交通信號控制機(jī)老化設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)*

施楨蓉，范 永，石 磊

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，汽車保有量迅速增長，智能交通發(fā)展迅速。作為交通信號控制的核心硬件產(chǎn)品，交通信號控制機(jī)產(chǎn)量快速增加。據(jù)賽文研究院發(fā)布的《2021年中國道路交通信號機(jī)市場研究報(bào)告》顯示，2020年交通信號控制系統(tǒng)與設(shè)備市場規(guī)模為112.2億[1]。為滿足市場需要，需不斷提高道路交通信號控制機(jī)的生產(chǎn)能力。

電子產(chǎn)品在初期使用中可能集中出現(xiàn)工藝、設(shè)計(jì)及材料等方面的缺陷引起的早期失效，國內(nèi)或國外很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電子電器檢測中必須進(jìn)行功能測試和老化測試，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中存在的問題。老化測試中收集到的產(chǎn)品故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果還可用于估算產(chǎn)品的使用壽命、改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造[2-3]。

某型號交通信號控制機(jī)完成生產(chǎn)后，需進(jìn)行240 h的帶載老化試驗(yàn)[4]。以往的方式是利用燭型白熾燈作為負(fù)載進(jìn)行老化，存在如下缺點(diǎn)：搬運(yùn)工作量大、老化時(shí)占用空間大、測試時(shí)重復(fù)工作多耗時(shí)長、整個(gè)過程耗能高。為滿足不斷提高的產(chǎn)量，需開發(fā)一款多臺(tái)信號機(jī)同時(shí)老化、逐臺(tái)功能測試、多種型號兼容的老化測試設(shè)備，可對信號機(jī)進(jìn)行集中老化測試。

筆者提出了一種老化測試設(shè)備，包含了一種適配信號機(jī)控制主機(jī)形狀和尺寸的鈑金機(jī)柜、交換機(jī)和外部計(jì)算機(jī)。機(jī)柜能夠容納多臺(tái)信號機(jī)主機(jī)和負(fù)載(電阻)進(jìn)行老化，還能夠感應(yīng)柜內(nèi)溫度并自動(dòng)調(diào)節(jié)。交換機(jī)和外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成功能測試。

1 老化設(shè)備設(shè)計(jì)

老化設(shè)備包含：機(jī)柜、交換機(jī)(交換機(jī)放置于機(jī)柜內(nèi)部)和計(jì)算機(jī)。機(jī)柜內(nèi)有負(fù)載、風(fēng)扇、感應(yīng)測溫器件。圖1為老化設(shè)備組成示意圖。

1.1 冷卻方式選擇

假設(shè)老化車間環(huán)境溫度為20 ℃，機(jī)柜內(nèi)負(fù)載工作溫度不超過85 ℃。

圖1 老化設(shè)備

設(shè)備工作時(shí)，電阻負(fù)載產(chǎn)生的熱量通過負(fù)載單元的散熱片散發(fā)，在機(jī)柜內(nèi)部形成熱對流，并最終通過機(jī)柜外壁與外部空氣的自然對流散熱。通過計(jì)算柜內(nèi)與外界空氣對流散熱的熱流密度可以分析機(jī)柜整體的散熱情況。機(jī)柜內(nèi)部負(fù)載總發(fā)熱功率為2 880 W,負(fù)載所處機(jī)箱與空氣的總熱交換面積約為9 000 cm2。由此計(jì)算得可得機(jī)柜熱穩(wěn)態(tài)下與外界空氣對流散熱的熱流密度為0.32 W/cm2。根據(jù)散熱方式和熱流密度[5]，從圖2可以看出，散熱方式可以選擇直接空氣強(qiáng)制對流散熱、碳氧有機(jī)化合物浸沒式自然對流散熱或水強(qiáng)制對流散熱。結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本，現(xiàn)選擇直接空氣強(qiáng)制對流散熱，即強(qiáng)迫風(fēng)冷。

圖2 熱流密度與散熱方式

1.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)量及安裝方式確定

根據(jù)熱平衡方程：

(1)

式中：L為強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)所需風(fēng)量，m3/s；Q為被冷卻設(shè)備的總熱工耗，W；ρ為空氣密度,m3/kg;C為空氣比熱容,J/(kg℃)；Δt為溫升，℃，一般為10～15 ℃。

將Q=2880 W，C=1000 J/(kg℃),Δt=10 ℃，ρ=1.1 m3/kg,通過計(jì)算可以得到所需的風(fēng)量為0.26 m3/s。

在前期估算過程中發(fā)現(xiàn)，使用單臺(tái)風(fēng)機(jī)無法滿足散熱要求，因此需要使用多臺(tái)風(fēng)機(jī)聯(lián)合進(jìn)行工作，通常多臺(tái)風(fēng)機(jī)可以通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式進(jìn)行聯(lián)合工作。串聯(lián)工作的特點(diǎn)是工作風(fēng)量基本不變或略微增加，但是風(fēng)壓倍增，適用于風(fēng)阻較大的場合。并聯(lián)工作的特點(diǎn)是風(fēng)壓略微增加而風(fēng)量倍增，其優(yōu)點(diǎn)是氣流分部均衡，但效率較低[6-7]。由于柜體體積較大，且存在縫隙，若使用串聯(lián)工作的方式，必然會(huì)出現(xiàn)氣流分布不均的現(xiàn)象。本文在前期仿真對兩種風(fēng)機(jī)工作方式進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)使用串聯(lián)工作的方式時(shí)，老化架內(nèi)部氣流分布很不均勻，導(dǎo)致部分區(qū)域的溫升遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，無法滿足散熱要求；而使用并聯(lián)工作的方式可以改善氣流分布，使老化架內(nèi)部各處的散熱更加均勻。

1.3 風(fēng)道阻力特性及風(fēng)機(jī)規(guī)格確定

按確定工作點(diǎn)的方法，把風(fēng)道阻抗特性曲線與風(fēng)扇的靜壓曲線繪制在一張圖上，其交點(diǎn)就是風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)[8],如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇工作點(diǎn)

對于軸流風(fēng)扇而言，最佳的風(fēng)扇工作點(diǎn)位于風(fēng)扇特性曲線的右側(cè)1/3處。所以，風(fēng)扇的最大流量約為系統(tǒng)所需流量的1.5倍左右[9]。通過計(jì)算，系統(tǒng)所需風(fēng)量應(yīng)大于1 400 m3/h。

綜上所述，選取風(fēng)扇為林克韋爾LK324.230-D，功率160 W，通過濾網(wǎng)風(fēng)量800 m3/h，自由吹風(fēng)1 200 m3/h。將3臺(tái)風(fēng)機(jī)分別安裝在上中下三層的老化負(fù)載處作為鼓風(fēng)機(jī)，并于老化架頂部設(shè)置2臺(tái)抽風(fēng)風(fēng)扇。

1.4 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號機(jī)主機(jī)一般為19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，高度通常為4～8U。根據(jù)待測信號機(jī)、風(fēng)扇、負(fù)載單元、線束的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和數(shù)量，以及使用操作方式，設(shè)計(jì)了老化機(jī)柜，正面如圖4、反面如圖5、負(fù)載單元如圖6。

圖4 機(jī)柜正面 圖5 機(jī)柜反面

圖6 負(fù)載單元

2 熱仿真分析

為降低機(jī)柜內(nèi)溫度，提高機(jī)柜內(nèi)各元器件的工作穩(wěn)定性及使用壽命，需要對柜體散熱性能進(jìn)行評估，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對柜體的下一步整改提出具體實(shí)施方案，常用的研究方法為CFD數(shù)值模擬[10-14]。本文采用Icepak對機(jī)柜進(jìn)行熱仿真分析，通過分析柜體中各器件的的溫度場、柜內(nèi)空氣流場分布，分析通道布局找出熱設(shè)計(jì)解決方案。

2.1 物理模型

如圖7，柜體中部分為上中下三層負(fù)載單元，每個(gè)單元背面對應(yīng)一個(gè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇，頂部兩個(gè)排風(fēng)風(fēng)扇。除了走線空間，負(fù)載部分和兩側(cè)信號機(jī)部分盡量隔離，形成相對獨(dú)立的熱循環(huán)區(qū)域。

圖7 仿真模型

對機(jī)柜進(jìn)行熱仿真分析，通過分析柜體中各器件的的溫度場、柜內(nèi)空氣流場分布，通道布局找出最合理、經(jīng)濟(jì)熱設(shè)計(jì)解決方案。為了減小計(jì)算成本，對原模型進(jìn)行簡化。原模型發(fā)熱集中在機(jī)柜中間，且與左右兩側(cè)用擋板隔離，取原模型中間部分進(jìn)行建模分析。

2.2 數(shù)學(xué)模型

目前，還沒有哪種湍流模型適合所有類型的湍流問題，k-ε模型自從被Launder和Spalding[15]提出后，迅速成為工程項(xiàng)目中廣泛使用的一種湍流模型。模型方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

(3)

式中：Gk為由流體的平均流動(dòng)速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為在可壓縮湍流中，過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1ε和C2為常數(shù)；σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。

2.3 邊界條件

對于機(jī)柜通風(fēng)換熱性能仿真，邊界條件主要有壁面邊界、氣體進(jìn)出口邊界和熱邊界。

(1)壁面邊界：在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下，壁面采用無滑移條件，k、ε和溫度t采用壁面函數(shù)法處理。

(2)氣體進(jìn)出口邊界：每個(gè)進(jìn)氣風(fēng)扇流量800 m3/h，每個(gè)排氣風(fēng)扇流量1 200 m3/h；用柵格模擬機(jī)柜側(cè)面的孔縫。

(3)熱邊界：每個(gè)散熱排上固定18只發(fā)熱電阻，每個(gè)電阻發(fā)熱功率9.5 W，同時(shí)工作的只有1/3，環(huán)境溫度20 ℃。

2.4 網(wǎng)格劃分

對模型進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格共計(jì)200萬左右，其局部網(wǎng)格如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

2.5 收斂性判斷

Icepak計(jì)算結(jié)果只有收斂時(shí)才可以使用，通常可以通過殘差、系統(tǒng)平衡和監(jiān)測物理量等方式判斷收斂。殘差的收斂情況如圖9所示，監(jiān)控點(diǎn)的溫度變化如圖10所示。

經(jīng)過1 000多次迭代后，質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程中的參數(shù)殘差曲線已降低到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)之下。能量方程殘差小于1e-07，其他殘差值均小于殘差標(biāo)準(zhǔn)1e-03，連續(xù)方程的殘差、速度、紊流動(dòng)能等參數(shù)基本上不隨著計(jì)算時(shí)間的推移而變化，監(jiān)控點(diǎn)的溫度也趨于穩(wěn)定。通過殘差曲線圖和監(jiān)控點(diǎn)溫度趨勢圖可以判斷計(jì)算已經(jīng)收斂，計(jì)算結(jié)果可用。

圖9 計(jì)算殘差

圖10 監(jiān)控點(diǎn)溫度

3 結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果分析

使用Icepak進(jìn)行方案仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。根據(jù)風(fēng)扇的使用情況，共設(shè)計(jì)了6種散熱方案，分別為：①頂部開兩風(fēng)扇，背部開3風(fēng)扇；②頂部壓力出風(fēng)，背部開3個(gè)風(fēng)扇；③頂部開2個(gè)風(fēng)扇，背部壓力進(jìn)風(fēng)；④頂部開2個(gè)風(fēng)扇，背部開下面風(fēng)扇；⑤頂部開2個(gè)風(fēng)扇，背部開上面風(fēng)扇；⑥頂部開2個(gè)風(fēng)扇，背部開中間風(fēng)扇。仿真結(jié)果如圖11～16所示。

圖11 方案1：頂部2風(fēng)扇+背部3風(fēng)扇

圖12 方案2：頂部壓力出風(fēng)+背部3風(fēng)扇

圖13 方案3：頂部2風(fēng)扇+背部壓力進(jìn)風(fēng)

圖14 方案4：頂部2風(fēng)扇+背部下面風(fēng)扇

圖15 方案5：頂部2風(fēng)扇+背部上面風(fēng)扇

幾種方案對比可見：方案1開啟了全部風(fēng)扇，是6種方案中散熱效果最好的。通過其溫度和氣體流線圖可以看出，該方案下，負(fù)載最高溫度為54.5°，空氣在負(fù)載間的流動(dòng)也較為充分；方案2和方案3分別為只開啟頂部風(fēng)扇和只開啟背部風(fēng)扇的情形，方案3的負(fù)載溫度明顯高于方案2，原因是頂部風(fēng)扇的抽風(fēng)作用無法到達(dá)機(jī)柜中下部，造成處于中下部位的負(fù)載溫度較高；方案4、5、6分別模擬了在頂部抽風(fēng)的情況下，背部只開啟1個(gè)風(fēng)扇的情況，可以看出，開啟背部不同的風(fēng)扇，負(fù)載的溫度差異較大。

圖16 方案6：頂部2風(fēng)扇+背部中間風(fēng)扇

背部只開啟下部風(fēng)扇，負(fù)載間的氣流流動(dòng)較為充分，因而溫度也較低；背部只開啟中間風(fēng)扇，中間風(fēng)扇產(chǎn)生的回流使得下部進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)氣氣流被破壞，造成底部的負(fù)載溫度很高；背部只開啟上部風(fēng)扇，頂部風(fēng)扇的抽風(fēng)對中間和下部的進(jìn)風(fēng)口幾乎沒用作用，導(dǎo)致中間和底部的負(fù)載間的氣流流動(dòng)速度也很慢，散熱效果也不是很理想。

方案1、2、4具有較好的散熱效果，但其空氣流動(dòng)在局部存在渦流，降低了散熱效果，可以加導(dǎo)風(fēng)板處理。通過探針，在仿真模型中選取一些列點(diǎn)進(jìn)行溫度測量，結(jié)果如表1和表2所列。由于模型中未考慮負(fù)載和機(jī)柜的輻射換熱，計(jì)算結(jié)果較為保守。

表1 探針溫度(頂部2臺(tái)風(fēng)扇+背部3臺(tái)風(fēng)扇)

表2 探針溫度(背部3臺(tái)風(fēng)扇)

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)方案完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，加工后得到實(shí)物，進(jìn)行試運(yùn)行，測得如圖17所示9個(gè)位置的實(shí)際溫度，具體溫度值見表3和表4。與仿真結(jié)果相比，具有較好的一致性。

圖17 測溫點(diǎn)分布(序號對應(yīng)見表4、5)

表3 驗(yàn)證情況(頂部2臺(tái)風(fēng)扇+背部3臺(tái)風(fēng)扇)

表4 驗(yàn)證情況(背部3臺(tái)風(fēng)扇)

4 結(jié) 論

文中詳細(xì)闡述了信號機(jī)老化設(shè)備結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，利用仿真技術(shù)進(jìn)行熱分析，并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，通過驗(yàn)證得出如下結(jié)論。

(1)仿真模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，能較好地模擬現(xiàn)實(shí)情況下老化柜體內(nèi)的散熱效果，為今后電子設(shè)備老化測試方法提供思路。

(2)風(fēng)扇位置和數(shù)量對散熱效果影響較大，可以根據(jù)實(shí)際情況增減風(fēng)扇的開啟數(shù)量。

(3)老化設(shè)備能夠可靠、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)交通信號機(jī)控制主機(jī)的批量老化。