撰文/宋杰穆文林曾建江

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一種機載電源機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計

撰文/宋杰1穆文林1曾建江2

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■2.324000 94850部隊 浙江 衢州

本文介紹了一種機載電源機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、熱設(shè)計、電磁屏蔽設(shè)計、抗振動與抗沖擊設(shè)計、三防設(shè)計等五個方面闡述了機載電源機箱的設(shè)計思想和實際應(yīng)用。經(jīng)過驗證，該機箱滿足設(shè)計要求，在使用中工作可靠、維修性好。關(guān)鍵詞：電源機箱；熱設(shè)計；電磁屏蔽；抗振動；抗沖擊；三防設(shè)計

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

飛機設(shè)計總體對機載電子產(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，機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往不能采用GJB 441-88的尺寸規(guī)范，而是根據(jù)飛機設(shè)計總體給出的有限位置和空間進行非標(biāo)設(shè)計［2］。

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

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

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

圖1　機箱結(jié)構(gòu)示意圖

a熱設(shè)計

設(shè)備工作溫度為-55℃～+70℃，電源模塊的工作溫度≤100℃，對熱設(shè)計的要求為：在環(huán)境溫度70℃時，使用飛機環(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，機箱采取夾層式設(shè)計，環(huán)控風(fēng)從機箱后部進入，從機箱兩側(cè)導(dǎo)出。每個模塊均設(shè)計有冷板，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)熱器件的熱量通過冷板傳導(dǎo)到機箱側(cè)板，在兩側(cè)的側(cè)板由環(huán)控風(fēng)將熱量帶出機箱。

電源機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，利用FloEFD軟件進行仿真分析，設(shè)定環(huán)境溫度為70℃，機箱表面與環(huán)境熱交換系數(shù)為15W/K·m2。由于機箱是以傳導(dǎo)和對流相結(jié)合為主的散熱方式，因此不考慮輻射散熱方式。機箱熱功耗預(yù)計為110W，只考慮4個主要模塊的熱功耗，其余由于發(fā)熱較小，將其忽略。4個主要模塊的熱功耗分別預(yù)計為40W、35W、30W和5W。機箱結(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)過簡化模型、網(wǎng)格劃分和軟件仿真，機箱內(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)計要求。

圖2 電源機箱熱仿真結(jié)果

b電磁屏蔽設(shè)計

電磁屏蔽是整機設(shè)計時考慮的一個重要因素，必須和設(shè)計同步開展，這樣才能保證整機的性能。電源機箱在總體布局時，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。機箱在設(shè)計時考慮電磁屏蔽，以減少輻射干擾。機箱所用鋁合金材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件，表面均經(jīng)過導(dǎo)電氧化處理，使之能夠長期保持良好的導(dǎo)電性能。機箱前后面板和側(cè)板間采用嵌入式設(shè)計，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抗振動與抗沖擊設(shè)計

機箱框架零件采用12mm厚鋁板，通過互相嵌入而成形，局部做減重設(shè)計，結(jié)構(gòu)強度高。因此電源機箱的抗振動設(shè)計主要考慮機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，增強螺紋連接的承載能力和抗疲勞強度；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廢；鋼絲螺套一般為鋼件，相對于鋁合金，具有重量輕、體積小、強度高等優(yōu)點。鋼絲螺套的使用進一步提高了機箱的抗振動與抗沖擊性。

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

圖4　楔形鎖緊裝置示意圖

d三防設(shè)計

三防設(shè)計是機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個要點，機載電子設(shè)備的機箱均要滿足GJB 150A-2009所規(guī)定的濕熱、鹽霧、霉菌試驗要求［1］。

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

機箱采用結(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。機箱外表面噴丙烯酸聚氨酯磁漆，以進一步提高三防能力。

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

結(jié)論

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

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

參考：

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

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

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

［4］艾文光.機載ATR機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］，測控與通信，2010，3：40-44.