控制机箱

2024-07-12

控制机箱（精选7篇）

控制机箱篇1

随着半导体、信息电子新技术、新材料和新工艺的发展,电子设备的应用越来越广泛,半导体器件工作的频率越来越高。电子信息产品的制造工艺朝着深亚微米甚至纳米水平前进,使得电子元器件的集成度越来越高[1,2,3]。为了提高产品和设备的工作性能和运行速度,往往在狭小的空间中安装了高密度的电气电子集成电路元器件、板卡等,导致空间的电磁环境快速恶化,如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子系统、分系统、设备和元器件都能正常工作,互不干扰,达到兼容状态的电磁兼容性( Electromagnetic Compatibility,EMC)问题越来越受到重视。

世界各国都相应制定了自己的EMC标准,1945年美国军方就制定了世界上最早的军用电磁干扰标准JAN—I—225,目前国际上有权威性的标准有C ISPR标准、IEC标准、欧共体的EN标准、德国的VDE标准、美国的FCC标准和军用标准M IL—STD等[1]。我国从20世纪80年代开始,以等效采用国外标准为主的方式,陆续建立并完善了军用和民用标准,如YD1032标准、GJB151/152、GJB1389等。

系留气球是一种较为特殊的航空器,依靠充入内部的轻于空气的气体提供的升力将有效载荷带到一定高度的空中工作,实现既定的任务。系统的地面控制机箱作为系统的监控终端肩负着与空中部分通信、信息显示与控制、数据记录与回放等诸多任务。为此,机箱内部集成了大量电子设备,互相配合来实现各种功能要求。为了提高系统工作的可靠性与安全性,需要对控制机箱进行电磁兼容性设计。

1 控制机箱分析

1.1 设备组成

系留气球的控制机箱主要是用于系统的地面监控,内部包含了多种不同功能的板卡、电源模块、无线信号收发设备等。多种电子设备集中在一个相对小的空间中,在提高设备集成度、降低体积与安装空间的同时,不可避免地带来了内部电子部件之间的电磁干扰问题,给设备的正常可靠工作带来潜在的影响。

1.2 电磁兼容薄弱点分析

系留气球控制机箱内部集成了大量的电子设备,设备元件多、空间小,相互之间干扰的可能性也大为增加。为了确保箱体内电子设备能可靠工作,必须针对控制机箱的设备组成、工作特点、电磁干扰薄弱环节等方面进行综合分析,采取多种措施共同发挥作用来抑制电磁干扰现象的产生。降低内部设备间及与外部设备的相互电磁干扰现象。

通过电磁兼容性实验测试和使用过程中的经验分析,机箱中的可编程逻辑控制器(PLC)、继电器、开关电源等可能会对其他电子设备带来干扰;而电源线。高速信号线、公共地线则可能将内外部的干扰信号进行传递;同时,机箱上的散热孔、结构的接缝、测试孔、观察窗等都可能是内外部电磁辐射的通道。因此,控制机箱的电磁兼容设计应重点关注这些环节。

1.3 电磁兼容设计基本原理

根据电磁兼容设计的基本理论,电磁干扰是导致设备性能下降的重要原因。任何电磁兼容性问题都包含三个要素,即干扰源、敏感设备和耦合路径,这三个要素中缺少一个,电磁兼容问题就不会存在。因此,在进行电磁兼容性设计时,也要从这三个要素入手进行分析,搞清楚这三个要素在所设计系统中的表现形式,然后采取适当的改进措施和设计手段消除其中的某个因素,就能大大抑制电磁干扰对设备的影响。

电磁兼容性设计主要有测试修改法和系统设计法。由于我国技术发展和人们观念的限制,现在产品在遇到电磁兼容性问题多采用的是测试修改法,也叫转折期法。主要是在设计过程中几乎不考虑电磁兼容性,样机完成后,在对样机进行测试的过程中发现问题,然后进行修改,再测试,再修改,直到样机满足要求。这种方法的设计盲目性极强,在最后阶段往往要花费大量的时间和成本来测试修改样机,最终解决方案一般不是最佳(成本最低)的。而系统设计法则在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题,并从设计的一开始就采取各种措施,避免电磁兼容问题。由于在设计阶段采取电磁兼容措施,因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决90%的电磁兼容问题,效率较高。通过对比可以知道,在设计之初就将电磁兼容问题全面考虑进去的系统设计方法具有成功率高,返工少,节省开发时间和费用低等诸多优点。图1为两种方式的对比图。

2 机箱电磁兼容性设计

2.1 机箱结构设计

为了提高电磁兼容效能,在设计初始阶段就应该综合考虑整机的选材、布局、接地、搭接和屏蔽措施。电磁兼容性能与机箱的结构形式有很大的关系,设计时将可能产生电磁干扰的各个部件分区布置,各区间设置相应的屏蔽隔板,各屏蔽隔板之间保持良好的搭接,以保持良好的电气连接。就整个机箱结构件的选材和表面处理而言:机箱骨架均可以采用导电性能良好的铝制型材和铝制框架,经过导电氧化工艺处理;机箱上下盖板和后盖板可以选用冷轧钢板,既保证了一定的机械强度又具有良好的导电性能;成形后先进行电镀锌处理,外表面再做粉末喷涂处理;机箱正面六个单盘的面板也可选用铝制型材,并且做导电氧化工艺处理,这样在材料选用方面就保证了良好的导电性能。如图2所示,不同金属材料具有不同的磁导率。

2.2 机箱电磁屏蔽设计

电磁屏蔽基本理论依据[3]:在解决电磁兼容问题时电磁屏蔽是较为常用、有效的手段之一。屏蔽性能常用屏蔽效能SE(dB)度量,屏蔽效能的大小由3部分构成:吸收损耗A(dB)、反射损耗R(dB)及多次反射修正因子B(dB)。

即:

$S E = A + R + B (d B) (1)$

电磁波在屏蔽材料中传播时,会有一部分能量转换成热量,导致电磁能量损失,损失的这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗,式(1)中A的计算公式为:

$A = 3.34 t (f μ_{r} σ_{r})^{1 / 2} (d B) (2)$

式(1)中:t为材料的厚度,μr为材料的磁导率,σr为材料相对于铜的电导率,f为被屏蔽电磁波的频率。对于特定的材料,这些都是已知的可以通过工程手册查到。

当电磁波入射到不同媒质的分界面时,就会发生反射,使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量的损失称为反射损耗,式(1)中R的计算公式为:

$R = 20 \lg (Ζ_{w} / 4 Ζ_{m})_{(d B)} (3)$

式(3)中,Zw为入射电磁波的波阻抗,Zm为屏蔽材料的特性阻抗。电磁波的波阻抗定义为电场分量与磁场分量的比值:ZW=E/H。在距离辐射源较近(<λ/2π,称为近场区)时,波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的距离、介质特性等。若辐射源为大电流、低电压(辐射源电路的阻抗较低),则产生的电磁波的波阻抗小于377 Ω,称为低阻抗波,或磁场波。若辐射源为高电压,小电流(辐射源电路的阻抗较高),则波阻抗大于377 Ω,称为高阻抗波或电场波。当距离辐射源较远(>λ/2π,称为远场区)时,波阻抗仅与电场波传播介质有关,其数值等于介质的特性阻抗,空气为377 Ω。屏蔽材料的阻抗计算公式为:

$| Ζ_{m} | = 3.68 \times 10^{- 7} (f μ_{r} / σ_{r})^{1 / 2} (Ω) (4)$

式(4)中,f为入射电磁波的频率(Hz),μr为相对磁导率,σr为材料相对于铜的电导率。

电磁波会在屏蔽体的界面间产生多次反射,并会有部分电磁波泄漏到空间。这部分额外泄漏的能量应该考虑进屏蔽效能的计算,这就是多次反射修正因子。

$B = 20 \lg (1 - e^{2 t / δ})_{(d B)} (5)$

式(5)中,t为材料的厚度,δ为趋肤深度。在多数情况下,B可以忽略。

通过分析可知,为了满足电磁兼容性要求,常常用高导电、高导磁特性的材料作为屏蔽材料,如铜板、铜箔、铝板、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。

2.3 机箱屏蔽措施

控制机箱设计时除了需要具有良好的结构设计之外,由于机箱不可能做到完全密封,因此还应该重点考虑机箱上面存在的缝隙、通风孔、显示窗、测试孔和旋钮、按键等部位的电磁屏蔽问题。

根据电磁兼容理论,孔缝是最常见的泄漏途径。随着频率的提高,当孔缝长度达到λ/4时,孔缝就成了一个有效的裂缝天线。妥善处理好机箱的孔缝设计,可大幅度提高机箱的屏蔽效能,有效遮挡骚扰源与敏感设备之间的场强耦合,是提高机箱电磁兼容性能的有效途径。

2.3.1 缝隙的处理[4]

机箱的结合面处一般采用焊接、螺钉连接、铆钉连接等结构形式,机箱的壁厚一般比较薄,常常采用点焊的形式,但此种处理方式容易产生缝隙。而螺钉连接、铆钉连接也可能由于结合表面不平,出现不密闭的缝隙,当这些缝隙长度达λ/4或更长时,会产生较严重的电磁泄漏。为减小缝隙处的泄漏,提高缝隙的屏蔽效能可采取下列措施:

(1)增加缝隙深度;

(2)提高接合面加工精度,提高其平面度,减少接合处的漏缝;

(3)在结合处设置弹性导电衬垫,减小缝隙长度;

(4)调整紧固螺钉间距,尽量减小固定螺钉间距[3]。

2.3.2 通风孔的处理

电路产生大量的热量,需要通风散热,孔大小应远小于所要屏蔽电磁信号的最短波长。对于螺孔和其它安装孔,一个通用的原则是间距不能超过1/20最短波长。应该尽量避免通风孔形状采用长条形,而采用圆形。若想进一步提高屏蔽效果可以采用波导通风窗代替通风孔。波导通风窗是利用波导高通滤波的原理对电磁波进行屏蔽的,即波导对高于截止频率的电磁波予以通过而对低于截止频率的电磁波进行衰减,其衰减量(屏蔽效能)正比于波导的长度。从波导窗的加工特性看,正六边形蜂窝状的波导窗其制造工艺最为成熟,工程中的应用也最为广泛。

钢制波导通风窗是采用碳钢带经特殊工艺加工而成的正六边形蜂窝状屏蔽部件,具有通风量大、坚固、不易变形、耐机械冲击力强以及宽带高屏蔽效能的特点,特别适用于屏蔽效能要求高、抗冲振等应用环境恶劣的机箱等设备及设施。

2.3.3 其他情况的处理

(1)如非必须尽量不用显示窗口,否则应采用屏蔽玻璃通过金属边框和螺钉紧固在前面板上;

(2)按钮开关和指示灯应采用附加的屏蔽罩来降低泄漏;

(3)面板的开关应在面板与开关端面间安装导电衬垫;

(4)对于单个保险丝,应采用金属冒盖把保险丝座覆盖起来,为了保持与机箱的良好电接触,冒盖内应安装弹簧。

2.4 机箱接地设计[5]

电子设备良好的接地不仅对设备电磁兼容性具有重要意义,而且完善的接地系统还能够提高操作人员使用设备时的安全性。控制机箱应该与锚泊车主结构之间应具有连续的低阻抗通路。可采用比较先进的“三套法”接地系统,即信号地、电源地、机械地,在机箱内部电子设备上均设置了接地装置,分别引出设备内的三套相互绝缘的地线, 用于连接到相应的地线桩上。

2.5 机箱滤波设计

传导干扰主要通过电源线、信号线等传播电磁能量,滤波是抑制传导干扰的重要措施。电源线是重要的传导干扰源,也是造成设备工作不稳定的重要因素。通常安装电源滤波器来降低电源线的传导发射,抑制尖峰信号对电路的干扰。应根据电源体制、电源功率、接地与散热等多方面因素综合考虑选用合适的电源滤波器。根据电磁兼容理论和摸底试验得出的结论,在电源滤波器的安装设计应注意:

(1)要合理布置滤波器的安装位置,尽量靠近电源开关和电源输入插座,并使电源滤波器的输入输出引线尽可能短;

(2)滤波器的输入输出线分开,不能交叉、捆扎,防止耦合干扰;

(3)滤波器不能用细线接地,可通过外壳与机箱结构连接,增大接地面积提高接地可靠性;

(4)输入、输出导线应尽量选用双绞线,可有效降低低频磁场耦合程度。

3 结论

只有对控制机箱的干扰源和干扰途径等要素进行分析,找到电磁兼容的薄弱环节,并进行有针对性的结构设计,才能大大降低设备性能测试不通过的概率。通过多种设计手段的综合应用,可以显著提高某系留气球控制机箱的电磁兼容性能,使其具备更好的环境适应能力。

参考文献

[1]生建友.现代机载电子设备结构设计.电子工程师,1999;(7):30—32

[2]蒋伟明.一体化机车信号主机结构电磁兼容性分析设计.铁路通信信号工程技术,2007;4(3):3—5

[3]刘玲,郝云刚.伺服箱体的电磁屏蔽设计.兵工自动化,2009;28(12):41—42

[4]周秀清,刘兆黎.电子设备机箱的电磁屏蔽设计探讨.石油仪器,2006;20(4):24—27

[5]电子系统中噪声的抑制与衰减技术.王培清,李迪译.北京:电子工业出版社,2003

控制机箱篇2

北京阿尔泰科技发展有限公司 (Beijing Art Technology Development Co., Ltd) 近日推出高性价比PXI控制器PXI-7651。

PXI7651符合PXITM2.2总线标准规范, 基于PXI的测试系统设计, 它提供了大量的接口, 包括Ethemet、USB和COM端口, 用于连接到测试仪器, 可连接并控制各种不同接口的仪器, 便于工程师将新组件加入到现有系统中, 无需重新设计测试系统。

PXI-7651 CPU芯片是直接焊接在PCB上的, 增强了冲击和振动环境中的可靠性。此外, 考虑到计算机的散热性, PXI-7651上使用大面积铝铜复合散热片, 使其整体散热器热分散均匀, 有助于系统保持稳定的工作温度。

微机机箱电源的原理及维修篇3

ATX电源的控制电路采用TL494及LM339集成电路 (以下简称494和339) 。494是双排16脚集成电路, 工作电压7～40V。它含有由14脚输出的+5V基准电源, 输出电压为+5V (±0.05V) , 最大输出电流250mA;一个频率可调的锯齿波产生电路, 振荡频率由5脚外接电容及6脚外接电阻来决定。13脚为高电平时, 由8脚及11脚输出双路反相 (即推挽工作方式) 的脉宽调制信号。

TL494内部结构如图1, 比较器同相端电平若高于反相端电平, 则输出端输出高电平;反之输出低电平。494内的比较放大器有四个, 死区时间比较器。因两个作逆变工作的三极管串联后接到+310V的直流电源上, 若两个三极管同时导通, 就会形成对直流电源的短路。两个三极管同时导通可能发生在一个管子从截止转为导通, 而另一个管子由导通转为截止的时候。因为管子在转换时有时间的延迟, 截止的管子已经转为导通了, 但导通的管子尚未完全转为截止, 于是两个管子都呈导通状态而形成对直流电源的短路。为防止这样的事情发生, 494设置了死区时间比较器。从图中可以看出, 在比较器输入端串联了一个“电源”, 接494的4脚。比较器同相端输入的锯齿波信号, 只有大于“电源”电压的部分才有输出, 在三极管导通变为截止与截止转为导通期间, 也就是死区时间, 494没有脉冲输出, 避免了对直流电源的短路。死区时间还可由4脚外接的电平来控制, 4脚的电平上升, 死区时间变宽, 494输出的脉冲就变窄了, 若4脚的电平超过了锯齿波的峰值电压, 494就进入了保护状态, 8脚和11脚就不输出脉冲了。494内部还有3个二输入端与门、两个二输入端与非门、反相器、T触发器等电路。与门是这样一种电路, 只有所有的输入端都是高电平, 输出端才能输出高电平;若有一个输入端为低电平, 则输出端输出低电平。反相器的作用是把输入信号隔离放大后反相输出。与非门则相当于一个与门和一个反相器的组合。T触发器的作用是:每输入一个脉冲, 输出端的电平就变化一次。如输出端Q为低电平, 输入一个脉冲后, Q变为高电平, 再输入一个脉冲, Q又回到低电平。

LM339内部结构如图2, 339是四比较器集成电路。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器, 每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端, 用“+”表示, 另一个称为反相输入端, 用“-”表示。用作比较两个电压时, 任意一个输入端加一个固定电压做参考电压 (也称为门限电平, 它可选择LM339输入共模范围的任何一点) , 另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时, 输出管截止, 相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时, 输出管饱和, 相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态, LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管, 在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻 (称为上拉电阻, 选3-15k) 。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时, 它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。

按管脚的顺序把内部四个比较器设为A、B、C、D比较器。494和339再配合其他电路, 共同完成ATX电源的稳压, 产生PW-OK信号及各种保护功能。

2维修实例

2.1整流滤波部分:

此部分故障现象明显, 一般用肉眼既能观察出来。比如保险管熔断, 首先检查整流电路, 一般是整流管短路, (后级也有可能损坏) 更换新品既能解决。还有电容爆裂鼓包, 如果是平衡电容损坏一个, 建议一个损坏两个都更换新品。这两个电容两端电压约为300V。每个电容两端约为150V, 如果此电压正确, 证明前级完好。这部分维修后, 应仔细检查是否还有故障, 确认无误后才可通电。一般在通电前串接一个白炽灯泡, 以防再次损坏更换原件。

2.2自激启动电路:

这部分一般Q1Q2损坏的比例比较大, 查出后更换新品, 即可解决。

2.3它激控制和驱动电路:

此部分若出现故障, 首先检测TL494的12脚是否有正常的工作电压, 8、11脚是否输出两个大小相等相位相差180度的开关脉冲, 如果TL494供电正常, 外围原件正常, 无输出既更换TL494。

2.4保护电路:

有主回路过流保护电路、12V和5V过压保护电路。

一般发生过流保护多为肖特基二极管有一个发生短路故障, 现象是开机时电源风扇一转即停, 找到相应的肖特基二极管, 更换同规格的即可排除故障。

参考文献

[1]贺湘琰, 李靖.电器学[M]. 北京: 机械工业出版社; 2012第3版

[2] 汪丽霞, 郭加寿.钮扣式接线子-25对模块简介[J]. 电信技术, 1994 05:21.

[3] 孙忠根.MEDILAND无影灯的设计缺陷[J]. 医疗装备, 2012. 25 (7) :60-62出低电平。反相器的作用是把输入信号隔离放大后反相输出。与非门则相当于一个与门和一个反相器的组合。T触发器的作用是:每输入一个脉冲, 输出端的电平就变化一次。如输出端Q为低电平, 输入一个脉冲后, Q变为高电平, 再输入一个脉冲, Q又回到低电平。LM339内部结构如图2, 339是四比较器集成电路。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器, 每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端, 用“+”表示, 另一个称为反相输入端, 用“-”表示。用作比较两个电压时, 任意一个输入端加一个固定电压做参考电压 (也称为门限电平, 它可选择LM339输入共模范围的任何一点) , 另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时, 输出管截止, 相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时, 输出管饱和, 相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态, LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管, 在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻 (称为上拉电阻, 选3-15k) 。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时, 它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。按管脚的顺序把内部四个比较器设为A、B 、C 、D 比较器。494和339再配合其他电路, 共同完成ATX电源的稳压, 产生PW-OK信号及各种保护功能。

[2] 维修实例

[2].1 整流滤波部分:此部分故障现象明显, 一般用肉眼既能观察出来。比如保险管熔断, 首先检查整流电路, 一般是整流管短路, (后级也有可能损坏) 更换新品既能解决。还有电容爆裂鼓包, 如果是平衡电容损坏一个, 建议一个损坏两个都更换新品。这两个电容两端电压约为300V。每个电容两端约为150V, 如果此电压正确, 证明前级完好。这部分维修后, 应仔细检查是否还有故障, 确认无误后才可通电。一般在通电前串接一个白炽灯泡, 以防再次损坏更换原件。

[2].2 自激启动电路:这部分一般Q1Q2损坏的比例比较大, 查出后更换新品, 即可解决。

某雷达接收机箱结构设计篇4

雷达结构设计是雷达研制过程中的一个重要环节, 它对保证雷达的优良性和可靠性起着重要的作用。雷达的机动性、可靠性、安全性、环境适应性、工艺性等在很大程度上都通过结构设计来实现;雷达的造型、美观也取决于结构设计的水平。某雷达接收分机是该雷达的重要组成部分, 受限于总体尺寸, 机箱宽高有严格限制, 而且是一个混装机箱, 箱内既安装有不同种类的模块, 又安装有普通插件及CPCI标准插件。接收分机安装在设备机柜内, 要兼顾地面试验和挂装运七飞机使用条件, 满足公路运输、飞机冲击、振动等要求。所以, 接收机箱的设计既要保证内部设备的布局合理, 又要保证机箱具在良好的刚强度, 同时还要提供内部器件运行的良好环境。

2 结构设计

分机机箱结构布局如图1所示, 机箱高6U。校正源模块设计成与变频接收模块相同的结构形式, 与3个六通道变频接收模块、1个本振源模块一起占用9.5个面板宽度。频率源插件、模拟电源插件各占用2个面板宽度。CPCI标准的1个时序控制板、3个数据采集板及1个数字电源共需要6个面板宽度。接收分机共需要20个面板宽度, 故选用19英寸的标准CPCI机箱进行改装设计。

3 刚强度设计

为了兼顾地面试验和挂装运七飞机使用平台, 满足公路运输、飞机冲击、振动等要求, 将机箱上、下导轨分别设计成整体结构形式, 如图2所示, 且选用铝合金材料加工, 以进一步增加刚强度。机箱左右侧壁采用5mm厚铝板加固。机箱内变频接收模块、校正源模块和本振源模块均设计成用锲形锁紧装置固定的机载固定方式。对于频率源插件和模拟电源插件, 在前面板上均采用4个松不脱螺钉固定, 为进一步加固, 在机箱后部又增加了定位销座。

4 散热设计

分机较大的热量集中在变频接收、数据采集以及电源等部分。接收分系统各部分热耗计算如表1所示。

热设计主要从以下几个方面考虑:

(1) 主要元器件均为芯片器件, 器件底面均为大面积地。设计以钼铜作为芯片载体, 载体具有良好的散热性, 芯片器件通过钼铜载体直接与盒体底部相连, 使散热得到很好的保证。

(2) 元器件离散地分布在电路板的不同位置, 避免热量集中。

(3) 各个模块采用独立的盒体结构, 直接通过螺钉固定在大盒体内, 并且分散在盒体的不同位置, 具有良好的散热效果。

(4) 数据采集板热量主要集中在AD和FPGA芯片上。在每个印制板上安装散热翅片, 翅片采用凸台及HD系列导热衬垫和功率芯片保持良好连接。

(5) 分机机箱上部安装风机组件对整个分机内变频接收、数据采集进行风冷散热。这种散热方式被成功应用于“全数字XXX”项目中, 单板的散热量达到65W, 因此可以满足系统要求。选用3个型号为AD1212HB和4个型号为AD0812UB的风机。

对接收分机工作时的温度状况进行了仿真分析。接收分机装在综合机柜内, 机柜装有空调, 风机采取抽风方式, 进口空气温度为30℃, 在此条件下, 通风条件较差的变频和校正源壳体温度分布如图3, 其四个箱体的壳体表面温度最高56℃, 组件散热满足要求。

数据采集板热仿真结果如图4所示, 在采用散热翅片、风机进风温度为30℃时, 芯片最高温度为76.16℃, 低于芯片耐受温度最高85℃的要求。

5 结束语

器件布局设计、刚强度设计、散热设计是雷达接收分系统设计中考虑的重点。通过内部器件的合理布局, 减小了机箱的体积;在机箱局部加固, 满足了机载条件下的冲击振动试验要求;通过在机箱上部安装风机组件解决了箱内器件的散热问题, 为器件的正常运行提供了良好环境。经过产品的使用验证, 此机箱的结构设计完全满足指标要求。

参考文献

[1]赵静.某雷达高频舱的结构总体设计[J].电子机械工程, 2011, 27 (2) :33-36.

[2]卢德辉, 郭黎.某雷达电子设备方舱设计[J].电子机械工程, 2012, 28 (6) :37-39.

[3]谭贵红, 张志毅, 宋志行, 程林.机载雷达吊舱的结构设计[J].雷达科学与技术, 2010, 3 (8) :284-288.

[4]王成亮.无人机载雷达发射机结构设计[J].电子机械工程, 2011, 27 (3) :34-36.

[5]金涛, 尹周平, 陈建魁.RFID封装中热压头的热分析及优化设计[J].机械与电子, 2011, (1) :13-16.

起重机箱形主梁疲劳寿命评估篇5

起重机箱形梁结构本身存在着材料和设计缺陷,又承受重复的交变载荷,疲劳破坏是其主要失效形式。据调查统计,最常见的也是最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机焊接结构的破坏[1],而梁结构的疲劳破坏直接表现为裂纹的萌生与扩展。因此,研究裂纹的形成寿命和扩展寿命具有重要意义。本文结合损伤力学来预测裂纹形成寿命,用基于弹塑性理论的断裂力学来估算裂纹的扩展寿命,两者之和构成了起重机的疲劳全寿命。

1 起重机疲劳寿命评估技术路线

起重机的疲劳寿命评估过程是一个复杂的过程,本文结合有限元分析软件、局部损伤力学分析、弹塑性断裂理论等提出的技术路线如图1所示。

2 损伤力学法在起重机箱形梁疲劳裂纹形成寿命估算中的应用

损伤力学是研究物体的微缺陷在载荷等外在因素的作用下生长、合并最终导致破坏的演化规律。损伤力学的起点是微观尺度上的裂纹、空洞等缺陷,终点是宏观裂纹。

结构疲劳失效多发于疲劳性能薄弱或应力最大的部位[2,3]。根据实际检测,起重机箱形梁裂纹主要出现在跨中附近受拉区焊趾、焊缝交叉处等。本文以疲劳核算点作为疲劳源计算疲劳寿命。

跨中截面弯曲正应力最大,可以认为是纯弯曲,可用等直梁纯弯曲(如图2 所示)的疲劳裂纹形成寿命Ncr;b的封闭解[4],如式(1)所示:

其中:Ncr;b为疲劳裂纹形成寿命;I0为横截面的轴惯性矩;Im为横截面的广义轴惯性矩,它与材料常数m有关;α和m为待定材料常数;E为弹性模量;Δσb为临界点的应力变程。

对于如图3所示的起重机箱形梁截面,有:

将式(5)代入式(1)得:

式(6)即为含待定材料常数的起重机箱形主梁疲劳裂纹形成寿命的封闭解Ncr;b。

3 基于弹塑性理论的断裂力学在起重机箱形梁疲劳裂纹扩展寿命估算中的应用

由于起重机箱形梁大多采用中等强度以下钢,如Q235,这样在裂纹尖端处应力集中较大而产生塑性变形区,这时需要对强度因子修正后,再采用广泛应用的线弹性断裂力学Paris公式来计算。由参考文献[5]可知,形状系数Y为:

其中:E(k)为椭圆积分,可由参考文献[4]查得,,a为裂纹的深度,c为裂纹宽度的一半;σ为截面的应力;σs为钢材的屈服点。

由参考文献[5]可知,应力强度因子幅为:

起重机箱形梁的裂纹扩展速率可由Paris公式表示如下:

其中:N为应力循环次数;为裂纹扩展速率;C、m为与材料、裂纹类型有关的系数。

起重机属于无限大受拉板[6],Y=常数,积分后可获得由初始裂纹a0扩展到临界裂纹的应力循环次数N,即金属结构的疲劳裂纹扩展寿命ac:

当m=2时,

当m≠2时,

4 桥(门)式起重机寿命预测算例

某铁路局集装箱货场即将投入使用的50TU型门式起重机,跨度为26 m,材料为Q235,为中等强度以下的钢材,下面估算该起重机主梁的疲劳寿命。

4.1 起重机结构强度和刚度有限元分析

根据图1的技术路线,有限元分析是疲劳寿命预估的前提,必须在满足强度和刚度的前提下进行疲劳寿命计算才有意义,虽然是进行主梁的寿命计算,但是对整机的建模分析更符合实际情况。根据设计要求选取2种危险工况进行分析。工况1:小车位于门架跨中满载起吊,考虑动载效应、门架自重、风载荷;工况2:小车位于有效悬臂端满载起吊,其他加载同工况1。强度和刚度有限元法校核结果如表1所示。

通过表1可知,所建立的有限元模型满足强度和静刚度的要求,进一步进行动力响应中的模态分析,提取2、3、5阶频率,如表2所示。

由表2可知,起重机垂直方向的频率是3.581 6Hz,在2Hz~4Hz之间,符合起重机设计手册对动刚度的要求。

4.2 裂纹形成寿命和扩展寿命分界点的确定

疲劳寿命可以认为由2个阶段组成:疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。对于初始裂纹的假定还没有统一规定,本算例中取a0=2 mm,ac=120 mm,这样裂纹形成寿命指构件从原始到裂纹2mm的应力循环数,裂纹扩展寿命指裂纹从2 mm到120mm的应力循环数,两者之和就构成了起重机箱形梁的疲劳全寿命。

4.3 疲劳源附近应力幅值处理

限于现有的条件不能进行载荷谱的现场统计,疲劳源附近的应力幅可以通过有限元分析得到,如图4所示。疲劳源附近的最大应力σmax=66 MPa,近似认为σmin=0,则 Δσ=66 MPa。由于主梁是焊接结构,存在焊接残余应力,根据文献[7],在一般对接焊缝即主梁跨中部位热点应力集中系数为1.17,故取Δσ=1.17×66=78 MPa。

4.4疲劳寿命计算

根据参考文献[8],取α=2.55×1019,m=2.82,将α、m、σ代入式(6)得:Ncr;b=6.506×106次。本算例起重机材料为Q235,取C=2.61×10-13,投入使用后会出现小范围的弹塑性裂纹,设定a0=2c,计算得k=0.866,查参考文献[4]求得E(k)=1.211 1,代入式(7)得Y=0.932。将有关参数代入式(12)得N=2.208×106次,N总=Ncr;b+N=8.714×106次。经过MATLAB软件编程计算进一步得到该起重机主梁的剩余寿命曲线,如图5所示。对图5进一步分析可知,当裂纹超过20mm后,裂纹的扩展速率明显加快,因此应对大于20mm的裂纹重点监控。

5 结语

(1)预测裂纹的形成寿命十分重要,如果这可以达到很高的置信度,那么破坏的危险就会减小,至于裂纹扩展寿命则可用断裂力学理论来加以估计。

(2)损伤力学估算疲劳裂纹形成寿命可能是最有效的方法,但目前损伤力学理论还不太成熟,本文所做的尝试还需进一步的试验验证。

参考文献

[1]李兆霞.损伤力学及其应用[M].北京:科学出版社,2002.

[2]王爱红,徐格宁,高有山.桥式起重机随机应力谱获取及疲劳剩余寿命估算[J].机械工程学报,2012,48(18):192-198.

[3]程文明,王金诺.桥门式起重机疲劳裂纹扩展寿命的模拟估算[J].起重运输机械,2001(2):1-4.

[4]谭文峰,张文志.疲劳损伤伤演方程中材料常数的确定[J].实验力学,2007,22(6):644-648.

[5]李庆芬,胡胜海,朱世范.断裂力学及其工程应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2008.

[6]吴晓,罗薇,刘璐,等.在役桥(门)式起重机金属结构疲劳寿命预测分析[J].中国安全科学学报,2010,20(2):95-99.

[7]王斌杰.高速列车结构热点应力疲劳评定方法及应用研究[D].北京:北京交通大学,2008:1-50.

起重机箱型吊臂设计要点分析篇6

关键词：起重机吊臂,可靠性安全性,参数

箱型伸缩式吊臂结构紧凑, 抗扭性能好, 在汽车起重机上应用较为广泛, 箱体内部有伸缩液压缸, 在支撑内节的滑块, 各节臂之间可以相对滑动, 为了让吊臂在滑动变幅内可以自由转动, 转台交接要和根部链接。所以, 只有对起重机具有相当熟练的操作技能, 才能解决强度与重量之间的问题。需要有效的分析方法对其内部结构进行研究, 对工作的吊臂进行稳定性与各种应力的分析, 对接下来的研究与分析需要我们更进一步努力研究, 即是一件有价值有意义的事, 更是为实际工程设计提供一个可靠依据。

1 课题研究的背景

起重机吊臂根据变幅可以分为两种, 一种是定长式吊臂, 另一种是伸缩式吊臂。根据界面不同选择不同的臂种, 通常是用柔韧的钢丝绳牵引顶部实现变幅, 吊臂是双向构件。其基本臂可以做成直臂。折臂使得臂根位置变低。让转台部分容易分布, 固然液压缸受力较好, 整个尺寸布置限制, 伸缩臂变短, 对起重机的采用可以采用这种吊臂模式。由于伸缩式吊臂的长度可以变化, 通过性比较好, 适用范围相对更加宽泛, 占有的重要地位是无可替代的。在吊臂形式的选择上, 主要是取决于起重机总体的要求, 其次是对其技术的优劣和制造工艺的材料可靠性能。

1.1 课题目的及意义

起重机是工程建设中应用的特别广泛的设备, 特别是节省劳动力, 提高建设速率和质量, 无论是劳动力安全还是工程本身都具有相当大的意义。吊臂更实在起重机中占有无可替代的位置。随着各种先进技术应用的进一步提升, 起重机吊臂技术也越来越成熟, 尤其是计算机技术和成型技术的结合, 更是让起重机技术更上一层楼。在以前, 起重机的传动根本不像现在的这么机械化, 无论是升降还是旋转都单纯的应用机械传动来达到目的。

选择了超高强度的材料, 吊臂质量变轻, 吊臂截面结构单一, 没有什么高要求, 所以被我国应用的很广泛。自从应用了液压技术, 起重机吊臂技术得到提高, 汽车起重机吊臂质量占整体的15%-20%, 因此需要改变吊臂材料以降低质量, 以满足吊臂的高强度作业施工, 否则起重机更是有翻身的危险。我们可以适当研究特殊材料以替代原有材料, 在这种材料的基础上, 进行设计构思, 将会达到意想不到的结构。汽车起重机截面形式多种多样, 最后人们经过试验发现把截面做成正梯形和倒梯形的结构, 各种特性得到一定的改善, 尤其是韧性和扭矩, 也有利于机身稳定性, 后来又提出五边形等诸多截面。

1.2 起重机吊臂国内外动态

工程起重机具有很多品种, 具有作业适应能力大、使用范围宽泛的特点。在近几年中, 世界起重机行业发生渐渐升起成为一颗新星, 市场上出现越来越多商家, 直接导致了一些中小型甚至一些具有一定声望的企业倒闭或者被收购, 有些公司把市场转移, 通过在国外开设厂子以扩大总体市场, 从而加剧世界起重机市场的垄断以及一些由此带来的弊端。就产品种类而言, 这些起重机中有两颗新星占领市场巨大份额, 最大的变化是路面起重机和越野轮胎起重机迅速地发展了起来。对于我国起重机单一产品为主的工程起重机行业而言, 其影响是具大的。由于起重机灵活性能高、作业效率高, 在战后修复家园建设以及工业生产上, 以及国内经济建设中起到决定性的作用。早期的起重机大多采用机械传动这种比较落后的应用技术。随着液压技术的突然出现, 液压伸缩臂起重机也因此得到进一步发展。随后的几年, 越来越多的起重机慢慢的采用液压伸缩式吊臂取代了原有的起重方式, 只有一部分吨位汽车起重机仍采用旧时吊臂随着建筑公事、炼铁炼金、水电厂、南水北调等大型重工业发展, 对起重机的作业性能、安全性以及耗能提出了更高的要求。由于当时设计能够熟练的应用到液压技术。高强度水泥及一些建筑板材的兴起, 起重机渐渐地向大型化发展, 并且在普通起重机的基础上研发出来更高级别的起重机。

目前, 日本、美国、以及一些欧洲国家生产的起重机比较受欢迎。以日本为首主要生产越野起重机, 并且具有多系列生产的特点。但是存在着不追求创新研究等诸多问题, 而欧洲国家则是具有多配件、大吨位的特点。

2 起重机吊臂结构分析研究

起重机正常作业时主要有常规载荷、偶然载荷、特殊载荷这几种载荷。起重机工作情况的差别直接使得起重机具有不同的载荷状态。

常规载荷在起重机中应用的是最多的, 这种载荷是由重力和驱动力产生的载荷。由加速度和各种用力引起位移产生的载荷, 也是在验算过程中必须考虑的一种载荷。偶然载荷是在起重机工作时不经常发生的偶然出现的载荷。自然因素的影响导致载荷的发生。特殊载荷是在非正常工作时发生的载荷, 由起重机意外停止、碰撞侧翻、非正常停止转动、机器发生意外碰撞等引起的载荷。在防止的同时不考虑后两者载荷对其影响。

吊臂伸缩机构种类很多, 但是主要应用的有三种:顺序伸缩、同步伸缩、独立伸缩。它们是根据伸缩次序的不同划分。伸缩方式选择的不同, 对吊臂自重有一些影响。一般而言, 独立伸缩机构是三者当中最重的, 顺序伸缩机构是三者中最轻的, 在起重相同物件时, 我们会选择用顺序伸缩机构, 因为其相对比较廉价。在其它位置上, 在要求相同臂展, 同步伸缩的吊臂重心离得更近, 所以相同的吊臂, 如果采用同步伸缩, 起重性能可以提高。

结语

在采用自定义方式对吊臂进行数据结构的计算, 能适当的减少吊臂复杂的变截面使之变为直截面。在吊臂整体结构的研究上;由于建模速度快, 单元数相对减少, 加快了吊臂建模的整体计算速度, 降低了成本, 将计算结果与理论分析数据进行对比, 结果更加准确。但使用这种方法进行吊臂的强度、重量分析也有瑕疵, 对吊臂上贴的钢筋无法考虑, 对吊臂组成材料及局部区域受力看不到。

参考文献

液冷机箱/架热性能仿真分析篇7

关键词：液冷机箱,热仿真,温度场

1 引言

随着微电子技术的发展, 电子器件集成度越来越高, 芯片特征尺寸、芯片面积不断减小, 但芯片的功耗不断增加, 相应芯片热流密度迅速上升;另一方面, 计算机的集成度也越来越高, 现代飞机采用LRM结构, 在一台计算机内集成更多的处理模块, 而模块内部集成多个处理器, 整机功耗大幅度增加。在考虑到成本等因素的情况下, 军用计算机越来越多得采用工业档器件, 而研究表明, 超过55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的, 因此, 电子设备结构设计热可靠性设计具有举足轻重的作用。由于液体冷却较空气冷却换热效率高出100~2000倍, 因此液冷对电子器件的热管理具有得天独厚的优势。本文以液冷机箱/架为平台, 以ASSAC模块结构为载体, 对液冷机箱的散热性能进行了仿真, 并对仿真结果进行分析, 为后续设计工作提供指导。

2 液冷机箱/架模型

液体机箱简化模型如图1所示, 其中上、下侧板为液冷板, 内部铣有液冷通道, 进出液口位于机箱侧面。机箱内部内置传导模块, 传导电子模块主要包括结构件、两块PCB、锁紧条、导热垫等, 仿真简化模型如图2所示。

液冷机箱/架、模块以及模块内所用导热衬垫材料物理特性如表1所示。

3 不同工况热仿真分析

3.1 环境温度对模块温度影响

对比当整模块功耗分别为80W、160W时, 不同环境温度对模块器件温度的影响。按VITA47标准中108.9kg/k W·h提供冷却液流量, 冷却液供液温度为25℃。选择常温环境20℃及高温环境70℃进行热仿真分析, 模块结构件壁厚为1.2mm。模块在80W时分析结果见表2, 模块在160W时分析结果见表3。模块在80W时仿真分析云图见图3。

从模块的仿真结果来看, 当环境温度分别为20℃和70℃时, 80W模块上各器件的温差不超过5℃, 160W模块上各器件温差不超过8℃。说明环境温度对液冷机箱/架有一定影响, 模块功率增大时模块对外辐射换热增强, 温差会有所升高。

3.2 冷却液温度对模块温度的影响

对比冷却液温度的改变对模块器件温度的影响。在室温环境下, 机箱/架供液流量和内部模块壁厚不变的情况下, 选取冷却液温度在10℃、20℃、30℃进行仿真分析, 模块在80W的仿真结果见图4, 模块在160W的仿真结果见表5, 模块内监测点温度随供液温度变化见图5:

由以上仿真可以看出, 冷却液温度对模块内器件温度有明显的影响。器件温升与液冷机箱/架入口冷却液温升基本相当。当冷却液温度每增加10℃, 相应模块上器件温度也基本上增加10℃左右。因此对于液冷机箱/架, 由于具有较高的换热效率, 模块内温度随热沉冷却液温度的变化基本为线性变化。

3.3 模块壁厚对温度的影响

在室温环境下分别仿真模块结构件厚度在1.2mm、2mm、4mm情况下对器件温度的影响, 冷却液温度均为30℃, 冷却液流量按标准流量提供。模块在80W的仿真结果见表6, 模块在160W的仿真结果见表7:

由仿真分析可以看出模块壁厚由1.2mm 增加到2mm时, 80W模块边缘器件温度降低3℃左右, 中心部器件温度降低6.6℃左右, 160W模块边缘器件温度降低7℃左右, 中心部器件温度降低12℃左右;模块壁厚由2mm增加到4mm时, 80W模块边缘器件温度降低1℃左右, 中心部器件温度降低3℃左右;160W模块边缘器件温度降低2℃左右, 中心部器件温度降低6℃左右。因此, 改变模块传导壁厚有助于降低模块器件温度, 随着厚度的增加改善的效果越来越不明显, 功耗越高增加壁厚的改善效果越明显。

4 结论

通过对液冷机箱/架在不同环境温度, 不同冷却液供液温度及不同模块壁厚下的热仿真分析, 结果表明:

环境温度对液冷机箱/架影响较小, 但随着模块整体功率增大时模块对外辐射换热增强, 温差会有所升高。

冷却液入口温度对模块器件温度有着直接影响, 器件温度与冷却液温度变化基本一致。

增加模块传导壁厚有助于降低模块器件温度, 但随着厚度的增加改善的效果越来越不明显, 功耗越高增加壁厚的改善效果越明显。

参考文献

[1]M.Janicki, A.Napieralski, Modelling electronic circuit radiation cooling using analytical thermal model, Microelectronics Journal, 2000, 31:781-785.

[2]徐超, 何雅玲, 杨卫卫, 齐永强.现代电子器件冷却方法研究动态[J].制冷与空调, 2003, 03:10-13.

[3]豆会均.浅谈液冷技术发展[J].江苏航空, 2011, 增刊:175-178.

[4]程劲嘉.综合模块化航空电子的液冷设计[J].电讯技术, 2011, 51 (6) :151-155.

【控制机箱】推荐阅读：

机箱设计10-31

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