一種實現大質量功放模塊的熱插拔結構設計

廖胡娜

（成都成廣電視設備有限公司，成都 610081）

0 引言

熱插拔技術是20世紀90年代興起的高新技術，它在系統運行中通過對運行環境的監測和診斷，動態地進行任務組件的插入和替換[1]。可讓用戶從一個正在運行的系統中插拔電路板而不損壞其它板或引起系統崩潰。這讓系統在硬件替換、維護或升級時仍能正常運行[2]，滿足關鍵任務系統高可用性的需求。最早應用于計算機組件和網絡通信組件。現今的電子信息產品已大量采用熱插拔技術，例如U盤、外接硬盤、工控機中的印制板等等。它們因使用便捷、維護方便被廣泛應用于多個工業領域。

5G時代的來臨，使通信視聽技術進入新的紀元。新的發射機設備不僅需要滿足發射5G的信號，還具有新的標準與要求。不間斷工作、高可靠、快速維護成為了新設備的必備要素。而熱插拔技術完全契合這種要求，舊發射機并不支持這種技術，所以新一代的電視、廣播發射機紛紛推行和采用這一技術。

舊發射機功放模塊安裝如圖1所示，模塊與系統是靠航空接頭聯接。如需更換功放模塊，必須關閉發射機，拔掉所有與之相聯接的航空插頭才可拔出。

圖1 舊功放模塊安裝

舊功放模塊的安裝，還有一個一直存在的弊端：功放模塊在插入、拔出時很費力。分析其原因，結果是功放模塊支撐面太窄，不能撐穩模塊。加上模塊較重，人員在移動模塊時不能保持模塊平衡，導致模塊傾斜，卡在上下軌道間。故而移動模塊時就比較費力了，如圖2所示。

圖2 舊功放模塊狀態

功放模塊尺寸頗大，大小為562 mm ×435 mm ×91.5 mm。其推入插口的行進路線也長，需移動550 mm 才能接入。在如此長的距離后，需保證位置精度在0.4 mm以內才可確保接頭順利接插成功。模塊質量較大，達到25 kg，只憑操作者單手控制是不可能達到這個精度的。必須設計輔助結構，幫助操作者在插入功放模塊時，強制引導其準確定位。

預想設計三級引導結構，一層層提高定位精度，以幫助模塊順利定位。首先以較為寬松的限位，進行初步定位，以利于模塊行進；其次，行進路線的后段再進行緊配合，以利于提高定位精確度。這樣做的好處是既解決了整段行進時阻力過大的毛病，也保證了最后模塊的定位精度；最后再利用接頭的浮動特性，完成最后的糾偏工作。

1 熱插拔大質量功放模塊的結構設計

1.1 加大支撐面結構

首先解決模塊因支撐面太窄而不能站穩導致插拔費力的問題。因為電路與結構設計的延續性，插件的大結構上變化并不能太大，這涉及到現有技術改變及采購成本的大幅增加。所以不能靠簡單加大原有支撐面解決問題。但要使模塊穩定，足夠的支撐面不可或缺，否則模塊仍會東倒西歪，不可避免地與導軌摩擦，加大行進時的阻力。

所以在模塊下端新設計了軌道條，用來加寬支撐面。軌道條采用聚四氟的材料，利用其摩擦因數極低的特點（其摩擦因數為0.14），在相同的正壓力下，與原來的材料—環氧樹脂玻璃纖維板（其摩擦因數為0.28）相比，推力減少了一半。新模塊支撐面如圖3所示，用螺釘裝配好軌道條后，支撐面積由原來的12 mm×550 mm擴大到54 mm×550 mm，支撐面積擴大了4.5倍。

圖3 新舊模塊支撐面對比

1.2 第一級定位結構

新模塊設計不僅增加了模塊的支撐面，讓其可以自主穩定立于 軌 道上，還讓模塊有了軌道限位功能。裝配好后的軌道條，使模塊下端形成內凹的形狀。與其下的鋁軌道凸緣相配合，像榫卯結構一樣公母楔合，進行了第一級的定位（如圖4）。不過這種楔合并不緊，反而是比較寬松的。鋁軌道與聚四氟軌道條的單側配合間隙為0.5 mm，保證功放模塊在鋁軌道上順滑行進時，不會與上面的上框支架相接觸（功放模塊與上框的單側配合間隙為1 mm)。這樣就不會發生模塊傾斜，卡在軌道間或者與上下軌道都接觸而發生摩擦力增大的問題。并且軌道條的設計對模塊中的現有結構改變極少，對現有技術基本無影響。

圖4 一級定位結構

1.3 第二級定位結構

由于需要在功放模塊插入或取出時省力，所以聚四氟軌道條與鋁軌道之間的間隙較大，模塊的初步定位精確度并不高。如果在這種情況下實現接頭的熱插拔，塑料材質的接頭極易因定位不準、強力插入而被撞毀。所以在離行進終點35 mm處，設計了第二級定位結構。

二級定位結構采用定位銷與定位銷座配合（如圖5），定位精度提高到0.2 mm。同時使用2個定位銷定位，對模塊進行上下左右約束，修正模塊位置，為順利進入三級定位打下基礎。

圖5 二級定位結構

1.4 第三級定位結構

三級定位是熱插拔接頭自帶的浮動結構（如圖6），它由熱插拔接頭、熱插拔插座和固定螺釘組成。

圖6 三級定位結構

固定螺釘與接頭/插座的固定孔位間有0.75 mm的間隙，讓接頭/插座可以以固定螺釘為中心在0.75 mm的圓內浮動。但接駁導線后，布線、扎線會嚴重影響其浮動范圍，所以定位精度一般不能低于0.4 mm，否則模塊不能順利接入。

1.5 功放模塊的糾偏提示

定位銷與定位銷座的配合長度還有一個糾錯提示功能：如果插入功放模塊時太大意，未能讓模塊上方的凸起進入上框的凹槽，那么當模塊被推到離行程結束還有17 mm處，會因定位銷不能進入定位銷座孔而直接抵在后板上，終止行程。此時，熱插接頭之間尚有1.6 mm距離（如圖7）。這可以有效防止因疏忽大意、錯插模塊而撞毀熱插拔接頭的事故出現。

圖7 定位銷與定位銷座的配合長度糾錯提示示意

2 結構的強度分析與校核

結構中托架所受的載荷最為集中，又以安裝鋁導軌處受力最大。因為托架采用Q235鋼材制作，材料屬于塑性材料，故采用第三強度理論校核。又因材料的長度/高度遠大于5，可視做為細長梁進行受力分析。

導軌安裝處的正應力為[3]

式中：M為橫截面處所受力矩，N·m；y為受力點與中性軸的距離，m；Iz為橫截面的慣性矩，m4。

經計算，正應力在導軌的中段時最大，其值為91.34 MPa，遠小于其許用應力170 MPa[3]。最大切應力發生在導軌安裝處的兩端。此處因工藝需要，開折彎槽兩處，故材料的強度有所削弱。代入公式[4]：

式中：Fs為橫截面所受的剪力，N；Sz為需計算的受力點一側的面積對中性軸的靜矩，m3；b為需計算的受力點處橫截面的寬度，m；Iz為橫截面的慣性矩，m4。

經計算得最大切應力為1.913 MPa，也遠小于許用剪應力100 MPa[3]，故設計滿足材料強度需求。

使用有限元分析軟件對模型進行有限元靜態應力、位移分析，最大應力為6.155 MPa，如圖8所示，最大位移為1.3 mm，如圖9如示。

圖9 托架單梁位移分布圖

3 結語

通過解決實際中出現的問題，重新設計的功放熱插撥結構，讓大質量、大尺寸模塊也可以實現熱插拔行為。再依據理論力學中的第三強度理論和細長梁的受力情況，對設計的結構進行校核。最后運用有限元分析方法，對結構進行強度位移分析、驗證設計、計算結果。加工完成的產品也成功地實施了熱插拔的行為，完全達到了預期設計目標，也為進一步的結構改進和優化奠定理論和實例基礎。