戶外電子設(shè)備箱的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

盧接樺，鄧偉鋒，陳燦林，葉俊健

（深圳市特發(fā)信息股份有限公司東莞分公司，廣東 東莞 523400）

1 機(jī)箱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 滿足技術(shù)要求

根據(jù)電子設(shè)備箱的使用環(huán)境不同，綜合考慮氣候、電磁干擾、電氣、機(jī)械等因素影響，確保機(jī)箱機(jī)械強(qiáng)度及用電設(shè)備機(jī)電連接的可靠性，同時(shí)采取相應(yīng)保護(hù)措施，確保滿足技術(shù)要求。

1.2 加工工藝、運(yùn)輸、安裝、維修便捷性

機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1：加工工藝，能夠性能優(yōu)、效率高、低成本地進(jìn)行設(shè)備加工。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)2：機(jī)箱運(yùn)輸過(guò)程中，要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綜合考慮到運(yùn)輸?shù)谋憬菁氨Ｗo(hù)機(jī)箱不受損壞。要點(diǎn)3：安裝簡(jiǎn)便，考慮到安裝場(chǎng)景的復(fù)雜多變，機(jī)箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段中要考慮到安裝的簡(jiǎn)便，能使用更少的部件，使用更少的工具及便捷的方案，穩(wěn)固的安裝到目標(biāo)位置。要點(diǎn)4：維修便捷，機(jī)箱內(nèi)部電子元器件在使用一定時(shí)間內(nèi)或者到達(dá)使用壽命需要維護(hù)或者替換時(shí)，機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮到維護(hù)和替換的便捷性，使各部件成為獨(dú)立單元，拆卸方便。

1.3 小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化

機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮前面所述，小型化則成為以上所述的綜合整理，機(jī)箱布局合理、比重均勻、充分使用空間使機(jī)箱體積變小、重量變小是機(jī)箱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的核心內(nèi)容。機(jī)箱電子設(shè)備的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，從功能、接口、邏輯、狀態(tài)等特性來(lái)分區(qū)，使機(jī)箱內(nèi)電子設(shè)備獨(dú)立工作，即便單組模塊出線故障也不影響整個(gè)系統(tǒng)工作。標(biāo)準(zhǔn)化接口及緊固方式能夠在電子設(shè)備替換和設(shè)備更新時(shí)帶來(lái)簡(jiǎn)便。

2 鈑金機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

從材料的選擇開(kāi)始，材料的選擇對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景、使用壽命、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有著重要的影響。鈑金機(jī)箱常用鋼板、不銹鋼等板材折彎、焊接來(lái)完成。根據(jù)機(jī)箱的承載能力選擇不銹鋼板的厚度，材料過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱變形、穿洞嚴(yán)重后果，材料過(guò)厚看起來(lái)比較臃腫，對(duì)生產(chǎn)工藝增加一定難度，以及造成材料的浪費(fèi)。不銹鋼板在同等厚度情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用壽命、耐腐蝕能力均優(yōu)于普通鋼板。不銹鋼機(jī)箱是未來(lái)鈑金機(jī)箱的主要使用材料。箱內(nèi)設(shè)備重量約40kg，綜合機(jī)箱框架及加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，最終選擇1.2mm不銹鋼板。

2.2 表面加工工藝

根據(jù)不同種類金屬表面的處理工藝也不一樣，有氧化、電泳、烤漆、電鍍、拉絲等不僅在防刮花、防銹上有很好的保護(hù)，在外觀上也比沒(méi)加工前亮麗許多。我們選擇的鍍鋅板是做烤漆處理，保護(hù)板材在使用年限內(nèi)不會(huì)生銹。不銹鋼的烤漆比普通鋼板的烤漆工藝上更為復(fù)雜，不銹鋼在放銹及表面硬度都屬于較高級(jí)別，所以一般不需要做烤漆處理，拉絲工藝更適合不銹鋼板的表面處理。

2.3 防水性能

戶外電子設(shè)備箱的防水是最基本要求了，防水等級(jí)表如下：

防水等級(jí) 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)0級(jí) 無(wú)保護(hù)1級(jí) 可以消除垂直落下水滴的有害影響2級(jí) 對(duì)與垂直方向在15度以內(nèi)落下的水滴有防護(hù)作用3級(jí) 可以消除與垂直方向在60度的噴霧狀水滴的有害影響4級(jí) 可以消除從不同方向飛濺水滴的有害影響5級(jí) 可以消除對(duì)各方向噴嘴噴射水流的有害影響6級(jí) 可以消除對(duì)各方向噴嘴強(qiáng)力噴射水流的有害影響7級(jí) 頂部距離水面0.15—1米，連續(xù)30分鐘，性能不受影響，不漏水8級(jí) 頂部距離水面1.5—30米，連續(xù)30分鐘，性能不受影響，不漏水

鈑金機(jī)箱在設(shè)計(jì)的時(shí)候要盡量減少焊縫，規(guī)避漏水風(fēng)險(xiǎn)，多使用折彎成型，在合頁(yè)、門鎖、把手這些地方灌防水膠，門板內(nèi)粘貼防水壓條，貼緊機(jī)箱主體來(lái)達(dá)到防水要求（圖1）。

圖1

2.4 散熱性能

電子器件在工作中的能量并不能全部轉(zhuǎn)化，大部分的能耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)于大功率的電子器件來(lái)說(shuō)就意味著大量的熱量散發(fā)出來(lái)，這在電子設(shè)備箱體中將會(huì)帶來(lái)很大的隱患。熱量如果在電子器件和機(jī)箱構(gòu)件等接觸地方不能夠及時(shí)散開(kāi)，容易造成電氣器件的損壞，嚴(yán)重的在接頭處造成短路并形成火災(zāi)。

目前機(jī)箱常用的散熱方式有三種，第一是采用優(yōu)質(zhì)的散熱材料組成機(jī)箱配件和外殼，第二是設(shè)計(jì)良好的散熱通道形成溫度循環(huán)，第三是增加水冷或風(fēng)冷降低熱量。

優(yōu)質(zhì)的散熱材料組成機(jī)箱配件和外殼能夠加快散熱速度，目前導(dǎo)熱和散熱能力較強(qiáng)的機(jī)箱外殼為鋁合金材料制造，鋁金屬在吸收相同熱量的情況下比市面上的鋼質(zhì)機(jī)箱散熱能力有優(yōu)異的多，當(dāng)然造價(jià)也要更昂貴。

一個(gè)機(jī)箱的散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部熱量無(wú)法及時(shí)排出，帶來(lái)一系列的散熱難題。而一個(gè)散熱通道優(yōu)秀的機(jī)箱也有很多方面需要考慮，比如內(nèi)部電子元器件的擺放、風(fēng)扇的擺放、機(jī)箱風(fēng)道進(jìn)風(fēng)量和出風(fēng)量、內(nèi)部剩余空間大小等，設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的散熱通道組成機(jī)箱內(nèi)部熱循環(huán)，解決散熱問(wèn)題。

不同類型的戶外電子設(shè)備箱因?yàn)樾吞?hào)大小不一、功率器件本身熱量不一裝配的散熱風(fēng)冷、水冷設(shè)備數(shù)量也不通，有的只需加裝散熱風(fēng)扇，有的大型功率器件需要加裝流動(dòng)水冷散熱板。無(wú)論是風(fēng)冷還是水冷的散熱器，都是將熱量散到功率器件的周圍空間或帶出機(jī)箱外，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)傳遞熱量，達(dá)到維護(hù)器件運(yùn)行安全的目的。

機(jī)箱的散熱性能，直接影響到電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及壽命。機(jī)箱的散熱方式有風(fēng)冷、水冷、能使機(jī)箱的溫度整體減低3℃-10℃來(lái)保護(hù)電子設(shè)備。根據(jù)我們?cè)O(shè)備的使用環(huán)境，比如戶外高壓電線的桿塔上不會(huì)出現(xiàn)小動(dòng)物筑窩的情況，所以在機(jī)箱底部開(kāi)小孔，使機(jī)箱內(nèi)空氣流通，防止機(jī)箱內(nèi)溫度過(guò)高的情況。

2.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下抵抗永久變形的能力。金屬在外力作用下的變形可分為彈性變形、彈塑變形和斷裂三個(gè)連續(xù)的階段。在應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，材料出現(xiàn)明顯塑性變形；當(dāng)應(yīng)力到強(qiáng)度極限時(shí)，材料會(huì)斷裂。在核實(shí)的位置增加加強(qiáng)筋，可使局部強(qiáng)度增大，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

在需要設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋來(lái)加強(qiáng)零件時(shí)，加強(qiáng)筋的方向應(yīng)與力的方向相同；若要做局部弱化，則需做筋的方向與力的方向垂直，如壓潰筋。根據(jù)力的傳遞方向不同，同樣的加強(qiáng)筋起不同的作用。在需要加強(qiáng)鈑金時(shí)，圖2的效果最好，圖3的效果次之，圖4的效果最差。

機(jī)箱經(jīng)常使用的鈑金結(jié)構(gòu)是一種利用材料的塑性進(jìn)行加工的彎曲工藝，將金屬材料彎曲成一定的形狀進(jìn)行加工。而無(wú)法彎曲的部位使用焊接工藝連接起來(lái)，經(jīng)過(guò)打磨拉絲后外表面與折彎工藝沒(méi)有差別，焊接可以使同種金屬熔接一起的化學(xué)反應(yīng)。無(wú)論是折彎或者焊接從某種意義上是對(duì)機(jī)箱的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的提高。鈑金結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5

2.6 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化

在設(shè)計(jì)產(chǎn)電子設(shè)備箱時(shí)，綜合考慮其使用場(chǎng)景、周圍環(huán)境、電子箱內(nèi)部電子器件等因素，應(yīng)該滿足標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)有利于統(tǒng)一設(shè)備規(guī)格，安裝固定通用尺寸能方便現(xiàn)場(chǎng)安裝的對(duì)接；模塊化的設(shè)計(jì)能加速研制的周期，同時(shí)降低設(shè)計(jì)難度，電子設(shè)備箱的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化已經(jīng)廣泛應(yīng)用在其研制與生產(chǎn)。

在機(jī)箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮不同配置的電子設(shè)備安裝在機(jī)箱內(nèi)的兼容性，做到區(qū)間尺寸內(nèi)可以安裝在同一個(gè)機(jī)箱。在不同使用環(huán)境下，同樣設(shè)備的安裝兼容性，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程。

設(shè)備安裝在輸電線路桿塔上，桿塔使用的角鋼大小、厚度、方向都不統(tǒng)一，設(shè)計(jì)時(shí)做了以下結(jié)構(gòu)（圖6）：

圖6

2.7 小型化

無(wú)論是電子元器件還是電子設(shè)備機(jī)箱，其發(fā)展趨勢(shì)一直都是往小型化、標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)走，更小的體積更小的重量意味著愈加趨向穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及成本上的降低。在輸電線路桿塔上的機(jī)箱設(shè)備，小型化的電子設(shè)備箱在桿塔上安裝的更穩(wěn)，更不受大風(fēng)、振動(dòng)的影響，不對(duì)桿塔單方向產(chǎn)生較大壓力而不平衡，對(duì)安裝實(shí)施、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)更為簡(jiǎn)便。

3 結(jié)束語(yǔ)

電子設(shè)備箱作為保護(hù)箱體內(nèi)電子設(shè)備的載體，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，從機(jī)箱的防水、穩(wěn)固、耐用的方向出發(fā)整合標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、小型化的設(shè)計(jì)理念，完成戶外電子設(shè)備箱的設(shè)計(jì)。本文除了對(duì)機(jī)箱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的一些，還根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)初步探討了有關(guān)鈑金電子設(shè)備箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，并提供了個(gè)人的設(shè)計(jì)理念。未來(lái)的電子設(shè)備箱會(huì)隨著使用場(chǎng)景不同、電子元器件的不同而產(chǎn)生越來(lái)越多的設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求，在滿足小型化、標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的設(shè)計(jì)要求下，會(huì)產(chǎn)生更多的新型技術(shù)與新型工藝。