惡劣工程環(huán)境下多功能工控機(jī)柜的設(shè)計(jì)思路探討

毛春雷，熊 陳，符偉杰，邵 軍

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012)

(2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012)

1 機(jī)柜板材的防腐對(duì)策

金屬材料在高水份、高鹽份或酸堿環(huán)境作用下，通常會(huì)因?yàn)榘l(fā)生電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和物理溶解而產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題。以鐵磁性物質(zhì)為例，此類(lèi)金屬材料長(zhǎng)期暴露在空氣中就會(huì)發(fā)生氧化腐蝕現(xiàn)象。

金屬材料發(fā)生腐蝕破壞的進(jìn)程中，金屬元素轉(zhuǎn)化為離子狀態(tài),電化學(xué)腐蝕在整個(gè)過(guò)程中占主要地位，通常包括吸氧和析氫兩類(lèi)腐蝕[1]。

用于工程現(xiàn)場(chǎng)或野外站點(diǎn)的機(jī)柜通常從材質(zhì)選擇、表面處理工藝和電化學(xué)保護(hù)3個(gè)途徑解決金屬材料受腐蝕破壞問(wèn)題：1)通常采用201、304等不銹鋼材料代替易腐蝕的普通金屬材料[2]；2)表面處理工藝，如涂防銹漆、噴涂塑粉等，其工藝流程如圖1所示；3)電化學(xué)保護(hù)，即在需要保護(hù)的金屬表面覆蓋比該金屬更活潑、更易失去電子的金屬涂層，如鍍鋅。從生產(chǎn)制造成本及工藝難度方面考慮，前兩種措施已成為目前金屬防腐蝕的主要方法。而對(duì)于在惡劣工程環(huán)境下使用的機(jī)柜來(lái)講，外表防腐通常使用噴涂的方法，即在機(jī)柜表面去除污垢后噴涂粉末狀態(tài)的涂料，再送入烘箱內(nèi)加熱，使粉末狀態(tài)的涂料融化并牢固附著在機(jī)柜表面形成一層堅(jiān)固的保護(hù)膜，根據(jù)需要還可以加入防紫外線的純聚酯粉末，以延長(zhǎng)防腐壽命。由此可知，使用鍍鋅加噴漆工藝處理的機(jī)柜耐腐性更好。

圖1 金屬材料表面處理工藝流程圖

2 惡劣工程環(huán)境下工控機(jī)柜的防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2所示為工控機(jī)柜的整體結(jié)構(gòu)基本組成示意圖。該類(lèi)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)元素主要包括柜頂、側(cè)板、柜身及底座等，通常采用焊接方式進(jìn)行框架連接較為簡(jiǎn)便。底座的設(shè)計(jì)方法很多，通常采用鈑金沖壓折彎件或者通用型材進(jìn)行拼接[3]。多數(shù)工控機(jī)柜先用型鋼拼接底座，再與側(cè)板支撐件等焊接形成基本框架。同時(shí)充分考慮機(jī)柜內(nèi)部電器元件的布局和工作需求及維修保養(yǎng)的操作空間，進(jìn)而確定機(jī)柜的長(zhǎng)、寬、深等尺寸。應(yīng)用于惡劣工程環(huán)境下的機(jī)柜，首先需要對(duì)其物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1—柜頂；2—柜門(mén)；3—柜身；4—電器主板；5—通用骨架；6—通風(fēng)百葉；7—電器元件；8—蓄電池

2.1 機(jī)柜防雨防潮結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1柜頂結(jié)構(gòu)

對(duì)于露天工作的機(jī)柜，要防止雨水進(jìn)入其內(nèi)。柜頂作為承接雨水的頂面，其設(shè)計(jì)尤為重要，如圖2所示，上頂面采用平頂結(jié)構(gòu)，降低了加工難度，四周下折45°角，方便雨水流淌。頂部四周尺寸需超出柜身50～100 mm，防止雨水沿著頂壁滲入；柜頂內(nèi)部為空心狀態(tài)，在其折彎部位加焊一層隔熱板，減緩?fù)饨鐪厣龑?duì)柜內(nèi)溫度的干擾。柜底面應(yīng)高出建造地基約20 cm，供電和通信電纜通道全預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)，防止雨天機(jī)柜坐落水中，導(dǎo)致柜體灌水。

2.1.2前后門(mén)密封結(jié)構(gòu)

如圖3所示，機(jī)柜整體結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循安裝調(diào)試操作方便的原則，可采用雙開(kāi)門(mén)或前后開(kāi)門(mén)的方式。門(mén)內(nèi)側(cè)安裝密封條，與柜身折彎邊鑲嵌，以達(dá)到密封的效果。

圖3 工控機(jī)柜前后門(mén)密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決機(jī)柜通風(fēng)散熱、保溫等問(wèn)題，通常在工控機(jī)柜內(nèi)安裝風(fēng)扇或空調(diào)設(shè)備[4]。

2.2.1風(fēng)扇散熱量計(jì)算

如圖4所示，在柜身與柜頂連接處，焊接一塊通風(fēng)板，將風(fēng)扇安裝在通風(fēng)板上；柜身下部左右兩側(cè)各沖壓一組百葉窗。因冷空氣較熱空氣比重大，柜內(nèi)空氣自下向上形成對(duì)流，使得該結(jié)構(gòu)布局散熱效果良好。此外，通風(fēng)板和百葉窗上都要設(shè)置一層防蟲(chóng)網(wǎng)。

圖4 機(jī)柜通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)圖

工控機(jī)柜的傳熱量Q可按式(1)計(jì)算：

Q=K×(Th-Tc)×S

(1)

式中：K為平均熱通過(guò)率，W/(m2·℃)；Th,Tc分別為內(nèi)部預(yù)期溫度和外部環(huán)境溫度，℃；S為工控機(jī)柜的散熱表面積，m2。

工控機(jī)柜實(shí)際必要冷卻能力P2可按式(2)計(jì)算：

P2=P1-K×(Th-Tc)×S

(2)

式中：P1為工控機(jī)柜發(fā)熱量總和，W。

工控機(jī)柜的平均熱通過(guò)率K的取值參考原則為：空氣中有固體對(duì)流墻時(shí)，取值范圍為4～12 W/(m2·℃)。因此對(duì)于普通的工控機(jī)柜(未配置冷卻裝置時(shí))，均按4～6 W/(m2·℃)取值[5]。

2.2.2空調(diào)散熱量計(jì)算

當(dāng)機(jī)柜內(nèi)部環(huán)境溫度在35 ℃以上，或當(dāng)特殊工況需防止有毒有害、潮濕的空氣以及粉塵顆粒等進(jìn)入工控機(jī)柜內(nèi)，不允許空氣自然流通，要求隔絕機(jī)柜內(nèi)外的空氣循環(huán)時(shí)，采用工業(yè)空調(diào)對(duì)機(jī)柜內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行恒溫控制較為必要[4]。工業(yè)空調(diào)按不同的安裝方式，常分為柜內(nèi)架裝式、側(cè)裝壁掛式、嵌入壁掛式及置頂式等類(lèi)型[5]。

工業(yè)空調(diào)制冷總量Qe可按式(3)計(jì)算：

Qe=Qv-K1×A0×ΔT

(3)

式中：Qv為柜內(nèi)電氣元器熱耗總量，W；K1為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m2·℃)，其值取決于制作工控機(jī)柜的板材，通常塑板取0.3，鋼板取5.5，鋁板取11.0；A0為柜內(nèi)部實(shí)際的散熱面積，計(jì)算規(guī)則需具體考察，m2；ΔT為機(jī)柜內(nèi)外部溫差，柜體內(nèi)部一般取35 ℃，柜體外部工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度取實(shí)測(cè)值。

計(jì)算工業(yè)空調(diào)制冷總量時(shí)，需要討論柜體實(shí)際散熱面積A0的最優(yōu)取值。表1中是目前德國(guó)威圖公司提供的幾種典型安裝模式對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，可供計(jì)算參考，其中W，H，D分別為柜體寬、高、深。

表1 典型安裝模式對(duì)應(yīng)的實(shí)際散熱面積A0最優(yōu)取值

3 可移植、參數(shù)化多功能結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)惡劣工程環(huán)境的多種工況需要，多功能組裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路充分考慮了惡劣工程環(huán)境的復(fù)雜工況，該類(lèi)非標(biāo)工控機(jī)柜，只需通過(guò)更換主板就可轉(zhuǎn)變?yōu)樗|(zhì)儀器在線監(jiān)測(cè)機(jī)柜，并能取得同樣的抗腐能力和穩(wěn)定工作的環(huán)境。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的通用性、互換性及模塊化組裝，給產(chǎn)品維護(hù)帶來(lái)了很大的便利。

3.1 通用骨架結(jié)構(gòu)

機(jī)柜的多功能主要體現(xiàn)為內(nèi)部通用骨架的靈活運(yùn)用。研究表明，各類(lèi)工控機(jī)柜的主體形態(tài)及功能差距不會(huì)太大，內(nèi)部骨架也較為類(lèi)似，因此可以把內(nèi)部骨架設(shè)計(jì)為通用形式。通過(guò)內(nèi)部骨架的靈活運(yùn)用，可以在機(jī)柜里面安裝項(xiàng)目所需的不同主板，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的模塊化功能[6]。圖5所示為內(nèi)部通用骨架結(jié)構(gòu)。

圖5 工控機(jī)柜內(nèi)部通用骨架結(jié)構(gòu)圖

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

本文以SolidWorks軟件為例進(jìn)行參數(shù)化模型的建立。根據(jù)零件特征之間的幾何關(guān)系組成方程式，只需通過(guò)改變少數(shù)變量參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)模型特征的修改，從而適應(yīng)多功能組裝結(jié)構(gòu)的需求[7]。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在提取零件的共同結(jié)構(gòu)元素或某類(lèi)特征后，通過(guò)參數(shù)化手段可以直接給變量賦值，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品二維和三維模型的驅(qū)動(dòng)；可借助尺寸變量約束、幾何配合約束及方程式的變量約束來(lái)變更模型的形狀、數(shù)量，較大程度上減少重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，從而縮短在形狀和結(jié)構(gòu)上具有相似特征的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

在SolidWorks軟件中，默認(rèn)以尺寸或特征的名稱作為不同配置的變量名參與計(jì)算，并按計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)模型幾何形狀的改變。如圖6所示，本文以機(jī)柜中的骨架為例，骨架整體長(zhǎng)度每增加一段尺寸就會(huì)多一處長(zhǎng)腰孔，并且長(zhǎng)度增加之后，相應(yīng)的折彎寬度也得增加。設(shè)定圖中骨架3個(gè)折彎邊尺寸分別為A,B,C，腰型孔中心到邊的距離為K2，腰型孔長(zhǎng)度為D1，寬度為2R，根據(jù)圖中的尺寸，可建立如下關(guān)系：

圖6 機(jī)柜骨架參數(shù)化要素結(jié)構(gòu)圖

(4)

同時(shí)可通過(guò)變量表示出長(zhǎng)腰孔的個(gè)數(shù)N為：

N=int[(L-10)/50]+1

(5)

式中：int函數(shù)為返回實(shí)數(shù)向下取整后的整數(shù)值；L為骨架整體長(zhǎng)度。

由式(4)和式(5)的關(guān)系可以得出，圖中的關(guān)鍵尺寸都可以由“A”和“L”這兩個(gè)參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制。具體判定規(guī)則設(shè)定為：當(dāng)L>1 000時(shí)，A為50；L≤1 000時(shí)，A為20，即IFF(“L”>1 000,50,20)。

結(jié)構(gòu)模型建好之后，在SolidWorks軟件中選擇工具菜單下的方程式命令，設(shè)計(jì)者就可以在彈出的表格中編輯方程式。把變量名賦值為較為簡(jiǎn)易的英文代號(hào)，通過(guò)設(shè)定方程式就可以驅(qū)動(dòng)零件模型形狀和結(jié)構(gòu)的改變。方程式設(shè)計(jì)表截圖如圖7所示。通過(guò)對(duì)之前設(shè)定好的驅(qū)動(dòng)和控制參數(shù)的修改來(lái)配置零件，每個(gè)配置就是一個(gè)不同的零件狀態(tài)[8]。

在圖7所示的方程式參數(shù)設(shè)計(jì)表中“全局變量”這一欄，設(shè)計(jì)者可以把模型中各個(gè)參數(shù)設(shè)置成對(duì)應(yīng)的英文代號(hào)，“方程式”一欄則可以將對(duì)應(yīng)的方程式錄入在對(duì)應(yīng)表格中，從而明確各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。

圖7 方程式參數(shù)設(shè)計(jì)表截圖

在SolidWorks軟件中預(yù)先要定義驅(qū)動(dòng)參數(shù)及設(shè)定方程式，本例設(shè)置參數(shù)“L”來(lái)改變模型長(zhǎng)度，通過(guò)預(yù)設(shè)的方程式來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)模型的變化。方程式驅(qū)動(dòng)前后模型的變化對(duì)比如圖8所示。

圖8 參數(shù)驅(qū)動(dòng)前后模型結(jié)構(gòu)變化對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于防腐機(jī)理，本文提出了有關(guān)工控機(jī)柜選材、外圍防腐工藝的建議：一般放置在野外的機(jī)柜，建議采用201或304不銹鋼鈑材，鈑金表面先進(jìn)行鍍鋅處理，再用噴涂防紫外線材料的方法進(jìn)行物理防腐[9]，不僅能保持機(jī)柜外表面美觀，還能延長(zhǎng)機(jī)柜壽命。從防雨防潮、柜內(nèi)通風(fēng)散熱角度，本文提出了優(yōu)化柜體關(guān)鍵防護(hù)部位——柜頂、柜身、前后門(mén)、通風(fēng)回路等的措施，可有效避免雨、雪、水汽的滲入，為多領(lǐng)域非標(biāo)機(jī)柜的工程應(yīng)用提供了防護(hù)設(shè)計(jì)參考。此外，通過(guò)骨架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)提出了可移植模塊的高效設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模塊的互換性，提高了非標(biāo)工控機(jī)柜內(nèi)部元器件布局的靈活性?？蓾M足多類(lèi)工控機(jī)柜的多樣性需求，并縮短研發(fā)周期，降低制造成本。筆者按此設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的野外一體化廂式八參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站大型機(jī)柜、水文要素河流時(shí)差法野外在線監(jiān)測(cè)站控制機(jī)柜，均取得良好的效果。