撰文/宋杰穆文林曾建江

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一種機(jī)載電源機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撰文/宋杰1穆文林1曾建江2

■1.621000 四川長(zhǎng)虹電子科技有限公司 四川 綿陽(yáng)
■2.324000 94850部隊(duì) 浙江 衢州

本文介紹了一種機(jī)載電源機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁屏蔽設(shè)計(jì)、抗振動(dòng)與抗沖擊設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等五個(gè)方面闡述了機(jī)載電源機(jī)箱的設(shè)計(jì)思想和實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該機(jī)箱滿足設(shè)計(jì)要求，在使用中工作可靠、維修性好。關(guān)鍵詞：電源機(jī)箱；熱設(shè)計(jì)；電磁屏蔽；抗振動(dòng)；抗沖擊；三防設(shè)計(jì)

機(jī)載電源設(shè)備一般為獨(dú)立設(shè)備，是機(jī)載電子系統(tǒng)中重要的組成部分，隨著機(jī)載產(chǎn)品的高集成化，對(duì)電源設(shè)備的要求也越來(lái)越高。機(jī)箱需滿足散熱性好，可靠性高、維修性高、小型化、輕量化等要求。

飛機(jī)設(shè)計(jì)總體對(duì)機(jī)載電子產(chǎn)品的尺寸和重量都有嚴(yán)格的要求，在最大限度保證設(shè)備小型化、輕量化的前提下，機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往不能采用GJB 441-88的尺寸規(guī)范，而是根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)總體給出的有限位置和空間進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)［2］。

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

機(jī)載電源組件是由電源機(jī)箱和托架兩個(gè)LRU組成，電源機(jī)箱快速裝拆和托架固定，托架接入飛機(jī)環(huán)控供風(fēng)。飛機(jī)總體要求裝機(jī)空間為439mm×209mm×220mm，環(huán)控風(fēng)為20kg/h。

根據(jù)飛機(jī)總體要求的結(jié)構(gòu)尺寸，確定電源機(jī)箱為非標(biāo)機(jī)箱，采用鋁合金材質(zhì)，通過(guò)銑加工成側(cè)板后用緊固件拼接而成。機(jī)箱內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，共分4個(gè)模塊，每個(gè)模塊通過(guò)楔形鎖緊裝置豎直安裝于機(jī)箱內(nèi)。模塊間和對(duì)外通信通過(guò)位于機(jī)箱底部的母板進(jìn)行互聯(lián)。機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

a熱設(shè)計(jì)

設(shè)備工作溫度為-55℃～+70℃，電源模塊的工作溫度≤100℃，對(duì)熱設(shè)計(jì)的要求為：在環(huán)境溫度70℃時(shí)，使用飛機(jī)環(huán)控風(fēng)將發(fā)熱器件溫度控制在100℃以下。

為了滿足總體要求，機(jī)箱采取夾層式設(shè)計(jì)，環(huán)控風(fēng)從機(jī)箱后部進(jìn)入，從機(jī)箱兩側(cè)導(dǎo)出。每個(gè)模塊均設(shè)計(jì)有冷板，模塊內(nèi)的發(fā)熱器件貼導(dǎo)熱墊后固定在冷板上，將發(fā)熱器件的熱量通過(guò)冷板傳導(dǎo)到機(jī)箱側(cè)板，在兩側(cè)的側(cè)板由環(huán)控風(fēng)將熱量帶出機(jī)箱。

電源機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，利用FloEFD軟件進(jìn)行仿真分析，設(shè)定環(huán)境溫度為70℃，機(jī)箱表面與環(huán)境熱交換系數(shù)為15W/K·m2。由于機(jī)箱是以傳導(dǎo)和對(duì)流相結(jié)合為主的散熱方式，因此不考慮輻射散熱方式。機(jī)箱熱功耗預(yù)計(jì)為110W，只考慮4個(gè)主要模塊的熱功耗，其余由于發(fā)熱較小，將其忽略。4個(gè)主要模塊的熱功耗分別預(yù)計(jì)為40W、35W、30W和5W。機(jī)箱結(jié)構(gòu)件和冷板的材質(zhì)為Al 6061-T4，電路板材質(zhì)為FR-4。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化模型、網(wǎng)格劃分和軟件仿真，機(jī)箱內(nèi)部溫度分布如圖2所示，從圖中得到最高溫度為83.6℃，符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 電源機(jī)箱熱仿真結(jié)果

b電磁屏蔽設(shè)計(jì)

電磁屏蔽是整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一個(gè)重要因素，必須和設(shè)計(jì)同步開(kāi)展，這樣才能保證整機(jī)的性能。電源機(jī)箱在總體布局時(shí)，將濾波器放置于交流電源入口處，以降低線纜的傳導(dǎo)干擾。機(jī)箱在設(shè)計(jì)時(shí)考慮電磁屏蔽，以減少輻射干擾。機(jī)箱所用鋁合金材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件，表面均經(jīng)過(guò)導(dǎo)電氧化處理，使之能夠長(zhǎng)期保持良好的導(dǎo)電性能。機(jī)箱前后面板和側(cè)板間采用嵌入式設(shè)計(jì)，增加接縫的深度，以提高屏蔽性能；上下蓋板和箱體的結(jié)合面上加工方槽，放置導(dǎo)電硅橡膠條，膠條通過(guò)蓋板的壓力后變形，保證膠條與結(jié)合面結(jié)構(gòu)件的良好接觸，增加屏蔽性能［2］， 如圖3所示。電連接器和面板之間增加導(dǎo)電襯墊，這種襯墊經(jīng)模壓制成，形狀定制，墊在連接器與結(jié)構(gòu)件之間，具有良好的電接觸性能，能有效的控制縫隙泄露。

圖3　導(dǎo)電硅橡膠條安裝示意圖

c抗振動(dòng)與抗沖擊設(shè)計(jì)

機(jī)箱框架零件采用12mm厚鋁板，通過(guò)互相嵌入而成形，局部做減重設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。因此電源機(jī)箱的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)箱鋼絲螺套的使用和印制板及其元器件的固定。

材質(zhì)為鋁合金的機(jī)箱

零件，直接攻絲易滑絲，因此采用鋼絲螺套工藝。鋼絲螺套的應(yīng)用，使得載荷在每圈螺紋上的分布均勻，增強(qiáng)螺紋連接的承載能力和抗疲勞強(qiáng)度；用在經(jīng)常拆卸的部位，耐磨損，可提高螺紋的使用壽命；如有損壞，修復(fù)后可繼續(xù)使用，避免零件因螺紋孔損壞而報(bào)廢；鋼絲螺套一般為鋼件，相對(duì)于鋁合金，具有重量輕、體積小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。鋼絲螺套的使用進(jìn)一步提高了機(jī)箱的抗振動(dòng)與抗沖擊性。

模塊中的印制板均設(shè)計(jì)冷板與之固定，用來(lái)增加印制板的剛度，以減小在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)中的變形量。模塊均采用楔形鎖緊裝置固定設(shè)計(jì)，將其通過(guò)機(jī)箱的導(dǎo)向槽插入后，擰緊緊固件來(lái)固定。采用起拔器設(shè)計(jì)，方便模塊的拔出。楔形鎖緊裝置示意圖見(jiàn)如圖4。

圖4　楔形鎖緊裝置示意圖

d三防設(shè)計(jì)

三防設(shè)計(jì)是機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)要點(diǎn)，機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)箱均要滿足GJB 150A-2009所規(guī)定的濕熱、鹽霧、霉菌試驗(yàn)要求［1］。

夾層式設(shè)計(jì)的機(jī)箱中，環(huán)控風(fēng)只在風(fēng)道中流動(dòng)，不會(huì)與機(jī)箱內(nèi)部的元器件接觸，可以減少環(huán)控風(fēng)中雜質(zhì)和水汽對(duì)元器件電氣性能的影響。

機(jī)箱采用結(jié)構(gòu)件中，材質(zhì)為鋁合金的零件表面做導(dǎo)電氧化處理，非接觸面噴涂丙烯酸聚氨酯三防清漆；材質(zhì)為不銹鋼的零件表面做鈍化處理。機(jī)箱外表面噴丙烯酸聚氨酯磁漆，以進(jìn)一步提高三防能力。

機(jī)箱用不銹鋼零件和各種緊固件均采用1Cr18Ni9Ti材質(zhì)［3］。

結(jié)論

電源機(jī)箱在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了模塊化設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)，做到了結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、空間利用率高，機(jī)箱內(nèi)各模塊分布合理，插拔方便。機(jī)箱和托架固定后，進(jìn)行了溫度、沖擊、振動(dòng)、濕熱、溫度-高度和電磁兼容試驗(yàn)，均符合設(shè)計(jì)要求。證明機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)合理，滿足總體要求［4］。

由于空間尺寸的限制，雖然是非標(biāo)機(jī)箱，但設(shè)計(jì)時(shí)均按照標(biāo)準(zhǔn)航空設(shè)備機(jī)箱的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到了模塊化、小型化、輕量化的要求。電源機(jī)箱在使用中工作可靠、維修性好。

參考：

［1］李響.軍用機(jī)載通訊設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)［J］，電子世界，2013，11：115-117.

［2］楊群.小型化機(jī)載電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］，電子機(jī)械工程，2009，25（5）：31-33.

［3］董志力，張大勇，林軍.加固機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］，紅外與激光工程，2006，35：195-198.

［4］艾文光.機(jī)載ATR機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］，測(cè)控與通信，2010，3：40-44.