張建（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所，四川 綿陽(yáng)　621000）

某監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張建
（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所，四川 綿陽(yáng)621000）

論文就某監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、“三防”設(shè)計(jì)等做了詳細(xì)論述。通過制造驗(yàn)證，該機(jī)順利通過了振動(dòng)、沖擊、低溫、高溫、濕熱以及電磁兼容等試驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，散熱高效，電磁屏蔽效果良好等特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

加固計(jì)算機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電磁兼容；熱設(shè)計(jì)；三防

0　引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分，對(duì)產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。某監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)為可靠性極高的一體化加固計(jì)算機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

貯存溫度：-40℃～60℃；工作溫度：-10℃～45℃；濕熱試驗(yàn)：40℃，相對(duì)濕度90%～98%，48h；電磁兼容性：滿足 GJB151A-2003中關(guān)于地面設(shè)備對(duì) CE102、CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103的極限制要求；可靠性：一次連續(xù)工作時(shí)間不小于1a；累計(jì)工作時(shí)間不小于5a；整機(jī)設(shè)備MTBF不低于24000h；熱待機(jī)一年的工作可靠度為0.991；維修性：平均維修時(shí)間不大于15min；維修度不小于0.9。

要達(dá)到上述技術(shù)要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須綜合考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和“三防”設(shè)計(jì)等。

圖1　監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)外形圖Fig.1 Dimension of the rugged computer of monitoring equipment

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)組成

為使監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)便于維護(hù)、通用性強(qiáng)，本機(jī)采用便攜式一體化結(jié)構(gòu)，模塊化、分體式設(shè)計(jì)。監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)包括箱體、顯示屏、鍵盤以及各功能插件，其外形如圖1所示

箱體由硬鋁加工后真空釬焊而成，是監(jiān)控設(shè)備計(jì)算機(jī)機(jī)箱的主體部分，其8個(gè)角上裝有橡膠護(hù)角。顯示器固定在機(jī)箱正前方，是該機(jī)的主要顯示部分，包括液晶顯示屏、指示燈、開關(guān)以及屏蔽玻璃等。鍵盤通過阻尼鉸鏈與箱體連接，主要包括防水鍵盤、鼠標(biāo)觸摸板，使用時(shí)為下翻狀態(tài)，運(yùn)輸時(shí)可翻起收攏。功能插件從箱體右側(cè)插入背板，通過楔形鎖緊裝置進(jìn)行緊固。外部信號(hào)及電源接口位于箱體左側(cè)面。

2　電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指電氣和電子設(shè)備或系統(tǒng)在包圍它的電磁環(huán)境中能正常工作，不因電磁干擾而降低工作性能，且它們本身所發(fā)射的電磁能量不足以惡化環(huán)境和影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作。在進(jìn)行電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用電磁屏蔽、濾波和接地等措施使設(shè)備或系統(tǒng)具備良好的電磁兼容性。本文著重從縫隙、顯示屏、鍵盤等位置的處理論述機(jī)箱的電磁屏蔽性。

2.1縫隙的屏蔽設(shè)計(jì)

由電磁理論可知，影響屏蔽完整性的主要因素是屏蔽體上的接縫，故機(jī)箱主體上的各可拆卸蓋板成為影響機(jī)箱電磁屏蔽完整性的主要因素。縫隙的傳輸損耗受縫隙深度及縫隙長(zhǎng)度的影響，為了提高屏蔽效能，需要增加縫隙的深度，減小縫隙的長(zhǎng)度。

因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在不影響機(jī)箱強(qiáng)度、維修性、美觀性的前提下，各蓋板盡量設(shè)計(jì)成凸起結(jié)構(gòu)，伸入箱體內(nèi)；縮短安裝螺釘?shù)目组g距以減小縫隙長(zhǎng)度；在安裝面的溝槽里裝導(dǎo)電襯墊，如導(dǎo)電橡膠條、指形簧片等，進(jìn)一步填充結(jié)合面處的縫隙，增強(qiáng)板件的導(dǎo)電性。

圖2　縫隙設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Gap design

2.2顯示器的屏蔽設(shè)計(jì)

為減少外部干擾對(duì)監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)液晶顯示屏的影響，同時(shí)，防止液晶屏電磁輻射外泄，本機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在液晶屏與面板之間加裝夾金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃。安裝時(shí)，屏蔽玻璃四周金屬裙邊用導(dǎo)電膠與面板牢固粘接，屏蔽玻璃采用壓框緊固。面板內(nèi)伸凸起處安裝一金屬罩，可防止內(nèi)部功能插件電磁輻射對(duì)液晶顯示屏的影響。

此外，面板上安裝的開關(guān)和指示燈都具有屏蔽功能，在安裝前，應(yīng)裝導(dǎo)電橡膠襯墊。面板與箱體結(jié)合面處設(shè)計(jì)一導(dǎo)槽，用導(dǎo)電膠粘貼導(dǎo)電橡膠圈。

圖3　顯示器設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 LCD design

2.3鍵盤的屏蔽設(shè)計(jì)

為使鍵盤部分具備良好的電磁屏蔽性，設(shè)計(jì)時(shí)，選用防水加固鍵盤。安裝時(shí)，在加固鍵盤底部與鍵盤托架結(jié)合面處裝導(dǎo)電襯墊，使之電連接充分。鍵盤控制線用屏蔽線纜引入主機(jī)，屏蔽層一端與機(jī)箱主體搭接，另一端與鍵盤托架搭接。

3　熱設(shè)計(jì)

監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)的主要熱源為電源模塊和CPU插件，發(fā)熱功耗約200W。通過計(jì)算，該機(jī)的表面散熱功率密度約0.03W/cm2，體積散熱功率密度約0.006W/ cm3。由熱設(shè)計(jì)理論可知，該機(jī)可通過自然冷卻散熱。電源和CPU印制板上的發(fā)熱器件大部分熱量通過腔體和鎖緊條傳遞至密閉的機(jī)箱主體，機(jī)箱主體上的熱量通過與桌面的熱傳導(dǎo)、與周圍空氣的熱對(duì)流和向空間的熱輻射散去。其熱流路徑如圖4所示。

圖4　熱流路徑圖Fig.4 Heat-flow path

由于監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)8個(gè)角上都裝有橡膠護(hù)角，機(jī)箱主體向桌面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量極為有限，這里主要考慮對(duì)流和輻射散熱。由密封機(jī)箱散熱公式：

式中：WT—密閉機(jī)箱表面的散熱量（W）；Ss—機(jī)箱側(cè)面內(nèi)壁的有效面積（m2）；St—機(jī)箱頂部的表面積（m2）；Sb—機(jī)箱的底面積（m2）；△t—機(jī)箱的溫升值（℃）；σ—斯忒

監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)的散熱主要取決于機(jī)箱主體的表面積，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能的在各面開設(shè)溝槽，可大大增加散熱面積。

4　“三防”設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，潮濕、鹽霧和霉菌對(duì)電子設(shè)備的侵蝕十分普遍。工作的氣候因素和環(huán)境條件非常復(fù)雜，既能單獨(dú)影響，又能同時(shí)作用，從而加速對(duì)器件和設(shè)備的損害。因此在考慮電子設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性時(shí)，要根據(jù)不同環(huán)境條件采取相應(yīng)的防護(hù)措施，也就是說，三防技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛且重要的意義。

為提高監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)的可靠性，在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝防護(hù)等方面作了充分考慮，使之能滿足生產(chǎn)、調(diào)試、運(yùn)輸、工作、存儲(chǔ)等過程所處環(huán)境的防護(hù)要求。

4.1合理選用材料

材料選用的合理性不但影響裝備的耐候性，還影響裝備的制造成本和使用。在設(shè)計(jì)時(shí)，監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)機(jī)箱體選用鋁鎂系防銹鋁；阻尼器、搭扣、標(biāo)準(zhǔn)件等關(guān)鍵器件選用防護(hù)等級(jí)較高的奧氏體不銹鋼材質(zhì)；包角、護(hù)線圈等非金屬材料吸濕性低、耐霉菌，不揮發(fā)腐蝕性氣體，與金屬無接觸腐蝕；盡量選用一類金屬材料，或者選用電位差較小的不同類金屬材料。

4.2合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)形式對(duì)裝備耐候性的影響非常大，不良的結(jié)構(gòu)形式是一種先天性缺陷，很難在以后彌補(bǔ)。監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了以下細(xì)節(jié)：①機(jī)箱表面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、連續(xù)、流暢、過渡圓滑，盡量避免縫隙、孔隙、尖角，使腐蝕性介質(zhì)不易滯留和聚集；②機(jī)箱各面開設(shè)長(zhǎng)條凹槽，使之易于散熱；③在合適位置安裝防水透氣閥，使箱體內(nèi)外氣壓保持平衡，可防止因溫度驟變產(chǎn)生凝露和水汽密封膠條損壞的現(xiàn)象發(fā)生；④箱體采用真空釬焊技術(shù)成型，搭接可靠。

4.3合理的工藝防護(hù)措施

合理的工藝防護(hù)措施是提高裝備抗惡劣環(huán)境能力的重要手段，主要有表面處理、灌封處理、絕緣處理、防霉處理、包裝防護(hù)等。監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)箱體整體導(dǎo)電氧化，除導(dǎo)電面外，表面涂覆耐腐蝕聚氨酯漆，里面噴涂三防清漆；非導(dǎo)電部件作陽(yáng)極氧化后噴聚氨酯漆。

5　結(jié)束語(yǔ)

按照上述設(shè)計(jì)制造，監(jiān)控設(shè)備主控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，散熱高效，電磁屏蔽效果良好，順利通過了振動(dòng)、沖擊、低溫、高溫、濕熱以及電磁兼容性等試驗(yàn)，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

［1］袁麗.便攜式加固計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)綜合防護(hù)設(shè)計(jì)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2015，2.

［2］王從思，等.電子設(shè)備的現(xiàn)代防護(hù)技術(shù)［J］.電子機(jī)械工程，2005，3.

［3］電子科學(xué)研究院.電子設(shè)備三防技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2000.

［4］中華人民共和國(guó)航天工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)，QJ 1474-88，電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中華人民共和國(guó)航天工業(yè)部，1988-04-08：24-25.

Structure Design of a Certain Rugged Computer of Monitoring Equipment

ZHANG Jian
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang Sichuan 621000，China）

Structure，electromagnetic compatibility，thermal design，three-proof design etc.in a certain rugged computer of monitoring equipment are discussed in detail in this paper.The rugged computer of monitoring equipment passed vibration test，shock test，low temperature test，high temperature test，damp heat test，and EMC test successfully after the completion of manufacture.It's compact and easy to carry.The effects of cooling and electromagnetic shielding are good.All the parameters can meet the requirements.

rugged computer；structure design；electromagnetic compatibility（EMC）；thermal design；three-proofing design

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.038

1002-6673（2015）05-102-03

2015-07-30

張建（1983-），男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師。主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)研究等工作。