鄭藝揚(yáng)，來 曉

（1.浙江高速信息工程技術(shù)有限公司，浙江杭州，310000；2.浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江杭州，310053）

1 引言

近年來，隨著智慧高速建設(shè)步伐的加快，桿上智能終端種類和數(shù)量不斷增加。桿上智能終端是一類嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備，主要包括智能設(shè)備、感知設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備等。桿上異構(gòu)智能終端機(jī)電接口類型各異，導(dǎo)致安裝、維護(hù)和擴(kuò)展費(fèi)時(shí)費(fèi)力。智能終端機(jī)電接口的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化已經(jīng)成為亟待解決的問題，研制集電源、通訊、機(jī)械掛載等功能為一體的機(jī)電接口迫在眉睫。

2 總體方案

2.1 需求分析

通過對桿上智能終端的調(diào)研，主要桿上智能終端的技術(shù)參數(shù)如下：

1）主要供電類型為：AC24V、DC12V、POE、AC220V；

2）主要通訊類型為：網(wǎng)絡(luò)、光纖、485；

3）重量15kg以內(nèi)；

4）單個(gè)設(shè)備功率60W 以內(nèi)。

2.1.1 電氣連接接口功能需求

電氣連接接口功能需要實(shí)現(xiàn)傳輸和接口擴(kuò)展功能。

1）傳輸功能

（1）電力傳輸：實(shí)現(xiàn)低壓交直流供電功能。供電采用集中供電方式；

（2）數(shù)據(jù)傳輸：實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，預(yù)留485接口。

2）接口擴(kuò)展功能

通過1對多的擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)接口的擴(kuò)展功能。

2.1.2 機(jī)械掛載接口功能需求

機(jī)械掛載接口可掛載15kg重量內(nèi)智能終端。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)分為機(jī)械性能、電氣性能和環(huán)境性能三個(gè)方面，具體如下：

1）機(jī)械性能

（1）掛載最大重量：15kg；

（2）總插入力及拔出力：＜200N；

（3）振動沖擊：按GB／T 5095.4－1997中試驗(yàn)6d的規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)過程中按GB／T 5095.2－1997中試驗(yàn)2e的規(guī)定檢測接觸故障；

（4）機(jī)械插拔壽命：500次；

（5）接觸件固定性：供電接觸件：50N；其他：100N。

2）電氣性能

（1）接觸電阻：供電接觸件：≤3mΩ；其他：≤35mΩ；

（2）絕緣電阻：常態(tài)條件下≥1000mΩ；

（3）絕緣強(qiáng)度：常態(tài)條件下1000VAC，保持60s±5s而無擊穿及飛弧現(xiàn)象。

3）環(huán)境性能

（1）工作溫度：－45℃～80℃；

（2）工作電流：40A；

（3）工作電壓：48V；

（4）鹽霧：96h；

（5）防護(hù)等級：IP66。

2.3 結(jié)構(gòu)組成

機(jī)電接口由接觸件、外殼、邊框和導(dǎo)向柱、絕緣安裝板、掛載法蘭、附件等組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)電接口總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 接觸件

接觸件分為供電接觸件、以太網(wǎng)接口接觸件和通訊接口接觸件。供電接觸件由插針和插孔兩部分組成。插孔采用切槽開孔式，插針采用圓柱形剛性針。以太網(wǎng)接口接觸件由六類RJ45直通模塊（RJ45母）和RJ45水晶頭（RJ45公）組成。通訊接口接觸件由圓形8芯公頭和母頭組成。

2.3.2 絕緣安裝板

絕緣安裝板起到固定、支撐和定位接觸件的作用，并起到接觸件間電絕緣、隔離的作用。絕緣安裝板應(yīng)選擇絕緣性能好，抗電強(qiáng)度高、溫度指標(biāo)能滿足要求具有一定強(qiáng)度的材料。

3 關(guān)鍵技術(shù)方案

3.1 固定結(jié)構(gòu)

3.1.1 供電接觸件固定結(jié)構(gòu)

在機(jī)電接口的結(jié)構(gòu)中，使用固定爪結(jié)構(gòu)將供電插針和插孔接觸件固定在絕緣安裝板中，固定爪結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的尾端加蓋板的結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)緊湊、方便拆卸等優(yōu)點(diǎn)。本接口采用后裝后取式結(jié)構(gòu)，接觸件在電纜壓接完成后可以直接推入絕緣固定板，要求推入力在10±5N，推入后固定力≥50N。

3.1.2 以太網(wǎng)接口接觸件固定結(jié)構(gòu)

在機(jī)電接口的結(jié)構(gòu)中，使用固定爪結(jié)構(gòu)將以太網(wǎng)接口接觸件固定在絕緣安裝板中。本接口采用后裝后取式結(jié)構(gòu)，接觸件在電纜壓接完成后可以直接推入絕緣固定板，要求推入力在20±5N，推入后固定力≥80N。

3.1.3 通訊接口接觸件固定結(jié)構(gòu)

在機(jī)電接口的結(jié)構(gòu)中，使用固定爪結(jié)構(gòu)將通訊接口接觸件固定在絕緣安裝板中。本接口采用后裝后取式結(jié)構(gòu)，接觸件在電纜焊接完成后可以直接推入絕緣固定板，要求推入力在10±5N，推入后固定力≥50N。

3.1.4 絕緣安裝板與框架的固定結(jié)構(gòu)

框架是安裝固定絕緣安裝板和導(dǎo)向柱的零件?？蚣苡煽蚣茼敯搴涂蚣軅?cè)板組成，由螺釘固定連接。通過框架側(cè)板的凹槽和絕緣固定板的凸塊完成絕緣安裝板的夾緊固定。

3.2 導(dǎo)向?qū)?zhǔn)結(jié)構(gòu)

機(jī)電接口插頭插座對接過程中，通過三個(gè)導(dǎo)向柱保證順利插合，同時(shí)可防止誤插，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向?qū)?zhǔn)結(jié)構(gòu)圖

3.3 防水密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防水密封結(jié)構(gòu)分為尾部電纜與外殼的防水密封和插頭插座對接端密封，須達(dá)到IP66的防水等級。

3.3.1 尾部電纜與外殼的防水密封

尾部電纜密封結(jié)構(gòu)采用防水PG頭與防水橡膠圈壓緊電纜保證尾部密封防水可靠性。［1］。尾部迫緊螺帽旋緊時(shí)，其錐面擠壓夾緊爪與防水橡膠圈，夾緊爪與受外力收緊向內(nèi)壓緊防水橡膠圈，從而鎖緊電纜達(dá)到防水效果。

3.3.2 插頭插座對接端密封

密封圈安裝在插頭插座對接端，插頭座連接后，通過密封圈的壓縮來實(shí)現(xiàn)軸向的密封功能。密封圈壓縮量控制在15%～30%范圍內(nèi)時(shí)密封效果最佳。密封圈材料選擇硅橡膠6151。

3.3.3 其他防水工藝

采用灌封工藝可進(jìn)一步提升機(jī)電接口的防水等級。灌封是將有一定黏度的液態(tài)復(fù)合物采用一定的工藝方法灌入有需要的元器件內(nèi)，在一定溫度條件下固定，以實(shí)現(xiàn)元器件的防水和防潮性能。

3.4 智能終端掛載方式

15kg以內(nèi)智能終端通過標(biāo)準(zhǔn)螺釘與掛載法蘭連接。機(jī)械掛載法蘭通過連接件與桿體連接，連接件使用滑槽或標(biāo)準(zhǔn)連接件的方式，滿足穩(wěn)固、耐用、易裝的要求。

3.5 機(jī)電接口擴(kuò)展模塊

當(dāng)機(jī)電接口數(shù)量不足時(shí)，可通過擴(kuò)展模塊擴(kuò)展機(jī)電接口數(shù)量，將1路機(jī)電接口擴(kuò)展為4路，原理圖如圖3所示。擴(kuò)展模塊主要由機(jī)電接口、外殼、電源擴(kuò)展板，以太網(wǎng)擴(kuò)展板和485擴(kuò)展板組成，如圖4和所示。

圖3 機(jī)電接口擴(kuò)展模塊原理圖

圖4 機(jī)電接口擴(kuò)展模塊結(jié)構(gòu)圖

4 測試

試驗(yàn)樣品實(shí)測數(shù)據(jù)對照表見表1。

表1 試驗(yàn)樣品實(shí)測數(shù)據(jù)對照表

5 結(jié)論

本文針對桿上異構(gòu)智能終端的機(jī)械和電氣連接需求，研制了一種集機(jī)械和電氣連接一體化的機(jī)電接口。該機(jī)電接口具有模塊化、可擴(kuò)展、連接方便的特點(diǎn)，可為桿上智能終端提供快速、可靠的機(jī)電連接。