高原制氧環境適應性設計

蘇玉蕾，王永鑫

（中國船舶重工集團公司第718研究所，河北邯鄲 056027）

中國是世界上高原面積最大的國家，具有“世界屋脊”之稱的青藏高原占國土面積的1/4，青藏高原一般海拔高度在2 500~4 500m，部分地區超過5 000m。

高原氣候條件惡劣，其特點是大氣壓力低，空氣密度小。含氧低，晝夜溫差大，低溫期長，空氣干燥，風沙粉塵大等。氣壓的降低，容易引起氣體或液體從密封容器內向外滲透，容器內外壓差增大，甚至可能引起容器破裂。因此制氧設備艙室在非工作狀態時，天窗、通風風扇、換氣百葉窗、門都要鎖緊，才能保證內部環境的保溫性能及密封性能。

1 工作環境影響及分析

1.1 氣候環境

考慮到高原地區溫度較低，室外設備工作溫度在-25~+40℃，廂內設備工作溫度在0~+40。溫度可導致元器件的物理損傷引起性能下降，可以改變材料性能和幾何尺寸，造成材料發硬、電纜發脆，結構強度減弱。為此，啟動制氧設備時，采用熱風機進行預熱提高其工作啟動時的環境溫度，當設備完全啟動后，打開天窗、進風扇，關閉熱風機供暖通道。

氣壓的下降，會使材料中的填料和溶劑物質加速揮發或蒸發，材料發生分解、蛻變，加速老化失效。設備中的電纜、廂體及表面涂漆和輪胎等會受到影響。在電纜及管道外增加車載波紋管防護套，同時在廂體、工作平臺的表面涂防護面漆，提高設備的壽命及耐候性。

1.2 機械環境

隨著車輛的運行，制氧設備在車廂內會受到各種顛震、傾斜和搖擺等多種形式的機械力作用。車廂外設備還會受到風載荷而產生的機械力影響。長期的振動或頻繁的沖擊容易使設備產生嚴重機械應力疲勞、金屬導線折斷、金屬構件斷裂變形和結構失效、繼電器和開關的瞬間斷開、電子插件性能下降、電接觸和電連接瞬時短斷路等。采用以下減震和緩沖設計：

（1）設備安裝在一個整體的下支架上，整體結構做減震，框架主體下部及動力設備下部安裝專門的減震裝置。減震裝置應同時具有隔振和緩沖兩種功能，具有足夠的吸收儲存能量的位移空間，保證不出現剛性碰撞。

（2）機器設備的連接要牢固可靠，安裝材料的減振性能要好，以提高機器設備的穩定性和使用可靠性。如在空壓機底座的槽鋼架上增加支撐斜梁（即加強筋），采用雙面焊接，提高整體減振性能和強度。

（3）設備之間的連接采用軟連接和硬連接相結合的方式。所有緊固件設置合理的裝配方法及鎖緊裝置。

1.3 電磁環境

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）一般指電氣及電子設備在共同的電磁環境中能執行各自功能的共存狀態，即要求在同一電磁環境中的上述各種設備都能正常工作，又互不干擾，達到兼容狀態。這個概念有兩層含義，第一是電氣及電子設備要具有抵抗外界電磁干擾的能力；第二是電氣及電子設備對外發射的電磁干擾不能超過一定的限值，要盡可能少。

對于任一個電子設備既可能是一個干擾源，也可能是敏感設備，因此電磁兼容測試分為電磁干擾發射（EMI）和電磁干擾敏感度（EMS）測量兩大類，通常再細分為4類：輻射發射測試、傳導發射測試、輻射敏感度（抗擾度）測試和傳導敏感度（抗擾度）測試。制氧系統在使用中由于存在電機、電器等元器件，該系統在使用過程中可能會產生電磁波，或者外界產生的電磁波是否會影響到車載制氧系統的正常工作。在設計工程中也會充分考慮。

制氧機設備和系統不應發射影響無線電業務、其他設備和系統基本性能的電磁騷擾，而且該設備和系統的基本性能對電磁騷擾應有符合要求的抗擾度。由此分別對控制箱體、電氣布線及電路選擇合適屏蔽性能的結構載體，采用多層屏蔽設計。

1.3.1 控制箱體設計

控制箱設備設計成一個長方體、全金屬結構的小控制箱，以屏蔽監控箱周圍磁場的干擾；對控制系統外引線進行屏蔽以防外部環境的干擾；加大金屬零件之間的重疊面積；電磁能量經孔洞泄漏會降低屏蔽體的效能，應減少箱體對外的開孔面積，且屏蔽效果會隨著孔洞的增大而變小，孔洞的尺寸應小于λ/50，且不得大于λ/20。

1.3.2 電氣布線設計

采用大電流的電源電纜線作為輸入、輸出線，將電力電纜與屏蔽信號電纜分開單獨布線。選用同軸電纜、屏蔽導線等作為信號線。采用固體薄膜保護劑對接插件進行涂覆提高接插件的可靠性，對灌封后的插頭座套上熱縮套管使導線位置固定。

1.3.3 電路設計

選用具有良好抗干擾特性且滿足設計性能要求的電器、儀器儀表等。選用分布電容小、抑制帶大的配電器，以減少系統干擾。電源部分采用濾波器隔離、屏蔽高磁諧波，抑制外部干擾和內部干擾信號的輸出。為防止電磁干擾，需進行接地，盡可能減小接地電阻和地線阻抗，強電電路和弱電電路相隔離。

2 結構設計

通過對車廂結構進行合理的結構設計來抵抗惡劣環境的影響，提高制氧設備的環境適應能力。

2.1 廂體結構設計

2.1.1 廂體保溫性設計

為了保證車廂內有足夠的啟動溫度，通過風機實現供暖。箱體要進行保溫性設計。通過增大聚氨酯泡沫的填充密度，廂體處黏有保溫棉，金屬連接處做隔熱處理，減小溫度傳導速度，整體保溫性能提高，如圖1所示。

圖1 保溫結構

2.1.2 廂體密封性

可靠的密封能阻止廂體在使用過程中熱量的散失，在做廂體結構密封壁板拼接時，采用在壁板與壁板間的接縫處涂覆密封涂層，外側黏接密封膠皮。廂體框架與廂體板結合面均涂密封膠并以鉚釘固定，采用閉口鉚釘以提高鉚接處的防水密封性，且每只鉚釘涂密封涂層聯結。廂體內每個板件、角件均帶密封涂層后螺裝。門、窗、孔口及框口周圍均安裝有密封橡膠條，確保后門關閉時，水密、氣密性能良好。密封膠條的開槽尺寸合理設計，其相對變形量控制在10%~20%。

2.1.3 廂體結構設計

避免采用易積存腐蝕介質、雨水或冷凝水的結構，車廂頂部避免采用凹陷結構，避免積水導致腐蝕。易積水的部位設置排水孔。將內腔和盲孔設計成通孔，便于排水和排除濕氣。排水面積不小于100mm2。

柜體表面形狀簡單，采用光滑過渡，避免結構過分復雜，隨意組合的表面形式會使防腐蝕復雜化。零件邊緣應使用圓角過渡，控制機械裝配間隙，以降低磨振腐蝕。廂體所有連接的零件保證表面平直、完整，突出表面的緊固件盡量減少，采用埋頭鉚釘和螺釘，并將突出表面的緊固件進行密封保護。

廂體內所有抽屜接插件、機柜、組合件、門等在前后面裝有兩個引銷，配合零件需非常嚴密，安裝鎖定裝置，避免震動時相互沖擊。所有緊固件應有防松措施。

2.2 制氧主機機箱結構設計

制氧主機機箱采用框架結構，設計成穩定結構，主承載構件采用焊接件。采用加強側板、面板與框架的連接剛度。螺釘的直徑、數量、布局也應有利于結構加固，加強板的端點處有螺釘固定，面板與機架采用防松螺釘聯結。箱體底板是電子模塊、組件安裝基礎，在底板不宜開孔洞，如果開孔需采用加肋、加筋、翻邊等措施提高底板的剛度。內部所有部件、組件的組合重心，應落在箱體內導柱與面板的支撐面內，防止局部扭曲應力。

3 降噪設計

主要噪音源制氧設備、空壓機、發電機在工作過程中會產生較大噪音，影響使用人員的休息，通過設計改進，可大幅降低噪音的干擾和破壞，提高使用者的吸氧體驗。通過以下措施進行改進：

1）合理布置廂體內空間，將人員休息廂室布置于車體前部，可以降低車體運行時造成的顛簸與震動，同時可與車體尾部噪音較大的發電機室進行隔離。中間布置噪音較小的制氧廂室。

2）采取減振措施，并避免設備共振。

3）在吸氧廂、制氧廂之間設置隔音擋板，廂體內采用隔音、消音材料。加強門、窗、開孔等位置的密封處理，減少外部噪音的干擾。

4）柴油發電機組室是整機的最大噪聲源，必須對噪聲進行消聲降噪設計，通過在發電機廂室的壁板上安裝鋪設厚度為50mm高效吸音材料，內襯厚度為1mm的沖孔鋁板，達到減重吸音的目的。

4 結束語

環境適應性作為電子設備的主要性能指標，以及提高設備可靠性及延長使用壽命的重要手段，其涉及的范圍比較廣，難題比較多，設計難度也較大，在設備的研制過程中應全面考慮。采用先進方法和工藝進行環境適應性設計，充分將定性和定量相結合。此外，前期進行各項模擬和實地測試實驗，定期檢查維護，積累豐富經驗及提高環境適應性能力的各項數據，將技術基礎研究積累的數據和專家經驗相結合，為今后的設備設計提供借鑒與參考。