數(shù)字化自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)航標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

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1 引 言

數(shù)字化自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)航標(biāo)是一種導(dǎo)航定位設(shè)備，主要安裝在基站覆蓋范圍內(nèi)的燈浮、燈船、燈塔等航標(biāo)設(shè)施上，除了能準(zhǔn)確定位，還能將當(dāng)?shù)厮?、氣象等?shí)時(shí)信息通過廣播的方式發(fā)送給海上的船只，及時(shí)地把航標(biāo)燈的故障、浮標(biāo)漂移出安全范圍等信息發(fā)送給基站，為船舶安全航行、海上遙測(cè)監(jiān)控以及航標(biāo)燈的維護(hù)和管理提供極大的便利[1]。數(shù)字化AIS航標(biāo)對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化航道的建設(shè)具有重要意義，研究開發(fā)適合我國出?？诩皟?nèi)陸河道的航標(biāo)是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

本文介紹的數(shù)字化AIS航標(biāo)主要由GPS天線、VHF天線、射頻模塊、基帶模塊、電源控制模塊和兩根直徑為Φ8.2 mm的外接電纜構(gòu)成。圖1為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 數(shù)字化AIS航標(biāo)的結(jié)構(gòu)框圖

2 數(shù)字化AIS航標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字化AIS航標(biāo)的結(jié)構(gòu)由內(nèi)部模塊和外殼兩大部分組成，其詳細(xì)情況如圖2所示。

圖2 數(shù)字化AIS航標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及外形尺寸

2.1 內(nèi)部模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1內(nèi)部模塊介紹

數(shù)字化AIS航標(biāo)的內(nèi)部模塊包括射頻模塊、基帶模塊和電源控制模塊，除此以外，還包括N/SMA-KYK1轉(zhuǎn)接器、GPS天線和VHF天線各一件。

射頻模塊通過一根高頻電纜和一件N/SMA-KYK1轉(zhuǎn)接器與VHF天線座接插互聯(lián)，并要求高頻電纜盡可能短，以降低高頻損耗；基帶模塊通過一根高頻電纜和GPS天線座接插互聯(lián)，并通過雙排插針與射頻模塊接插互聯(lián)；電源控制模塊通過兩根低頻電纜與基帶模塊接插互聯(lián)。

2.1.2內(nèi)部模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊間的連線關(guān)系，將內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)成為“塔形”結(jié)構(gòu)：頂層為射頻模塊，中間層為基帶模塊，底層為電源控制模塊。為了降低彼此間的干擾，在模塊與模塊之間設(shè)置了2 mm厚的鋁合金屏蔽板[2]，上面除了開有過線槽外，還設(shè)有4處直徑為Φ3.5 mm的安裝孔。

接下來將內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)部分：一部分是由射頻模塊、基帶模塊、屏蔽板和安裝件等所組成的功能模塊組件，另一部分是由電源控制模塊和出線底板所組成的電源控制模塊組件。

(1) 功能模塊組件

為了滿足功能模塊組件的整體安裝，在射頻模塊上方設(shè)有2 mm厚的防銹鋁合金安裝板，除8處Φ3.5 mm安裝孔外，周邊還設(shè)有4處讓位槽孔，專門用于功能模塊組件裝配時(shí)的讓位。GPS天線采用703硅橡膠粘固在安裝板上方。N/SMA-KYK1轉(zhuǎn)接器利用自帶螺母直接安裝在安裝板的中心位置，上接VHF天線，下與高頻電纜一端相接。射頻模塊通過4件鍍光亮鎳的M3×33(mm)六方銅螺柱與安裝板螺裝?；鶐K和兩屏蔽板則分別通過4件鍍光亮鎳的M3×12(mm)六方銅螺柱一層一層地懸掛在射頻模塊的下方。

(2)電源控制模塊組件

為了能獲得最佳的散熱效果，特將電源控制模塊設(shè)計(jì)安裝在出線底板上，通過4件M3×6(mm)的不銹鋼螺釘進(jìn)行緊固，同時(shí)保證3處散熱元件與出線底板緊密接觸，充分利用出線底板進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。

2.2 外部殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外觀造型

該設(shè)備殼體結(jié)構(gòu)分為3部分，上部分為天線罩，中間為筒體，底部為出線底板，各殼體接口處設(shè)有O形密封圈，為整體密封結(jié)構(gòu)。

2.2.1殼體的材料選擇

(1)天線罩材料

ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯)樹脂具有耐沖擊、耐磨、耐寒、耐油、耐酸堿、化學(xué)性穩(wěn)定、剛性和電性能良好等優(yōu)點(diǎn)[3]。文獻(xiàn)[4]采用ABS材料制作了DGPS(差分GPS)天線單元的天線罩，并指出該產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)符合要求，且生產(chǎn)成本較低。鑒于此，數(shù)字化AIS航標(biāo)的天線罩材料也選定為ABS。

(2)筒體材料

選擇耐蝕性好的5A06(LF6)防銹鋁合金管作為筒體材料，規(guī)格為Φ140×20(mm)。選用此種規(guī)格的管材能夠保證機(jī)加的切削量最少，有利于節(jié)省材料和加工費(fèi)用。

(3)出線底板材料

選擇耐蝕性和導(dǎo)熱性好的5A06(LF6)防銹鋁合金板作為出線底板材料，厚度為25 mm。筒體和出線底板均選擇相同的金屬材料，能夠保證兩者長(zhǎng)時(shí)間接觸而不會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，有利于增強(qiáng)航標(biāo)的抗蝕能力。

2.2.2殼體結(jié)構(gòu)及造型

在殼體的三部分中，天線罩的主要功能是容納和保護(hù)VHF天線、GPS天線；筒體的主要功能是容納和保護(hù)射頻模塊、基帶模塊、電源控制模塊和相關(guān)的連接件；出線底板的主要功能是支撐電源模塊并幫助該模塊散熱，同時(shí)也起出線和密封設(shè)備的作用。根據(jù)各部的功能特征，結(jié)合造型美學(xué)原則和成型工藝特點(diǎn)，將數(shù)字化AIS航標(biāo)外形設(shè)計(jì)成上小下大的彈頭形狀，中間融入流暢的圓弧過渡，使其在整體上具有高度的視覺統(tǒng)一感，在上、下方向具有極強(qiáng)的視覺穩(wěn)定感，在左、右方向又具有良好的視覺平衡感。

(1)天線罩設(shè)計(jì)

天線罩上部為彈頭造型，下部為法蘭盤結(jié)構(gòu)，周邊均布有6處直徑為Φ3.2 mm的通孔，整體表面為一緩和過渡的光滑曲面。為了保證天線罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和透波能力，將壁厚定為1.2 mm，法蘭厚度定為5 mm。選用注塑成型的加工方式，拔模斜度為45′～1°。

(2)筒體設(shè)計(jì)

筒體內(nèi)部安裝有功能模塊組件，上部與天線罩相連，下部與出線底板相連。筒體上、下端均為法蘭盤結(jié)構(gòu)，且端面都開有專門用于放置O形密封圈的溝槽，四周均布有6處直徑為Φ3.2 mm的通孔，采用數(shù)控加工方式以保證精度。筒體內(nèi)部靠上端位置設(shè)有4四處高為10 mm的凸臺(tái)，上面分別開一個(gè)M2.5×6(mm)的安裝孔。裝配時(shí)，功能模塊組件從筒體底部放入，找準(zhǔn)安裝板上的讓位槽并緩慢向上推動(dòng)，到位后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)約10°，然后將其放置在凸臺(tái)上端，找準(zhǔn)孔位后即可進(jìn)行螺裝。

(3)出線底板設(shè)計(jì)

出線底板采用數(shù)控加工方式制造，上表面設(shè)有4處電源控制模塊安裝孔和3處散熱元件安裝孔，均為M3×6(mm)螺孔，周邊位置設(shè)有4處Φ6.5 mm安裝孔。將出線底板邊緣切除一小部分，用以破壞其整圓形式，這樣能有效防止設(shè)備的自由滾動(dòng)，有利于安裝放置。出線底板也是兩根Φ8.2 mm外接電纜的出口，結(jié)合電源控制模塊的外形尺寸和安裝方式，將出線口設(shè)置在底部的偏心位置，并在該處裝有與電纜直徑相對(duì)應(yīng)的PVC護(hù)線圈。待兩根電纜安裝到位后，用703硅橡膠對(duì)出線口內(nèi)腔進(jìn)行灌封，用黑色雙壁帶膠熱縮管ATUM32/8對(duì)電纜出口位置進(jìn)行熱縮密封。

2.2.3殼體的密封

殼體的接口處均設(shè)有耐高溫、耐寒、低硬度、低扯斷、抗腐蝕，工作范圍在-60℃～+250℃之間的硅橡膠O形密封圈[3]。根據(jù)殼體的直徑大小，將O形密封圈規(guī)格選定為外徑Φ120 mm，斷面直徑d0= 3.1±0.1 mm。為了獲得良好的密封效果，將O形密封圈的最小壓縮率Emin設(shè)定為22%，上下接觸面最大間隙Cmax設(shè)定為0.15 mm，根據(jù)下列公式[5]可求得槽深和槽寬：

Hmax=d0min(1-Emin)-Cmax

(1)

式中，H為槽深，d0為O形密封圈斷面直徑。

Bmin=(1.05～1.2)B1

(2)

式中，B為槽寬，B1為O形密封圈受壓后橫向?qū)挾?，且B1=(1+E1.5)d0。殼體的溝槽尺寸可確定為：H=2.1±0.05 mm，B=3.8±0.05 mm。

2.2.4殼體的熱設(shè)計(jì)

該設(shè)備主要通過殼體外表面熱對(duì)流和熱輻射兩種方式散熱，具體的熱交換途徑為：內(nèi)部各單元與設(shè)備內(nèi)部空氣熱交換，設(shè)備內(nèi)部空氣與設(shè)備外殼熱交換，設(shè)備外殼與外部空氣熱交換。設(shè)備允許的溫升為15℃，內(nèi)部模塊的峰值功耗為3 W，殼體的表面積約為1 445 cm2，根據(jù)公式(3)[2]可求得熱流密度為0.002 W/cm2。

φ=Φ/A

(3)

式中，φ為熱流密度，Φ為熱流量，且Φ=3 W，A為熱換面積，且A=1445 cm2。

由于求得的熱流密度值0.002 W/cm2小于文獻(xiàn)[2]中自然冷卻的熱流密度值0.02 W/cm2(溫升為15℃)，所以選擇自然散熱能夠滿足散熱要求。

2.2.5殼體的鍍涂和色彩

為了滿足防潮、防霉和防鹽霧(“三防”)的要求，筒體和出線底板均經(jīng)過導(dǎo)電氧化處理，表面噴涂有“三防”性能良好的丙烯酸聚氨脂漆。

借鑒普通航道左側(cè)標(biāo)為紅色、右側(cè)標(biāo)為綠色的規(guī)定[6]，將整個(gè)殼體設(shè)計(jì)為紅色和綠色兩種色彩方案，鮮艷的色彩有助于提高航標(biāo)的識(shí)別性和警示功能。安裝時(shí)也遵守左側(cè)紅色，右側(cè)綠色的規(guī)定。

3 結(jié)束語

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案針對(duì)海上惡劣的氣候環(huán)境，裝配、使用及維護(hù)過程中的方便性和可操作性等多個(gè)方面，通過采用密封結(jié)構(gòu)、選用防腐材料和有效的散熱措施，使設(shè)備在“三防”、散熱、裝配、整機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性和美觀性等方面得到了有效的保證。該航標(biāo)的成功設(shè)計(jì)將為數(shù)字化航道的建設(shè)提供有力的設(shè)備保障。

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