張義軍 潘永強(qiáng)
摘要:?機(jī)箱作為電子設(shè)備的一種典型結(jié)構(gòu),本文介紹了其設(shè)計(jì)的一些基本要求,并結(jié)合某型雷達(dá)接收系統(tǒng)功放機(jī)箱的特點(diǎn),介紹了人機(jī)工程、熱設(shè)計(jì)等相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞:?機(jī)箱;人機(jī)工程;熱設(shè)計(jì)
引言
機(jī)箱是工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備、儀器儀表、電器及其余軍民用電子設(shè)備的典型構(gòu)件。機(jī)箱多為矩形六面體,主要由底座、面板和機(jī)殼等零件組成,其設(shè)計(jì)的基本要求有[1]:
(1)保證產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),包括環(huán)境條件、可靠性、維修性、重量、尺寸、強(qiáng)度、安裝方式、結(jié)構(gòu)與電訊接口、安全性、電磁兼容性、熱特性以及其他特殊要求。
(2)便于設(shè)備的操作與安裝,為了能有效地操作和使用設(shè)備,必須使機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合人的心理和生理特點(diǎn),并力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便。
(3)良好的結(jié)構(gòu)工藝性,結(jié)構(gòu)與工藝是密切相關(guān)的,不同的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的工藝,良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化工藝并降低工藝設(shè)計(jì)的難度,從而降低加工的成本和難度、縮短加工周期,更好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)箱結(jié)構(gòu)面臨小型化、積木化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢(shì),但由于使用的范圍廣,所處環(huán)境平臺(tái)也大不相同(如艦載、車載、機(jī)載、地下、海中等),因此對(duì)機(jī)箱的設(shè)計(jì)要求也不盡相同。某型雷達(dá)接收系統(tǒng)功放機(jī)箱的特點(diǎn)是體積小、發(fā)熱量大,便攜式、儀表型。本文從總體設(shè)計(jì)、人機(jī)工程和熱設(shè)計(jì)的角度,介紹了該功放機(jī)箱在功能特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的設(shè)計(jì)思路與方法。
1.?功放機(jī)箱設(shè)計(jì)
該功放機(jī)箱用于產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試,內(nèi)部裝有:初級(jí)放大組件模塊、末級(jí)放大組件模塊、開(kāi)關(guān)電源。
具體設(shè)計(jì)要求有:體積小、重量輕,結(jié)構(gòu)適合野外放置,便攜式儀表型,初級(jí)放大組件、末級(jí)放大組件表面溫度不超過(guò)60℃,功率輸出為200W的連續(xù)波,功率輸入和輸出采用射頻頭,帶有電壓指示和電壓調(diào)節(jié)功能,面板裝有電源開(kāi)關(guān)并帶有工作指示燈。
1.1總體設(shè)計(jì)
該機(jī)箱屬便攜式儀表型,根據(jù)機(jī)箱中各設(shè)備的外形尺寸,在保證結(jié)構(gòu)緊湊的前提下,確定機(jī)箱的外形尺寸為400×160×425mm?,箱體由面板、后板、左側(cè)板、右側(cè)板以及蓋板和底板組成(見(jiàn)圖1),相互之間采用螺釘連接。機(jī)箱面板上裝有把手、電源開(kāi)關(guān)、輸入和輸出射頻頭、電壓指示表以及電壓調(diào)節(jié)旋鈕。底板上安裝初級(jí)放大組件、末級(jí)放大組件和開(kāi)關(guān)電源,左側(cè)板上開(kāi)有通風(fēng)槽,右側(cè)板裝有散熱風(fēng)扇、220V電源輸入座、接地樁和保險(xiǎn)絲。機(jī)箱的后板和底板上分別裝有四個(gè)減振器支座。
圖1??機(jī)箱外形(去蓋板)
表1?各器件參數(shù)
器件
名稱
輸入
功率
輸出
功率
發(fā)熱量
效率
初級(jí)放大組件
50W
25W
25W
50%
末級(jí)放大組件
500W
250W
250W
50%
開(kāi)關(guān)
電源
650W
550W
100W
85%
1.2人機(jī)工程及其它設(shè)計(jì)[2]
機(jī)箱上的接地樁和把手采用標(biāo)準(zhǔn)件,把手安裝在面板的左右兩側(cè),以利于搬運(yùn)。面板上的其它器件呈左右對(duì)稱分布。由于射頻輸出功率為200W,功率較大,所以采用N型射頻同軸連接器作為輸入輸出頭,并放置在面板下方,便于測(cè)試電纜的連接。電源和風(fēng)扇共用一個(gè)開(kāi)關(guān),選用具備電源指示功能的KD2-22M型帶發(fā)光二極管自鎖按鈕開(kāi)關(guān)。電壓指示表放置在面板中心偏上位置,以便于觀察。使用頻率最高的電壓調(diào)節(jié)旋鈕放置在面板右上角,以便于操作和調(diào)節(jié)。機(jī)箱的后板和底板上分別裝有四個(gè)減振器支座,既可平放于桌面,也適用于野外環(huán)境直立放置。220V電源輸入座、接地樁和保險(xiǎn)絲放置于右側(cè)板上,在不影響野外直立放置使用的基礎(chǔ)上便于操作??紤]到強(qiáng)度和重量,左、右側(cè)板均采用1.5mm厚鋼板折彎、四角焊接的結(jié)構(gòu)(如圖2所示),其余零件直接采用密度較小的鋁板加工。此外,機(jī)箱各結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)在外型優(yōu)化的基礎(chǔ),還采用鈍角、圓邊等設(shè)計(jì)保證其安全性和涂覆可達(dá)性。
圖2??機(jī)箱左側(cè)板結(jié)構(gòu)
機(jī)箱采用421丙烯酸聚氨酯磁漆進(jìn)行表面涂覆??紤]到機(jī)箱僅在測(cè)試時(shí)才會(huì)在野外環(huán)境使用,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未作深入的密封防水設(shè)計(jì)考慮。
機(jī)箱的輸入功率為電源和風(fēng)機(jī)的輸入功率之和,為690W,輸入電流4.4A,選用額定電流為4A的BGXP-1-4A型保險(xiǎn)絲。
1.3熱設(shè)計(jì)
由于初級(jí)放大組件、末級(jí)放大組件、開(kāi)關(guān)電源均安裝在封閉空間內(nèi),且熱耗較大,僅依靠自然散熱無(wú)法滿足器件正常工作要求,必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式[3]。末級(jí)放大組件輸出最大功率250W。由表1的數(shù)據(jù)可知,機(jī)箱最大發(fā)熱量為:
Q=25+250+100=375W。
假設(shè)機(jī)箱處在30℃的環(huán)境下,風(fēng)機(jī)出口空氣的溫度為40℃,根據(jù)熱平衡方程,機(jī)箱所需風(fēng)量為:
V=Q/(CP×ρ×Δt)
=375/(1.2×1005×(40-30))
=?0.03m3/s=1.89m3/min
(CP—空氣的比熱;ρ—空氣的密度;
Δt—空氣進(jìn)出口溫差)。
考慮到機(jī)箱內(nèi)空間較大,若采用單風(fēng)機(jī),機(jī)箱內(nèi)部分空間空氣流速較慢,將大大影響設(shè)備散熱效果,因此機(jī)箱配備兩個(gè)風(fēng)機(jī),考慮到風(fēng)壓與風(fēng)量的匹配關(guān)系,選用風(fēng)量為2.1m3/min的風(fēng)機(jī)(型號(hào):113FZY2-S)。
設(shè)計(jì)完成后,采用熱分析軟件對(duì)機(jī)箱散熱性能進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化。從空氣流線圖(圖4)可以看出穿過(guò)末級(jí)放大組件和初級(jí)放大組件器件的空氣較少,導(dǎo)致末級(jí)放大組件表面溫度偏高,達(dá)到62℃,超過(guò)60℃的臨界設(shè)計(jì)值。通過(guò)在底板增開(kāi)五組70×10mm的通風(fēng)槽后(見(jiàn)圖3)對(duì)機(jī)箱散熱性能進(jìn)行重新分析,末級(jí)放大組件周圍空氣流量有了一定的增加,表面溫度也降低了約5℃左右(見(jiàn)圖5),滿足設(shè)計(jì)要求。
圖3??通風(fēng)槽
設(shè)計(jì)改進(jìn)后的功放機(jī)箱通過(guò)了高低溫、濕熱、振動(dòng)、沖擊等系列例行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)情況良好。在后期使用過(guò)程中也沒(méi)有因設(shè)計(jì)缺陷而出現(xiàn)故障。
圖4??熱分析圖(改進(jìn)前)
圖5??熱分析圖(改進(jìn)后)
2.結(jié)束語(yǔ)
功放機(jī)箱的設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械學(xué)、電學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多種基礎(chǔ)學(xué)科的綜合應(yīng)用,必須從系統(tǒng)工程的角度,借助好的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段,根據(jù)各種電子設(shè)備的不同要求,分清主次,在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下,使設(shè)計(jì)盡可能地合理,從而設(shè)計(jì)出好的產(chǎn)品來(lái)。
參考文獻(xiàn):
[1]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2001.
[2]黃錚.機(jī)箱面板設(shè)計(jì)思路淺說(shuō)[J].無(wú)線電工程,2000(1).
[3]郭欣茹,張亞峰.電子設(shè)備機(jī)箱的強(qiáng)風(fēng)冷設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2004(3).
作者簡(jiǎn)介:
張義軍(1981-),男,博士,工程師,現(xiàn)主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。
潘永強(qiáng)(1978-),男,高級(jí)工程師,現(xiàn)主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。