某電子機柜結構模塊化互換設計

宋江兵李能

摘 要：某電子機柜是由骨架和眾多安裝在內部的控制模塊組合，每個控制模塊之間需要達到互換使用的水平。在實際產生制造過程中，遇到加工和裝配存在一定的難度、維修性差等問題。本文以某型電子機柜為例，提出運用Solidworks三維設計軟件對電子機柜結構進行結構設計優化，降低制造難度，更好的保障機柜、控制單元的在緊急情況下的快速維修與更換。

關鍵詞： 電子機柜? 模塊化? Solidworks? 優化設計

0 前言

處理緊急事件時，遇到設備故障就需要快速的維修與更換設備單元。所以，電子機柜在設計時就應考慮維修的方便性，快速性來保障正常使用，瞬息萬變應急需要。

運用Solidworks三維軟件能縮短產品設計開發的時間，減少設計中產生的設計尺寸干涉，提高裝配的精度。

1 結構改進及三維建模

電子機柜主要由骨架、48組控制模塊等主要零部件組成。控制模塊通過骨架橫梁上槽定位，通過控制模塊面板上的四顆松不脫螺釘及相對應骨架上的螺紋孔固定在骨架上。控制模塊面板上四個螺紋孔與相對應骨架上四個螺絲孔定位尺寸精度要求較高。骨架四個螺紋孔分別在上下導板上，螺紋孔之間的位置公差值φ0.2需要裝配來保證，裝配難度比較高。如采用裝配過程中一般的處理辦法，用控制模塊來配鉆骨架上的螺紋孔，不易達到包括備件在內的所有控制模塊互換通用要求。遇到緊急情況時，不易滿足快速修理和更換模塊單元的實現。結構改進之前，48組模塊互換性只能達到40%左右，不易保證良好的維修性。

控制模塊的面板由于厚度太簿不能直接制作滿足松不脫螺釘的螺紋孔。原先的設計是在面板上鉚接鑲套，在鑲套上制作螺紋孔，安裝松不脫螺釘。調整時由于受到孔徑的影響，調整幅度較小，互換性比例降低不少。鑒于上述問題通過優化結構，通過改變鑲套的結構，使鑲套不固定在面板上，便其在圓周上有一定距離的移動量。這樣結構優化后，不僅降低骨架上螺紋孔位置精度的要求，保證各控制模塊之間的互換性達到百分之百。

運用Solidworks三維設計軟件，對鑲套進行設計及建模。在控制模塊面板原先的用于鉚接鑲套的4-φ6孔（見圖1），改為6×8腰孔（見圖2）。設計鑲套在腰孔上下方向自由活動的距離為1.5mm，左右自由活動的距離為1mm。這個活動量是優化前孔形位公差φ0.2的5倍以上，完全能滿足互換性的要求、快速維修和更換的需要。利用鑲套下部兩搭頭處彈性變形，裝入面板腰孔內。控制模塊抽入電子機柜時，模塊面板上的松不脫螺釘可以隨著鑲套有一定活動量，使螺釘可以順利的旋入骨架上的固定螺紋孔。裝配時無需再花時間進行修配，現場操作也相當便利。

2? 零件的材料選用

原先鑲套的材料選用是與面板一致的硬鋁2A12-T4。優化后的鑲套結構決定了材料需要重新選用。運用Solidworks中simulation插件對鑲套進行有限元分析。鑲套裝入控制模塊的面板腰孔內，要求是鑲套下部搭頭受力生產單邊彈性變形位移1mm。有限元分析當鑲套搭頭單邊位移1mm時，由此產生的應力不得超過材料的許用應力（屈服強度）為條件來選擇鑲套材料。在Solidworks simulation中建立一個算例，算列屬性中選擇大型位移，上平面固定約束，在下部左右搭頭各施加一個力，劃分實體網格。通過調整力的大小，來滿足單邊彈性變形位移達到1mm時，所產生的最大應力有沒有超過材料的最大許用應力。前后選用了鋁，銅，Q235，45等常用的金屬材料進行有限元分析，都不易滿足要求。考慮使用非金屬材料工程塑料POM。POM這種非金屬料材機械加工性能非常接近普通鋼材，容易機加工，工作溫度在-40～100℃之間。通過有限元分析，材料設定為POM時，左右兩搭頭邊加20N的力（裝配時不需要使用工具就可以完成裝配，普通裝配工人徒手就能達到20N的力），單邊位移達到要求1mm時，最大應力也低于材料最大許用應力。所以鑲套材料選用POM在理論上是完成可行的。

3 尺寸的優化設計

對鑲套尺寸的優化設計就是主要影響有限元分析中應力和彈性位移量的值的幾個尺寸進行一個范圍的設定。通過Solidworks 優化軟件進行有限元分析，找出一個最優的尺寸組合。本例中優化的目標是達到要求的位移值時，所產生的應力是最小的。solidworks 三維軟件中建立一個設計算例。在設計算例中，設制兩個尺寸參數A和B，圖3是鑲套優化設計參數。尺寸A，在外圓一定的情況下主要影響鑲套受力變形部分的壁厚，設定為4～5mm之間。尺寸B主要影響鑲套受力變形時的位移量，設定為1～4mm之間。在設計算列中添加約束條件為單邊位移量為1mm。添加優化目標為受力產生的應力越小越好。優化分析運算后，得到最優的尺寸組合為尺寸A為4.2mm、尺寸B為2mm的組合。

4 結論

通過優化設計，改進鑲套的機械結構，保證了模塊的互換性，使電子機柜在緊急情況下的快速維修更換得以輕松實現。互換性達到百分之百的模塊連接配合形式具有一定通用性，在許多相類似結構的電子機柜都可以采用這種結構形式。這種結構形式具有易加工、裝配方便、互換性高等優點，值得推廣。

參考文獻

[1]（美）DS Solidworks公司著? Solidworks Simulation 基礎教程? 北京 工業出版社? 2010： 289-292

[2] 陳永當、任慧娟、武欣竹 基于Solidworks Simulation的有限元分析方法 CAD/CAE與制造業信息化? 2011年9月