交通信號控制機老化設備優化設計*

施楨蓉，范 永，石 磊

(中國船舶集團有限公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

隨著社會經濟的發展，城市化進程加快，汽車保有量迅速增長，智能交通發展迅速。作為交通信號控制的核心硬件產品，交通信號控制機產量快速增加。據賽文研究院發布的《2021年中國道路交通信號機市場研究報告》顯示，2020年交通信號控制系統與設備市場規模為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的生產能力。

電子產品在初期使用中可能集中出現工藝、設計及材料等方面的缺陷引起的早期失效，國內或國外很多標準規定電子電器檢測中必須進行功能測試和老化測試，以發現產品中存在的問題。老化測試中收集到的產品故障統計結果還可用于估算產品的使用壽命、改進產品的設計和制造[2-3]。

某型號交通信號控制機完成生產后，需進行240 h的帶載老化試驗[4]。以往的方式是利用燭型白熾燈作為負載進行老化，存在如下缺點：搬運工作量大、老化時占用空間大、測試時重復工作多耗時長、整個過程耗能高。為滿足不斷提高的產量，需開發一款多臺信號機同時老化、逐臺功能測試、多種型號兼容的老化測試設備，可對信號機進行集中老化測試。

筆者提出了一種老化測試設備，包含了一種適配信號機控制主機形狀和尺寸的鈑金機柜、交換機和外部計算機。機柜能夠容納多臺信號機主機和負載(電阻)進行老化，還能夠感應柜內溫度并自動調節。交換機和外部計算機進行數據交換，完成功能測試。

1 老化設備設計

老化設備包含：機柜、交換機(交換機放置于機柜內部)和計算機。機柜內有負載、風扇、感應測溫器件。圖1為老化設備組成示意圖。

1.1 冷卻方式選擇

假設老化車間環境溫度為20 ℃，機柜內負載工作溫度不超過85 ℃。

圖1 老化設備

設備工作時，電阻負載產生的熱量通過負載單元的散熱片散發，在機柜內部形成熱對流，并最終通過機柜外壁與外部空氣的自然對流散熱。通過計算柜內與外界空氣對流散熱的熱流密度可以分析機柜整體的散熱情況。機柜內部負載總發熱功率為2 880 W,負載所處機箱與空氣的總熱交換面積約為9 000 cm2。由此計算得可得機柜熱穩態下與外界空氣對流散熱的熱流密度為0.32 W/cm2。根據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制對流散熱、碳氧有機化合物浸沒式自然對流散熱或水強制對流散熱。結合經濟成本，現選擇直接空氣強制對流散熱，即強迫風冷。

圖2 熱流密度與散熱方式

1.2 風機風量及安裝方式確定

根據熱平衡方程：

(1)

式中：L為強迫風冷系統所需風量，m3/s；Q為被冷卻設備的總熱工耗，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,通過計算可以得到所需的風量為0.26 m3/s。

在前期估算過程中發現，使用單臺風機無法滿足散熱要求，因此需要使用多臺風機聯合進行工作，通常多臺風機可以通過串聯或并聯的方式進行聯合工作。串聯工作的特點是工作風量基本不變或略微增加，但是風壓倍增，適用于風阻較大的場合。并聯工作的特點是風壓略微增加而風量倍增，其優點是氣流分部均衡，但效率較低[6-7]。由于柜體體積較大，且存在縫隙，若使用串聯工作的方式，必然會出現氣流分布不均的現象。本文在前期仿真對兩種風機工作方式進行了對比，發現使用串聯工作的方式時，老化架內部氣流分布很不均勻，導致部分區域的溫升遠大于其他區域，無法滿足散熱要求；而使用并聯工作的方式可以改善氣流分布，使老化架內部各處的散熱更加均勻。

1.3 風道阻力特性及風機規格確定

按確定工作點的方法，把風道阻抗特性曲線與風扇的靜壓曲線繪制在一張圖上，其交點就是風機的工作點[8],如圖3所示。

圖3 風扇工作點

對于軸流風扇而言，最佳的風扇工作點位于風扇特性曲線的右側1/3處。所以，風扇的最大流量約為系統所需流量的1.5倍左右[9]。通過計算，系統所需風量應大于1 400 m3/h。

綜上所述，選取風扇為林克韋爾LK324.230-D，功率160 W，通過濾網風量800 m3/h，自由吹風1 200 m3/h。將3臺風機分別安裝在上中下三層的老化負載處作為鼓風機，并于老化架頂部設置2臺抽風風扇。

1.4 詳細結構設計

信號機主機一般為19英寸標準機箱，高度通常為4～8U。根據待測信號機、風扇、負載單元、線束的結構形式、尺寸和數量，以及使用操作方式，設計了老化機柜，正面如圖4、反面如圖5、負載單元如圖6。

圖4 機柜正面 圖5 機柜反面

圖6 負載單元

2 熱仿真分析

為降低機柜內溫度，提高機柜內各元器件的工作穩定性及使用壽命，需要對柜體散熱性能進行評估，同時結合結構設計對柜體的下一步整改提出具體實施方案，常用的研究方法為CFD數值模擬[10-14]。本文采用Icepak對機柜進行熱仿真分析，通過分析柜體中各器件的的溫度場、柜內空氣流場分布，分析通道布局找出熱設計解決方案。

2.1 物理模型

如圖7，柜體中部分為上中下三層負載單元，每個單元背面對應一個進風風扇，頂部兩個排風風扇。除了走線空間，負載部分和兩側信號機部分盡量隔離，形成相對獨立的熱循環區域。

圖7 仿真模型

對機柜進行熱仿真分析，通過分析柜體中各器件的的溫度場、柜內空氣流場分布，通道布局找出最合理、經濟熱設計解決方案。為了減小計算成本，對原模型進行簡化。原模型發熱集中在機柜中間，且與左右兩側用擋板隔離，取原模型中間部分進行建模分析。

2.2 數學模型

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速度梯度產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；YM為在可壓縮湍流中，過渡擴散產生的波動；C1ε和C2為常數；σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特數；Sk和Sε是用戶定義的源項。

2.3 邊界條件

對于機柜通風換熱性能仿真，邊界條件主要有壁面邊界、氣體進出口邊界和熱邊界。

(1)壁面邊界：在連續介質假設下，壁面采用無滑移條件，k、ε和溫度t采用壁面函數法處理。

(2)氣體進出口邊界：每個進氣風扇流量800 m3/h，每個排氣風扇流量1 200 m3/h；用柵格模擬機柜側面的孔縫。

(3)熱邊界：每個散熱排上固定18只發熱電阻，每個電阻發熱功率9.5 W，同時工作的只有1/3，環境溫度20 ℃。

2.4 網格劃分

對模型進行混合網格劃分，網格共計200萬左右，其局部網格如圖8所示。

圖8 網格劃分

2.5 收斂性判斷

Icepak計算結果只有收斂時才可以使用，通常可以通過殘差、系統平衡和監測物理量等方式判斷收斂。殘差的收斂情況如圖9所示，監控點的溫度變化如圖10所示。

經過1 000多次迭代后，質量方程、動量方程和能量方程中的參數殘差曲線已降低到設定的標準之下。能量方程殘差小于1e-07，其他殘差值均小于殘差標準1e-03，連續方程的殘差、速度、紊流動能等參數基本上不隨著計算時間的推移而變化，監控點的溫度也趨于穩定。通過殘差曲線圖和監控點溫度趨勢圖可以判斷計算已經收斂，計算結果可用。

圖9 計算殘差

圖10 監控點溫度

3 結果分析與驗證

3.1 仿真結果分析

使用Icepak進行方案仿真，對仿真結果進行對比分析。根據風扇的使用情況，共設計了6種散熱方案，分別為：①頂部開兩風扇，背部開3風扇；②頂部壓力出風，背部開3個風扇；③頂部開2個風扇，背部壓力進風；④頂部開2個風扇，背部開下面風扇；⑤頂部開2個風扇，背部開上面風扇；⑥頂部開2個風扇，背部開中間風扇。仿真結果如圖11～16所示。

圖11 方案1：頂部2風扇+背部3風扇

圖12 方案2：頂部壓力出風+背部3風扇

圖13 方案3：頂部2風扇+背部壓力進風

圖14 方案4：頂部2風扇+背部下面風扇

圖15 方案5：頂部2風扇+背部上面風扇

幾種方案對比可見：方案1開啟了全部風扇，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，負載最高溫度為54.5°，空氣在負載間的流動也較為充分；方案2和方案3分別為只開啟頂部風扇和只開啟背部風扇的情形，方案3的負載溫度明顯高于方案2，原因是頂部風扇的抽風作用無法到達機柜中下部，造成處于中下部位的負載溫度較高；方案4、5、6分別模擬了在頂部抽風的情況下，背部只開啟1個風扇的情況，可以看出，開啟背部不同的風扇，負載的溫度差異較大。

圖16 方案6：頂部2風扇+背部中間風扇

背部只開啟下部風扇，負載間的氣流流動較為充分，因而溫度也較低；背部只開啟中間風扇，中間風扇產生的回流使得下部進風口的進氣氣流被破壞，造成底部的負載溫度很高；背部只開啟上部風扇，頂部風扇的抽風對中間和下部的進風口幾乎沒用作用，導致中間和底部的負載間的氣流流動速度也很慢，散熱效果也不是很理想。

方案1、2、4具有較好的散熱效果，但其空氣流動在局部存在渦流，降低了散熱效果，可以加導風板處理。通過探針，在仿真模型中選取一些列點進行溫度測量，結果如表1和表2所列。由于模型中未考慮負載和機柜的輻射換熱，計算結果較為保守。

表1 探針溫度(頂部2臺風扇+背部3臺風扇)

表2 探針溫度(背部3臺風扇)

3.2 結果驗證

根據方案完成詳細設計，加工后得到實物，進行試運行，測得如圖17所示9個位置的實際溫度，具體溫度值見表3和表4。與仿真結果相比，具有較好的一致性。

圖17 測溫點分布(序號對應見表4、5)

表3 驗證情況(頂部2臺風扇+背部3臺風扇)

表4 驗證情況(背部3臺風扇)

4 結 論

文中詳細闡述了信號機老化設備結構的詳細設計過程，利用仿真技術進行熱分析，并進行了實際驗證，通過驗證得出如下結論。

(1)仿真模型的計算結果與試驗結果有較好的一致性，能較好地模擬現實情況下老化柜體內的散熱效果，為今后電子設備老化測試方法提供思路。

(2)風扇位置和數量對散熱效果影響較大，可以根據實際情況增減風扇的開啟數量。

(3)老化設備能夠可靠、穩定地實現交通信號機控制主機的批量老化。