電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案優(yōu)化

王菁

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

我國的造船事業(yè)正伴隨海航市場的擴(kuò)大而更新?lián)Q代，船只的噸位逐步提高，為了適應(yīng)船只性能提升帶來的電子機(jī)柜設(shè)計要求提升這一變化，設(shè)計者就要根據(jù)船舶設(shè)備的供電功率、電磁輻射等問題有針對性對機(jī)柜的設(shè)計方案做優(yōu)化調(diào)整，讓機(jī)柜充分滿足船舶電子設(shè)備大功率、高效率、安全可靠的運(yùn)作需求，推動造船事業(yè)的安全發(fā)展。

1 電子機(jī)柜的設(shè)計需求

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計是機(jī)柜設(shè)計中的根本要求和基礎(chǔ)條件，機(jī)柜的核心在于骨架，骨架是設(shè)備放入機(jī)柜中的主要載荷受力對象，在電子設(shè)備中起到了支撐設(shè)備運(yùn)作的效果。設(shè)備能否安全使用，就要看骨架的強(qiáng)度和裝置剛度是否合理[1]。船只運(yùn)輸中，機(jī)柜始終處于不穩(wěn)定的運(yùn)輸狀態(tài)，比較容易因為海浪、風(fēng)暴等因素發(fā)生顛簸、震動問題，所以相比一般電子機(jī)柜，作為船舶設(shè)備的電子機(jī)柜遭遇外部沖擊的次數(shù)更多，發(fā)生變形的可能性更高，因此在設(shè)計船只所用的電子機(jī)柜時，對骨架剛性的要求也更高。

1.2 散熱設(shè)計

機(jī)柜散熱是設(shè)計者在設(shè)計過程中要格外重視的環(huán)節(jié)，電子設(shè)備在運(yùn)作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量如果沒有合適的散發(fā)方式，將會聚集在設(shè)備內(nèi)部，對設(shè)備的電子元件造成損傷，不僅會引發(fā)設(shè)備故障，而且將導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命下降，增加船只所屬單位維護(hù)船體的開支[2]。在設(shè)計機(jī)柜的散熱系統(tǒng)時，設(shè)計者要注意對熱功率，即設(shè)備的發(fā)熱功耗加以掌握，并結(jié)合設(shè)備的熱功率思考如何將熱量從設(shè)備的元器件向周圍環(huán)境傳遞，從而實現(xiàn)散熱穩(wěn)態(tài)，保護(hù)電子設(shè)備的穩(wěn)定與安全。

1.3 抗干擾設(shè)計

信號穩(wěn)定是電子設(shè)備維持正常運(yùn)作的根本，船只在航行中容易遭遇磁場波的干擾，如果不能有效過濾和屏蔽這些電磁波，創(chuàng)造出良好的電屏蔽環(huán)境，將會對船只的電子設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)造成極大的阻礙，影響到電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，降低運(yùn)作效率[3]。

2 電子機(jī)柜的設(shè)計方案

2.1 電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1.1 強(qiáng)度設(shè)計

強(qiáng)度電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要性較高的一環(huán)，強(qiáng)度設(shè)計和機(jī)柜的可靠性以及使用壽命密切關(guān)聯(lián)，為了保證設(shè)計的合理性，設(shè)計師需要注意計算機(jī)柜結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力和受力，以此作為評估依據(jù)，對機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度要求進(jìn)行鎖定，保證設(shè)計的合理性[4]。

設(shè)計者根據(jù)公式(1)和公式(2)計算出機(jī)柜的最大剪力和最大彎矩，并將計算結(jié)果和材料的物性進(jìn)行對比，由此可以知道結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，并明白該如何調(diào)整機(jī)柜的強(qiáng)度指標(biāo)。

其次是橫梁的彎曲強(qiáng)度，機(jī)柜的梁上應(yīng)力會隨截面位置的改變而隨之改變，設(shè)計者在設(shè)計機(jī)柜結(jié)構(gòu)時需要找出最大應(yīng)力所在的截面，最大應(yīng)力所在截面是機(jī)柜結(jié)構(gòu)中的危險截面，這個截面最容易出現(xiàn)工作應(yīng)力超過材料許用應(yīng)力的情況，也是機(jī)柜橫梁中最容易彎曲的部分。將危險截面的最大應(yīng)力用бmax表示，將危險截面的彎矩用Mmax表示，將抗彎截面系數(shù)用Wz表示，將機(jī)柜材料的許用應(yīng)力用б 表示，機(jī)柜的橫梁強(qiáng)度條件計算如下：

根據(jù)公式(3)可計算出機(jī)柜的強(qiáng)度條件，從而明確危險截面的最大應(yīng)力情況，合理加強(qiáng)截面強(qiáng)度，從而避免彎曲問題的發(fā)生。

2.1.2 減震設(shè)計

船只在運(yùn)行中會因為船體晃動和顛簸等問題讓高速運(yùn)行的電子設(shè)備長期處于振動狀態(tài)，為了讓電子設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定，使設(shè)備在運(yùn)作中始終保持動態(tài)平衡，設(shè)計者就要思考如何實現(xiàn)電子設(shè)備的振動降低和阻尼能力提高，減少不平衡現(xiàn)象的發(fā)生[5]。通常來說，為實現(xiàn)機(jī)柜的有效減震，設(shè)計者會為電子機(jī)柜設(shè)計特別的減震結(jié)構(gòu)，常見的減震機(jī)構(gòu)設(shè)計是采用彈簧減震器系統(tǒng)來吸收機(jī)柜設(shè)備運(yùn)作時的動能源，以此降低減震體的相互作用情況。但是考慮到船只航行過程中的船體晃動情況，僅僅依靠減震設(shè)計很難滿足電子機(jī)柜的消震需求，所以還需要在進(jìn)行隔震設(shè)計，以此增強(qiáng)阻尼作用，具體而言，設(shè)計者要在機(jī)柜內(nèi)的電子設(shè)備間加裝阻尼板襯墊，減少震動強(qiáng)度，同時還應(yīng)對機(jī)柜內(nèi)各組成部分做詳細(xì)的物理機(jī)制分析，確保采用的設(shè)備裝置方式合情合理，設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及懸架性能指標(biāo)都符合最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，實現(xiàn)機(jī)柜的良好抗震。

2.2 電子機(jī)柜的散熱設(shè)計方案

2.2.1 材料選擇

散熱設(shè)計的核心在于快速將系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量傳遞到機(jī)柜之外，避免機(jī)柜中的溫度環(huán)境超標(biāo)，對電子元器件造成損傷，故散熱系統(tǒng)需要選擇熱導(dǎo)率材料作為基礎(chǔ)，以此來讓設(shè)備的接觸熱阻降低，增大機(jī)柜的傳熱面積，這樣可以縮短熱傳導(dǎo)路徑，讓電子設(shè)備實現(xiàn)快速散熱，比較常用的散熱材料有鋁合金和導(dǎo)熱油脂等，以鋁合金為基礎(chǔ)材料可以提高熱輻射效率，鋁合金的黑度和表面積越大，則散熱性能越良好，故設(shè)計師在選擇設(shè)計材料時也當(dāng)以此為基礎(chǔ)，盡量挑選符合電子設(shè)備散熱要求的材料制作散熱系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)柜熱量的充分傳遞。

2.2.2 散熱方式選擇

自然對流散熱和輻射散熱是船舶機(jī)柜較常使用的散熱方式，自然對流散熱是在機(jī)柜頂面和側(cè)面設(shè)置散熱端口，將熱功耗以自然流動的方式傳遞到外部環(huán)境中，自然對流散熱的散熱設(shè)計要點在于對熱功率的確定，而要確定熱功率就要進(jìn)行冷卻計算，熱功率的計算包括自然對流換熱系數(shù)、自然對流換熱發(fā)生面積、機(jī)柜外殼表面溫度、環(huán)境溫度等幾個部分。此處以h 代表換熱系數(shù)，以A 代表換熱發(fā)生面積，以Ts代表機(jī)柜外殼表面溫度，以T∞代表環(huán)境溫度，以б代表電子設(shè)備的熱功耗，也就是熱量對時間的導(dǎo)數(shù)。設(shè)計師可以采取牛頓冷卻公式來計算和獲得電子設(shè)備的熱功耗，具體如下：

在公式(4)中，對流換熱系數(shù)與常規(guī)散熱設(shè)計的導(dǎo)熱系數(shù)有很大差別，對流換熱系數(shù)并不是物理參數(shù)，而是經(jīng)驗參數(shù)，即對流換熱系數(shù)的確定不是以物體為依據(jù)，而是以實際條件來確認(rèn)。設(shè)計者在確定對流換熱系數(shù)時，要對船只環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)的檢查和測試，以此獲得最準(zhǔn)確的流換熱系數(shù)，保證熱功率計算的準(zhǔn)確性。

輻射散熱是設(shè)計師將機(jī)柜的頂面和側(cè)面的熱功耗用輻射形式傳遞給天花板或者墻壁，實現(xiàn)對柜內(nèi)溫度環(huán)境的調(diào)控。輻射散熱確定熱功耗使用的是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，其計算內(nèi)容包括了機(jī)柜表面發(fā)射率、斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)、機(jī)柜表面積和機(jī)柜的表面溫度等幾個部分。此處以ε表示表面發(fā)射率，以б表示斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，A 表示表面積，Ts表示機(jī)柜外殼表面溫度，以T∞表示船體的天花板和墻壁溫度，計算公式如下：

在公式(5)中，斯蒂芬-玻爾茲曼定律設(shè)定是絕對溫度。即如果真實的環(huán)境溫度比設(shè)計師給出的假設(shè)溫度要高，那么在電子設(shè)備的輸入功率保持不變的情況下，即使電子機(jī)柜的表面溫度跟外部環(huán)境間不存在溫差變化，但最終設(shè)計師所計算出的熱功耗會比實際的熱功耗低。故設(shè)計師在采取輻射散熱時要特別重視此點。

強(qiáng)制對流散熱是在自然對流散熱和輻射散熱都無法滿足電子設(shè)備的情況下所采取的散熱方式，設(shè)計師可通過給機(jī)柜加裝風(fēng)扇的方式來滿足電子設(shè)備在運(yùn)行時的散熱需求。強(qiáng)制對流散熱確定熱功耗使用的是熱力學(xué)定律，其計算內(nèi)容包括了空氣質(zhì)量流速、空氣恒壓比熱、空氣進(jìn)口溫度和空氣出口溫度等幾個部分。此處以? 表示空氣質(zhì)量流速，以Cp表示空氣恒壓比熱，Ti表示空氣進(jìn)口溫度，To表示空氣出口溫度，計算公式如下：

根據(jù)公式(6)中，設(shè)計師可以有效確定滿足設(shè)備熱功耗需求的風(fēng)量，從而適當(dāng)在機(jī)柜中加裝風(fēng)扇，讓熱量能有效向外部環(huán)境傳遞，實現(xiàn)良好散熱。

2.3 電子機(jī)柜的抗干擾設(shè)計方案

2.3.1 材料選擇

船舶機(jī)柜的理想材料以磁導(dǎo)通率為標(biāo)準(zhǔn)，磁導(dǎo)通率越高，做成的屏蔽體屏蔽效果越好，鐵、鋁、鋼和銅都是比較理想的材料，用這些材料組合制作的屏蔽體能對電磁波起到很強(qiáng)的反射損耗，可以為設(shè)備創(chuàng)作好的電屏蔽環(huán)境[7]。除了組合屏蔽體外，以不銹鋼為材料的屏蔽殼體也有不錯的電磁屏蔽效果，可以選擇作為船舶機(jī)柜的基礎(chǔ)屏蔽材料。

2.3.2 導(dǎo)電柔性介質(zhì)的屏蔽設(shè)計

設(shè)計者要使用導(dǎo)電橡膠墊、導(dǎo)電布和金屬絲網(wǎng)等作為導(dǎo)電柔性介質(zhì)，這些介質(zhì)需要填充到機(jī)柜的縫隙處，以此幫助機(jī)柜縫隙實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的電接觸，讓結(jié)構(gòu)件間能夠充分導(dǎo)電，使電磁屏蔽作用完全發(fā)揮出來[8]。導(dǎo)電柔性介質(zhì)有平面安裝和溝槽安裝兩種安裝思路，平面安裝是利用導(dǎo)電膠將導(dǎo)電橡膠粘固到箱體上，然后用螺釘和箱體將蓋板加固處理。溝槽安裝是通過鑲嵌的方式將導(dǎo)電橡膠條鑲到箱體上，從而實現(xiàn)屏蔽效果。

2.3.3 螺釘設(shè)計

螺釘是機(jī)柜結(jié)構(gòu)中對電磁屏蔽效果影響較大的一環(huán)，這是因為螺釘?shù)陌惭b會讓機(jī)柜中互相連接的結(jié)構(gòu)件電接觸，同時能夠減少結(jié)構(gòu)件的縫隙，對電磁泄露產(chǎn)生阻擋效果。所以螺釘?shù)臄?shù)量及間距在電子機(jī)柜抗干擾設(shè)計中占據(jù)了非常重要的地位。螺釘?shù)陌惭b數(shù)量越多，間距越小，分布越密，那么機(jī)柜的屏蔽效果會越好。但是值得注意的是，如果為了追求屏蔽效果而一味增加螺釘安裝數(shù)量，會導(dǎo)致機(jī)柜的裝配變得繁瑣又麻煩，而且會令生產(chǎn)時長過度延長，反而會阻礙設(shè)備的正常運(yùn)作。所以在實際設(shè)計中，設(shè)計師要選擇λ/20 波長來當(dāng)做螺釘?shù)陌惭b間距。

3 結(jié)語

船舶設(shè)備的電子工具要考慮其航行狀態(tài)所帶來的振動和沖擊，這些動態(tài)機(jī)械力會很容易造成機(jī)柜的變形，并損害機(jī)柜的電子元器件及電路工作穩(wěn)定性，令電子設(shè)備受損，設(shè)備的使用壽命縮短。而要克服這些問題，設(shè)計者就要注重機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱設(shè)計和抗干擾設(shè)計，要通過合理的機(jī)柜強(qiáng)度優(yōu)化、散熱系統(tǒng)優(yōu)化以及電磁屏蔽優(yōu)化，為電子設(shè)備提供完美的運(yùn)作環(huán)境，減少船只航行對電子設(shè)備造成的負(fù)面影響，確保電子設(shè)備可以在運(yùn)作中始終保持動態(tài)平衡，為船舶設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)提供牢固的支持。

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