鈑金結(jié)構(gòu)的機柜設計

閆建華　丁麗平

（國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南許昌　461000）

鈑金結(jié)構(gòu)的機柜設計

閆建華丁麗平

（國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南許昌461000）

隨著技術(shù)進步和工藝水平的提高，鈑金機柜在加工制造上也有著多樣的制作方式，既可以采用整面板制作而成，又可以使用具備相應尺寸規(guī)范的插件加以組合而成。隨著我國工業(yè)化程度的不斷增強，鈑金結(jié)構(gòu)的機柜在科研、電子、國防等領域應用范圍較廣。做好鈑金結(jié)構(gòu)的機柜的設計工作，對于增強機柜的工作性能、提高其質(zhì)量具有重要意義。本文即闡述了鈑金結(jié)構(gòu)的機柜設計要點。

鈑金結(jié)構(gòu)機柜設計散熱方法電屏蔽

1　鈑金結(jié)構(gòu)的機柜概述

1.1鈑金結(jié)構(gòu)機柜的組成

鈑金結(jié)構(gòu)機柜由底座、前后門、側(cè)門、前后框架、上蓋、角規(guī)及橫梁組成，一般采用可組裝結(jié)構(gòu)方式，以便于組裝、聯(lián)接及移動。

鈑金結(jié)構(gòu)機柜的鈑金件通過金屬薄板冷加工而成，同一類型鈑金件具備相同厚度，鈑金結(jié)構(gòu)機柜是一個聯(lián)接牢固的整體結(jié)構(gòu)，采用承重性較強的固定托盤，一方面能夠使機柜更加穩(wěn)固，另一方面也有利于控制設備穩(wěn)定運行。鈑金結(jié)構(gòu)機柜的角規(guī)，為確保機柜能夠安全接地，一般采用鍍彩鋅加以處理。鈑金機柜前后門采用高密度網(wǎng)孔構(gòu)造，能有效減少機柜內(nèi)部設備的電磁輻射。鈑金機柜的風機外殼經(jīng)過一次成型，有效減弱風機的震動。鈑金機柜的表面進行噴砂和噴塑加工，整體結(jié)構(gòu)采用防腐噴塑技術(shù)，能有效抗腐蝕，抗酸堿。

1.2鈑金結(jié)構(gòu)機柜結(jié)構(gòu)類型

鈑金機柜在結(jié)構(gòu)方面，有兩種分類方式，按照機柜框架劃分，可以分為整板式和立柱橫梁結(jié)合式；按照機柜角聯(lián)的方式劃分，又可以分為粘接聯(lián)接、螺釘聯(lián)接、銷聯(lián)接及焊聯(lián)接等四種形式。由這幾種形式類型可以看到，鈑金機柜在加工制造過程中主要涉及到了電焊、剪板及折彎這三種工藝，這三種工藝也是鈑金工藝形式的主要工序。

圖1　機殼散熱方法

1.3鈑金結(jié)構(gòu)機柜的主要聯(lián)接方式

隨著技術(shù)進步和工藝水平的提高，鈑金機柜在加工制造上也有著多樣的制作方式，既可以采用整面板制作而成，又可以使用具備相應尺寸規(guī)范的插件加以組合而成。通常情況下，前、中、側(cè)橫梁及立柱構(gòu)成了鈑金機柜的主體結(jié)構(gòu)，一般來說，前、側(cè)橫梁和立柱主要是通過折彎及與折彎工藝相結(jié)合的避位穿插應用技術(shù)加以聯(lián)接，同時，前、側(cè)橫梁的聯(lián)接還可以采用焊接的方式；中橫梁的聯(lián)接主要依靠立柱帶有的工藝槽。

2　鈑金結(jié)構(gòu)機柜設計應滿足的設計要求

在進行鈑金結(jié)構(gòu)機柜設計時，要首先明確鈑金機柜的設計性能，在此基礎上，運用各種新工藝設計草圖、規(guī)定尺寸及結(jié)構(gòu)、確定強度，使機柜的技術(shù)參數(shù)達到設計要求。具體地說，鈑金機柜在設計中需要遵循的設計規(guī)范為以下幾方面：

首先，充分發(fā)揮鈑金機柜在抗震、抗腐蝕、防沖擊、防水防塵及防輻射等方面的性能，確保控制設備安全運行。

其次，各項安全措施要到位，并確保能夠有效使用，便于進行機柜的組裝和維修，保障操作人員的人身安全。

再次，在具體性能上應達到規(guī)格化及標準化的要求，如良好的通風散熱，較好的電磁兼容性。

第四，鈑金機柜設計在滿足基本性能的同時，要追求造型的美觀和色彩的豐富。

3　鈑金結(jié)構(gòu)的機柜設計要點

3.1熱設計

由于熱設計是對電氣設備能否正常運轉(zhuǎn)的保證，這就需要我們對電器設備予以細致的考量與分析，了解其基本作業(yè)的方法與原理，并對熱設計進行合理與科學的設計，提出適合其作業(yè)的最優(yōu)方案。

（1）散熱方法的選擇。機柜內(nèi)部電子元件產(chǎn)生的熱量可以使用各種冷卻方法。由于環(huán)境粉塵污染很嚴重，要求機柜密封，同類產(chǎn)品的比較，機柜散熱型式采用了內(nèi)部強迫對流、外部熱量交換的緊湊式空氣/空氣熱交換器和機殼自然散熱相結(jié)介的散熱形式。

使用空氣/空氣熱交換器前提條件環(huán)境溫度低于箱體內(nèi)部溫度，山兩條獨立的空氣循環(huán)，灰塵和環(huán)境空氣不能進入機柜內(nèi)部。其原理是箱體內(nèi)部被加熱后的空氣由高性能風扇導引進入熱交換器模塊，外部風扇帶動外部低溫空氣流過模塊，熱交換在進行交換鋁板上完成，通過鋁板導熱，空氣與空氣之間不直接接觸。

機殼自然散熱=機殼對流+機殼輻射散熱，因而實現(xiàn)了較大機柜內(nèi)部密封散熱的問題。其形式如圖1所示。

（2）散熱量的計算。對于散熱量的計算則根據(jù)環(huán)境溫度要求采用了功率估算法與同類產(chǎn)品類比的方法得到，熱交換器散熱約為總散熱量三分之二、機殼自然散熱總量約為總散熱量三分之一左右。

散熱總量=熱交換散熱（內(nèi)部強迫對流+外部強迫散熱）+機殼自然總散熱（機殼對流+機殼輻射）

計算公式如下：熱交換散總熱量Q=KS（tf1-tf2）瓦

Q——總熱量，單位：瓦；

S——散熱器總散熱面積，單位m2；

K——傳熱系數(shù)，K=1/（1/α1+δ/λ+1/α2），單位：瓦/米2℃；

tf1-tf2——傳熱過程的溫差，tf1、tf2表示平板內(nèi)、外側(cè)溫度；

α1、α2——放熱系數(shù)；

δ——導熱層壁厚，δ=lmm；

λ——導熱層導熱系數(shù)，鋁為204瓦/米*℃

3.2機柜設計中的電屏蔽問題

由于機柜內(nèi)部電子元件及電路往往靠得很近，因此會相互產(chǎn)生干擾，尤其是大量單元印制板電路安裝在較小的機柜內(nèi)部，相互干擾的可能性增大。為了確保設備的正常工作，在設計過程中必須考慮相互之間的電磁干擾，主要采取了以下幾種方式使其得到解決。

（1）在印制板較多的需要特殊屏蔽的地方，機柜內(nèi)部相互干擾的地方使用屏蔽板，可以避免外部對內(nèi)的電干擾。

（2）良好的接地效果。整機設計接地，內(nèi)部也采用多個接地點接地。1）電屏蔽設計用接地的金屬板將電路板插箱上下層隔離起來，將電路間干擾減少到最小程度，使電路由分布電容泄漏出的能量經(jīng)屏蔽板短接入地面，不致出入其它電路中。如果屏蔽不接地，則電場對電路的干擾反而更嚴重，要取得良好的工作效果，屏蔽體必須良好的接地。2）螺釘連接部分，盡量采用內(nèi)齒彈性墊圈和外齒彈性墊圈，以減少接觸電阻。

3.3機柜設計中振動沖擊問題

通過實際的作業(yè)，我們能夠發(fā)現(xiàn)機柜本身就具有體積大的特征，如果對其進行安裝之后，就無法再對其進行隨意的移動，并且在對其進行運輸?shù)沫h(huán)節(jié)能夠發(fā)現(xiàn)其有自己特殊的振動方式，主要是慣性的沖擊形式與顛簸振動的形式這兩種：

出于對運輸顛簸的考慮，需要我們在機柜的設計過程中要考慮到其本身的體積與重量問題，需要將機柜設計的重心進行下移，使之能夠?qū)⒄駝咏档阶畹汀＿€需要對運輸中的包裝箱予以加固，最好做到同機柜的一體化安裝。環(huán)境的復雜性導致在車間的作業(yè)中，發(fā)現(xiàn)其設備的集中與密集性，使其能夠造成很大的干擾性問題，特別是對機柜的作業(yè)。這就要求我們要對設備進行改良，比如，將具有減震功能的設備同地板相固定，并對機柜進行強迫式的振動形式，這個改良的過程中需要考慮關(guān)鍵問題，就是剛性的結(jié)構(gòu)問題。

3.4新結(jié)構(gòu)、新材料在機柜設計中的應用

（1）新結(jié)構(gòu)的應用。隨著社會現(xiàn)代化的發(fā)展，在產(chǎn)品的技術(shù)指標中，對機柜結(jié)構(gòu)的設計卻成了關(guān)鍵勝的問題。在機柜的設計中，要注意其產(chǎn)品技術(shù)的性能與指標，還有對結(jié)構(gòu)的工藝性設計，使之能夠既美觀，又實用。在對機柜結(jié)構(gòu)設計的實際操作中，要注意按照標準化的流程對其進行設計與安裝。這就要求在機柜結(jié)構(gòu)的設計過程中，要注重對新結(jié)構(gòu)的考量與應用。

在新的結(jié)構(gòu)中，通過十九寸的標準機柜中的鋁型材，與立柜式樣的機架機柜相聯(lián)結(jié)，其在結(jié)構(gòu)上又通過頂、底板的鋁合金小鑄件的應用，將以前應用中常用的焊接與鉚接方法所取代，并在機柜的里面通過一定的標準尺寸，對其進行添加插箱與插件，與此同時，還付之以積木式的結(jié)構(gòu)特征。由于鋁型材本身所具有的特征就比較輕巧，使其具有易于安裝的特征

（2）新工藝、新材料在設計中的應用。在機柜設計中使用了一些新的零件工藝，精飾就是其中之一。在對機柜右側(cè)19寸標準插箱設計時，要對其元件非有效裝配區(qū)域用面來進行裝飾，面板的外觀處理可以有幾種處理方法，如噴柒表面、氧化及一些傳統(tǒng)的工藝方法，但如何能夠使其整體效果統(tǒng)一，通過多次實驗，最終確定使用與19寸機箱風格、外觀效果接近一致的精飾新工藝，既達到了與19寸機箱外觀的一致，整機效果提高，同時提高設備檔次。

3.5鈑金結(jié)構(gòu)機柜的設計工作需要注意的問題

（1）設計圖紙中明確對制作材料的要求。要做好對材料選擇的要求，保證選擇正規(guī)廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量材料，確保材料在實際制作中能夠符合相關(guān)標準的要求，保證設計成品能夠達到設計的性能要求；在設計中要嚴格控制機柜制作中材料的沖折率，在保證機柜性能的前提下盡量降低機柜實際制作中工序的繁瑣性，增強設計圖紙的可操作性；要確保選用的材料具備較好的強度，易于彎曲，便于塑形。

（2）設計要滿足經(jīng)濟實用的原則。鈑金結(jié)構(gòu)機柜設計要符合經(jīng)濟實用的原則，在保障機柜使用安全、使用質(zhì)量、使用性能的基礎上盡量降低機柜制作過程中的成本投入。

（3）鈑金結(jié)構(gòu)機柜的尺寸設計。機柜設計尺寸的確定要嚴格按照機柜所存放的設備尺寸進行，并且要充分考慮設備工作所需的各項元件的安裝設置所需的空間；要注意對設備使用人群的操作動作、身高、體形等要素的了解，以確保設計的機柜便于操作人群的使用；設計圖紙中盡量使用通用的尺寸數(shù)據(jù)以減少機柜實際制作中數(shù)據(jù)換算的復雜性；鈑金結(jié)構(gòu)的機柜設計尺寸要嚴格符合相關(guān)標準的要求。

（4）機柜彎曲結(jié)構(gòu)的設計。鈑金結(jié)構(gòu)機柜的彎曲結(jié)構(gòu)設計一定要遵循制作材料的常規(guī)折彎結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，保證彎曲程度在制作材料的彎曲性能承受范圍之內(nèi)，以免造成材料的損壞；如果制作材料的厚度等于或超過2.5mm，應該注意設計出1t～1.5t寬的工藝缺口。

（5）鈑金結(jié)構(gòu)機柜的外殼設計。鈑金機柜的外殼設計要充分考慮機柜所存放的設備的性能、保護與維修方面的要求，確保設備的正常使用；要根據(jù)設備與機柜的具體使用條件設計出適合的外殼類型，確保在不同條件中機柜使用性能的安全與穩(wěn)定；機柜外殼設計要確保設備使用人群、維修人群操作、維修的最佳角度。

（6）鈑金結(jié)構(gòu)機柜設計要滿足設備的安裝使用需求。鈑金結(jié)構(gòu)機柜設計的最終目的是更好地發(fā)揮機柜的作用，保障機柜中設備的安全、穩(wěn)定使用，在機柜的設計過程中不僅要考慮好設備存放的維護檢修要求，還要滿足設備的安裝使用方面的需求，要明確存放在機柜中的設備的具體安裝布線的要求，使機柜設計滿足設備的布線、各項元件的聯(lián)接要求。

（7）美學裝飾與配色方面。在鈑金結(jié)構(gòu)機柜的設計過程中要注意對機柜的美學設計，使機柜的外觀設計在比例、色彩、造型、形狀方面能夠給人以美感，符合審美的需求。

4　結(jié)語

綜上，鈑金機柜在人們工作生活中應用越來越廣泛，同時人們對鈑金結(jié)構(gòu)機柜的性能要求也相應提高。在進行鈑金機柜設計時要在遵循設計規(guī)范的基礎上，要著重注意設計中的幾個問題，確保鈑金機柜充分發(fā)揮自身優(yōu)勢。

［1］孫戰(zhàn)雄.鈑金非90°折彎展開料長度的計算方法［J］.金屬加工（熱加工），2014（11）.

［2］胡俊杰.淺談機柜設備三防工藝設計的研究［J］.科技信息，2011（15）.

閆建華（1980—），男，漢族，河南許昌人，畢業(yè)于河南工業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，本科學歷，工程師，現(xiàn)在國家電網(wǎng)許繼集團有限公司擔任機柜類產(chǎn)品經(jīng)理。