеоусилитель И — изделие ИС — интегральная микросхема КД — конструкторский документ КО — конструкторский отдел КС — конструкторский сектор МОИ — мысленный образ изделия МПП — многослойная печатная плата МЧ — монтажный чертеж
158 7. Методология и организация конструкторского труда ОГМ — обобщенная геометрическая модель ОТД — отдел (бюро) технической документации ПП — печатная плата ППГ — планово-производственная группа СП — спецификация ТП — технический проект ТР •— трудоемкость ТЭЗ — типовой элемент замены (субблок) УПП — универсальная печатная плата ФУ—функциональный узел ЦТ — центр тяжести ЦТА — центральный технический архив ЧГ — чертежная головка ЧД — чертежная доска ЧП — чертежный прибор ЧПУ — числовое программное уп- равление (станком) ЧС — чертежный станок ЭЛ — элемент (общее обозначение) ЭЛИ — электронно-люминесцент- ный индикатор ЭП — эскизный проект ЭРЭ — электрорадиоэлемент 7.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ [1, 4, 9] * Характер и виды конструкторских работ Характер и вид конструкторских работ разнообразны, так как зависят от характера деятельности предприя- тия (НИИ или заводское КБ), сте- пени унификации конструкторских решений (высокая или низкая), соотношения лаборант : конструк- тор (чем больше лаборантов, тем труднее вести разработку конструк- ции), уровня их знаний по данной разработке, технической оснащен- ности КБ, его структуры, требуемой сложности и оригинальности кон- структорской разработки и от суще- ствующих в КБ традиций. Общим в конструкторских работах является их разделение на творче- скую, техническую, организацион- ную, производственную и корректи- ровочную деятельность. Относи- тельная доля трудоемкости для ха- * Составители В. И. Семернев, Р. Г, Варламов, ораганальные разравЬ/пна НКР использование ТК и УТР КВ собственные разриботни KS вевение производства 12 3 4 5 Рис. 7.1. Примерные соотношения по тру- доемкости работы конструктора: / — творческая работа (изучение ТЗ, сбор исходных данных, оценочные расчеты, ком- поновочные эскизы, разработка и согласо- вание чертежа общего вида И с заказчи- ком); 2 — техническая работа (выпуск комплекта КД с разработкой узловых к сборочных чертежей н их деталировкой, выполнение габаритных к монтажных чер- тежей и текстовых документов); 3 — орга- низационная работа (руководство исполни- телями, проверка, корректировка и согла- сование КД. передача КД в ЦТА); 4 — про- изводственная работа (сопровождение И в производстве, отработка конструкций н технологического процесса); 5 — корректи- ровочная работа (коррекция и доработка КД, завершение разработки КД, передача КД в цеха опытного производства или на заводы-изготовнтели) рактерных случаев показана на рис. 7.1. Для успешного решения задачи конструирования РЭА специалист (от конструктора, дающего задание на деталировку узла, до руководителя конструкторских служб) должен ра- ботать по определенной и ясной системе. Это обеспечивается соблю- дением норм должностных инструк- ций и «Положений» о существе ра- боты каждого подразделения. За выполнение одной функции должен полностью отвечать один работник. При этом не следует делать работу, которую может и должен выполнять подчиненный. При планировании на- до четко продумывать место данной работы в общем плане, обеспечивая в первую очередь выполнение работ для смежников с приоритетом тех работ, задержка выполнения которых
7.1. Общие вопросы может быть причиной задержки всей работы. Частые реформы не улуч- шают, а затрудняют выполнение работы из-за разрыва старых и вве- дения новых связей, различных пере- согласований и потери чувства от- ветственности у специалистов и це- лых подразделений. Каждое подразделение и каждый конструктор должны иметь текущий и перспективный план с четкой фор- мулировкой конечного результата ра- боты. Решение вопросов одного ие- рархического уровня не должно пе- реноситься на другой, ибо это вы- зывает безответственность в работе. Решение, не удовлетворяющее смеж- ников, должно быть немедленно до- ведено до руководства с кратким и четким обоснованием причин. Последовательность разработки конструкций На рис. 7.2 представлена схема по- следовательности процесса констру- ирования РЭА без использования ЭВМ. Различные специалисты ре- шают при этом следующие задачи. Ведущий инженер-радист. Состав- ление, предварительное и окон- чательное согласование с начальни- ками КС и КО технического задания на конструирование РЭА; утвержде- ние его у Главного инженера и пе- редача в ППГ конструкторского от- 159 деления (отдела, бюро) 1. Подписа- ние калек и копий КД 17. Визирова- ние калек и копий КД 21. Передача совместно с конструктором-разработ- чиком калек и копий КД в ППГ 24. Исправление калек и копий КД по замечаниям нормоконтролера совме- стно с конструкторами 27. Разра- ботка, согласование и выдача ТЗ на выпуск МЧ в ППГ 30. Проверка оригиналов МЧ и передача их в ППГ 36. Ведущий инженер-конструктор. Подписание калек и копий в графе «Проверил» 16. Проверка оригина- лов МЧ (совместно с начальником проектного КС) и передача их кон- структору-разработчику 33. Заместитель Главного конструк- тора. Согласование или утверждение калек и копий КД 23. Конструктор-разработчик. Изуче- ние ТЗ, уточнение и анализ ТТ, под- бор необходимых информационных материалов и чертежей-прототипов, выдача заданий на разработку вхо- дящих узлов 3. Компоновка и пред- варительные расчеты (совместно с конструктором-соисполнителем), со- гласование предварительной компо- новки с начальниками КС, КО и от- делом (лабораторией)-заказчиком, не- обходимая доработка компоновки, выполнение окончательных расчетов и разработка общего вида РЭА, его согласование с технологами, с на- Рис. 7.2. Последовательность участия различных специалистов в разработке конструкции РЭА 7. ведущий аюкенер______7 2. ведущий конструктор З.Зан, Гл. конструктора 4. Нонструнтор-разраОотчак 5.Нонструк.-соисполиитель в.НоПировщик_________ 7.Начальник лабораториа 8. Начальник КО_________ 9. Начал мин НО_________ 10. Нормоконтролер______ И.Раватник ОТД__________ 12, Техник ГТОГ_________ 13. Техник ЭФ___________ 14. Технолог_____________ 17 21 24 27 30 7£| 23 ~33~*~ 3 5 7 9 11 rav’ ' 4 S 2 19 32 34 38 4244 47 11 14 40 10 12 13 J 22 20 78 43 48 49 25 31 353739 41 45 18 29
7. Методология и организация конструкторского труда 160 чальниками КС, КО и отделом (лабораторией)-заказчиком, пере- дача общего вида на детальную разработку и разработку ПП кон- структорам-соисполнителям 5. Про- верка оригиналов рабочих чертежей узлов и деталей; разработка и увяз- ка оригиналов комплекта рабочих чертежей И с выпуском СП и пере- дача их на согласование начальнику КС 7. Исправление и доработка ори- гиналов КД по замечаниям началь- ника КС, получение разрешения на применение остродефицитных мате- риалов и ЭЛ, согласование с техно- логами используемых технологи- ческих приемов, согласование и ви- зирование оригиналов КД у заме- стителя Главного конструктора И по конструированию, у ответствен- ного представителя отдела (лабора- тории)-заказчика и утверждение ори- гиналов комплекта КД у начальника КО с передачей их в ППГ 9. Подписа- ние (совместно с конструктором- соисполнителем) калек и копий в графе «Разработал» 15. Исправление (совместно с ведущим инженером-ра- дистом) калек и копии по замеча- ниям технологов 19. Передача калек и копий КД и ТУ (совместно с конструктором-соис- полнителем) в ППГ 24. Исправление калек и копий по замечаниям нор- моконтроля (совместно с ведущим инженером-радистом и конструкто- ром-соисполнителем) и передача их в нормоконтроль 27. Изучение ТЗ, конструкции и необходимого для вы- пуска МЧ комплекта копий КД из ЦТА; вычерчивание чертежей-за- готовок основных видов И и согла- сование с разработчиком трассиров- ки жгутов, марок и расцветки про- водов; разводка концов на заготов- ках, присвоение номеров и состав- ление таблицы проводов, согласова- ние мест установки скоб крепления и перемещения жгутов с конструк- тором-соисполнителем, составление СП МЧ и передача оригиналов МЧ и СП на проверку ведущему конструк- тору или начальнику КС 32. Исправ- ление и доработка оригиналов МЧ по замечаниям проверяющего и пе- редача их в ППГ 34. Исправление оригиналов МЧ по замечаниям раз- работчика-лаборанта с получением подписи и передача оригиналов МЧ в ППГ 38. Сличение калек или ко- пий с СП и проведение предвари- тельных изменений, выпуск извеще- ний на введение МЧ и корректировку чертежей 42. Передача калек или ко- пий МЧ и извещений на СП в ППГ 44. Исправление калек или копий МЧ и сдача в нормоконтроль 47. Конструктор-соисполнитель. Ком- поновка узлов и проведение пред- варительных расчетов, конструирова- ние ЭЛ конструкции узлов и переда- ча чертежей конструктору-разработ- чику 4. Компоновка дискретных ЭРЭ и ИС на ПП, трассировка провод- ников и согласование компоновки (с учетом замечаний лаборанта-раз- работчика); разработка оригиналов рабочих чертежей ПП; разработка оригиналов рабочих чертежей дета- лей и узлов и передача их конструк- тору-разработчику 6. Сличение ка- лек или копий с оригиналом и устра- нение (при необходимости) дефектов или ошибок 14. Подписание (совме- стно с конструктором-разработчиком) калек и копий в графе «Разработал» 15. Исправление (совместно с кон- структором-разработчиком) калек и копий по замечаниям технологов 19. Исправление калек и копий по за- мечаниям нормоконтроля (совместно с ведущим инженером-радистом и конструктором-разработчиком) и пе- редача их в нормоконтроль 27. Копировщик. Выполнение (при необходимости) копировальных ра- бот нестандартных чертежей И и пе- редача их в ППГ 11. Начальник радиолаборатории. Под- писание калек или копий в гра- фе «Утвердил» и передача их в ППГ 40. Начальник КО. Согласование или утверждение калек (копий) 22. Начальник КС. Проверка ориги- налов комплекта КД и передача кон- структору 8. Подписание калек или копий чертежей деталей, узлов и СП в графе «Утвердил» и визирование сборочного чертежа 20. Проверка оригиналов МЧ (совместно с веду- щим инженером-конструктором) и передача их конструктору-разработ- чику 33. Проверка внесенных изме- нений и утверждение извещений 43. Нормоконтролер. Проверка ка- лек или копий КД (без МЧ) на соот- ветствие ГОСТам, ОСТам, СТП и дру- гим нормативно-техническим доку- ментам с передачей разработчикам
7.1. Общие вопросы КД для внесения уточнений и исправ- лений 26. Подписание проверенных и исправленных КД (без МЧ) и пе- редача их вОТД25. Проверка калек или копий МЧ аналогично 26, про- верка извещений 46. Подписание проверенных и исправленных МЧ и передача их вместе с извещениями в ОТД 48. Работник ОТД. Проверка подлин- ников КД на комплектность, состав- ление сдаточной накладной и пере- дача ее в группу планирования, ре- гистрация КД в книге учета с при- своением им инвентарных номеров, заведение карточки учета на каждый КД, составление накладной и пере- дача КД в архив подлинников, со- ставление заявки на светокопиро- вальные работы и передача КД в светокопию, подбор и передача не- обходимых подлинников КД из ар- хива в светокопию, проверка ком- плектности КД и регистрации под- линников, поступивших в светоко- пию, снятие светокопий с подлин- ников КД, обрезка, фальцевание и подбор светокопий, подбор и передача подлинников КД в архив, прием, ре- гистрация и раскладка подлинни- ков КД в архиве, передача комплекта светокопий в группу комплектации, проверка комплектности светоко- пий и их штамповка, передача ком- плектов светокопий КД в ЦТА 29, 49. Техник ППГ. Регистрация, учет и передача ТЗ на конструирование конструктору-разработчику 2. Ре- гистрация оригиналов комплекта ра- бочих чертежей И и передача их в ко- пировальное бюро или лабораторию электрографии 10. Получение калек или копий и оригиналов комплекта рабочих чертежей, регистрация и пе- редача их конструктору-разработчи- ку 13. Регистрация, учет и передача калек или копий комплекта рабочих чертежей И в нормоконтроль 25. Регистрация, учет и передача ТЗ на выпуск МЧ конструктору-разра- ботчику 31. Регистрация, учет и передача оригиналов МЧ на провер- ку лаборанту-разработчику 35. Ре- гистрация, учет и передача оригина- лов МЧ конструктору 37. Регистра- ция и передача оригиналов МЧ в ко- пировальное бюро или лабораторию электрографии 39. Регистрация, учет и передача калек или копий МЧ дан- 161 ного И для введения их в СП 41. Пе- редача калек или копий МЧ и изве- щений с комплектом СП в нормокон- троль 45. Техник ЭФ. Определение пригод- ности оригиналов КД к электро- фотографированию, регистрация в книге учета, снятие копий, их об- резка и окантовка, подбор комплек- та копий и оригиналов КД и передача их в ППГ 12. Технолог. Проверка технологич- ности конструкций по использова- нию операций литья, сварки, склеи- вания и т. п. и подписание калек или копий (после необходимых исправ- лений) в графе «Технолог» 18, Характерные структуры и подразделения конструкторских служб Конкретная структура той или иной конструкторской службы оп- ределяется в основном характером организации (конструкторские служ- бы НИИ проводят разработку новых конструкций, в заводских СКВ главное — ведение производства), осо- бенностью и числом заказчиков (однородные или разнородные тре- бования к конструкции), особенно- стью схемных решений РЭА (РЭА узкого или широкого профиля по назначению), объемом конструктор- ских разработок и степенью унифи- кации конструкторских решений. В результате получается многооб- разие структур от чисто последова- тельных или чисто параллельных до смешанных. В них в явной или скры- той форме, кроме чисто конструктор- ских, присутствуют подразделения: 1) планово-производственные (эко- номист, группа или отдел), цель ко- торых— учет, контроль и планиро- вание работ; 2) надежности, в ко- торых разрабатываются необходимые рекомендации по повышению на- дежности И; 3) художественного конструирования (оптимизация вза- имосвязей «человек + РЭА», един- ство стилевого и художественного решения групп И данного предприя- тия); 4) патентоведения (определение патентной чистоты И и рекомендаций по ее достижению); 5) научной ор- ганизации труда (создание условий комфортной зоны, психологической совместимости, повышение качества
162 7. Методология и организация конструкторского труда Рис. 7.3. Последовательная и параллельная структуры конструкторских служб, предель- ными случаями которых являются разработки по схемам: от объекта к функциональным блокам РЭА или от функциональных блоков к конструкциям РЭА лля объекта и производительности труда); 6) тех- нической информации (необходимые в работе монографии, справочники, ГОСТы, ОСТы, СТП, РТМ и другие нормативно-технические документы); 7) технической документации (ко- пирование, размножение и хранение КД); 8) чертежно-конструкторское бюро (выполнение чертежей по эски- зам); 9) нормоконтроля (проверка выполнения КД в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами, СТП и подобными документами); 10) технологичности (проверка воз- можности выполнения деталей и уз- лов на технологической базе пред- приятия). При последовательной структуре разработка конструкции РЭА ведет- ся для конкретных объектов-носите- дей (наземная, морская, возимая, носимая, самолетная), при парал- лельной — по схемотехническим осо- бенностям (передающая, приемная, обработки данных, антенных уст- ройств и устройств питания)(рис.7.3). Наиболее оптимальными будут структуры, в которых учтены: пер- спектива развития характерных ти- пов конструкций, деловые и профес- сиональные качества всех руководи- телей и ведущих специалистов, ха- рактер существующих и перспектив- ных разработок. Этим требованиям лучше всего отвечают гибридные структуры, в которых характерные типы РЭА по схемным признакам разрабатываются по параллельной схеме, характерные конструктор- ские комплексы—по последователь- ной и имеется «гибкий» резерв спе- циалистов из аппарата Главного кон- структора и отдельных специалистов (групп, бюро, отделов и т. п.) по вопросам планово-производственным, художественного конструирования и т. п. 7.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ТВОРЧЕСКОЙ РАБОТЫ КОНСТРУКТОРА [2, 7, 12]* Общие положения Новая конструкция вначале фор- мируется в сознании конструктора в виде мысленного образа изделия МОИ, который отображается затем в графической форме как чертеж об- щего вида И. Изображение на чер- теже— аналоговая модель И, допол- * Составители В. И. Семернев, Р. Г. Варламов,
7.2. Организация творческой работы конструктора няемая текстовыми пояснениями и расчетами. Так как создание МОИ является частью процесса мышления, который никогда не прерывается, то эту часть творческой работы конструктора ре- гламентировать очень трудно. Правильные организация работ, подбор и расстановка кадров соз- дают нормальную творческую и ра- бочую обстановку, дают удовлетво- рение от работы, обеспечивают све- дение к минимуму стрессовых ситуа- ций и способствуют, как минимум, повышению качества и производи- тельности труда на 25...30%. Наиболее характерными причина- ми нарушения нормального тече- ния творческого процесса являются: ненормальные взаимоотношения, не- упорядоченность деловых отноше- ний между руководителями и подчи- ненными, незнание должностных ин- струкций и положений, чрезмерное число и продолжительность совеща- ний с привлечением тех сотрудников, чье присутствие вовсе не обязатель- но, отвлечение специалистов на не- квалифицированные работы, откло- нение от норм трудовой дисципли- ны, недостаточная подготовленность к данной конкретной работе. В творческой работе конструктора можно выделить семь характерных стадий: аналитическую, поисковую, формулировочную, повторного ана- лиза, оперативного анализа, вариа- ционную и итоговую. Аналитическая стадия. Выполне- ние расчетов определяющих пара- метров идеализированной конструк- ции в целом и по характерным ча- стям и проверка их соответствия тре- бованиям ТЗ, проработка эскиз- ных вариантов конструкции, оценка факторов, мешающих созданию иде- ального И или его частей, выявление причин, определяющих возмож- ность ликвидации мешающих фак- торов. Результат: формулировка пу- тей решения задачи. Поисковая стадия. Выбор наиболее целесообразных путей решения, уточ- нение конечной задачи конструиро- вания, определение возможности ре- шения данной задачи конструирова- ния другим путем (где заданный эффект может быть получен простыми способами), оценка эффективности 163 выбираемых решений и формулиров- ка требований к ним, оценка ожидае- мой эффективности конструкции И, учет дополнительных требований. Ре- зультат: уточнение или замена ис- ходной задачи на задачу с более чет- кой формулировкой ее внутреннего технического противоречия. Формулировочная стадия. Уточне- ние условий задачи, анализ патен- тной и другой литературы, оцен- ка возможности решения при пре- небрежении к затратам, изменение задачи при уменьшении требуемого показателя почти до нуля, изменение задачи при увеличении требуемого показателя во много раз, формули- ровка сути задачи без специальных терминов. Результат: четкая форму- лировка задачи конструирования Й. Стадия повторного анализа. По результатам проведенных уточне- ний предыдущих стадий выполняет- ся построение идеальной конструк- ции И на базе реальных конструк- тивных материалов и условий с уче- том реальных помех в решении за- дачи, оценки их непосредственных причин и возможностей устранения помех решению. Результат: четкая формулировка технических проти- воречий и путей их преодоления. Стадия оперативного анализа. Оценка возможности устранения технического противоречия по ме- тодике АРИЗ, проверка возможности изменений в окружающей среде при работе И, оценка решения задачи при изменении окружающих фак- торов или смене объектов, проверка возможных изменений во времени, бионические и другие прототипы решения подобной задачи. Резуль- тат: нахождение основного вариан- та решения задачи конструирова- ния И. Стадия вариационного анализа. Вариация параметров отдельных ча- стей И, вариации свойств окружа- ющей среды и объектов, измене- ние методов использования И, оцен- ка полученных вариаций. Результат: формулировка уточнений для окон- чательного решения задачи. Итоговая стадия. Конструкторские расчеты и разработка общего вида И с последующей деталировкой и описанием. Результат: комплект КД на И.
164 7. Методология Использование методики АРИЗ [2] Обобщение практики творческой работы дает возможность быстрее выбрать правильное направление ре- шения задачи. В методике АРИЗ рекомендуются основные правила разрешения технических противоре- чий. Применительно к разработкам конструкций РЭА они следующие: I. Дробление И на независимые друг от друга части (функциональ- но-узловой метод конструирования РЭА). 2. Вынесение либо выделение единственно нужного или ненуж- ного свойства (например, экраниро- вание одного источника наводок, влияющего на многие приемники наводок). 3. Проявление местного качества для того, чтобы каждая часть хо- рошо выполняла свою частную функ- цию (например, изоляционная под- ложка и медная фольга в ПП). 4. Асимметричность конструкции (расположение регуляторов и инди- каторов в соответствии со способ- ностями левой и правой руки и рекомендуемыми областями распо- ложения индикаторов). 5. Объединение разных функций в одном элементе конструкции (свойства экрана, радиатора и кор- пуса РЭА). 6. Универсальность (светящаяся кнопка используется для включения и индикации). 7. Принцип «матрешки», когда элементы конструкции последова- тельно располагаются друг в друге (кристалл ИС в корпусе, корпус в ячейке, ячейка в блоке, блок в стойке). 8. Антивес — компенсация веса элемента конструкции подъемной си- лой (лопасти вентилятора «подни- мают» ротор электродвигателя, уменьшая нагрузку на опорный под- шипник при работе). 9. Предварительное напряжение элемента конструкции обратного знака (запрессовка втулочных под- шипников механизмов, работающих, при значительных перепадах тем- ператур). 10. Предварительное исполнение (встроенный разрядник высоковольт- ных цепей конструкции РЭА, рым- болты для такелажных работ). и организация конструкторского труда 11. Принцип «заранее положенной подушки» в конструкции (повышение надежности слабого звена, его резер- вирование). 12. Принцип эквипотенциально- сти конструкции (принцип эквипо- тенциальных ОГМ ЭЛ при компо- новке). 13. Действие наоборот (для ста- бильности работы РЭА нагревать ее до определенной температуры, которую легче поддерживать ста- бильной; менять местами движущие- ся и неподвижные элементы конст- рукции — ротор с обмотками непо- движен, а безобмоточный статор вра- щается; конструкция переворачивает- ся «вверх ногами»). 14. Использование эффектов сфе- роидальности и плоскости (отноше- ние объема к поверхности у шара максимально, а у диска — мини- мально, что важно при выборе форм элементов конструкции, предназ- наченных для накопления энергии или ее эффективной отдачи). 15. Динамичность свойств конст- рукции или ее элементов (нелиней- ность жесткости амортизаторов, поз- воляющая достаточно эффективно за- щищать РЭА от вибраций и ударов). 16. Замена одного общего слож- ного решения несколькими просты- ми (разделение амортизатора на две части: пружину сжатия, обеспечи- вающую жесткость, резиновый ме- шок с отверстием — демпфирование). 17. Перевод конструкции РЭА или ее элементов в другое измерение (за- мена двухмерной проволочной спи- рали резистора плоским слоем в пле- ночном и штабиком—в объемном ис- полнениях). 18. Изменение свойств среды, ок- ружающей РЭА (замена воздуха на жидкость в системах охлаждения, замена стального экрана пермалло- ево-медным с повышенной эффектив- ностью действия). 19. Импульсность действия (на- копление энергии от маломощного источника длительное время и бы- стрый разряд в импульсных модуля- торах и подобных устройствах). 20. Непрерывность полезного дей- ствия (блок питания микрокальку- лятора при выключении работает как зарядное устройство аккуму- ляторов).
7.2. Организация творческой работы конструктора 21. Проскок на большой скорости (быстрое изменение скорости вра- щения двигателя, чтобы не успели возникнуть резонансные явления в конструкции). 22. Обращение вреда на пользу (тепло, выделяемое РЭА, использо- вать для обогрева помещения). 23. «Клин — клином», когда два вредных фактора действуют в раз- ные стороны (различные системы термо компенсации). 24. Принцип «перегибания палки», когда усиление вредного фактора превращает его в союзника (повы- шенная температура среды в нуви- сторах позволяет отказаться от цепей накала). 25. Самообслуживание РЭА (со- временные адаптивные системы, ко- торые сами проводят диагностику и саморемонт). 26. Принцип копирования слож- ного и совмещения с ним масштаба (индикатор РЛС с условным изо- бражением объекта и метками рас- стояний). 27. Использование дешевой не- долговечности взамен дорогой дол- говечности или наоборот (сменные электронные лампы или гальвани- ческие батареи). 28. Замена силы одной природы на другую: механической на элект- рическую, акустическую, магнитную и т. п. (замена механических систем настройки на электронные, исполь- зование импульсных пьезотрансфор- маторов). 29. Замена твердых элементов кон- струкции на пневмо- и гидрокон- струкции (надувные обтекатели или отражатели антенн). 30. Использование гибких и тон- ких элементов (гибкие ПП, тонко- и толстопленочные ИС). 31. Использование магнитов и электромагнитов (магнитные муфты, магнитные компоновочные доски, ди- станционное управление с помощью электромагнитов, электромагнитные контакты). 32. Изменение окраски или про- зрачности объекта (изооптические ко- мпоновочные модели, изопирометри- ческие краски для измерения тем- пературы). 33. Однородность объекта (оди- наковость свойств материалов для заливки и заливочной капсулы ЭЛ). 165 34. Отброс или видоизменение не- нужных частей (использование тары в виде подставок, отстреливание разъемов ракетной РЭА). 35. Изменение структуры ЭЛ или конструкции РЭА в целом (испари- тельные системы охлаждения, ан- тенна из металлических катушечек, натягиваемых тросом). Интенсификация творческой работы На интенсификацию творческой работы влияют: психологические на- выки, повышение наглядности, кол- лективность разработки, преодоление психологической инерции и синекти- ка (генерирование случайных идей). Психологические навыки. Решая разнообразные конструкторские за- дачи, человек вырабатывает ряды ассоциаций в виде быстро воспроиз- водимых стереотипов мышления, ко- торые позволяют ускорить выпол- нение творческих работ. Чем больше и разнообразнее ряды ассоциаций, тем больше стереотипов и выше ве- роятность решения новых задач. Повышение наглядности. Бази- руется на множественности сенсор- ных входов человека, которая поз- воляет анализировать многомерные стимулы быстрее и точнее одномер- ных. Увеличение «мерности» графи- ческого изображения можно достичь за счет использования цвета (эски- зы ПП), объема (художественно- конструкторские макеты) и подоб- ных приемов. Коллективность разработки. Поз- воляет избежать традиционных для одного человека решений и ошибок, так как при обсуждении идеи раз- работки идет непрерывный обмен мнений и коррекция принимаемых решений. Преодоление психологической инер- ции. Инерция развивается при мно- гократном применении одних и тех же привычных методик, которые вырабатывают косность конструк- торского мышления и создают позна- вательно-психологический барьер для нестандартных решений. Для пре- одоления инерции необходимо раз- вивать интуицию, используя разные методики разработок конструкций: инверсию («переворачивание» функ- ций ЭЛ конструкции), аналогии (за- имствование аналогичных решений
7. Методология и организация конструкторского труда 166 из других областей техники), фан- тазию (рассмотрение заведомо не- реальных или идеализированных решений для нахождения новых идей). Генерирование случайных идей. Вид совещания, на котором рассмат- риваются идеи, хотя бы частично от- носящиеся к делу, которые не вы- смеиваются и не критикуются, ибо 10...20% из них, как правило, дают интересные и плодотворные решения. Разновидностью такого приема (его иногда называют «штурмом мозга») является синектнка, при которой по- следовательно рассматривают сим- волические аналогии до тех пор, пока не будет найдена какая-либо пло- дотворная идея. Механизация и рационализация конструкторских работ Механизация — совокупность при- емов, позволяющих сокращать вре- мя вычерчивания графических ЭЛ чертежа. К ней относят использова- ние трафаретов из прозрачного или полупрозрачного материала с окна- ми, размеры и форма которых соот- ветствуют ЭЛ; деколей—сухих пере- водных картинок схемных или кон- структивных ЭЛ на прозрачной плен- ке; специальных печатных машинок с чертежным шрифтом, цифрами, знаками обработки, обозначениями ЭЛ схем и чертежей; лекал, эллипсо- графов, электрорезинок и точилок, наборов чертежных инструментов со штриховальными и пунктирными приборами, чертежных приборов. Рационализация — уменьшение объема чертежных работ. К ней от- носят: упрощение графики ЭЛ чер- тежа; выклеивание ЭЛ чертежа тем- но-красной или черной лентой на прозрачной пленке из винипрозы или остролона, которые потом ис- пользуются в качестве оригиналов ПП; использование наклеиваемых или примагничиваемых аппликаций (последние часто называют темпле- тами) на чертежи-заготовки; чер- тежи-заготовки каркасов, шасси, ПП, на которых выполнены только об- щие для группы И ЭЛ, частные же ЭЛ дорисовываются, вклеиваются или «примагничиваются»; выполне- ние оригиналов КД на миллимет- ровке с желтой сеткой, которая за- тем смывается в ацетоне; использо- вание миллиметровых и чертежных бумаг с синей сеткой, которая не пропечатывается на электрофотогра- фических копиях. Практика использования ряда этих методов изложена в § 7.3. Степень их эффективности при по- стоянной работе специального сек- тора или группы следующая: рацио- нализация выпуска КД за счет упро- щения графики, использования чер- тежей-заготовок и табличных чер- тежей обеспечивает сокращение тру- доемкости на 25...30%; использова- ние аппликаций, темплетов и вы- клеивание чертежей — 16...20%; использование различных приемов механизации — 10...15%. Выпол- нение конструктором-разработчиком эскизов деталей с последующим их выполнением по стандартам ЕСКД в специальном чертежно-конструк- торском бюро позволяет ему в 1,5...2 раза сократить время на де- талировочные работы. 7.3. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРАКТИКИ КОМПОНОВКИ [4]* Компоновка РЭА (лат. сошропе- ге — складывать) — размещение в пространстве или на плоскости ЭЛ, имеющих электрические соединения в соответствии с принципиальной схемой, и обеспечение допустимого минимума паразитных взаимодейст- вий, которые не нарушают значения расчетных выходных параметров РЭА. Энергетическое несовершенство РЭА по преобразованию энергии источников питания в энергию вы- ходного сигнала (чаще всего Кпд = = 10-3... 10~10) — причина больших тепловыделений, для отвода которых требуется развитие поверхности кон- струкций и высокая эффективность теплоносителя. Емкостные и индуктивные ЭЛ РЭА требуют для нормальной рабо- ты определенного объема простран- ства, в котором при их работе воз- никают электрические и магнитные поля. Их локализация требует уве- личения объема конструкции РЭА * Составитель Р. Г, Варламов.
ТА. Общие вопросы практики компоновки 167 а Рис. 7.4. Схема определения установочного объема Руст (а) и объема обобщенной гео- метрической модели ОГМ (б) либо использования специальных эк- ранов. Сложные условия эксплуатации, энергетическое несовершенство РЭА, необходимость учета при компоновке «объемов» электрических и магнит- ных полей — причина усложнения проблем компоновки ЭЛ РЭА, кото- рая может быть определяющим фак- тором при выборе того или иного ком- поновочного решения РЭА. Поэто- му компоновочными моделями ЭЛ или РЭА в целом являются не гео- метрически адекватные им модели, а модели, геометрически обобщаю- щие всю совокупность их свойств. Такая модель называется обобщен- ной геометрической моделью ОГМ (см. гл. 8). Сложность расчета и формы ОГМ — причина использования в практике компоновочных работ уп- рощенных компоновочных моделей в виде установочных объемов Ууот или площади Syc-p ЭЛ. ^устС^уст) прямоугольный параллелепипед (или прямоугольник), описанный во- круг ЭЛ с учетом его максимальных установочных размеров, требований по монтажу и регулировке и допол- нительных объемов или пространст- ва, обеспечивающих его нормальную работу при данном тепловыделении, электрических и магнитных взаимо- действиях. Размеры ОГМ (Vy0T и 5уст) — функция геометрии ЭЛ и его режима работы. При малых КНгр п0 мощ- ности (0,1...0,3) можно использо- вать упрощенные соотношения для вычислений UyCT и SycT по нормали- зованным установочным размерам (рис. 7.4, а): Ууст — 1 • ^А1Пах Втах Нтах; Sycr — * > ЗАта х Лта х. (7.1) При значениях Кнгр > 0,3 ... ... 0,5 вычисление Уу0Т и Sy0T затрудняется, так как необходимо вычисление объемной или плоской ОГМ со сложными образующими (рис. 7.4, б), что требует знания начальных и граничных условий. Аналитическая компоновка В ее основе лежат выражения V2=K“yB S^y0Tf = (l/K“an)SVycTi; s2=k*b ssycTi = (i/Kscn)ssycT., (7-2) где (S2) — суммарный объем (площадь) РЭА; Кув (Кув) — коэф- фициенты увеличения объема (пло- щади) РЭА, зависящие от назначения и условий эксплуатации и равные 5...1 (3...1); l7yCTj (*$уст i) устано- вочный объем (площадь) i-го эле- мента; Квап — коэффициент запол- нения РЭА по объему (0,2 ... 1); К’сп — коэффициент использова- ния площади платы, шасси и т. п. (0,33...!). Объемная масса РЭА обычно ле- жит в пределах 0,4... 1,6 г/см3.
7. Методология и организация конструкторского труда 168 При малом разнообразии форм ЭЛ можно (в частности, при компо- новке ЭЛ топологических структур пленочных и гибридных ИС) исполь- зовать единичный геометрический компоновочный параметр в виде квадрата или куба, сводя площади (объемы) ЭЛ к исходному нормиро- ванному значению и вычисляя об- щую площадь (объем) в нормирован- ных значениях. Для ЭВМ и уст- ройств обработки данных часто ис- пользуют простые соотношения вида: число функций/(объем, число ЭЛ, площадь) и им подобные. Аналитическими методами поль- зуются при ограниченном количе- стве типоразмеров ЭЛ РЭА на ста- диях ЭП и ТП. Графическая компоновка Основана на упрощении графи- ки и ускорении процесса вычерчи- вания ЭЛ. Используется при выпол- нении компоновочных эскизов и мон- тажных чертежей. По современным стандартам ЕСКД допускается весьма значи- тельное упрощение начертаний ЭЛ РЭА. Для ускорения выполнения графических работ используют де- коли (сухие переводные изображения на прозрачной пленке), трафареты (рис. 7.5), специальные штампы и т. п. Графическими методами пользуют- ся на стадиях ЭП и ТП при разработ- ке эскизов и монтажной КД. Ркс. 7.5. Часть трафарета для выполнения графической компоновки к виды упрощен- ных начертании ЭЛ Графоаналитическая компоновка В ее основу положено выражение = N (Д2 — АО + пАъ (7.3) где — суммарное значение ком- поновочного параметра; N—число «больших» ЭЛ; п — число «малых» ЭЛ; Д2 и А1 — максимальное и ми- нимальное значение компоновочного параметра. Если гистограмма распределения Куст или SycT имеет два максиму- ма (рис. 7.6, а), то строим график (рис. 7.6, б). В зависимости V = = f (N/ti) или S = f (N/ti), по отно- шению N/n находим среднее значе- ние I/ или S, а затем суммарное (^Х — ^ср га> = ^цря). Для технологической и измери- тельной РЭА обычно Ki = 2 см3
7.3. Общие вопросы практики компоновки 169 Рис. 7.6. Характер распределения компоно- вочных параметров и их связь с отноше- нием N/n для графоаналитической компо- новки и = 10 см3. В этом случае про- ще использовать формулу = 8N + 2п, которая получается после подстановки численных зна- чений V] и V2 в (7.3). Графоаналитический метод целе- сообразно использовать для быстрой приближенной оценки компоновоч- ных параметров на стадиях ПТ и ЭП и при достаточной однородности ком- поновочных параметров и анализи- руемых И. Машинная компоновка Предназначена для замены руч- ного труда конструктора работой ЭВМ, в которой используются прин- ципы перебора возможных вариан- тов расположения ЭЛ и возможных мест трассировки соединений с по- мощью ЭВМ. Так как используются несвойственные цифровой! ЭВМ ло- гические алгоритмы, то эффектив- ность таких методов оказывается значительно ниже методов решения цифровых задач (см. гл. 8). Практика выполнения машинной компоновки и оборудование для нее описаны в § 7.5. Эффективность методов машинной компоновки тем выше, чем выше жесткость иерархических конструк- торских уровней РЭА (стойка, ра- ма, панель, субпанель, типовой элемент замены ТЭЗ с «гнездами» для ИС или дискретных ЭЛ. Чем ог- раниченней их номенклатура, тем больше степень унификации схем- ных и технологических решений. На- иболее целесообразно использова- ние комплексного подхода и решение не частных задач машинной компо- новки, а машинного проектирования РЭА в целом. В противном случае эффективность применения машин- ной компоновки позволяет повы- сить производительность конструк- торского труда всего на 8 ... 10%. Машинные методы целесообразно использовать на стадии ТП при раз- работке КД для комплексных (со- вместно с технологическими систе- мами) систем автоматизации проек- тирования РЭА. Натурная компоновка В ее основе разработка лабора- торных макетов из реальных ЭЛ, соединенных в полном соответствии с принципиальной схемой И. Эта компоновка эффективна, когда ком- поновка ЭЛ на макете, форма и раз- меры макета соответствуют ТЗ на разработку конструкции И. В про- тивном случае (особенно при высокой плотности компоновки) неизбежна длительная доводка образца до тре- буемых параметров. Если выполнить ЭЛ в виде «маг- нитных кубиков» (залить их в про- зрачную пластмассу, армировать кон- тактами и магнитными держателя- ми), которые имеют V ~ 17уот, то возможно быстрое моделирование до- статочно сложных И (широкополос- ных В У, измерительных приборов и т. п.). Натурные методы целесообразны на стадии отработки принципиаль- ной схемы и формулировки ТЗ на конструкцию И. Номографическая компоновка Используются нормированные зна- чения компоновочных параметров по ряду предпочтительных чисел /?20 (обеспечивающих при 140 значениях с точностью ±6% любое значение компоновочного параметра в диапа- зоне значений 10’ раз), специальных таблиц с рассчитанными значения- ми Густ, Sy0T и т, номограмм и таблиц со значениями К (K.jan, К-исп)- Номограммы строятся по форму- лам: яА^=/(п; A,); А] + А2=/(А1; А2); АуЛ=/(А2; /г; К); А0=(А1; А2),
170 7. Методология где А — частные и общие значения компоновочных параметров, ап — число элементов (компонентов). Точность и достоверность получа- емых результатов, а также быстро- та расчета (5... 10 мин) делают целе- сообразным использование метода как на стадиях ПТ, ЭП, так и ТП. Объемная компоновка Основана на представлении упро- щенных объемных моделей. Степень наглядности очень высокая. Исполь- зуется для моделирования печатных плат с дискретными ЭРЭ в виде ус- ловных моделей (рис. 7.7, а) и от- работки трассировки в виде моделей ЭРЭ, близких к оригиналу (рис. 7.7, б), для простых топологических задач ИС (рис. 7.7, в), для компоновки элементов модулей (рис. 7.8). На практике объемное моделирова- ние чаще всего используют не для компоновочных моделей ФУ, а для компоновочных моделей более круп- ных И, для посадочных и художест- венно-конструкторских макетов (по- следние часто выполняют в цвете). Применяют магнитные компоновоч- ные модели, имитирующие РЭА в целом. Объемные компоновочные модели используют на стадиях ЭП и ТП в виде весовых (габариты, форма, мас- са и координаты ЦТ макета соответ- ствуют И), тепловых (габариты, фор- ма, мощность тепловыделения и пространственное расположение теп- лонагруженных ЭЛ макета соот- ветствуют И) и художественно-кон- структорских (форма и цвет маке- та соответствуют И) макетов. Плоскостная компоновка Основана на представлении упро- щенных плоскостных моделей. Ис- пользуются вычерченные в масштабе чертежи-аппликации на чертежной бумаге, тонком картоне, или перга- мине (рис. 7.9), их компонуют на модели платы и, добившись нужного результата, перерисовывают полу- ченную компоновку на пергамин (чертежную бумагу марок «Д» и «Ч») или белую чертежную бумагу или делают на электрофотограф и- и организация конструкторского труда ческой машине копию. Контур чер- тежей аппликаций следует выпол- нять с учетом размеров ОГМ (в виде проекции Vy0T или Sy0I элемента). Возможно выполнение магнитных аппликаций (их часто называют тем- плетами) на окрашенной жести или бумаге с ферромагнитным покрытием. В этом случае основой компоновоч- ной модели является магнитная до- ска (стол или матрица в виде ящика со шнурами магнитной резины или с плоскими магнитами), на которую накладывается чертеж-заготовка ПП или ТЭЗ. Моделирование соединений выполняют темно-красной липкой лентой. Плоские компоновочные модели используют при разработке КД на подготовительной стадии ТП. Раз- новидностью плоских компоновоч- ных моделей являются видимые изо- оптические. Изооптическая компоновка [5, 6, 11]* В ее основе — использование двух- компонентных оптически неоднород- ных термочувствительных структур, которые позволяют сделать видимым тепловое поле нагретых тел в виде моделей или реальных ЭЛ РЭА. Цвета наблюдаемых участков ОГМ с определенными значениями тем- пературы определяются параметра- ми изооптической структуры. Изооптическая структура включает в себя две фазы: мелкодисперсную (порошок оптического стекла, кри- сталлы) и непрерывную (органиче- ские жидкости, полимеры). Если зависимость показатели от темпера- туры у мелкодисперсной фазы п, а у непрерывной при температурах #1, и Ф3 соответственно nj, п2 и п3, то в точках пересечения 1, 2 и 3 (на частотах Vj, v2 и Vg) изоопти- ческая структура прозрачна. Если Vi, v2 и v3 лежат в видимом спектре, то при прохождении белого света через изооптическую структуру вид- ны цветные участки, соответствую- щие температурам fy, ф2 и О3 (рис. 7.10, а). Используя модель компоновочной платы в виде изооптического термо- * Составитель М. М. Чернякова.
7.3. Общие вопросы практики компоновки 171 б Рис. 7.7. Компоновочные модели: условные (а), объемные (б) и топологические (в) с мо- делями плат (подложек) Рис. 7.8. Модель для компоновки элементов этажерочных микромодулей б
172 7. Методология датчика, работающего на отражение (рис. 7.10, б) и наложенного на ре- ально работающий ФУ или его теп- ловую модель, мы получаем видимую разноцветную компоновочную модель (рис. 7.10, в). Возможна работа термо- датчика на просвет. Набор изоопти- ческих датчиков на основе органи- ческих жидкостей и оптических сте- кол позволяет наблюдать разноцвет- ные изотермические области с тем- пературой —2О...15О°С и с разре- шающей способностью от единип до долей °C. Термодатчики обратимы (т. е. воз- можно их многократное использова- ние), просты, обеспечивают непре- рывность наблюдения (и измерение температуры) при изменении ком- поновки ЭЛ, дистанционны, обла- дают высокой временной стабиль- ностью и достаточно точны. Кроме компоновочных моделей, изоопти- Рис. 7.9. Компоновочные аппликации и организация конструкторского труда ческие термодатчики могут быть ис- пользованы при измерении темпе- ратуры ЭЛ с высоким электрическим потенциалом, ЭЛ в полях СВЧ, в глу- боком вакууме и у вращающихся объектов. Для повышения точности измерения используют вторичные из- мерительные приборы. Рнс. 7.10. Принципы построения изооптиче- ской структуры (а), изооптического отража- тельного датчика (б), компоновочная мо- дель с изотермическими изображения- ми (в) РпзноцВетные полутоновые изооптические изображения в
7.4. Последовательность компоновки ЭРЭ 7.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ КОМПОНОВКИ ЭРЭ [4, 7]* Общие правила Сложность компоновки зависит от особенностей работы схемы и условий ее эксплуатации. Оценка сложно- сти — величина относительная. Общими факторами, определяю- щими усложнение компоновки за счет функциональных особенностей, являются: повышение требований к стабильности, увеличение числа вхо- дов и выходов, уровня дестабилизи- рующих факторов, разницы между формой и размерами лабораторного макета и проектируемого И, увели- чение точности работы. Конкретные требования зависят от особенностей работы схемы. Компоновка ЭЛ бортовой РЭА, работающей в условиях значитель- ных по величине разнообразных де- стабилизирующих факторов, наибо- лее трудоемка, легче — компоновка ЭЛ носимой или возимой, еще лег- че — стационарной РЭА. Наиболее сложны по компоновке различные усилительные устройства, проще — генераторные, еще проще — логи- ческие и устройства питания. Компоновка элементов усилителей тем сложнее, чем выше коэффициент усиления, чем шире или уже полоса частот, чем выше или ниже резонанс- ная частота, чем меньше длитель- ность импульса (для ВУ). Увеличе- ние коэффициента усиления приводит к повышению вероятности паразит- ных связей между входными и выход- ными ЭЛ. Расширение полосы ча- стот — причина роста верхней гра- ничной частоты, на которой резко проявляют себя паразитные парамет- ры, особенно индуктивных ЭЛ. Уменьшение нижней граничной ча- стоты — причина значительных за- труднений в экранировании магнит- ных полей. Рост резонансной частоты при уменьшении полосы частот — при- чина использования высокодоброт- ных контуров, очень сложных в кон- струировании и чувствительных к наводкам. Понижение резонансной частоты (особенно в область * Составитель Р. Г. Варламов 173 0,1...10 Гц) — причина усложнения структуры контуров, в которых ча- сто приходится использовать элек- тромеханические системы и им по- добные решения. Сокращение дли- тельности импульса — причина по- явления весьма высокочастотных компонентов разложения, которые очень чувствительны к влиянию раз- личных конструктивных ЭЛ. Компоновка ЭЛ генераторов тем сложнее, чем выше или ниже уро- вень выходной мощности, выше или ниже рабочая частота, больше число рабочих каналов, меньше плотность воздуха (наиболее опасна зона 1...3 мм рт. ст. или 133... 400 Па), выше рабочее напряжение и требуе- мая эффективность экранирования. Повышение выходной мощности связано с увеличением рабочих на- пряжения и тока, что требует уве- личения расстояний между ЭЛ, уве- личения сечений токопроводов, при- менения специальных систем охлаж- дения и мер по защите от ионизирую- щих излучений, возникающих при рабочих напряжениях выше 10 кВ. Понижение выходной мощности резко увеличивает влияние вспомогатель- ных конструктивных ЭЛ на ста- бильность параметров и уровень мощности. Повышение рабочего на- пряжения предъявляет повышенные требования к компоновке как элек- трических, так и механических ЭЛ конструкции РЭА и к конструкции самих колебательных контуров (в том числе переходного типа). Увеличение числа рабочих кана- лов (на каждом из которых имеется как минимум две настройки в коле- бательном и контуре связи) требует специальных мер по развязке кон- туров каналов (экраны) и сложных коммутационных устройств. Пони- жение плотности воздуха до 1...3 мм рт. ст. (133...400 Па) — причина тихого коронного разряда даже при напряжениях 100...200 В, что умень- шает выходную мощность, умень- шает стабильность работы и увели- чивает уровень шумов (что очень нежелательно в гетеродинах прием- ников и измерительных генерато- рах). Весьма сложно решать задачу по получению высокой степени эф- фективности экранирования в изме- рительных генераторах и мощных генераторах СВЧ.
174 7. Методология и организация конструкторского труда б в А 0^7 CZ Г^Ср5 "©О ©nQP О п ОтгОез яг е яз l Рис. 7.11. Последовательность преобразова- ния запутанного графического изображения принципиальной схемы (а) в более удобо- читаемое (б), построение на базе удобо- читаемой схемы потенциальной (в) и тер- мальной (г) эпюр, схемы группировки эле- ментов (д) н компоновки (е) Компоновка ЭЛ логических уст- ройств (ЭВМ, системы обработки данных) тем сложнее, чем больше разница между входными и выход- ными напряжениями или токами, чем короче длительность импульса, выше быстродействие и точность, больше количество функций и сложнее мон- тажные структуры. Чем больше разница между вход- ными и выходными напряжениями или токами, тем выше коэффициент усиления устройства. Сокращение длительности импульса, повышение быстродействия и точности — при- чина появления ВЧ составляющих; рост количества функций — причина увеличения числа входов и выходов, усложнения монтажных структур и роста паразитных связей (в первую очередь емкостного характера). Компоновка ЭЛ устройств питания тем сложнее, чем выше или ниже выходное напряжение (больше или меньше выходной ток), чем больше выходов и чем выше стабильность их параметров. Увеличение выходного напряжения или тока требует уве- личения зазоров, применения проч- ных в электрическом отношении ма- териалов, увеличения сечения токо- проводов, применения систем ох- лаждения (от простейших радиато- ров до сложных водовоздушных си- стем). Высокие стабильности выход- ных напряжений и токов требуют применения усилителей постоянного тока со значительными коэффициен- тами усиления, что при большем чис- ле выходов заставляет рассматривать устройство питания в виде совокуп- ности усилителей. Дополнительными факторами об- щего характера будут: количество информации, перерабатываемое в И; тип активных ЭЛ (электронные, ионные, диэлектрические, магнит- ные, полупроводниковые); требуемая форма и размеры; вид электромон- тажных соединений; технология из- готовления, сборки и регулировки; заданная компоновочная схема. После выяснения степени сложно- сти компоновки с учетом функцио- нального назначения и общих допол- нительных факторов необходимо про- анализировать ТЗ последовательно: 1. Выяснить назначение ЭЛ схемы и определить их электрические и тепловые режимы.
7.4. Последовательность компоновки ЭРЭ 175 Рис. 7.12. Часть электрической схемы (а) и варианты построения потенциальных (б, в. г, д) и термальных (е) эпюр при различной компоновке элементов 2. Проанализировать условия эк- сплуатации и степень влияния де- стабилизирующих факторов на ра- боту ЭЛ и схемы в целом. 3. Выявить наиболее важные внут- ренние источники нестабильности схемы (ее ЭЛ) и их чувствительность к внешним электрическим, магнит- ным, тепловым, механическим и дру- гим видам воздействия. 4. Определить пути возможных внутренних паразитных наводок меж- ду ЭЛ схемы за счет гальванической паразитной связи, электрических, магнитных и электромагнитных по- лей. 5. Оценить величину, характер и особенности входных и выходных сигналов и напряжений питания (особенно в чувствительных и вы- соковольтных цепях). 6. Предусмотреть наличие допол- нительных, не указанных на прин- ципиальной схеме, ЭЛ в виде конт- рольных точек, экранов и развязы- вающих цепей, повышающих каче- ство работы И. 7. Вычислить координаты ЦТ (при необходимости), проанализировать варианты координат точек крепления и характерных схемных (вход, вы- ход, контроль, питание) точек. 8. Учесть характер смены ЭЛ, критичность расположения подбор- ных, построечных, регулировочных и индикаторных устройств и опреде- лить на основе проведенного анализа генеральную линию компоновки И. Функциональные узлы с дискретными элементами Последовательность компоновки ФУ с дискретными элементами 1. Анализируем начертание прин- ципиальной схемы и при ее запутан- ном выполнении (например, как на рис. 7.11, а) перечерчиваем так, чтобы обеспечить простоту рисунка и легкость анализа (рис. 7.11, б). 2. Составляем окончательный ва- риант принципиальной схемы с уточ- ненными типоразмерами элементов и их вариаций. 3. Вычисляем потенциал сигналов и ^min в характерных точках схемы для максимальных значений вход- ных сигналов или их вариаций (для схем, имеющих различные устой- чивые состояния, вычисления прово- дим для всех режимов), и на основе полученных данных с учетом поляр- ности строим потенциальные эпюры схемы (на рис. 7.11, в показана толь- ко односторонняя сигнальная эпюра для положительной полярности, от- кладываемая вверх или вправо, а для отрицательной—вниз и влево). 4. Рассчитываем мощности теп- ловых потерь схемных элементов и строим термальные эпюры (изотер- мы с заданной температурой на кон- туре), позволяющие оценить требуе- мую «тепловую площадь» элемента (рис, 7.11, г). 5. Группируем пассивные ЭЛ ря- дом с активными в виде таблицы (рис. 7.11, д), а затем в виде компо- новочного эскиза (рис. 7.11, е), трансформируя полученную схему компоновки с учетом потенциальных и термальных эпюр ЭЛ и различных вариантов их взаимного расположе- ния (рис. 7.12). Пример последовательности состав- ления монтажного эскиза ФУ с дискретными элементами при про- волочном монтаже приведен на рис. 7.13. Принципиальная схема перерисовывается с учетом допу- стимых двух паек на один лепе-
176 7. Методология а б 1-1 г-i з-1 >i-i h-г 6-1 7-г s-г s-i в Рис. 7.13. Схема построения монтажного эс- киза при проволочном монтаже и организация конструкторского труда сток (рис. 7.13, а), составляется принципиально-монтажный экскиз (рис. 7.I3, б), на основе которого выполняются монтажные чертежи для монтажной пластмассовой пла- ты с окном (рис. 7.13, в) или для пла- ты из гетинакса (рис. 7.13, г). При составлении монтажных эски- зов ФУ на ПП принципиальная схе- ма перечерчивается с учетом только одной пайки в пистон (рис. 7.14, а), что позволяет получить как бы «за- готовки» соответствующих печатных проводников, которые трансформи- руются с учетом реальных размеров ЭЛ (рис. 7.14, 6) и позволяют полу- чить окончательный вариант МЧ в виде рис. 7.14, в. Использование методов комбина- торики позволяет создавать универ- сальные монтажные структуры в виде трех- и двухмерных образова- ний. Пример УПП показан на рис. 7.15. Принцип ее построения следующий. Нумеруются точки схе- мы с различными потенциалами 1. Этой схеме может быть поставлен в соответствие частичный граф 2, являющийся частью полного мон- тажного графа 3. Используя двух- мерную комбинаторную систему ко- ординат в виде двух треугольных сеток (сплошные линии — провод- ники на лицевой, а штриховые — на оборотной стороне УПП), мы можем (в зависимости от выполненной нуме- рации) получить варианты компо- новки 4 и 5. Выполняя эти сетки на квадратных платах и меняя нуме- рацию, мы получим варианты ком- поновки 5...9. Практические вариан- ты рисунков УПП — 10... 13. Функциональные узлы с модульными элементами К этим ФУ относятся такие при- способления для компоновки ЭЛ, которые были показаны на рис. 7.8. Возможны и другие приемы выпол- нения компоновочных работ ЭЛ мо- дульных ФУ, когда используют гра- фоаналитические методы, специаль- ные таблицы и варианты полных или частичных графов схемы. Стремление к унификации типо- размеров ПП и сложность монтажных структур послужили причиной раз-
7.4. Последовательность компоновки ЭРЭ 177 б Рис. 7.14. Схема построения монтажного эскиза при печатном монтаже
178 7. Методология и организация конструкторского труда 10 11 Рис. 7.15. Схема построения универсальных печатных плат
7.4. Последовательность компоновки ЭРЭ 179 ПИИ о о о о О О О О | V о 0^0 о о | о • о о • о*о 0*00/ о о о о о о ----------, 15 шт. ИС I i I I 30 шт. ИО ! (15+15) О О | о о о|о • 0^0 • Г--------------1 i I | 4 5 шт. ИС I । I (15+15+15) ' 1 I I I I I I I I I Г-------------। I 60 шт. ИС \(15+15+15+15) 'Контакты *\ Контур пои я Кия [ установки । ыакроохвн Ы 47 42 43 44 05 44' 4Z 45 И Рис. 7.16. Унифицированные уПП для ИС
ISO 7. Методология б Г Рис. 7.17. Построение простой топологиче- ской структуры ИС и организация конструкторского труда работки полууниверсальных рисун- ков печатных проводников на ПП (рис. 7.16). В этом случае жестко фиксируется местоположение ФУ в виде ИС, ко- ординаты их выводов и прокладыва- ются общие проводники (вход, вы- ход, питание и т. п.). При разработке МЧ делают только доработку ПП, выполняя на наружных сторонах платы промежуточные соединения рис. 7.16, а. Фиксация месторасполо- жения ИС облегчает решение задач компоновки (рис. 7.16, б) и поз- воляет получать УПП с кратным чис- лом ИС (15 — рис. 7.16, е, 30 — рис. 7.16, г, 45 — рис. 7.16, д, 60 — рис. 7.16, е), для соединения которых можно использовать соби- рающийся разъем (рис. 7.16, ж). Фиксация местоположения ИС дает возможность использовать комбина- торные двухсторонние УПП, на ко- торых выполнены контактные пло- щадки для выводов ИС (рис. 7.16, з), а сама УПП делится на зоны распо- ложения ИС и их монтажных полей. При разработке МЧ определяют толь- ко точки перехода (соединения) на лицевой и оборотной сторонах и уча- стки проводников, подлежащих сня- тию (рис. 7.16, и). Топологические структуры слож- ных ИС выполняются машинными методами. Для разработки простых топологических структур (например, ИС частного применения) исполь- зуют ручные методы со следующей последовательностью. Нумеруются характерные монтажные точки схе- мы (рис. 7.17, а), схема перерисовы- вается так, чтобы по ее контуру были контактные площадки для внешних соединений и соединений с выводами активных элементов, расположенны- ми вне контура платы (для располо- женных внутри контура контактные площадки также будут внутри кон- тура) (рис. 7.17, б). Если требуется линейное расположение контактов, то оно может иметь вид, аналогичный рис. 7.17, в. Оценивая площадь схем- ных ЭЛ (для резисторов она опре- деляется гноМ, Рцот & и геометрией; для конденсаторов — в и исполь- зуемыми материалами), получаем промежуточный эскиз топологиче- ской структуры (рис. 7.17, г), на базе которого выполняется топологиче- ский чертеж (рис. 7.17, д).
компоновки и выпуска КД на ЭВМ 181 7.5. Последовательность машинной 7.5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ МАШИННОЙ КОМПОНОВКИ, ЧЕРЧЕНИЯ И ВЫПУСКА ТЕКСТОВОЙ КД НА ЭВМ [3, 8, 9, 10, 13] * Возможности и стадии машинной компоновки Развитие ЭВМ позволило в на- стоящее время различными спосо- бами машинного конструирования выполнять: компоновку дискретных ЭРЭ и ИС на ПП, трассировку одно-, двух- и многослойных ПП, тополо- гию ИС, таблицы цепей МПП и жгу- тового монтажа, сборочные чертежи и их деталировку, текстовые доку- менты в виде различных ведомостей и спецификаций, а также комплекты фотошаблонов слоев МПП. Эффективность машинных способов конструирования РЭА (являющих- ся частью системы автоматизации проектирования) повышается с уве- личением возможностей для формаль- ного (в виде уравнений) описания конструкции, с ростом степени стан- дартизации схемных и конструктор- ских решений, при четкой иерархиче- ской структуре И в целом и частых повторах аналогичных разработок. Большая сложность и трудоемкость программного обеспечения, значи- тельные затраты на аппаратуру, используемую в системах автомати- зации проектирования, делают не- целесообразным ее использование для нестандартных решений или в срав- нительно простых случаях. Для эффективной работы конструк- тора и ЭВМ необходимо рационально разделить их функции и обеспечить работу в диалоговом режиме. В системах автоматизации конст- руирования процесс имеет обычно четыре характерные стадии: предва- рительный анализ, ввод данных в ЭВМ, проработка промежуточных решений, разработка окончатель- ного варианта конструкпии. На стадии предварительного ана- лиза происходит ознакомление с ТЗ и составление плана решения, на- пример по методике § 7.2. Здесь же следует учесть возможности конкрет- * Составители В. И. Семернев, Р. Г. Варламов ной системы автоматизации констру- ирования, используемой в ней ЭВМ, вспомогательного оборудования и программного обеспечения. На этой стадии ЭВМ не используется. При вводе данных в ЭВМ конструк- тор должен с максимальной эффектив- ностью использовать возможности конкретной системы автоматизации конструирования, сформировав ис- ходные данные для промежуточных (поисковых) анализов на соответ- стующем машинном языке или с по- мощью специальных устройств вво- да. На этой стадии ЭВМ выполняет перевод, систематизацию, запись и хранение исходной информации для решения задачи. На стадии проработки промежуточ- ных решений конструктор и ЭВМ работают совместно, выполняя пере- работку исходной информации. При этом конструктор выполняет ка- чественный синтез И, анализ про- межуточных оценок ЭВМ, принимает решения по принципиальным воп- росам и выбирает соответствующую стратегию их реализации. ЭВМ вы- полняет элементы алгоритмического синтеза, анализ синтезируемой кон- струкции, контролирует действия конструктора и выявляет ошибки, которые обнаруживаются алгорит- мически, ведает выдачей резуль- татов, графических и текстовых доку- ментов, некоторыми видами обра- ботки данных и т. п. Наиболее эф- фективна совместная работа кон- структора и ЭВМ на этой стадии в диалоговом режиме и реальном ма- сштабе времени. При разработке окончательного варианта конструкции, обобщая ре- зультаты работы на предыдущих стадиях, конструктор завершает разработку общего вида И и «пору- чает» ЭВМ выполнение работ по вы- пуску графической и текстовой доку- ментации, перфолент, фотооригина- лов и т. п. Автоматизированное рабочее место конструктора (рис. 7. 18) Исходная информация в ЭВМ вво- дится с перфокарт, перфолент, маг- нитных дисков или лент, на которых она была предварительно записана. Оперативная информация вводится с помощью клавишного пульта, све-
182 7. Методология АЦПУ Пшфопослгрог/тель Рис. 7.18. Схема автоматизированного ра. бочето места АРМ конструктора тового пера дисплея, двухкоорди- натных потенциометра или тумбле- ра, планшета или координатного счи- тывающего устройства. Устройства подготовки данных на перфокартах УПДК-32, ЕС-9010, ЕС-9011, ЕС-9015 позволяют с пер- вичных документов вручную с по- мощью электрической пишущей ма- шинки «Консул» наносить на пер- фокарты алфавитно-цифровую ин- формацию, контролировать ее пра- вильность на бумажной ленте, раз- множать перфокарты. Аналогичные устройства подготов- ки данных на перфолентах «Брест-!», Рис. 7.19. Виды следящих перекрестий: про- стое, с разрывом, с точкой в центре, со смещенной точкой слежения и организация конструкторского труда ЕС-9020, ЕС-9021, ЕС-9022 позволя- ют наносить на перфоленту алфа- витно-цифровую информацию, кон- тролировать ее правильность, срав- нивать две или три перфоленты и размножать их. Для подготовки данных на магнитной ленте исполь- зуют устройства ЕС-9001 и ЕС-9002. С помощью клавишного пульта (отдельного, в виде части электри- ческой печатной машинки или части дисплея) можно вводить знаки, бук- вы, цифры, графики, прямые линии или окружности и их части; стирать знак, часть или целую строку или весь экран; вставлять строки или знаки, сдвигать часть строки влево — вправо, создавать защищенные об- ласти, выполнять табуляцию. Световое перо (по сути правиль- нее говорить «световой глаз») вы- полнено в виде жгута световодов, с помощью которых световой сигнал с экрана дисплея подается на фото- умножитель (фототриод), а с него — на схему управления. Может рабо- тать в двух режимах: «Следящего перекрестия» и «Функции указания». Режим «Следящего перекрестия» ха- рактеризуется тем, что на экране дисплея высвечивается простое пере- крестие (рис. 7.19, а), перекрестие с разрывом, диаметр которого равен диаметру поля зрения светового пера (рис. 7.19, б), перекрестия с точкой в центре (рис. 7.19, в) или со смещен- ной точкой слежения (рис. 7.19, г). Это перекрестие с помощью светово- го пера можно «водить» по экрану и по чертежу, показанному на экра- не. В режиме «Функции указания» световым пером можно отмечать на- чало или конец линии, центр окруж- ности и т. п. операции, формировать команды «Стирания» или «Черче- ния» линии. Двухкоординатный потенциометр выполняется обычно в виде неболь- шого механизма полусферической формы, в основании которого вмон- тированы под углом 90° два потенци- ометра с роликами. Катая один или два ролика по поверхности, мы фор- мируем соответствующие электриче- ские сигналы и «рисуем» на экране чертеж. Возможно использование тумблера в пяти положениях: ней- тральное, включено «вверх» или «вниз», «влево» или «вправо». При включении тумблера на экране на-
7.5. Последовательность машинной компоновки и выпуска КД на ЭВМ 183 Рис. 7.20. Элементы АРМ конструктора: 1 — устройство преобразования графической информации; 2 — леитотека; 3 — фотосчиты- вающее устройство; 4 — чертежио-графический автомат; 5 — леитотека и перфоратор; 6 — полуавтомат кодирования графической информации; 7 — клавиатура символов; 8 — клавишная ЭВМ; 9 — электрическая пишущая машиика чинается вычерчивание линии от начальной точки. Планшет выполнен в виде матрицы двух групп пересекающихся провод- ников, к которым в определенной последовательности подаются им- пульсные сигналы. Касаясь той или иной точки чертежа (лежащего на планшете) специальным щупом, за счет емкостной связи мы считываем импульсы и определяем точку, ука- занную щупом. Эта информация вво- дится в ЭВМ (при необходимости с определенной коррекцией). Координатное считывающее уст- ройство представляет собой двух- координатную механическую систе- му, оптический или механический визир, которой может быть совмещен с заданной точкой. При этом может формироваться сигнал координат точ- ки и вводиться в ЭВМ. Вывод информации из ЭВМ мо- жет быть осуществлен на экран дис- плея, графопостроитель или коорди- натограф и алфавитно-цифровое пе- чатающее устройство АЦПУ, а так- же на устройства подготовки данных на перфоленту, Основным элементом дисплея яв- ляется электронно-лучевая трубка с рабочим полем 250X250 мм (1024X 1024 знаков) или 400X400 мм (4096X4096 знаков) и блок буфер- ной памяти на 1024...8000 байт. Экран может быть одно- или много- цветным. Основными режимами работы дис- плея являются точечный или век- торный. Точечный режим удобен при изображении множества отдель- ных точек (в частности, знаков, букв или цифр) или простых отрез- ков кривых. На экране может раз- мещаться 12, 16 или более строк по 64...80 знаков двух (основного или увеличенного) размеров. Вывод на экран дисплея знаков, букв или цифр выполняется с помощью кла- виатуры клавишного пульта. Вектор- ный режим требует меньшего объе- ма памяти, так как для вычерчива- ния непрерывных прямых или кри- вых линий достаточно записи в па- мяти соответствующих уравнений, а не координат многих точек, как в точечном режиме.
184 7. Методология Графопостроитель представляет со- бой двухкоординатный самописец с приводом от шаговых двигателей, управляемых ЭВМ. Рабочее поле может быть от 380X600 до 1200Х X 1600 мм с масштабами чертежа 1:2, 1:1,2:1с 64...253 символа- ми, сплошными линиями, штри- ховыми или штрихпунктирными I...3 толщин. Скорость черчения 50...200 мм/с, элементарный шаг (разрешающая способность) 0,025 или 0,05 мм. В качестве рабочего инст- румента используются рапидогра- фы, карандашные графиты, стержни для фломастеров, шариковые пишу- щие узлы (одно- или многоцветные). Графопостроители, «пишущие» све- товым лучом или гравировальным прибором фотошаблоны — заготовки ПП, обычно называют координато- графами (типы М-2001, М-2005, ЕС-7051, ЕС-7052, ЕС-7053, ЕС-7054). В качестве носителя информации используют рулонную или плоскую бумагу (барабанный или планшет- ный типы графопостроителей), фо- топластинки или пластины с фото- резистом, стеклянные пластины с лаковой пленкой (срезается грави- ровальным прибором). АЦПУ — электромеханическое устройство, печающее буквы, циф- ры и знаки на рулонной бумаге, что позволяет получать текстовую КД, а также ряд КД для ПП и МПП (мон- тажные и послойные чертежи). В со- ставе ЕС ЭВМ используются АЦПУ типов ЕС-7030, ЕС-7031, ЕС-7032, ЕС-7033, ЕС-7034. ЕС-7039. Элемен- ты АРМ конструктора показаны на рис. 7.20. Практика машинного конструирова- ния При оценке эффективности машин- ного конструирования (являющего- ся частью системы автоматизации проектирования) чаще всего говорят только об одной его стадии, когда ЭВМ по заранее подготовленной и составленной программе (на что ухо- дят месяцы и годы) и по частным данным конкретной задачи (их под- готовка также требует 6... 12 чело- веко-дней) быстро решает задачу. Для правильной и объективной оценки машинного конструирования следует рассматривать весь цикл: от момента получения задания до и организация конструкторского труда момента выполнения всего комплек- та КД. Современные системы автоматиза- ции проектирования позволяют ре- шать задачи системного проекти- рования (например, разработки структуры новой ЭВМ), функцио- нального (разработка и анализ схем- ных структур) и технического (ком- поновка ИС и ЭРЭ на ПП или МПП, выпуск текстовых КД, создание ис- ходных технологических документов, например, в виде фотошаблонов МПП или топологических структур ИС и управление станками с числовым программным управлением). Разнооб- разие технических средств современ- ных систем делает целесообразным рассмотрение только общих прин- ципов, а не конкретных устройств. Рассмотрим характерные этапы раз- работки комплекта КД на ПП с вы- водом данных на АЦПУ, по которым выполняются фотооригиналы. Об- щая трудоемкость на одну 4-слой- ную МПП ~ 70 человеко-дней, рас- пределение трудоемкости этапов следующее: I. Получение из лаборатории пред- варительно согласованного ТЗ и принципиальной схемы. Составле- ние и согласование на их основе тре- бований на компоновку ИС или ЭРЭ - 2%. 2. Набивка перфокарт для ввода частных данных (общая программа уже есть) по компоновке ИС или ЭРЭ и сама компоновка на ЭВМ — 2,8% (1,4+1,4). 3. Согласование с лабораторией и (если нет возражений) составление задания на трассировку — 6,9%. 4. Набивка перфокарт для ввода частных данных (общая программа уже есть) по трассировке проводни- ков и сама трассировка — 4,2% (1,4+2,8). 5. Проверка на соответствие ТЗ полученных результатов, черно- вая и чистовая разводка, вычерчи- вание оригиналов, их проверка кон- структором, проверка и согласова- ние с лабораторией и технологами, выполнение подлинников КД, их проверка в лаборатории и техноло- гами, утверждение, нормоконтроль, размножение — 54,9%. 6. Изготовление фотооригиналов, их проверка, фотографирование, сда- ча на хранение — 29,2%.
7.5. Последовательность машинной компоновки и выпуска КД на ЭВМ 185 В этом случае подготовительные работы для ввода частных данных в ЭВМ —2,8%, работа ЭВМ —4,2%, т. е. только 7% трудоемкости вы- пуска КД падают на ЭВМ, а 93% — на ручную работу и различные со- гласования. Сравним рассмотренную трудоемкость с разработкой анало- гичной КД с выполнением фотоори- гиналов на координатографе (общая трудоемкость ~ 50 человеко-дней). 1. Этап тот же, трудоемкость 2,9%. 2. Этап тот же, трудоемкость 3,9% (1,95+1,95). 3. Этап тот же, трудоемкость 5,9%. 4. Этап тот же с трассировкой на координатографе, трудоемкость 5,9% (1,9+4). 5. Проверка рисунка трассиров- ки на соответствие ТЗ, ручная до- разводка проводников, проверка — 12,7%. 6. Набивка перфолент и выпол- нение рисунка доразводки на графо- построителе — 3,9%. 7. Окончательная проверка — 5,9%. 8. Выполнение фотооригиналов на координатографе — 2%. 9. Ручная доразводка, проверка, исправление, выпуск комплекта ори- гиналов КД, их проверка, исправ- ление замечаний, выполнение и про- верка подлинников, их утверждение и передача в ОТД, размножение — 56,9%. В этом случае подготовительные работы для ввода частных данных в ЭВМ и работа ЭВМ составляют 15,7%, а 84,3% — ручная работа и различные согласования. Для различных работ в системах автоматизации проектирования це- лесообразно использовать различ- ные по мощности ЭВМ: для анализа схем и проектирования монтажных и топологических структур — боль- шие ЭВМ (БЭСМ-6, ЕС-1060), для разработки библиотек программ, выпуска КД и управляющих перфо- лент—средние (М-220, ЕС-1030), для выполнения графических КД — ма- лые («Мир», ЕС-1010). При этом круг решаемых вопросов следующий: ком- поновка ИС или ЭРЭ на поле ПП или МПП, распределение выходных кон- тактов разъемов и контрольных гнезд с распечаткой на АЦПУ сборочного чертежа и спецификации на МПП и ячейки, трассировка печатного мон- тажа и распечатка таблицы цепей, выполнение сборочного чертежа ФУ, спецификации МПП, ячейки в це- лом, ведомости машинных носите- лей, перфолент слоев МПП для ко- ординатографа с фотоголовкой, про- ектирование и изготовление управля- ющих перфолент для сверления сквозных отверстий на сверлильных автоматах и проверка электрических соединений на установке УКПМ-1. При необходимости можно вруч- ную фиксировать расположение от- дельных ЭЛ и контактов на МПП, менять ее размеры (это сложно), механически на координатографе вы- полнять фотошаблоны двухсторонних ПП по эскизу. Для 9-слойной МПП с размерами платы ячейки 250Х 150 мм (96 шт ИС типа 101 СТ 14—1) и объединитель- ной платы с 18-слойной МПП и 34 ячейками решение задач компо- новки (в чистом виде) возможно за 20...30 мин машинного времени, трассировки соединений за 40— 50 мин, выпуск текстовой докумен- тации и управляющих перфолент за 1,5...2 ч, вычерчивание одного слоя МПП за 10...15 мин. При этом в качестве выходных до- кументов на АЦПУ могут быть по- лучены спецификации ячеек, МПП, таблиц цепей МПП, сборочных чер- тежей ячеек, ведомостей машинных носителей и комплектов фотошабло- нов МПП в масштабе 1:1. Кроме этого, могут быть получены перфо- ленты контроля МПП, перфоленты для сверления отверстий в МПП, пер- фоленты контроля цифровых ячеек. Характерные виды машинного конструирования РЭА 1. В памяти большой ЭВМ хра- нится информация об одном или не- скольких типоразмерах ПП в виде координатной сетки и о «гнездах» установки ИС. Частная информация об особенностях конкретной ПП (кон- кретная схемная структура с ИС или дискретными ЭРЭ) вводится со спе- циальных перфокарт или перфолент. ЭВМ последовательно решает за- дачу компоновки ИС и трассировки их соединений, используя алгорит-
7. Методология и организация конструкторского труда 186 мы направленного частичного пере- бора вариантов. Работа ЭВМ ведется в автономном автоматизированном режиме без воз- можности контроля в процессе ре- шения задачи. Необходимую кор- рекцию можно осуществить только по окончании работы после ручной проверки фотооригиналов. Отсут- ствует возможность выполнения чер- тежно-графических работ и тексто- вых КД; не исключаются случаи неполной трассировки, когда вы- полняется разводка 80. ..95% всех проводников. Машинное время на МПП с 10... 15 слоями 5...7 ч. 2. Используется большая ЭВМ (аналогично предыдущему виду). Входная информация вводится с перфолент, ручных эскизов или экра- на дисплея с коррекцией с помощью светового пера, поэтому возможен оперативный контроль работы ЭВМ как на экране дисплея, так и с по- мощью АЦПУ. Это позволяет рабо- тать в диалоговом режиме и вводить оперативную коррекцию в програм- му ЭВМ. Выходная информация представляется в виде фотоориги- налов и чертежей. Возможна 100%-ная трассировка соединений, выпуск текстовой КД. Машинное время на одну ПП 0,5... 1 ч. Выполнение машиностроительных чертежей не предусмотрено. 3. В память средней или малой ЭВМ Вводится с двухцветного эски- за или перфоленты необходимая для работы информация. Эскиз чертежа ПП выполняется от руки на специ- альной или обычной миллиметровой бумаге в два цвета (одна сторона — красные проводники, другая — си- ние). С помощью координатного счи- тывающего устройства конструктор вводит в память ЭВМ информацию о координатах проводников и контак- тов (с нужной точкой проводника совмещается перекрестие оптиче- ского визира и нажатием кнопки фор- мируется необходимый сигнал). По- сле ввода всей необходимой инфор- мации о ПП (она записывается в па- мять ЭВМ или на перфоленту) мож- но включить графопостроитель или АЦПУ и получить чертежи трасси- ровки сторон ПП. Если проверка полученной информации указывает на отсутствие ошибок, то перфолента передается в работу. Данные с пер- фоленты используются в координато- графе для выполнения фотоориги- налов. Возможна 100%-ная трассировка соединений. Машинное время на одну двухстороннюю ПП 10...30 мин. Выполнение машиностроительных чертежей не предусмотрено. 4. В память большой или средней ЭВМ вводится необходимая инфор- мация с перфоленты, с эскиза от руки, световым пером с экрана дис- плея, с растрового планшета или с помощью «шарика» (датчика с двумя линейными потенциометрами). Возможны следующие режимы ра- боты. По альбому типовых деталей выбираем требуемую, вводим в ЭВМ ее зашифрованное обозначение, раз- меры и знаки обработки и получаем на графопостроителе необходимый чертеж. Выполненный от руки эскиз общего вида И (например, механизма настройки) накладываем на растро- вый планшет и последовательно об- водим контуры отдельных деталей и весь эскиз и получаем на графо- построителе комплект детальных чер- тежей и чертеж общего вида. Необ- ходимая информация может быть оставлена в памяти ЭВМ или выве- дена на перфоленту с дальнейшим использованием ее станком с ЧПУ. Создаем на экране дисплея с по- мощью «шарика» и светового пера чертеж нужного ЭЛ, меняем его форму и размеры. При необходимо- сти можно ввести информацию о нем в память ЭВМ, на перфоленту, либо вычертить с помощью графопострои- теля. Чаще всего этим способом ведут разработку чертежей ФУ на ПП. В этом случае возможна 100%- ная трассировка соединений при ма- шинном времени на одну двухсторон- нюю ПП 10...20 мин. Возможно вы- полнение машиностроительных чер- тежей и при необходимости тексто- вой КД- Первые три вида дают возмож- ность разрабатывать комплекты КД на общие виды ФУ на ПП и чертежи слоев МПП, а также выпускать тек- стовую КД, а последний дает возмож- ность выполнять разработку машино- строительных конструкций. Примеры КД, выполненные на ЭВМ, показаны на рис. 7.21.
7.5. Последовательность машинной компоновки и выпуска КД на ЭВМ 187 N1 ЦЕПИ | 1 ТОЧКИ — ЦЕПИ 055 У007-В07-12 У007-В07-13 У011-Г05-13 065 - - — -- - _ - - _— — У002-Б05-08 У011-Г05-10 066 У009-А06-09 У009-А06-10 У012-А07-04 У007-В07-08 j ИЗМ. ЛИСТВЫ доку м. j подп.’, дат aJ АВ 7.105.001 ТБ {ЛИСТ । -------------ФОРМАТ 11-----1 Рис. 7.21. Часть печатной платы и распечатка точек цепи» выполненные с помощью ЭВМ
188 7. Методология 7.6. РАБОЧЕЕ МЕСТО КОНСТРУКТОРА [1]* Рабочее место конструктора — часть помещения предприятия, име- ющая площадь и объем, достаточные для размещения конструктора и чер- тежного оборудования в виде чер- тежной доски ЧД, со станком ЧС, чертежным прибором ЧП и чертеж- ной головкой, комбинированного чер- тежного стола, стула, чертежного инструмента. Кроме этого, в состав рабочего места входят пишущие и стирающие приспособления, вспо- могательные столы, справочные, ин- формационные и рабочие материалы и чертежи, средства вычислительной и оргтехники, обеспечивающие кон- структору выполнение творческих, чертежно-графических и расчетно- письменных работ в комфортной среде (зоне). Чертежная доска В практике конструкторских работ используются разнообразные по на- значению и материалу ЧД. Их раз- меры превышают размеры чертежа на 50.,.200 мм и лежат в пределах от 380X500 мм (портативные доски на Ф22 — АЗ) до 1000X 1350 мм (нор- мальный размер для Ф44—АО) и до 1700X6000 мм (для крупных плазо- вых чертежей). Портативные ЧД часто выпол- няются в виде прецизионных пласт- массовых коробчатых конструкций с направляющими канавками для чер- тежных приспособлений. ЧД нор- мальных размеров выполняют клее- ными из липовых реек с дубовыми или буковыми рейками-обвязками. В настоящее время основой ЧД ча- ще всего является прессованная дре- весностружечная плита с высокой степенью плоскостности, оклеенная тонким (0,3...0,6 мм) белым поливи- нилхлоридным пластиком, создаю- щим белый фон для чертежей на пер- гамине и чертежных бумагах типа «Д» и «Ч» и подобных материалах и допускающая применение кнопок. Крепление чертежа к такой ЧД ча- ще всего делается с помощью клей- * Составители А. С, Бегинин, Р. Г. Варламов. и организация конструкторского труда кой ленты типа КЛТ или магнитных держателей. ЧД больших размеров могут быть выполнены целыми (реже) или со- ставными из двух-трех ЧД нор- мальных размеров. Для выполнения чертежно-конструкторских и чер- тежно-копировальных работ исполь- зуют комбинированные ЧД с под- светом. В этом случае одна сторона ЧД непрозрачная (для черчения), а другая — с подсветкой (регулируют- ся две степени яркости) и (при не- обходимости) со специальной коор- динатной сеткой. Возможно выпол- нение ЧД с подсветкой только для чертежно-копировальных работ. ЧД по ГОСТ 6671—70 выполня- ются в виде деревянного щита, со- бранного из продольных или попе- речных дощечек, скрепленных клеем и торцовыми планками, или щита, собранного в рамку с различными заполнителями и облицованного с двух сторон шпоном. Крепление чер- тежей на таких ЧД осуществляется, как правило, кнопками. Рост производства древесных плит предопределил развитие производ- ства плит с декоративным покрытием. Особенностью метода облицовки дре- весностружечных плит декоратив- ными бумажно-смоляными пленка- ми, так называемого метода ламини- рования, является то, что он позво- ляет заменить дефицитный строга- ный шпон на бумажно-слоистый пла- стик и сократить расход материалов. Крепление чертежей к такой ЧД осу- ществляется с помощью клейкой ленты. Чертежный станок ЧС является подвижной системой, обеспечивающей наиболее удобное положение туловища человека при выполнении чертежно-графических работ чертежными приборами на ЧД. В зависимости от назначения и конструкции ЧС могут быть на- стольными, напольными и склад- ными, с регулировкой или без нее положения ЧД в пространстве и различными системами управления и уравновешивания. Настольные ЧС укрепляются к столешнице стола, имеют возмож- ность изменения угла наклона до- ски и ее высоты. Механизмов урав-
7.6. Рабочее место конструктора новешивания, как правило, не име- ют или используют упрощенные си- стемы. Напольные ЧС выполняются па- раллелограммного (двухстоечные) и колончатого (одностоечные) типов. Параллелограммный ЧС обеспечи- вает большую жесткость констукции и устойчивость ЧД. Колончатый ЧС компактнее, цельнее по форме, обес- печивает большое число планировоч- ных вариантов, легко блокируется с дополнительными столами. Пре- имущество одностоечных ЧС — воз- можность несимметричной установ- ки стойки и поворота ЧД вокруг вертикальной оси на 360°, что соз- дает ряд удобств и позволяет полу- чить более плотную компоновку ра- бочих мест. Обязательным ЭЛ на- польных ЧС является механизм урав- новешивания, обеспечивающий лег- кость подъема, опускания и пово- рота ЧД. Механизмы уравновеши- вания бывают грузового, пружин- ного или гидропневматического ти- па. Складные малогабаритные ЧС вы- полняют из деревянных реек или металлических конструкций. Они могут иметь грузовой или пружин- ный механизм уравновешивания. Чертежный прибор ЧП — прецизионный инструмент для измерения и изображения углов и расстояний на плоскости ЧД. Пред- назначен для упрощения и ускоре- ния выполнения графических и тех- нических изображений. Современные ЧП выполняются ли- неечной, пантографной и координат- ной систем. ЧП линеечной системы являются наиболее простыми при- способлениями для проведения па- раллельных линий. Выполняются в виде плавающих рейсшин и горизон- тальных линеек, предназначенных для проведения горизонтальных, вер- тикальных и наклонных линий. На них устанавливаются приставки в виде каретки, передвигающейся по рейсшине, транспортирной головки (или шкалы в градусах), одной или двух взаимоперпендикулярных мас- штабных линеек. Наиболее совершенными являются ЧП пантографной или координатной 189 систем. Такие приборы, снабженные чертежной головкой ЧГ, заменяют рейсшину, угольник, измерительную линейку и транспортир вместе взя- тые. ЧП пантографного типа при- меняются при разработке чертежей с преобладанием коротких, располо- женных под разными углами линий (например, в машиностроении, при- боростроении, автоматике и пр.). Эти ЧП предствляют собой рычажные механические устройства, действие которых основано на свойстве сдво- енного шарнирного параллелограм- ма сохранять взаимно параллельное положение противоположных сто- рон. Короткая сторона верхнего па- раллелограмма закрепляется на ЧД неподвижно, а короткая сторона нижнего параллелограмма является держателем ЧГ и не претерпевает угловых перемещений при движе- нии по всему полю чертежа. ЧП пан- тографной системы выпускаются для работы на вертикальных и горизон- тальных досках. Первые из них, кроме рычажной системы из сдвоен- ных параллелограммов и ЧГ, име- ют дополнительное уравновешиваю- щее устройство, компенсирующее вес рычагов и ЧГ так, чтобы она могла оставаться в любом месте на ЧД и в том случае, когда ее не придерживают рукой. Уравновешивающие устрой- ства могут быть с грузом или с урав- новешивающей пружиной (пружина- ми). ЧП для работы на горизонталь- ных досках не имеют уравновешива- ющих устройств и поэтому порта- тивнее. ЧП координатной системы имеют две взаимно перпендикулярные ши- ны: неподвижную — горизонталь- ную и перемещающуюся по ней с помощью каретки — вертикальную. Благодаря этому обеспечивается точ- ность работы в любом месте ЧД, в том числе у краев. Вертикальные и горизонтальные линии могут быть проведены по всей плоскости ЧД без разрыва. Наклон ЧД не требует до- полнительной площади, поэтому ЧП координатного типа занимают при- мерно на 20% площади меньше, чем пантографные. ЧП координатного типа удобны при разработке черте- жей с преобладанием длинных го- ризонтальных, вертикальных или расположенных под разными угла- ми линий.
190 7. Методология и организация конструкторского труда Чертежная головка Рис. 7.22. Отечественные чертежные при- боры: 1 — ПЧК-44-01, 2 — ПЧП-44-02; 3 — ПЧП-44-24 Чертежные головки всех ЧП по своей конструкции принципиально одинаковы. Они несут на себе две взаимно перпендикулярные линейки и, будучи установлены в своем ос- новном положении, обеспечивают го- ризонтальное положение одной ли- нейки и вертикальное—другой, не- зависимо от места расположения ЧГ на ЧД. На рабочие кромки линеек наносят- ся шкалы (в мм). ЧГ имеют устрой- ства поворота и фиксации защелкой от нуля через каждые 15° (иногда через 5°) или фрикционным зажимом на любых углах. Угол поворота в за- висимости от конструкции изменяет- ся от 0 до 180°. Более совершенные ЧГ могут по- ворачиваться на 360° со ступенчатой фиксацией через 15° по всему кру- гу, имеют на делительном диске две угловые шкалы (прямую и обратную) и нониусное отсчетное устройство с ценой деления 6'. Основание ЧГ сое- динено с движущейся частью ЧП с помощью юстировочного винта, поворачивающего основание на ±5...2°. Сами линейки выполняют- ся из прозрачной армированной ме- таллом пластмассы, тонкостенного алюминиевого или стального про- филя или (реже) из дерева с пласт- массовой шкалой. Для точной фик- сации линеек замок изготовляют в виде двойного ласточкиного хво- ста, так как винтовая затяжка пре- дварительно точно установленных линеек смещает их. Отечественные ЧП по ГОСТ 18864—73 типа ПЧ К-44-01 коор- динатной и ПЧП-44 пантографной систем имеют следующие данные: поворот ЧГ из нулевого положения на 360°, цена деления лимба 1°, цена деления нонинуса 0,1° (6'), фиксация головки защелкой через 15°, фрикционным механизмом — в любом положении, угловая по- грешность перемещения линеек в пределах Ф44—0,1°, масса 8...9 кг, усилие перемещения головки мень- ше 5 Н, поворота — 0,5 Н, фрик- ционного зажима — 0,15 Н. Внешний вид ЧП показан на рис. 7.22.
7.6. Рабочее место конструктора Носители графической информации В качестве носителей графической информации используются: белая чертежная бумага (редко), полу- прозрачная чертежная бумага ма- рок «Д» и «Ч» типа пергамина (бу- мажной кальки), на которых выпол- няется подавляющее число чертежей, и миллиметровая бумага с жел- той (с последующей смывкой сетки в ацетоне) или синей сеткой для вы- полнения принципиальных схем, монтажных чертежей и графиков. Чер- тежная бумага марок «Д» и «Ч» выпу- скается в рулонах длиной 40 м, ши- риной 878, 640 и 440 мм и листами 878X640, 640X440 и 440X320. Бу- мага марки «Д» рекомендуется для выполнения машиностроительных чертежей и проектов при многократ- ном копировании и длительном хра- нении. Бумага марки «Ч» более про- зрачна, на ней легче работать, но ее прочность ниже (можно изгото- вить до 50 светокопий) и поэтому ис- пользуется для промежуточных чер- тежей. Пишущие и стирающие приспособления В качестве пишущих приспособ- лений используются обычные и цанговые карандаши, рейсфедеры, рапидографы и шариковые пишу- щие узлы с черной пастой. Отличием карандашей для кон- структорских работ являются жест- кие требования к качеству пишу- щего стержня, для которого исполь- зуют специальные типы графита. По твердости различают мягкие М (В), средние МТ (ВНВ, НВ, F) и твер- дые Т (Н) графиты. Чем больше чис- ло, стоящее у букв твердости, тем мягче или тверже графит. В конст- рукторских наборах фабрика «Союз» выпускает карандаши от ЗМ до 5Т, чаще всего используются для ра- боты на бумагах марок «Д» и «Ч» карандаши «Люмограф» М, МТ, Т и 2Т и «Светокопия» М, МТ, СТ, Т, 2Т, ЗТ. Для удобства чертежно-конструк- торских работ используют цанго- вые карандаши со сменными графи- тами (которые могут иметь заданную твердость от 8В до ЮН. Их преиму- щество в постоянной длине каран- 191 дата и возможности использования одного держателя для графитов раз- ной твердости. Разновидностью цан- говых карандашей являются каран- даши с калиброванным полимерным графитом в защитной металлической трубочке, которые позволяют чер- тить линии постоянной ширины (0,2; 0,3; 0,5; 0,7 и 0,9 мм) высокой степени черноты без заточки и без опасения запачкать лииейки или трафареты графитом. Их твердость от 2 В до 4 Н. Рейсфедеры представляют собой двухпластинчатую стальную систе- му с жестким закреплением со сто- роны ручки и регулируемым винтом с противоположной стороны. Меж- ду пластинами вводится тушь. Раз- личают рейсфедеры линейные (трех) и радиусные (двух) размеров. Рейсфедеры линейные большие с широкими щечками используют для вычерчивания линий шириной 0,15...1,2 мм; линейные малые—ли- ний шириной 0,1...1 мм; линейные двойные — шириной 0,1...! мм при расстоянии между линиями 0,5..6мм. Рейсфедеры радиусные являются составной частью циркуля или крон- циркуля и выпускаются средних и малых размеров. Для вычерчива- ния от руки кривых линий постоян- ной ширины используют кривонож- ки одинарные (ширина линии 0,08...0,8 мм) и двойные (ширина линий 0,1... 1 мм при расстоянии меж- ду ними 0,5...6 мм). Все более широкое распростране- ние получают рапидографы, пред- ставляющие собой пишущий узел в виде калиброванной трубочки и сое- диненного с нею баллончика с ту- шью. Для регулировки подачи ту- ши в трубочке ходит игла с грузом. Преимущество рапидографа в том, что тушь в нем практически не сох- нет (но быстро высыхает на носи- теле), а ширина линий строго ка- либрована. Качество линий очень сильно зависит от качества туши. Отечественные рапидографы Харьков- ского завода имеют ширину линий 0,3; 0,5 и 0,8 мм. В ряде случаев используют шари- ковые пишущие узлы с черной па- стой, обеспечивающие две ширины линии: узкую на жестком основа- нии и широкую на мягком (1...2 слоя мягкой бумаги под чертежом).
и организация конструкторского труда 192 7. Методология В качестве стирающих приспособ- лений используют специальные ре- зины, растворители (для туши), бы- стровращающиеся фрезы. При руч- ном стирании линий используют пластинчатые резиновые ластики (обычно трех градаций твердости), при этом для снятия линий от твер- дых карандашей, туши или пасты используют ластики с абразивным наполнителем, либо цилиндрические, вставляемые в специальные цанго- вые зажимы. Используются электро- резинки с приводом от быстроход- ного двигателя. Ластик выполняется в виде диска или конуса. Для удаления только требуемой части линий используют металличе- ские или пластмассовые трафареты. Для механического удаления слоя туши с кальки используют тушеот- делители с быстровращающейся дис- ковой фрезой и специальными огра- ничителями. Использование специальной туши в рапидографах для бумажных ка- лек (она слабо впитывается) позво- ляет применять растворители. Та- кие ластики содержат растворитель в порах специальной микропористой резины. При трении поры лопаются, растворитель поступает на чертеж, растворяет и как бы стирает тушь резинкой. Стирание линий, выполненных чер- ной пастой с помощью шариковых пишущих узлов, выполняют зачер- чиванием ненужного элемента чер- тежа специальной белой пастой, 3...4 слоя которой делают невиди- мым зачерченный элемент. Для ручной или механизированной заточки карандашей используют спе- циальные машинки, в современных образцах которых предусмотрена воз- можность заточки стержней цанго- вых карандашей. Столы и стул Кроме чертежного стола (ЧД + ЧС + ЧП) и стула в состав ра- бочего места конструктора могут дополнительно входить письменный стол, рабочий стол и тумбы. Рабочий стол используется для выполнения расчетов, эскизов, со- ставления различных текстовых до- кументов, для временного хранения и заготовки рабочей документации. Материал крышки стола не должен быть блестящим и должен обеспечи- вать возможность вносить исправ- ления в чертежи (в том числе и на пергамине). Его часто выполняют с регулируемой высотой ножек, поз- воляющих иметь уровень столеш- ницы в 650...750 мм от пола (сто- лешница стола для ЭКВМ или пишущей машинок имеет высоту 590...690 мм). Размеры столешницы обычно 1800X800, 1600X800; 1200X600; 1400X50; 800X500, что позволяет компоновать различные виды рабочих мест. Рекомендуемая высота столешницы при этом сле- дующая: при росте человека 190 см высота столешницы — 75 см, 190...186—74; 186...182—73 см; 182...178—72; 178... 174—71; 174... 170—70; 170... 166—69- 166...162—68; 162...158—67; 158... 154—66; 154—65 см. При необходимости столешница стола заготовок и письменного сто- ла может подниматься на углы 15, 30, 45, 55, 65°. Столы могут быть выполнены как с неподвижными встроенными тум- бами, так и с выкатными на четырех колесах. Ящики выдвигаются на роликовых или пластиковых мало- шумящих направляющих, могут иметь разную глубину и высоту и специальные ложементы для инстру- мента и приспособлений. Использование ящиков или отсе- ков половинной глубины позволяет использовать один стол для двух че- ловек. Рабочий стул конструктора вы- полняется, как правило, на четы- рех-пяти опорах с колесиками с ре- гулируемой по глубине, высоте и уг- лу наклона спинкой, с масляно- пневматической системой регулиров- ки высоты сидения и подножкой. Форма сидения и спинки стула вы- полняется такой, чтобы исключать онемение тела из-за нарушения кровообращения и давать возмож- ность частой перемены положения тела. Для хранения инструментов, уста- новки средних и малых ЭКВМ, те- лефона, рулонов бумаги и других предметов пользуются так назы- ваемыми откатками — тумбочками на четырех колесиках.
7.6. Рабочее место конструктора Комплекты чертежных инструментов Для удобства работы чертежные инструменты выполняют в виде на- боров чертежных НЧ, копироваль- ных НК и чертежно-копировальных НЧК, в которые входят вставки, карандаши механические, кронцир- кули, пеналы, резинки стиральные, рейсфедеры, отвертки, ручки, уд- линители, центрики, циркули и штангенциркули. Вставки являются частью цир- кулей и выполняются в виде иголь- ных, карандашных, циркульных рей- сфедеров (нормальных и малых раз- меров). В зависимости от набора в нем могут быть 1,2 или 3 цанговых ка- рандаша,которые заряжаются графи- тами разной степени твердости. Кронциркули выполняются в ви- де комбинированных (с использо- ванием малых вставок игольной, карандашной и рейсфедерной цир- кульной) разметочных, с падающей иглой (для вычерчивания дуг и ок- 193 ружностей малых радиусов каран- дашом или тушью) и чертежных. Пеналы выпускаются в виде пло- ских ящичков для графитов, малых пеналов для запасных игл и графи- тов циркулей и комбинированных в виде пенала-наколки, пенала-от- вертки и пенала-ручки, во внутрен- них полостях которых хранятся за- пасные иглы и графиты. Рейсфедеры (двойной, кривонож- ка, кривоножка двойная, ножевид- ный, обычный, обычный малый, с делительной гайкой, широкий) вхо- дят в комплект НК и НЧК- Удлинители двух видов (для крон- циркуля и универсальный) исполь- зуются при выполнении обычными циркулями окружностей и дуг больших радиусов. Для сохранения концентричности окружностей поль- зуются центриком: латунной кноп- кой со стальной иглой и строго ак- сиальным ей углублением для опор- ной ножки циркуля с иглой. Циркули выполняются разметоч- ными (нормального и малого разме- Рис, 7.23. Инструменты чертежные для чертежных, копировальных и чертежно-копиро- вальных наборов Ннотрументьр чертежного с падающей иглой, вставки: игольная, игольная малая, нарандаи/ная, карандаа/ная малая, рейсфедер циркульный, рейсфедер циркуль- ный малый Карандаш механический Клонциркдли: разметочный, комбинированный, Рейсфедеры: двойной, кривоножка двойная, кривоножка одинарная, обычныа малый, обычный, с делительной гайкой широкий, с делительной гайкой, ножедидный Отвертка плоская Рачка Одлинители: , универсальнь/и, чертежный Пеналы: для графитов в ДР, милый, наколка, Отвертка, рдчна чертежный, чертежный малый. Резинка стиральная кронаиркдля рентрин вернули: разметочный, разметочный малый, Штангенциркуль
194 7. Методология и организация конструкторского труда Наборы Встабка: . игольная. игольная малая, карандашная, карандаши, малая, рейсф. циркульн. рейсфедер цир- кульный малый Карандаш механический Кронциркули: камдинирабанный, разметочный. с падающей иглой, чертежный Пеналы: 1ППЫТ I для графитоб ЦАК, малый. ею- наколка. ‘ ' отбертка, ~~ — ручка I—> Резинка —' стиральная Рейсфедеры: Обойной, к —крибоножка. » крибонож. Обойная, и ножебидный, • -г . обычный, - обычный малый. :&=-с делит, гайкой. широкие г- Отбертка плоская Ручка Удлинители: кронциркуля, униберсальный © Центрик Циркули: разметочный, размет, малый, чертежный. чертежный малый Штангенциркуль Чертежные Копира- Чертежно- иц бальные , копира- НК бальные НЧК 2 5*6 8 10*1112 74*76 5 8 12 9*10*11*^*15*2^28 Рис. 7.24. Состав чертежных (НЧ), копировальных (НК) и чертежно-копировальных (НЧК) наборов инструментов. Цифры обозначают количество инструментов в данном наборе; звездочкой отмечены наборы, выпускаемые до 1980 г.
195 7.6. Рабочее место конструктора Рис. 7.25. Отечественные комплектные ра- бочие места конструктора: 1 — СЧПр-44-02 с прибором чертежным ПЧП-44-01; 2 - МТК-2 с ПЧП-12; 3 - МПК-1 с ПЧК-44-01; 4 - МКК-2 с ПЧК-44-01 ров), чертежными (нормального и малого размеров с возможностью ис- пользования игольных, карандаш- ных и рейсфедерных циркульных вставок). Для вычерчивания дуг и окружностей больших радиусов ис- пользуют специальные штангенцир- кули. Внешний вид чертежных инстру- ментов и их комплектация в отече- ственных наборах НЧ, НК и НЧК показаны на рис. 7.23 и 7.24. Комплектные рабочие места Комплектные рабочие места мо- гут быть выполнены в виде мало- габаритных наборов чемоданного ти- па, оснащенных упрощенными чер- тежными механизмами. В пласт- массовом футляре такого набора укладывается коробчатая пластмас- совая «доска» с калиброванными направляющими канавками по двум или четырем сторонам, в которые входят выступы упрощенного ЧП. Одна или две линейки с делениями могут поворачиваться и использо- ваться для вычерчивания различных линий (в том числе и для штриховки с заданным шагом). К ним выпускает- ся большой комплект дополнитель- ных приспособлений в виде различ- ных трафаретов, универсальных ле- кал, передвижных планок и т. п. Кроме собственно ЧП, в состав на- бора входят: логарифмическая ли- нейка с устройством для сложения и вычитания, масштабная линейка, набор карандашей, циркуль, фла- кон с тушью и набор рапидографов, а также угольники-трафареты и ле- кала и специальные стиральные ре- зинки. Простейшим типом портативного ЧП является упрощенный панто- графный с комбинированной линей- кой-трафаретом, используемый для эскизирования. В зависимости от круга решаемых задач и размеров чертежей исполь- зуют различные размеры ЧД, столов
96 7. Методология и организация конструкторского труда MTK-Z Тип чд ЧП Друк Диеп МТК-2 750'500 П — 2,56 МЯК-Ка) 1350'1000 Н 0,51 2,97 Н/Ж-Нб) 1350x1000 И 0,08 2,72 /жк-г 1350'1000 К одг 5,00 РНК (О) 1350'1000 к 7,28 5,06 Р/1Р (О) 1350'1000 П 5,00 3,57 Р/1Р (в) 1350'1000 к 10,8 5,00 1600
197 7.6. Рабочее место конструктора Рис. 7.26. Планировка рабочих мест и их количество. Стандартной кон- струкцией столов в настоящее время является каркасная из квадратного стального профиля, комплектуемая неподвижными или выкатными тум- бами и тележками для хранения чер- тежного инструмента, справочных материалов и т. п. Основой их по- строения является использование мо- дульных конструкций. Размеры сто- лешниц при этом берут ЮООХ Х800; 1600X800; 1200X600; 800Х Х500 и 1400X500 мм с высотой от уровня пола 650...750 мм для ос- новного стола и 590...690 мм для стола с ЭКВМ и пишущей машинкой. Размеры выкатной тумбы при этом 433X610X708. Так как в основу конструкций комплектных мест кон- структоров закладывается принцип конструктивно-самостоятельных из- делий, то это позволяет проводить удобную для конструктора плани- ровку конкретного рабочего места, с учетом требуемых параметров (табл. 7.1). Приборы этих рабочих мест рабо- тоспособны при 10...35 °C и Вл 30...90%, имеют общую массу 80...130 кг (200 для СЧК), усилие перемещения 60...250 Н при усло- виях фиксации и расфиксации 60... 140 Н. В СЧПК-44 имеется ЧД с подсветкой (освещенность 500 лк при РМИц = 250 Вт от сети 220 В, 50 Гц). Внешний вид этих приборов и рабочих мест показан на рис. 7.25. В качестве исходных расчетных величин для определения площади помещения КБ рекомендуется исхо- дить из общей площади (с учетом проходов между рабочими местами, коридорами и т. п.) на одного кон- структора в 12 м2 и объема 36 м3 (высота помещения 3 м), хотя пло- щадь отдельного конкретного рабо- чего места будет колебаться в пре- делах 3...6 м2. В зависимости от требований воз- можны различные варианты пла- нировки частей рабочего места. Не- которые характерные схемы плани- ровки показаны на рис. 7.26 с ука- занием площади одного рабочего ме- ста для ведущего конструктора (ру- ководителя группы или бригады $рук) и конструктора-исполнителя (Зисп)- В планировке рабочих мест конструктора возможно использова- Таблица 7.1 Основные параметры отечественных комплектных рабочих мест Тип МКК-1 МКК-24 МПК-1 МТК-2 СЧГ-44 СЧК СЧПК-44 СЧПР-24 СЧПР-44-02 Система ЧП (К — коорди- натная, П — пантографи- ческая) Установка (на столе или по- лу) Формат черте- жа К Ст п ол К Пол (1 стойка) п Стол п Пол (1 стойка) К К По (2 сто К л 1ки) К или П 44 24 44 22 44 3X44 44 24 44 Размер ЧД, мм 1350х ЮООх 1350х 750 х 1350х 1350х 1350х ЮООХ 1350х хюоо Х750 хюоо Х500 хюоо Х5000 хюоо Х750 хюоо или 1250х Х2000
7. Методология и организация конструкторского труда Рис. 7.27. «Островковая» планировка рабочих мест по бригадам в общем чертежном зале ние различных вариантов сочетаний ЧС + ЧД + ЧП. Штр иховой ли- нией показаны границы рабочего ме- ста с учетом выступающих частей ЧП или его линеек. Наименьшую площадь требует ра- бочее место с комбинированным ЧС, который представляет собой стол с двумя тумбами. На нем установ- лены механизм подъема и поворота ЧД и сама ЧД с ЧП. За счет совме- щений функций ЧС и конструктор- ского стола уменьшается площадь помещения. Общий вид части КБ с верхним рассеянным освещением (менее эко- Рис. 7.28. Относительный процент профес- сиональных заболеваний при выполнении чертежно-конструкторских работ в различ- ных рабочих позах Головная вам номичным, но обеспечивающим луч- шие условия труда) показан на рис. 7.27. Немаловажным фактором являет- ся рабочая поза конструктора, ко- торая влияет не только на качество и количество труда, но и на характер и остроту профессиональных заболе- ваний (рис. 7.28). Электрофотографические печатные машины Электрографические (электрофото- графические) печатные машины поз- воляют с карандашного оригинала получить копию, качество которой может быть выше качества оригина- ла. Их печатная форма выполняется в виде плоского или цилиндрического устройства, объединяющего функции фоточувствительного материала и ма- трицы в одно целое. Для печати ис- пользуются специальные цинкоксид- ные бумаги. Использование промежуточных но- сителей изображения в ксерографи- ческой множительной аппаратуре позволяет использовать обычную бу- магу. Современные электрофотографиче- ские печатные машины выполняются автоматическими или полуавтомати- ческими для печати на плоской или рулонной бумаге (обычной или цин- коксидной) в виде одно- или много- красочного отпечатка. При этом в
199 7.6. Рабочее место конструктора
200 7. Методология и организация конструкторского труда Таблица 7.2 Основные параметры современных электрофотографических аппаратов Тип ЭР-620КЗ ЭР-620М ЭР-300К2 ЭР-300М — 1 * ЭП-22Р** —1 ЭН-12К2 ЭН- I1PI" ЭН-1 1MI Ширина рулона, мм 620 620 300 300 — — — Размер копии, мм — — — 210Х 594 х 297 х 297х 210Х Х297 Х841 Х420 Х420 Х297 Масштаб копии 1 : 1 19 : 1; 1 : 1 12 : 1; 1 : 1; 1 : 1 1 : 1; 12: 1; 14 : 1; 9,4 : 1 1 :1,42 1 .1,42 7:1;5:1 10 : 1 Скорость печати, 1,7; 6 2,5 — — — — — м/мин 2,7 Производительность, — — — 6 0,75 10 20 9 копий/мин Потребляемая мощ- 6,5 6,5 2 2,8 2,5 2 — ность, кВт Габариты, см 127Х 120х 125х 104 х 250 х 120х Ю4х 79 X Х116Х х160х хЮ2х Х91Х Х180Х Х68Х Х55Х Х53х Х208 X 182 XI76 Х180 Х180 Х99 Х92 Х56 Масса, кг 900 — 200 600 270 190 200 100 Размер оригинала — 32x45; — 24X18; — — — 14x20 (кадра) мм 60X90 24X36; 32X45 32X45 * Кратность при просмотре 6,5. ** Возможно выполнение офсетных форм. качестве оригинала может исполь- зоваться микрофильм, листовой или сброшюрованный материал или ко- дограмма ЭВМ штрихового, тоново- го или цветного характера. Изо- бражение на копии может быть без изменения или с изменением масш- таба. По ГОСТ 15099—75 электрофото- графические копировально-множи- тельные аппаратуры выпускаются для репродукционного копирования и получения увеличенных копий микроизображения при небольшом объеме работ и для изготовления оф- сетных форм типа ЭП (старое обо- значение ЭРА). Носитель изобра- жения — промежуточный, аппа- рат—плоскостный. При большом объ- еме работ используют аппараты ти- па ЭР (РЭМ). Носитель изображе- ния— промежуточный, аппарат—ро- тационный. При среднем объеме ис- пользуют аппараты типа ЭН (ЭФА) с непосредственным копированием на электрофотографическую бумагу. В условном обозначении аппара- тов указываются: тип, наибольший формат или ширина копии и группа (К — репродукционное копирование без изменения масштаба, Р — ре- продукционное копирование с воз- можностью изменения масштаба, М — получение увеличенных копий с позитивных и негативных микро- фильмов и диамикрокарт). Внешний вид некоторых отече- ственных машин показан на рис. 7.29, а их данные приведены в табл. 7.2.
7.7. Планирование и нормирование конструкторских работ 7.7. ПЛАНИРОВАНИЕ И НОРМИРОВАНИЕ КОНСТРУКТОРСКИХ РАБОТ [9] * Общие положения На планирование (прогнозирова- ние ожидаемой трудоемкости раз- работки конструкции И) и нормиро- вание (оценку трудоемкости чер- тежно-конструкторских работ) вли- яет большое число факторов, учет которых требует не только знания нормативов, формул и коэффициен- тов, но и технических особенностей конструируемого И и научно-прак- тических навыков работников. Труднее прогнозировать разработ- ку новой конструкции, особенно твор- ческой ее части — создание МОИ и разработку общего вида. Оценка трудоемкости чертежно-конструк- торских работ при наличии разра- ботанного чертежа общего вида вы- полняется достаточно просто и точ- но. В основе всех существующих ме- тодов планирования и нормирова- ния лежит использование принципа аналогов (новая разработка в какой- то мере аналогична предыдущим), принципа корреляции между пара- метрами и трудоемкостью разработки И (число ЭРЭ, ТЭЗ, число контактов ПП, число деталей механизма и т. п.) и принципов аналитической связи ряда условий с производитель- ностью конструкторского труда (ис- пользование различных коэффициен- тов сложности, новизны и квалифи- кации, влияющих на трудоемкость работы). Поэтому рассматриваемые далее рекомендации следует приме- нять не как обязательные нормати- вы, а как исходные данные для их разработки с учетом конкретных ус- ловий предприятия или организа- ции. Характерные приемы планирования и нормирования конструкторских работ Оценка трудоемкости ТР по числу N характерных ЭЛ конструкции ос- * Составители В. И. Семернев, Р. Г. Варламов. 201 нована на накоплении и изучении зависимостей TP = f (<V) для ха- рактерных И или их узлов. Для этого необходимо знать N, особенности ЭЛ и конструкции в целом. В ка- честве характерных ЭЛ исполь- зуют: ЭРЭ дискретного типа или ИС для оценки ТР ПП, детали и узлы для оценки ТР различных механиз- мов или конструкций, плотность линий для оценки ТР чертежно-ко- пировальных работ. Для оценки ТР узлов на ПП в ка- честве исходного параметра чаще всего используется число ЭРЭ //8Л или выводов А'выв. Характерная зависимость ТР = / (N) имеет пара- болический характер и достаточно точно аппроксимируется зависимо- стью у = kxn в виде ТР = 4,2 (№-5в), по которой построен график рис. 7.30 с полем допуска АТР ± 15%. Определив по принципиальной схе- ме или перечню ЭЛ в ТЗ значение Д^эл или Д^выв из графика, можно сразу получить ожидаемую ТР. Оценка ТР2 и N-% по назначению И, квалификации исполнителя, степени сложности и новизны разработки основана на определении исходной ТР и влиянии на нее (с помощью специальных коэффициентов) опре- деляющих факторов: ТР2=ТРПКг или Л1£ = Л1ПКг. (7.4) Знаменатель прогрессии в рядах Кг целесообразнее выбирать из ряда предпочтительных чисел /?20. Для коэффициента квалификации К.квл рекомендуются значения: 1 (ведущий или старший инженер- конструктор), 1,12 (инженер-кон- структор); 1,25 (старший техник) и 1,4 (техник); для коэффициента сложности К-слж = 1 (простые ра- диотехнические и электромеханиче- ские узлы и блоки на базе типовых унифицированных решений); 1,4 (ра- диотехнические и электромехани- ческие узлы и блоки средней слож- ности с уплотненной компоновкой и сложными механическими конструк- циями); 2 (сложные радиотехниче- ские и электромеханические узлы, блоки и приборы с высокой плот- ностью компоновки и механическими конструкциями высокой сложности). Для коэффициента новизны Кнв рекомендуются четыре градации: 1 —
202 7. Методология и организация конструкторского труда воспроизведение существующих кон- структивных принципов и размерных структур с заимствованием; 1,25 — модификация существующих кон- структивных принципов и размерных структур; 1,6—заимствование кон- структивного принципа с конструк- тивной и размерной переработкой прототипа; 2—новая конструктивная разработка, не имеющая прототипов с нестандартными расчетами (для текстовых КД КНв = 1 для типовых расчетов или описаний с заменой численных значений параметров; 1,25— при незначительной переработ- ке методики расчета или описания; 1,6 — для КД, не имеющих прото- типов, с разработкой методики ра- счетов). Для определения ТР2 и из табл. 7.3 берут исходное значение ТР или АГ; по особенностям изделия выбирают коэффициенты К; и по формуле (7.4) выполняют расчет. Примеры расчетов Пример 1. На ПП расположено 32 ИС, с 14 выводами каждая. Оп- ределить ТР ее выполнения. Общее число выводов Мвыв = = 32 • 14=448. По графику рис. 7.30 ТР — 126 нормо-часов (или 15,75 чел.-дней). Пример 2. На ПП ячейки распо- ложено 120 дискретных ЭРЭ. Опре- делить ТР разработки и выпуска полного комплекта КД. По графику рис. 7.30 для 120 ЭЛ получаем полную ТР 59 человеко- дней. Пример 3. Определить полную ТР разработки КД на И, включающее в себя плату усилителя с 40 ЭЛ, измерительный генератор на 3 диа- пазона, сложную кодовую матрицу, типовой блок питания, сложный редуктор из 20 деталей и кнопочный механизм на 12 кнопок, знаковое табло с электролюминесцентным ин- дикатором и блок, выполненный в виде типовой конструкции. Разра- ботка проводится старшим инжене- ром-конструктором, имеет среднюю сложность, конструктивный прин- цип заимствуется с конструктивной и размерной переработкой прото- типа. Расчет ведем по формуле (7.4) и данным табл. 7.3. Полная ТР равна: TPj = ТР • Кквл • Кслж • Кнв = = ТР- 1 • 1,4 1,6=(40 - 0,4+ + 10 - 3+60+24+20 • 0,75+12 - 0,85+20+15) 1 1,4 . 1,6~ ~ 426 чел.-дн. Ожидаемое число КД в Ф11 равно ^2 ~ N • Колж • Кнн = А/ • 1,4- • 1,6=(30 + 20 + 200 + 120 +
7.7. Планирование и нормирование конструкторских работ 203 Т а б л и ц а 7.3 Ориентировочная ТР конструкторских работ Наименование изделий ТР. чел.-день Ф11, коли- чество I. Усилители, маломощные генераторы и импульс- ные устройства обработки данных, собранные на отдельных ПП* 0,4 30...40 2. Генераторы средней мощности измерительные, задающие, для устройств обработки данных** 3. Устройства обработки данных: 10 20 модульные типовые блоки 4 30 кассеты (ячейки) 10 50 блоки памяти и матриц 4. Устройства и ЭЛ питания 50...60 160...200 типовые блоки питания 24 120 трансформаторы типовые 7 24 трансформаторы специальные и многофазные 12 40 коробки соединительные 7 35 щиты распределительные 5. Механизмы***: 20 100 редукторы 0,75 3 электромеханические генераторы и датчики (клавиатура) 0,85 3,5 приводы антенн 6. Устройства ввода и вывода: 1 4 пульты управления и стенды простые 20 90 генераторы и ЭЛИ миниатюрные 20 40 пульты средней сложности с числом ЭРЭ до 250 шт. 60 130 сложное информационное табло на 100...500 зна- комест 7. РЭА в шкафах (стойках): 120 300 рабочее место оператора 150 400 типовая конструкция 15 70 специальная конструкция 40 200 набор типовых секций 40 70 • ПП имеет S= 100...500 см1; значение ТР нано на один ЭЛ; количество Ф11 от сложно- сти компоновки зависит мало: ** ТР на один канал (диапазон), одно знакоместо устройств отображения с электролю- минесцентными индикаторами или электронно-лучевыми трубками: *** ТР на одну деталь механизма. +20 . 3+12 . 3,5+40+70) - 1,4 - - 1,6=1304 шт. При оценке выполненной работы в нормо-часах по деталировке и вы- черчиванию, а также конструктор- ской разработки пользуются выра- жениями (или построенными по ним графиками) вида ТР2 = ПКг 2КгА1г, (7.5) где Kj — коэффициенты относитель- ной сложности и ТР; К; — коэф- фициенты влияния параметра TV,; Nt — численная характеристика КД в виде числа основных проекций и разрезов, вспомогательных и ме- стных разрезов и т. и. При расчете ТР чертежных работ выражение (7.5) преобразуется так: ТР2=25К/(2Кг^)КелЯ{, (7.6) где Кслж = 1 для инженера и 1,12 для техника.
204 7. Методология и организация конструкторского труда При разработке общего вида ТР2 = 75Кквл (SKrATt) К-слж> (7 -7) где Кслж — 1 для ведущего (стар- шего)инженера-конструктора,1,12 — для инженера-конструктора, 1,25 — для старшего техника-конструкто- ра и 1,4 —для техника-конструк- тора. Произведение SK.yA'f определяет- ся так: (SK//V;) КСЛЖ = КСЛЖ (N, + 0,5iV2-|- + 0,33^-1-0,25^4 + 0. 1jV5 + 0,04jV6 + + 0,02А/7), где Кслж выбирается следующим об- разом: Разработка жгутового монта- жа по таблице проводов . . 0,28 Детали с развертками просто- го профиля, чертежи упако- вок, трубо- и воздухопрово- дов с минимальной механи- ческой обработкой .... 0,63 Монтажные чертежи и чертежи печатных плат. Сварочные и сборочные узлы средней сложности................. 0,8 Сварочные и сборочные узлы и блоки повышенной сложно- сти сборки и отработки . . 1 Пружины (с расчетом), литье, ПП повышенной сложности и с высокой плотностью ком- поновки ....................1,6 Разработка конструкции ори- гинальных блоков, приборов и установок ................ 2 Значения Nt см. в табл. 7.4. Для быстрой приближенной оцен- ки ТР работ пользуются таблицами типа табл. 7.5, в которых даются усредненные нормативы в человеко- днях на условную форматку Ф11. Пример 4. Оценить ТР чертеж- ных работ, выполненных техником, если Nt = 2, N2 = 0, N3 = 0, /V4 = = 2, Ns = 1, N6 = 8, M7 = 18. TP^ = 25 Кслж (Nt + 0,25W4 + + 0,1 N5 + 0,04/V6 + 0,02>V7)= = 25-1,12 (2 + 0,25-2 + 0,1-1 + 0,04. • 8 + 0,02 • 18) = 91,84 ч ~ 11,5 раб. дней. Пример 5. Оценить ТР конструк- торской разработки старшим инже- Таблица 7.4 Параметры для расчета ТР Nj Число параметров 1 2 3 4 5 6 7 Основные проекции и разрезы вместе с развертками. Стен- ки узла с ЭЛ в МЧ Группы ЭЛ и отдельно распо- ложенные ЭЛ на МЧ Типы дискретных ЭРЭ на мон- тажные (печатные) платы Оригинальные (с самостоятель- ной разработкой) узлы Вспомогательные и местные проекции разрезов и сечений; оригинальные (с самостоя- тельной разработкой) детали; заимствованные узлы; строки таблиц и примечаний на чер- тежах Заимствованные детали: про- ставленные размеры: знаки обработки, пайки, сварки; гальванические и лакокра- сочные покрытия Позиции спецификации сбороч- ных чертежей; провода и пе- ремычки на МЧ и чертежах жгутов; общее количество ЭЛ монтажных (печатных) плат, пунктов ТТ и размеров Таблица 7.5 Средняя ТР выпуска КД в условных форматках Ф11 в день Виды работ по выпуску КД ТР, чел.- -дин/Ф! 1 1. Белки 0,5 2. Ведомости (ВСп, ВП, 0,25 ЗИП и т. п.) 0,224 3. Документация текстовая 4. Документация техниче- 0,315 ская 0,28 5. Дроссели 6. Запоминающие устрой- 0,355 ства 0,355 7. Индикаторы 8. Извещения об изменении 0,25 9. Исправления КД 0,0355 10. Инструкции по эксплуа- 0,8 тации и обслуживанию
7.7 Планирование и нормирование конструкторских работ 205 Продолжение табл. 7.5 Продолжение табл. 7.5 Виды работ по выпуску КД ТР, чел,- -днн/Ф! 1 Виды работ по выпуску КД ТР. чел.- дин/Ф! I 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. Каркасы Кассеты Кабели Коммутационные устрой- ства Коробки соединительные Матрицы памяти (кодо- вые) Место рабочее Модули Модульные блоки Описание техническое Приборы с ПП Проверка КД Проводов таблица Питания блоки ПП простые ПП сложные ПП модульные Пульты Паспорт Программа испытаний Печатание СП и прика- зов Расчеты простые Расчеты сложные Радиотехнические уст- ройства Расчетно-пояснительная записка Редукторы Стенд СП Стойка Сдача калек Сличение калек Схемы монтажные Субблоки Табло Трансформаторы Тара транспортная Узлы унифицированные и заимствованные Укладка Упаковка Усилитель Условия технические Черчение Шкафы Щиты распределитель- ные Экраны 0,355 0,224 0,224 0,45 0,224 0,355 0,315 0,355 0,16 1,2 0,28 0,028 0,16 0,28 0,6 1,2 0,28 0 224 0,355 0,355 0,025 0,56 1 0,6 0,8 0,315 0,224 0 224 0,355 0,0315 0,0315 0,224 0,6 0,315 0,315 0,28 0,16 0,28 0,28 0,45 0,56 0,125 0 224 0,224 0,315 56. Электромеханические устройства 57. Эскизы 58. Ячейки нером, если Nt — 1, N2=4 = 0, Ns = 4, N6 = 0, / TP2 = 75 - Кквл • Кслж (Wi "b + 0,33 N3 + 0,1/V5 + 0,02 75-1 -1 (1 4- 0,5-44-0,33-9 X44-0,02-26)=516,75 часа~ дней. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Алферов А. В. Механи автоматизация проектне рукторских работ.— М гия, 1973. 2. Альтшуллер Г. С. А изобретения.— М.: Мо( рабочий, 1973. 3. Бронин Е. И., Вермише и др. Основные технике рактеристики комплек матизированного прое ния радиоэлектронной туры.— Обмен опытом промышленности, 1975, 4. Варламов Р. Г. Кол радиоэлектронной апп — 2-е изд., доп. и перер Сов. радио, 1975. 5. Войцехов Ю. Р., Че М. М. Изооптический дистанционного измерен пературы. — Вопросы электроники. Сер. ТРТ вып. 2. 6. Войцехов Ю. Р., Черняке А. с. 415515.— Опубл. 1974, № 6. 7. Кувырков П. П., Темник Комбинаторные системе Энергия, 1975. 8. Принс М. Д. Машиннае ка и автоматизация пр вания: Пер. с англ. Ю мана.— М.: Сов. ради 9. Семернев В. И. Элемен онализации процесса | ки и выпуска констру о,6 0,25 0,6 #3=9, У7 = 26. 0,5W24- NH = + 0,1Х 64,6 раб. зация и з-конст- .: Энер- лгоритм жовский в Ю. X. ские ха- :а авто- ктирова- аппара- в радио- вып. 6. епоновка аратуры. аб.—М.: ернякова метод ия тем- радио- О, 1974, )ва М.М. в БИ, ов Ф, Е. я,— М. т графи- оектиро- Л. Зи- о, 1975. гы раци- еазработ- кторской
206 7. Методология документации. — Вопросы ра- диоэлектроники. Сер. ОТ, 1969, вып. 13. 10. Тихомиров Б. П., Семернев В. И. и др. Опыт разработки и внедре- ния машинного конструирова- ния ячеек РЭА.— Обмен опытом в радиопромышленности, 1975, вып. 6. и организация конструкторского труда 11. Чернякова М. М. А. с. 253408. — Опубл, в БИ, 1968, № 7. 12. Хилл П. Наука и искусство проектирования: Пер. с аигл.— Мир, 1973. 13. Юрин. О. Н. Единая система автоматизации проектирования ЭВМ.— М.; Сов. радио, 1976. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Аксентьев В. С., Винник И. С., Водиев А. Е., Кандауров И. И. Механизация инженерно-тех- нического и управленческого труда. — Л.: Лениздат, 1973. 2. Алферов А. В., Бренев В. С., Качалина Л. Н., Мамонина Н. А. Оргтехника в управлении. — М.: Экономика, 1975. 3. Джонс Дж. К- Инженерное и ху- дожественное конструирование: Современные методы проектного анализа: Пер. с англ./Под ред. В. Ф. Венды, В. М. Мунипо- ва. — М.: Мир, 1976. 4. Душков Б. А., Ломов Б. Ф., Ру- бахин В. Ф., Смирнов Б. А. Ос- новы инженерной психологии. — М.: Высшая школа, 1977. 5. Зозулевич Д. М. Машинная гра- фика в автоматизированном проек- тировании. — М.: Машинострое- ние, 1976. 6. Кацман С А. Механизация кон- струирования в морском приборо- строении и радиоэлектрони- ке. — Л.: Судостроение, 1976. 7. Селютии В. А. Машинное конст- руирование электронных устрой- ств. — М.: Сов. радио, 1977. 8. Семернев В. И. и др. Автоматизи- рованная система получения кон- структорской и технологической документации КТПП БЭСМ-6. — В кн.: Проектирование вычисли- тельных устройств и систем с по- мощью ЭВМ/изд-во Саратовского у-та. — Саратов, 1978 9. Семернев В. И. и др. Опыт раз- работки и внедрения машинного конструирования ячеек РЭА. — Обмен опытом в радиопромышлен- ности, 1975, вып. 6,
КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ РЭА 8. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭА Список аббревиатур АЛУ — арифметико-логическое уст- ройство БИС — большая интегральная ми- кросхема ИС — интегральная микросхема ОП — оперативная память ПА — преобразователь активный ПП — преобразователь пассивный САПР — система автоматизации про- ектирования ТПМ — теория подобия и модели- рования Увв — устройство ввода Увыв — устройство вывода УУ — устройство управления ЦБК — центральный вычислитель- ный комплекс 8.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ* При анализе и синтезе конструк- ций РЭА чаще всего приходится пред- ставлять исходные материалы в виде графических или знаковых моделей (графики, уравнения, формулы, таб- лицы). В более сложных случаях приходится прибегать к использова- нию методологии теории подобия и физическому моделированию. График — двух- иногда трехмер- ное изображение связи двух (трех) групп параметров в виде одной или семейства линий или поверхностей. Обладает наивысшей степенью на- глядности, имеет ограниченные точ- ность и область отображения. Зна- чения параметров могут иметь как численную, так и качественную ха- рактеристику. * Составитель § 8.1...8.3 Р. Г. Вар- ламов. Уравнение — символическая за- пись связи многих групп парамет- ров (минимум — двух параметров). Обладает наивысшей степенью ком- пактности записи, но и высокой не- определенностью использования, так как дополнительно нужно знать об- ласть существования данной функ- ции. Инвариантно (не зависимо) от- носительно систем единиц. Формула — символическая запись связи ограниченного числа парамет- ров для конкретной конструкции и конкретной системы единиц, часто включающая в себя числовые коэф- фициенты. Обладает наивысшей сте- пенью определенности, но пригодна только в узкой области изменения па- раметров данной функции. Вид форму- лы зависит от используемой системы единиц и их конкретных численных значений. Таблица — одно- или многоряд- ная форма записи числовых зна- чений взаимосвязанных параметров. Составляется либо по результатам эксперимента,либо по уравнению или формуле. Дает высокую точность, но весьма громоздка. Численные зна- чения зависят от используемой си- стемы единиц. Характер этих графических и зна- ковых моделей зависит не только от их сущности и системы единиц, но и от пространства отображения или соотнесения в виде системы ко- ординат. Графически наиболее на- глядными и широко используемыми в инженерной практике являются три системы координат: прямоуголь- ная (декартова), цилиндрическая и сферическая и их частные (дву-и од- номерные) случаи. В номограммах и сложных графиках используют косоугольные и криволинейные си-
208 8. Физико-математические основы конструирования РЭА tn% + Pg + = Fo sin co/; в к ДМ 1 0,7 0,5 0,2 0,1 0,07 0,05 0,02 0,001 К дин 1,132 1,191 1,242 1 ,317 1,331 1 ,334 1,335 1,336 1 .336 мм 47,54 50,02 52,16 55,31 55,90 56,03 56,07 56,11 56,11 Рис. 8.1. Частные (а) к обобщенные (б) резонансные характеристики н их представле- ние в виде уравнений (в) и таблицы (г). Область существования функций (д) к ее гра- ничные условия в месте перехода от <В> к (А} (е)
8.1. Общие положения стемы координат (параболические, эллиптические, бицилиндрические, софокусные и т. п.). Если по ходу решения задачи приходится иметь дело с большим, чем три, числом групп независимых параметров, то прибегают к формальным представ- лениям о многомерном пространстве. Оптимальный выбор графических или знаковых моделей и их простран- ства отображения позволяет дать наиболее компактное и наглядное представление о конструкции. Общие правила построения и ис- пользования графических и знако- вых моделей. На рис. 8.1, а построены графики функции | = f (v) для трех динами- ческих систем (/, 2, 3). Из рисунка следует, что частоты собственных колебаний систем v0 равны соответ- ственно 20, 100 и 200 Гц, виден также характер изменения функции и то, что значение коэффициента Кдмг — const = 0,05. Если ввести относительные (безразмерные) па- раметры демпфирования Кдин = = 1/|0 и Kv=v/v0 (рис. 8.1, б) то информативность и наглядность гра- фика возрастут. Три кривые рис. 8.1, а сольются в одну, так как каж- дая кривая теперь отражает целое семейство кривых в относительных единицах. Из этого графика видно, что максимальные значения функции при Кдм > 0,05 лежат в дорезонанс- ной области, что при Кдм -* 0 | ->оо, а при Kv= 1,41 g= 1 (т. е. только для Kv > 1,41 возможно уменьшение колебаний амортизи- руемого блока), что чем больше функция | при Kv = 1, тем она меньше при Kv > 1,41. Однако для получения численных значений функ- ции | и аргумента v надо знать их начальные значения (например при Kv = 1). Наивысшей общностью формы записи поведения динамической системы, возбуждаемой силой Fq sin со/, обладает уравнение mi, + PI + = Fo sin со/, в котором т — масса, Р — параметр, пропор- циональный коэффициенту демпфи- рования Кдм, k — жесткость. Это уравнение справедливо для любой системы единиц. 209 Частные решения уравнений в виде формул (рис. 8.1, s) пригодны для решения узкого класса задач, на- пример, вычисления КДИн при Кдм и Kv = var или только Кдм = = var, a Kv — const и т. п. в оп- ределенной системе единиц. Табли- ца рис. 8.1, г дает наиболее точ- ные значения как для относитель- ных, так и для абсолютных зна- чений параметров, но весьма гро- моздка. В общем случае уравнение пред- ставляет собой формальную запись взаимосвязи множества пар значе- ний аргумента и функции, для вы- деления из которых конкретных об- ластей значений требуется нало- жение дополнительных условий. Рассмотрим область существования некоторой функции у = f (х) (рис. 8.1, д). В любой точке множества {Я}, ограниченного рамками рисун- ка, существует искомая функция, ко- торую можно представить в виде точки с отрезком прямой — производ- ной у' = / (х). Если на этом мно- жестве выделить область <В> и ча- стичное значение у = f (х) в виде интегральной кривой (сплошная ли- ния), проходящей через данную точ- КУ х1> У1> то для ее задания необхо- димо иметь систему координат X0Y, в которой можно задать началь- ное значение у = / (х) в виде (0, г/0). Это и дает возможность перейти от уравнения общего характера к инженерной формуле, позволяющей дать численное описание. Если предположить, что подмно- жество (область) <В> имеет физиче- ские свойства, отличные от свойств множества (окружающей среды) {Л}, то возможны три характерных режима (граничных условий) в месте перехода от <В> к {Я} (рис. 8.1, е). Выделим на множестве {Я} шесть подмножеств <В>, <С>, <£>>, <£>, <Г> и <//> и рассмотрим характер задания у = f (х) на гра- ницах раздела подмножества и мно- жества. Для подмножеств <В>, <С> и <£>) будем иметь на границе раздела у = г/2, но разные значения производных (разные <р). Это гра- ничная задача I рода, требующая соответствия значения функции ус- ловию Дирихле [однозначность, конечность, кусочная непрерыв-
8. Физико-математические основы конструирования РЭА 210 ность, и (х) = ф W1- При одинако- вых производных (одинаковых уг- лах наклона ср), но разных значениях У (1/2> Уз> Уь1 условия на границе раздела подмножеств <В>, <Е> и </7> должны соответствовать гра- ничной задаче Неймана — условиям II рода (du/dn = <р (х)). Для под- множеств <£)>, <£> и </7> будем иметь граничную задачу III рода (смешанные граничные условия), в которых определяющим параметром является обобщенная проводимость, имеющая геометрический смысл от- ношения (х2 — хтУУ1- Таким образом, рассматривая ис- ходную физическую модель кон- струкции РЭА и ее графические или знаковые отображения, следует помнить о сущности этих моделей, их возможностях и целесообразных об- ластях использования. 8.2. МЕТОДЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ Конструкции современной РЭА — сложные системы, состоящие из вза- имосвязанных элементов. Поэтому приложение к их анализу и синтезу классических математических ме- тодов наталкивается на ряд ограни- чений методического и принципи- ального характера, в основе которых лежат: отсутствие общей теории кон- струирования РЭА, обилие разнооб- разных физических эффектов, ис- пользуемых в РЭА и требующих спе- цифических подходов, большое чис- ло параметров, с помощью которых необходимо описывать конструкцию Методы теории подобия и модели- рования ТПМ (как и методы плани- рования эксперимента или много- факторного анализа) по существу решают одну и ту же задачу: обоб- щение результатов ограниченного числа опытов с получением на их основе достоверной (в пределах раз- умных требований) математической модели системы. Изучение системы начинается с ка- чественных исследований, позво- ляющих ответить на вопрос: лучше или хуже, больше или меньше. За- тем, обобщая разрозненные данные опыта, переходят к нахождению за- кономерностей и созданию матема- тической модели явления, т.е. пере- носу полученной информации на дру- гие подобные системы. Так как конструкция РЭА изучает- ся в условиях неполной исходной информации, то для конструктора очень важно знание основных поло- жений теории подобия и моделирова- ния. Эти методы позволяют проводить анализ конструкций по ограничен- ному числу параметров, заменять ее упрощенной физической или мате- матической моделью, сокращать чис- ло анализируемых параметров без потери полноты описания. Основными наиболее доступными методами ТПМ являются: анализ размерностей, л-теорема, метод по- добия, физическое моделирование. Более подробно с методами модели- рования можно познакомиться в [7, 8, 14, 27]. Анализ размерностей В практике анализа и синтеза конструкций приходится иметь де- ло с параметрами, характеризуемы- ми числом (отношением количества данного свойства к базовой величине) и физической характеристикой или размерностью (отображающей кон- кретное качество). Поэтому запись результата измерения, например, диаметра валика 06 мм рассматри- вается как отношение диаметра к ба- зисному значению, имеющему физи- ческий смысл длины в 1 мм. Для из- мерения можно воспользоваться, на- пример, калибром на 6 мм. Тогда результат измерения — отношение 6 мм/6 мм = 1 называют безразмер- ным. Следует помнить, что безразмер- ные величины — отношение комби- наций одинаковых по размерностям исходных величин или их комплек- сов. В общем виде результат измерения можно представить как совмещение пространства размерностей с данной системой (явлением, конструкцией). Если свойства конструкции совпа- дают с соответствующими осями ко- ординат (размерностями), то получим безразмерное описание, если нет — придется ввести дополнительные про- изводные величины. Поэтому вопрос о числе и характере основных еди- ниц решается обычно на основе целе- сообразности или удобства пользо-
8.2. Методы теории подобия и моделирования вания соответствующей системой единиц, включающей основные и производные величины, При этом следует помнить, что перевод группы величин из одной си- стемы в другую всегда связан с вве- дением различных коэффициентов пропорциональности, которые могут бытькак размерными с определенным численным значением, так и безраз- мерными, численное значение кото- рых может быть равно единице, что часто является причиной ошибок при переходе от одной системы единиц к другой. В международной системе единиц (СИ), используемой в Справочнике, основными единицами являются: мас- са (обозначение размерности [Л4]), длина [L], время [Г], термодинами- ческая температура [0], сила элек- трического тока [/] и сила света [У]. Их наименования: метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер и кандела. Зная размерность основных и про- изводных величин, входящих в то или иное равенство или формулу, можно проверить их правильность, определив размерности правой и ле- вой частей (принцип однородности по размерностям Фурье). Проверим, например, правильность равенства: s = vt + 0,5 -a/2; [s] = L; [о] = = LT-1; [/] = Т; [а] = LT~2. После подстановки имеем [si = L-, [of] = LT-1 Т = L; [at2] = = LT~2T2 = L. Размерности одинаковы, равенство справедливо (размерность числового коэффициента равна 1). Пользуясь анализом размерностей, можно определить вид функциональ- ной связи параметров. Исследуем, например, зависимость собственной частоты v0 колебаний элемента кон- струкции, выведенного из состояния равновесия, отпущенного из этой точки без начальной скорости и эк- вивалентного математическому ма- ятнику. Из опыта известно, что ч