文 | 中船重工集團(tuán)第七二二研究所 史 榮

淺析國(guó)外軍用組合機(jī)柜環(huán)境設(shè)計(jì)

文 | 中船重工集團(tuán)第七二二研究所 史 榮

本文主要介紹了一款海外軍用組合機(jī)柜，它的結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)在可靠性方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，具體在環(huán)境設(shè)計(jì)方面采用的技術(shù)值得我們借鑒。

可靠性；環(huán)境；設(shè)計(jì)

1.言

軍用組合機(jī)柜設(shè)計(jì)是將分散的設(shè)備按功能特性和使用要求分類(lèi)組裝，優(yōu)化配置，依據(jù)人機(jī)交互的方式進(jìn)行合理布局，并按照人機(jī)工程學(xué)的基本原理進(jìn)行造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以便于進(jìn)行系統(tǒng)的操作使用和維修，充分地發(fā)揮其綜合作戰(zhàn)能力。

2.用環(huán)境技術(shù)要求

組合機(jī)柜設(shè)計(jì)要求具有優(yōu)良觀察、操控性能，能滿(mǎn)足產(chǎn)品嚴(yán)酷的物理、機(jī)械環(huán)境條件要求。

組合機(jī)柜的尺寸選用與該使用環(huán)境的其他設(shè)備尺寸、顏色協(xié)調(diào)一致。機(jī)柜并柜后要求各設(shè)備整潔、一致。其典型的款式外觀示意圖見(jiàn)圖1。

軍用組合機(jī)柜通常有效使用空間環(huán)境惡劣，這樣就要求組合機(jī)柜排列緊湊，環(huán)境的狹窄使得干擾和各方面復(fù)雜的因素交織，組合機(jī)柜的設(shè)計(jì)應(yīng)從滿(mǎn)足基本功能著手，盡可能充分考慮人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)要求。

3.惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)要求

抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)涉及的專(zhuān)業(yè)廣泛，包括了：機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、傳熱學(xué)、電磁場(chǎng)理論、力學(xué)、電化學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、聲學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、可靠性、維修性等等眾多的學(xué)科技術(shù)范疇，如何將這些學(xué)科的理論應(yīng)用到具體的設(shè)備研制工程中是一個(gè)復(fù)雜的綜合問(wèn)題，各種技術(shù)互相滲透，貫通，又互相制約。

抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程，從研制到運(yùn)行的全壽命期，環(huán)境控制技術(shù)貫穿整個(gè)的設(shè)計(jì)過(guò)程，從最基本的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等具體的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。該款在環(huán)境的設(shè)計(jì)上主要體現(xiàn)在材料的選取和外部的防護(hù)涂層上，結(jié)構(gòu)上也采用了各種的防護(hù)措施。

4.輻射加固技術(shù)

從相關(guān)技術(shù)資料上可看出抗輻射加固技術(shù)始終貫穿在設(shè)計(jì)思路上，設(shè)計(jì)初期要充分地分析了輻射環(huán)境和輻射效應(yīng)損傷機(jī)理，根據(jù)抗輻射指標(biāo)和電子系統(tǒng)所要求完成的性能要求制定失效判據(jù)，最后，按照合理的安全系數(shù)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。加固不僅是考慮抗震還在兼顧著防輻射功能，設(shè)計(jì)時(shí)選用的加固材料就可以做到這點(diǎn)，從器件生產(chǎn)、電路設(shè)計(jì)到組裝成系統(tǒng)，每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行加固，其中元器件加固是整個(gè)加固工作的基礎(chǔ)，細(xì)節(jié)上做好了，整合在一起就順其自然達(dá)到效果。

5.惡劣氣侯環(huán)境

現(xiàn)代技術(shù)中計(jì)算機(jī)的使用普及，為了在惡劣的氣侯環(huán)境下使用計(jì)算機(jī),設(shè)計(jì)考慮到在較低溫度或較高溫度運(yùn)行的需要,加固計(jì)算機(jī)采用寬溫的主板,必要時(shí)在主板和每一個(gè)附加卡(如網(wǎng)卡、顯卡、視頻采集卡等)上加裝散熱鋁板以便高溫時(shí)散熱，加裝加熱膜及溫控開(kāi)關(guān)，在應(yīng)用環(huán)境低于一定溫度時(shí)溫控開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，通過(guò)加熱膜加熱的方式提高加固計(jì)算機(jī)內(nèi)的溫度至可工作的溫度。

6.惡劣電磁環(huán)境

如強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電磁脈沖、雷電、靜電和火花，主要采用電磁兼容設(shè)計(jì)和接地技術(shù)等。

6.1.屏蔽技術(shù)：接地質(zhì)量對(duì)屏蔽效能影響極大。一般要求屏蔽體與地的接觸電阻小于2mΩ。而在要求更高的設(shè)備中則要求接觸電阻小于0.5 mΩ。當(dāng)屏蔽體通過(guò)導(dǎo)線與地相連時(shí)，導(dǎo)線的截面積和截面周界都應(yīng)適當(dāng)大些，例如，用扁銅條和編織線，以減小直流和交流電阻。同時(shí)要求盡量縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度，以減小導(dǎo)線的感抗。導(dǎo)線兩端最好焊接而不是搭接。此外，屏蔽體的接地點(diǎn)要選擇在靠近被屏蔽的低電平元件的入地點(diǎn)。合理地選擇屏蔽體的形狀有利于提高電屏效能。盒形屏蔽體優(yōu)于板形屏蔽體，全密封屏蔽體優(yōu)于帶窗口孔和縫隙的屏蔽體。屏蔽體上要盡量減小開(kāi)孔，需要時(shí)可開(kāi)小孔或百葉窗式孔洞或用屏蔽用銅帶粘封。電屏蔽體的材料易選用導(dǎo)體，如銀、銅、鋁等。

電屏蔽效能可用屏蔽前后感受器上的感應(yīng)電壓來(lái)計(jì)算：即

式中SE為屏蔽效能，UB為屏蔽前感受器上的感應(yīng)電壓，Us為屏蔽后感受器上的感應(yīng)電壓。

6.2.屏蔽技術(shù)：就是用導(dǎo)磁性能良好的材料做成屏蔽板體，箱體、盒體將這些易受場(chǎng)干擾的和易發(fā)射磁場(chǎng)的元件或單元電路磁屏蔽起來(lái)，借以消除或減弱不需要的磁場(chǎng)對(duì)通信及電子設(shè)備的干擾。

磁屏蔽效能計(jì)算公式如下式所示：

式中μλ為相對(duì)導(dǎo)磁率μλ=μs /μo，其中μs為屏蔽材料的磁導(dǎo)率，μo為空氣磁導(dǎo)率。

在制造磁屏蔽體時(shí)，設(shè)備最好選用導(dǎo)磁率較高的坡膜合金及較高的其它合金，這些類(lèi)型的導(dǎo)磁材料導(dǎo)磁率一般大于6000。若需更高的效能可采用非晶態(tài)帶材Fjl1、Fjl3l等品種。必要時(shí)還可采用雙重磁屏蔽，以進(jìn)一步提高屏蔽效能。

7.擊防護(hù)能力

由于使用場(chǎng)所的特殊性，環(huán)境惡劣性，空間狹窄等因素，對(duì)沖擊防護(hù)的要求就更要高一籌。沖擊防護(hù)主要體現(xiàn)抗變型防護(hù)，抗跌落防護(hù)，抗諧振防護(hù)這三個(gè)方面。

振動(dòng)沖擊隔離技術(shù)是在環(huán)境條件嚴(yán)酷等級(jí)（激勵(lì)值）和設(shè)備允許響應(yīng)值（即脆值）已知的前提下，通過(guò)對(duì)設(shè)備附加隔振緩沖器來(lái)進(jìn)行保護(hù)的技術(shù)措施，其基本設(shè)計(jì)思想是通過(guò)隔振器傳遞給設(shè)備的激勵(lì)值（即設(shè)備的響應(yīng)值）始終小于設(shè)備的許用值。用于設(shè)備的振動(dòng)沖擊隔離系統(tǒng)必須兼有隔振與隔沖功能。振動(dòng)沖擊隔離系統(tǒng)的期望動(dòng)態(tài)特性是隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。其中隔振系統(tǒng)的期望動(dòng)態(tài)特性應(yīng)滿(mǎn)足以下四項(xiàng)設(shè)計(jì)要求或原則：非耦合或弱耦合原則、低固有頻率原則、線性特性、變阻尼（無(wú)共振峰）特性等。而沖擊隔離系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)符合以下五項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：能量吸收原則、輸出動(dòng)荷最小原則、變形量最小原則、能量耗散最多原則、復(fù)位原則等。

8.信息泄漏能力

通常采用兩種方法，即包容法和抑源法。包容法是將計(jì)算機(jī)整體屏蔽起來(lái)，并在電源線和信號(hào)線上使用濾波器，抑制計(jì)算機(jī)通過(guò)空間和有關(guān)通道向外輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射信息。抑源法是在設(shè)計(jì)電路和印制電路板時(shí)，就充分考慮對(duì)泄密信息的控制，防止其輻射。兩種方法各有特點(diǎn)，應(yīng)用于不同情況，有時(shí)兩者結(jié)合使用。包容法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但效果不及后者，特別是屏蔽材料隨時(shí)間增長(zhǎng)會(huì)老化失效，從而降低屏蔽效果。抑源法成本較高，但效果好。

9.設(shè)計(jì)技術(shù)

該組合設(shè)備采用了大量的熱設(shè)計(jì)技術(shù)，其中設(shè)備中散熱條、散熱塊使用廣泛。各設(shè)備之間相互散熱處理了合理的導(dǎo)流通道，整體和局部熱設(shè)計(jì)做到了相結(jié)合。

熱設(shè)計(jì)是保證組合在一起的各設(shè)備能安全可靠工作的重要條件。電子設(shè)備工作時(shí),其輸出功率只占設(shè)備輸入功率的一部分,其損失的功率都以熱能形式散發(fā)出去,尤其是功耗較大的元器件,如：變壓器、功耗大的電阻等,實(shí)際上它們是一個(gè)熱源,使設(shè)備的溫度升高。因此,熱設(shè)計(jì)是保證電子設(shè)備能安全可靠工作的重要條件之一,制約組合設(shè)備的散熱關(guān)鍵目標(biāo)是確定發(fā)熱是否在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍之內(nèi)，并找出降低溫度的方法。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真可用來(lái)確定各設(shè)備在機(jī)柜上不出現(xiàn)局部高溫問(wèn)題。因此，需要進(jìn)行測(cè)試，以獲得系統(tǒng)在正?；驖M(mǎn)功率工作時(shí)的典型溫度。熱分析之后，通常要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)熱分析。這樣，就可驗(yàn)證CFD仿真并確保系統(tǒng)將工作在相對(duì)較低的溫度。

10.束語(yǔ)

軍用設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所受的制約因素很多，既有性能、功能上的約束，物理、機(jī)械環(huán)境條件的約束，也有布局、設(shè)計(jì)尺寸以及操作員的操作習(xí)慣等方面的約束。通過(guò)對(duì)這一款設(shè)備的分析，我們可以學(xué)習(xí)其設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用國(guó)產(chǎn)材料的優(yōu)勢(shì)降低成本，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

[1] 簡(jiǎn)召全. 工業(yè)設(shè)計(jì)方法學(xué)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社.2000

[2] 吳漢森. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社.1995

On the Environmental Design of Foreign Military Combination Cabinet

This paper describes a kind of foreign military combination cabinet, its structure and electrical design has obvious advantages. The environmental design technology is worth our great attention and adoption.

reliability；environmental；design

史榮，中船重工集團(tuán)第七二二研究所