NB-IoT智能燃?xì)獗矸雷o(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

狄 鵬, 王濱濱

(上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司，上海200120)

1 概述

隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的正式商用，以及NB-IoT模組費(fèi)用的不斷下降，基于NB-IoT技術(shù)的智能燃?xì)獗硪仓鸩酵葡蚴袌?chǎng)。作為一款智能化燃?xì)庥?jì)量?jī)x表，其需要具備不低于10 a的設(shè)計(jì)壽命，因此在滿足低功耗的前提下，還需要充分考慮儀表的防護(hù)功能，以保證內(nèi)部通信模組及精密電子器件的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

2 防護(hù)等級(jí)的說(shuō)明

電氣設(shè)備的外殼防護(hù)等級(jí)在GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 4208—2017)中有明確定義，與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，最明顯的變化是加入更高級(jí)別的防護(hù)等級(jí)“IPX9”定義及其測(cè)試方法，這說(shuō)明各行業(yè)對(duì)于防護(hù)需求是逐步提升的。GB/T 6968—2019《膜式燃?xì)獗怼?以下簡(jiǎn)稱GB/T 6968—2019)中明確提出了外殼防護(hù)等級(jí)要求，常規(guī)室內(nèi)使用環(huán)境下要求達(dá)到IP54級(jí)別，露天場(chǎng)所則需要達(dá)到IP65級(jí)別。生產(chǎn)廠家一般會(huì)按照比標(biāo)準(zhǔn)高一個(gè)級(jí)別設(shè)計(jì)產(chǎn)品，常見的就是直接設(shè)計(jì)到IP65級(jí)別，可覆蓋所有環(huán)境狀況，其中“6”代表了最高防塵級(jí)別，即不允許有任何灰塵進(jìn)入外殼(測(cè)試用滑石粉模擬灰塵)，后面數(shù)字“5”表示對(duì)水的防護(hù)級(jí)別，其要求對(duì)外殼各個(gè)方向噴水不會(huì)產(chǎn)生有害影響，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)噴嘴的直徑及水流量均有明確定義，噴嘴直徑達(dá)到6.3 mm，水流量需達(dá)到(12.5±0.625) L/min，這對(duì)一些外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀表具有一定挑戰(zhàn)性。

3 NB-IoT智能燃?xì)獗淼姆雷o(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NB-IoT智能燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)見圖1。主要包括：智能控制器主板、液晶顯示屏、多功能計(jì)數(shù)器、外置電池倉(cāng)盒、智能頭部防護(hù)外殼、基表以及控制閥門。因使用環(huán)境及使用年限的特殊要求，NB-IoT智能燃?xì)獗淼拿芊夥雷o(hù)級(jí)別通常要求較高，基表部分有嚴(yán)格的氣密性要求，在開閥狀態(tài)下對(duì)其出入口施加50 kPa的氣壓，30 s應(yīng)無(wú)任何泄漏，這就要求其所有接口及銜接部分均要進(jìn)行嚴(yán)格密封。

圖1 NB-IoT智能燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)

3.1 基表部分

NB-IoT智能燃?xì)獗硪话惆聿糠趾椭悄芸刂撇糠帧Ｒ酝鲜降臋C(jī)械式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能較單一，基表內(nèi)部只包含計(jì)量組件，因此只要保證上下鋼殼密封良好，基本都能滿足氣密性要求。現(xiàn)在隨著技術(shù)不斷發(fā)展，一些控制和檢測(cè)功能都需要在基表內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，例如安裝電機(jī)切斷閥，用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制供氣功能；在基表內(nèi)部設(shè)置溫度采樣電路，用以補(bǔ)償基表在高低溫環(huán)境下的誤差變化。因此，電氣線路就需要穿過(guò)基表的鋼殼，從而連接到外部智能控制器，勢(shì)必對(duì)鋼殼的密封防護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定影響。常見有兩種設(shè)計(jì)方案。

① 打孔穿線式

一種多用于內(nèi)置兩線或四線切斷閥的基表，不含電子溫度補(bǔ)償功能，對(duì)外電氣線路只有2～4根導(dǎo)線，通常在鋼殼上開圓孔，使用專用的螺紋接頭進(jìn)行安裝，專用螺紋接頭結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 專用螺紋接頭結(jié)構(gòu)

螺紋接頭內(nèi)部有穿線孔，導(dǎo)線先穿過(guò)硅橡膠件，硅橡膠件再壓入穿線孔內(nèi)，最后用六角螺母從外側(cè)擰緊，螺紋接頭與鋼殼接觸部位加裝O形圈以保證密封性。該方案成本低，技術(shù)較為成熟，被多數(shù)燃?xì)獗韽S采用，隨著市場(chǎng)需求提升，電子溫度補(bǔ)償?shù)纫恍┬鹿δ苄枰尤耄瑥幕礓摎?nèi)引出的導(dǎo)線數(shù)量翻倍甚至更多，原工藝在裝配操作上過(guò)于復(fù)雜，而且在保證氣密性方面將打折扣。

② 軟排線直壓式

軟排線直壓式主要運(yùn)用了柔性線路板(FPC)的概念，各種器件及導(dǎo)線全部整合在柔性線路板上，輸出線路即薄薄的一層FPC軟排線，其厚度僅0.2 mm，因其蝕刻精度較高，在5 mm寬度內(nèi)即可集成10條線路甚至更多。FPC軟排線從基表鋼殼導(dǎo)出的工藝有效利用了燃?xì)獗韨鹘y(tǒng)的涂膠工藝。國(guó)家對(duì)燃?xì)獗須饷苄杂袕?qiáng)制要求，一般廠家會(huì)定義在50～75 kPa的氣壓下，將基表全部沒(méi)入水中，時(shí)間持續(xù)30 s以上,目視不允許有任何氣泡泄漏，以此為合格判定標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到此要求，上下鋼殼的連接部位和螺紋管口與鋼殼的連接部位都設(shè)有涂膠工藝。在鋼殼涂膠工藝完成后，可直接將FPC軟排線從上下鋼殼結(jié)合部位引出，再進(jìn)行鎖緊環(huán)沖壓工藝，鎖緊環(huán)上預(yù)留有軟排線的出線缺口，壓合后不會(huì)對(duì)FPC軟排線造成影響，這樣就通過(guò)利用單組分硅橡膠的緩沖作用，實(shí)現(xiàn)了基表內(nèi)外的電氣連接。

從結(jié)構(gòu)功能上講，軟排線直壓式較打孔穿線式有一定優(yōu)勢(shì)，從材料及加工工藝成本上比較，二者基本持平。

3.2 智能控制器殼體與基表

NB-IoT智能燃?xì)獗淼目刂破鳉んw與基表結(jié)合要考慮固定方式及密封性能。燃?xì)獗砉ぷ鲿r(shí)，內(nèi)部計(jì)量組件將氣體的流動(dòng)轉(zhuǎn)換成連桿的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)輸出軸按一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)，輸出軸穿過(guò)基表鋼殼帶動(dòng)外部的變比齒輪旋轉(zhuǎn)，此處就涉及控制器殼體固定方式，主要有2種。

① 通過(guò)螺釘直接與基表進(jìn)行緊固

控制器殼體通過(guò)螺釘直接與基表固定,見圖3。此種方式裝配工藝較便捷，控制器殼體設(shè)計(jì)時(shí)按照基表上的螺母位置進(jìn)行開孔，為實(shí)現(xiàn)密封性，殼體開孔處背面設(shè)計(jì)臺(tái)階面，臺(tái)階面高度為O形圈受擠壓后的厚度，裝配時(shí)預(yù)先套入O形圈，再裝控制器殼體，用緊固件擰緊后實(shí)現(xiàn)裝配密封。

圖3 控制器殼體通過(guò)螺釘直接與基表固定

② 通過(guò)轉(zhuǎn)接板間接與基表進(jìn)行緊固

傳動(dòng)齒輪和誤差校準(zhǔn)齒輪均安裝在轉(zhuǎn)接板上，轉(zhuǎn)接板通過(guò)4顆螺母與基表鋼殼上預(yù)埋的螺柱進(jìn)行固定，控制器殼體則由轉(zhuǎn)接板上的預(yù)埋螺母進(jìn)行固定。因機(jī)械計(jì)數(shù)器直接安裝在轉(zhuǎn)接板上，控制器殼體在設(shè)計(jì)時(shí)需要在底面相應(yīng)位置設(shè)計(jì)成鏤空，這就對(duì)控制器殼體底面的防護(hù)性能造成影響，大面積的開孔無(wú)法通過(guò)一些簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)密封件進(jìn)行防護(hù)，可根據(jù)控制器殼體及基表鋼殼外表面形狀設(shè)計(jì)專用密封件，常用做法是在控制器殼體底面設(shè)計(jì)一圈凸起薄筋，密封件包裹在薄筋上面，密封件與控制器殼體連接方式見圖4。

圖4 密封件與控制器殼體連接方式

密封件材料一般是邵氏硬度為40～55 HA的硅橡膠，當(dāng)控制器殼體用螺釘擰緊時(shí)，密封件的底面與基表鋼殼上表面緊密貼合，從而實(shí)現(xiàn)防塵防水的功能。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)講，硅橡膠密封件長(zhǎng)期暴露在空氣中，尤其是有陽(yáng)光直射或散射的環(huán)境下，可能會(huì)出現(xiàn)老化開裂等，因此隱蔽式的密封設(shè)計(jì)方案硅橡膠密封件壽命會(huì)更長(zhǎng)一些。

3.3 智能控制器上下殼體之間

智能控制器外殼一般設(shè)計(jì)為上下分體結(jié)構(gòu)，以便于內(nèi)部各種元器件的裝配，尤其是智能控制器主板的裝配，其上方集成了顯示器件、聲音報(bào)警器件、防篡改檢測(cè)器件以及各種插件接口，有時(shí)有些導(dǎo)線還需要手動(dòng)焊接操作，裝配有一定復(fù)雜度。當(dāng)所有器件全部安裝到控制器下殼體內(nèi)之后，合上控制器上蓋，通過(guò)卡扣和螺釘?shù)姆绞酵瓿缮舷職んw的緊固。

① 密封條密封

控制器上下殼體的接觸面比較長(zhǎng)，密封的難度也相應(yīng)增加，常規(guī)的防護(hù)設(shè)計(jì)是使用硅橡膠密封條密封，見圖5。

圖5 控制器上下殼體之間采用密封條密封

通過(guò)殼體邊緣的凸臺(tái)和凹槽配合壓緊，將密封條擠壓變形，達(dá)到密封效果。如果遇到殼體尺寸較大，且上下殼體的緊固螺釘間距較大，則可能會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)邊方向的中部變形，無(wú)法有效壓緊密封條，從而出現(xiàn)防護(hù)失效的隱患。一般的解決辦法有兩種：一種是在上殼體長(zhǎng)邊一側(cè)內(nèi)壁設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，增加該側(cè)面的強(qiáng)度；另一種是降低密封條自身的強(qiáng)度，比如使用空心硅橡膠密封條或是使用發(fā)泡硅橡膠密封條，都能改善密封效果。

② 迷宮型密封

迷宮型密封結(jié)構(gòu)也有實(shí)際應(yīng)用，原理就是通過(guò)較長(zhǎng)而且曲折的接觸面，使得外部的灰塵或是水流難于侵入到殼體內(nèi)部，控制器上下殼體之間采用迷宮結(jié)構(gòu)密封見圖6。

圖6 控制器上下殼體之間采用迷宮結(jié)構(gòu)密封

此種設(shè)計(jì)對(duì)模具精度要求較高，一般需要注意以下4點(diǎn)。

a.上下接觸面需緊密配合，表面粗糙度及平面度均要嚴(yán)格控制。

b.拼插的有效長(zhǎng)度越大越好，可根據(jù)凸筋的厚度設(shè)計(jì)。

c.凸筋的厚度和凹槽的寬度配合間隙要盡量小，考慮到接觸面較長(zhǎng)以及注塑產(chǎn)品自身的變形量，單側(cè)間隙尺寸控制在0.1～0.15 mm較為合適。同時(shí)應(yīng)給予配合面一定的拔模斜度，方便脫模的同時(shí)也更易于裝配。

d.考慮到凸筋有一定高度，模具的頂針位置需要合理設(shè)計(jì)，盡量不設(shè)計(jì)在配合面上，若脫模有難度，可在薄筋端面增加扁頂針位。

做到以上4點(diǎn)，同時(shí)模具材料用料到位，注塑工藝合理，此處的防護(hù)級(jí)別可以達(dá)到IP54的要求。結(jié)合目前的實(shí)際情況，燃?xì)夤緦?duì)表具的要求越來(lái)越高，不使用密封圈，僅采用迷宮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)多數(shù)情況下已經(jīng)不能滿足要求，為了達(dá)到更高級(jí)別的防護(hù)，使用硅橡膠密封條再加迷宮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方向。

3.4 電池倉(cāng)

NB-IoT智能燃?xì)獗砜刂破餍枰驮破脚_(tái)通信,而且要控制內(nèi)置電機(jī)閥的開關(guān)，因此對(duì)電源有一定的要求。常見的供電方式有兩種，一種是采用3～4節(jié)5號(hào)干電池供電，一種是采用大容量的3.7 V鋰電池供電。不論是哪種方式供電，一般都要求能實(shí)現(xiàn)在不破壞封印的情況下對(duì)電池進(jìn)行更換，這就必須為電池倉(cāng)設(shè)計(jì)單獨(dú)的蓋門，電池倉(cāng)蓋與控制器殼體的銜接部位需要做密封防護(hù)結(jié)構(gòu)。主要采用密封條密封，根據(jù)外殼的不同設(shè)計(jì)方案，密封條一般有兩種放置方式。

① 將槽位設(shè)計(jì)在電池倉(cāng)蓋上面，預(yù)先將密封條安裝在槽位內(nèi)，電池倉(cāng)蓋通過(guò)卡扣或是其他方式安裝到外殼上，外殼相應(yīng)位置設(shè)計(jì)凸筋與槽位配合，當(dāng)電池倉(cāng)蓋扣合到位后，密封條被壓緊，從而實(shí)現(xiàn)密封的效果。

② 將槽位設(shè)計(jì)在控制器殼體上面，防護(hù)原理與第1種類似。

3.5 顯示窗口

隨著NB-IoT智能燃?xì)獗淼墓δ茉龆啵枰獙?duì)外顯示的內(nèi)容也隨之增加，液晶屏幕的尺寸也不斷加大，同時(shí)GB/T 6968—2019要求，機(jī)械計(jì)數(shù)器的讀數(shù)也必須顯示，再加上一些規(guī)格參數(shù)等強(qiáng)制要求顯示的內(nèi)容，控制器外殼的正面需要設(shè)計(jì)一塊較大的透明顯示區(qū)域。常規(guī)的儀表產(chǎn)品外殼為非透明材料，大多采用工業(yè)色調(diào)，材質(zhì)以PC和ABS居多，顯示窗口則必須采用透明材料，常見的如PC、AS以及PMMA,考慮到長(zhǎng)壽命的使用要求，基本都選用綜合性能良好的PC材料。顯示窗與控制器上蓋之間的結(jié)合工藝直接影響到整機(jī)的密封防護(hù)性能。目前最常用的工藝是采用超聲波焊接技術(shù)，原理是通過(guò)超聲波的高頻振動(dòng)，將能量通過(guò)轉(zhuǎn)換部件傳送至焊接區(qū)，兩個(gè)塑料件交界面處會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)局部高溫，因塑料導(dǎo)熱性能差，接觸面的塑料會(huì)迅速熔化，再加上一定的預(yù)壓力，兩個(gè)塑料件即融為一體，達(dá)到焊接的目的，這種工藝的焊接強(qiáng)度理論上接近材料自身的強(qiáng)度，優(yōu)勢(shì)非常明顯。

要達(dá)到理想的焊接強(qiáng)度，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上需要做特殊設(shè)計(jì)，需要添加合理的超聲波焊線，超聲波焊接方案見圖7。

圖7 超聲波焊接方案

超聲波焊線一般設(shè)計(jì)在較小零件上面，如有密封性要求，則焊線最好是連續(xù)設(shè)計(jì)，中間不能斷開，焊線的形狀以三角形為主，中小型產(chǎn)品的焊線設(shè)計(jì)高度一般不高于0.7 mm，超聲波焊接后常常會(huì)出現(xiàn)溢膠現(xiàn)象，為避免溢膠進(jìn)入可視區(qū)域或是外觀面，通常會(huì)在母體零件上設(shè)計(jì)溢膠槽，以容納多余溢膠。在焊接工藝良好的情況下，超聲波焊接處的強(qiáng)度可承受0.2 J能量的鋼球沖擊。

除了上述常用的工藝之外，還有一些設(shè)計(jì)可以滿足顯示需求。如設(shè)計(jì)全透明材質(zhì)的控制器上蓋，顯示區(qū)域保持透明狀態(tài)，其余部分可通過(guò)模具蝕刻皮紋工藝實(shí)現(xiàn)模糊效果，或是在非顯示區(qū)域設(shè)計(jì)細(xì)密的條狀豎紋，同樣可實(shí)現(xiàn)模糊效果。從材料成本和加工工藝綜合比較，全透明的設(shè)計(jì)局限性較大，整體成本略偏高。

3.6 功能按鍵

為了滿足用戶的交互體驗(yàn)，NB-IoT智能燃?xì)獗矶紩?huì)配置一個(gè)功能按鍵，用來(lái)進(jìn)行顯示翻頁(yè)操作，以及通信上報(bào)操作。按鍵為了操作方便，一般設(shè)計(jì)在燃?xì)獗淼恼妫@就對(duì)密封防護(hù)性提出了要求。

① 特制硅橡膠按鈕

硅橡膠按鈕密封結(jié)構(gòu)見圖8，按鈕自身設(shè)計(jì)有一圈包裹膠套，當(dāng)其與控制器上殼裝配時(shí)，膠套緊密貼敷在上殼的薄筋上，從而實(shí)現(xiàn)密封功能，按鍵下面部分設(shè)計(jì)成空腔，用來(lái)避讓控制器主板上的輕觸按鍵。當(dāng)控制器上下殼體裝配鎖緊后，硅橡膠按鈕的下端面與控制器主板相接觸，避免了按鈕向下出現(xiàn)移位。此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，為多數(shù)燃?xì)獗韽S所使用。

圖8 硅橡膠按鈕密封結(jié)構(gòu)

② 塑膠按鈕

塑膠按鈕與控制器殼體的材料相同，均為注塑成型工藝，通過(guò)彈簧與O形圈的配合，實(shí)現(xiàn)按鈕的回彈以及活動(dòng)部位的密封，塑膠按鈕密封結(jié)構(gòu)見圖9。此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是按壓手感較好，觸感清晰，外觀面可與控制器殼體一體化設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是裝配略為復(fù)雜，材料成本和人工成本均有所上升。

圖9 塑膠按鈕密封結(jié)構(gòu)

③ 一體式按鈕

原理是依靠塑料自身的彈性形變來(lái)實(shí)現(xiàn)輕觸按鍵的觸發(fā)，因按鈕本身與殼體為一體，在防護(hù)性能和使用壽命上都更有優(yōu)勢(shì)，但此種按鈕結(jié)構(gòu)限制因素比較多，首先是控制器殼體的壁厚不能太厚，1.8 mm以下較為合適，材料的選擇也比較關(guān)鍵，流動(dòng)性好且斷裂伸長(zhǎng)率大的材料較適用，中間的圓形凸臺(tái)為按鈕主體，與下方輕觸按鍵相對(duì)應(yīng)，二者中間預(yù)留適當(dāng)?shù)陌踩g隙，按鈕與周邊殼體一體相連，類似于水波紋的形狀，中間過(guò)渡位置材料厚度以滿足強(qiáng)度的前提下最薄為宜，所有的轉(zhuǎn)角部位全部要加圓弧倒角，可以增加注塑時(shí)材料的流動(dòng)性，同時(shí)增加中間過(guò)渡位置的抗剪切強(qiáng)度。從材料成本和加工工藝上來(lái)講，一體式按鈕方案有很大優(yōu)勢(shì)，但從實(shí)際使用角度來(lái)講，用戶更希望操作簡(jiǎn)便，按壓靈活，手感清晰的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)NB-IoT智能燃?xì)獗沓Ｓ玫囊恍┟芊夥雷o(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)上述的防護(hù)功能還有其他的設(shè)計(jì)思路，比如二次注塑工藝、發(fā)泡聚氨酯填充工藝等，可以借鑒各個(gè)行業(yè)的先進(jìn)理念，不斷優(yōu)化現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)更高質(zhì)量的產(chǎn)品。