電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探究

洪竹偉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第726研究所，上海 200237)

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電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探究

洪竹偉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第726研究所，上海 200237)

電氣電子設(shè)備的運(yùn)用涵蓋了工業(yè)、國(guó)防、科研、民用、公用工程等領(lǐng)域，目前對(duì)電氣電子設(shè)備的功能、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、安全性、維護(hù)性等方面提出了更高的要求，而電氣電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備對(duì)這些要求的可實(shí)現(xiàn)性。介紹了電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

電氣電子設(shè)備；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；可靠性

電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，對(duì)設(shè)備的各種性能和功能的實(shí)現(xiàn)起著重要的作用。電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探究的作用就是把設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、要點(diǎn)以及需要掌握相關(guān)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和歸納，其目的就是使設(shè)計(jì)人員能夠掌握行之有效的設(shè)計(jì)方法，在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，能夠符合產(chǎn)品的技術(shù)條件和要求，并且使產(chǎn)品具有較高的可靠性、實(shí)用性、可操作性、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性、競(jìng)爭(zhēng)性等。

目前，電氣電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還跟不上技術(shù)的發(fā)展與需求，特別是新技術(shù)、新材料、新器件、新工藝的問世，給電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注入了新的設(shè)計(jì)內(nèi)容。目前僅以電性能評(píng)價(jià)電氣電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，而忽視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要性的觀念將受到挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也需要變革和創(chuàng)新。

1 電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法和要點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃

為了使電氣電子設(shè)備符合技術(shù)條件和使用環(huán)境，需要對(duì)其進(jìn)行總體規(guī)劃，重點(diǎn)是對(duì)零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和總體布局，主要有以下5個(gè)方面：

(1) 確定設(shè)備的外觀造型、結(jié)構(gòu)材料，加工工藝，裝配工藝和安裝方式。

(2) 確定設(shè)備控制、調(diào)節(jié)、傳遞信號(hào)的方式及操作所需的執(zhí)行裝置。

(3) 確定設(shè)備的環(huán)境保護(hù)措施，包括對(duì)整機(jī)、分機(jī)、模塊、元器件的溫升控制，設(shè)備的減震措施、防腐措施、使用安全性措施等。

(4) 確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)部分機(jī)、模塊、元器件之間的連接關(guān)系及形式。

(5) 在設(shè)計(jì)中必須盡量減少特殊零部件的數(shù)量，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化的零部件和尺寸系列。

1.2 熱設(shè)計(jì)

把設(shè)備的元器件、組件、模塊、分機(jī)以及整機(jī)的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)是熱設(shè)計(jì)的主要目的。熱設(shè)計(jì)首先要正確地確定元器件的失效溫度，把最高允許溫度和最大功耗作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)。熱設(shè)計(jì)是在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量迅速傳遞出去，以滿足可靠性要求[1]。 熱設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及原則具體如下：

(1) 保證熱控系統(tǒng)具有良好的冷卻功能，電子器件均能在更多的熱環(huán)境中正常工作。

(2) 保證熱控系統(tǒng)具有可靠性，在使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)的故障率要比器件出現(xiàn)的故障率低。

(3) 保證熱控系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性就必須留有余量，以滿足各種增加散熱能力和要求。

(4) 保證熱控系統(tǒng)具有良好的維修性，方便維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)，測(cè)試更換器件。

確定冷卻方案要充分考慮設(shè)備的使用環(huán)境、使用條件以及其他特殊要求等多種因素。常用的冷卻方法有：自然冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻等。這些方法可以單獨(dú)使用，也可以組合起來使用。在冷卻方法確定后，要正確布置發(fā)熱元件與熱敏元件的位置及距離，必要時(shí)可以選擇使用一些導(dǎo)熱材料，保證氣流均勻流過發(fā)熱元器件，形成合理的氣流通路[2]。

1.3 振動(dòng)和沖擊隔離

處于運(yùn)載中使用或運(yùn)輸過程中的設(shè)備，元器件承受機(jī)械環(huán)境能力較弱，振動(dòng)導(dǎo)致元器件或材料疲勞損壞，而沖擊由于瞬時(shí)加速度很大造成元器件損壞。除了保證設(shè)備自身的強(qiáng)度和剛度外，采用減震器進(jìn)行隔離成為弱振動(dòng)和沖擊對(duì)設(shè)備干擾的主要措施[3]。選用減震器的主要原則：不僅要考慮總重量，還應(yīng)考慮各支撐部位的重力大小，要確定每個(gè)減震器的實(shí)際承載量，使設(shè)備安裝減震器后，其安裝平面與基礎(chǔ)平行；減震器的總剛度應(yīng)滿足隔振系數(shù)的要求；各支撐部位的減震器剛度應(yīng)對(duì)稱于系統(tǒng)的慣性主軸；減震器的總阻尼既要滿足系統(tǒng)通過共振區(qū)時(shí)對(duì)振幅的要求，也要考慮隔振區(qū)隔振效率；無特殊要求盡量選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

1.4 電磁屏蔽與接地

現(xiàn)代設(shè)備中信號(hào)傳輸及處理系統(tǒng)的自動(dòng)化，要求電子線路、設(shè)備、系統(tǒng)相互不影響。

電屏蔽設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1) 屏蔽體必須良好接地；

(2) 正確選擇接地點(diǎn)；

(3) 合理設(shè)計(jì)屏蔽體形狀；

(4) 合理選擇屏材料。

磁屏蔽設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1) 磁屏蔽殼體應(yīng)采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料；

(2) 屏蔽效能隨著材料厚度的增加而增加，隨著屏蔽體內(nèi)空間的增大而減??；

(3) 多層屏蔽能顯著提高屏蔽效果；

(4) 要盡量減小屏蔽體上接縫與孔洞處的磁阻；

(5) 必須注意所用的鐵磁材料的特性。

電磁兼容設(shè)計(jì)要使設(shè)備殼體有良好的接地，既能起到電磁屏蔽作用又能起到靜電屏蔽作用，殼體盡量減小孔的面積，選用屏蔽效能好的孔形，合理布置孔的位置和分布，對(duì)于通風(fēng)孔可采用屏蔽效能高的蜂窩狀通風(fēng)窗等方法來進(jìn)行屏蔽[4]。屏蔽體上的永久性接縫最好采用焊接工藝如熔焊、釬焊、點(diǎn)焊等。對(duì)非永久性接縫可采用增加縫隙深度、減小縫隙長(zhǎng)度、縮短螺釘間距，以及在縫隙處涂上導(dǎo)電涂料和填隙料等方法來進(jìn)行屏蔽。搭接可以使設(shè)備減小電磁干擾，搭接條最好采用導(dǎo)電性能好的扁平薄板制造，連接方法有：鉚接、熔接、釬焊、螺栓聯(lián)接等。接地是為了防止設(shè)備外殼帶電或遭雷擊，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須在機(jī)殼上設(shè)置接地端子。

1.5 防腐蝕設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境條件，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，避免性能顯著下降和各種損壞。防腐蝕保護(hù)措施應(yīng)在設(shè)計(jì)階段確定，要根據(jù)主要腐蝕因素的種類，作用強(qiáng)度的大小和影響因素，來選擇正確、有效、經(jīng)濟(jì)的防腐蝕保護(hù)措施。

常用的防止腐蝕損壞方法有如以下5種：

(1) 根據(jù)使用條件和環(huán)境選擇合適的耐腐蝕材料；

(2) 削弱或減弱產(chǎn)生腐蝕的各種因素；

(3) 采用金屬鍍覆、化學(xué)覆蓋、表面涂層等方法進(jìn)行耐腐蝕性處理；

(4) 采用能減弱腐蝕程度的結(jié)構(gòu)形式；

(5) 采用陰極或陽極電化學(xué)保護(hù)措施；

這些方法可以單獨(dú)使用，也可以組合起來使用。

1.6 人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用

在滿足性能指標(biāo)的同時(shí)，設(shè)計(jì)出操作方便、靈活、安全、外形美觀，符合人的生理和心理特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與外形，提高人機(jī)系統(tǒng)的效能和可靠性。這需要充分了解人體特征，如視覺、聽覺、觸覺以及工作環(huán)境因素對(duì)人體的影響及安全要求，面板設(shè)計(jì)通常涉及到儀器、儀表、控制器、顯示器、鍵盤、按鈕開關(guān)等器件位置的確定和分組排列，要合理布局，做到整齊美觀，便于觀察和操作。面板的色彩及文字符號(hào)需要符合有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)。必須考慮便于迅速尋找和確定故障部位，元件拆卸方便，考慮保護(hù)安裝維護(hù)人員的安全措施，設(shè)置必要的安裝維護(hù)出入孔和觀察窗口。

1.7 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量極其重要的指標(biāo)，設(shè)備必須滿足可靠性試驗(yàn)指標(biāo)及使用要求 ，以確認(rèn)設(shè)計(jì)的正確性及可靠性。對(duì)于可維護(hù)的產(chǎn)品，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)要求無故障工作時(shí)間長(zhǎng)，而出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能迅速排除，恢復(fù)正常。設(shè)備中存在著的固定的、半固定的、活動(dòng)的電氣接點(diǎn)，這些接點(diǎn)的接觸可靠性對(duì)整體或系統(tǒng)的可靠性有很大的影響，必須正確地選擇連接工藝和方法，如釬焊、壓接、熔接等。

2 結(jié)語

電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地?cái)U(kuò)展和更新，要應(yīng)用到多門基礎(chǔ)學(xué)科，知識(shí)點(diǎn)多而散，設(shè)計(jì)人員既要加深理論基礎(chǔ)、工程意識(shí)，又要反映科學(xué)發(fā)展動(dòng)向，因此全面掌握各相關(guān)學(xué)科的有關(guān)理論知識(shí)，了解新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量有著很大的幫助。

[1] 王健石.電子機(jī)械工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[2] 邱成悌.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,2002.

[3] 高攸綱.屏蔽與接地[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004.

[4] 顏聲遠(yuǎn), 許彧青.人機(jī)工程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2003.

(本文編輯：趙艷粉)

Structure Design Methods for Electrical and Electronic Equipment

HONG Zhu-wei

(No. 726 Research Institute，China Shipbuilding Corporation, Shanghai 200237, China)

Electrical and electronic equipments have been applied in various fields, such as industry, national defense, scientific research, civil engineering, utilities and so on. Presently, higher demand for electrical and electronic equipments has been posed in terms of the performance, operation reliability, safety, maintainability, etc, but the realizability of the above requirements is directly related to the structural design quality. This paper introduces the present situation of electrical and electronic equipment structure design, with a focus on the design content and highlights.

electrical and electronic equipment; structure design; design highlights; reliability

10.11973/dlyny201605030

洪竹偉(1958)，男，高級(jí)工程師，從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TM65

B

2095-1256(2016)05-0659-03

2016-05-20