電子機柜結構設計的方案優化

王菁

（中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

我國的造船事業正伴隨海航市場的擴大而更新換代，船只的噸位逐步提高，為了適應船只性能提升帶來的電子機柜設計要求提升這一變化，設計者就要根據船舶設備的供電功率、電磁輻射等問題有針對性對機柜的設計方案做優化調整，讓機柜充分滿足船舶電子設備大功率、高效率、安全可靠的運作需求，推動造船事業的安全發展。

1 電子機柜的設計需求

1.1 結構設計

結構設計是機柜設計中的根本要求和基礎條件，機柜的核心在于骨架，骨架是設備放入機柜中的主要載荷受力對象，在電子設備中起到了支撐設備運作的效果。設備能否安全使用，就要看骨架的強度和裝置剛度是否合理[1]。船只運輸中，機柜始終處于不穩定的運輸狀態，比較容易因為海浪、風暴等因素發生顛簸、震動問題，所以相比一般電子機柜，作為船舶設備的電子機柜遭遇外部沖擊的次數更多，發生變形的可能性更高，因此在設計船只所用的電子機柜時，對骨架剛性的要求也更高。

1.2 散熱設計

機柜散熱是設計者在設計過程中要格外重視的環節，電子設備在運作過程中會產生大量的熱量，這些熱量如果沒有合適的散發方式，將會聚集在設備內部，對設備的電子元件造成損傷，不僅會引發設備故障，而且將導致設備的使用壽命下降，增加船只所屬單位維護船體的開支[2]。在設計機柜的散熱系統時，設計者要注意對熱功率，即設備的發熱功耗加以掌握，并結合設備的熱功率思考如何將熱量從設備的元器件向周圍環境傳遞，從而實現散熱穩態，保護電子設備的穩定與安全。

1.3 抗干擾設計

信號穩定是電子設備維持正常運作的根本，船只在航行中容易遭遇磁場波的干擾，如果不能有效過濾和屏蔽這些電磁波，創造出良好的電屏蔽環境，將會對船只的電子設備的運轉造成極大的阻礙，影響到電子設備的運行狀態，降低運作效率[3]。

2 電子機柜的設計方案

2.1 電子機柜的結構設計方案

2.1.1 強度設計

強度電子機柜結構設計中重要性較高的一環，強度設計和機柜的可靠性以及使用壽命密切關聯，為了保證設計的合理性，設計師需要注意計算機柜結構件的應力和受力，以此作為評估依據，對機柜結構設計的強度要求進行鎖定，保證設計的合理性[4]。

設計者根據公式(1)和公式(2)計算出機柜的最大剪力和最大彎矩，并將計算結果和材料的物性進行對比，由此可以知道結構設計的合理性，并明白該如何調整機柜的強度指標。

其次是橫梁的彎曲強度，機柜的梁上應力會隨截面位置的改變而隨之改變，設計者在設計機柜結構時需要找出最大應力所在的截面，最大應力所在截面是機柜結構中的危險截面，這個截面最容易出現工作應力超過材料許用應力的情況，也是機柜橫梁中最容易彎曲的部分。將危險截面的最大應力用бmax表示，將危險截面的彎矩用Mmax表示，將抗彎截面系數用Wz表示，將機柜材料的許用應力用б 表示，機柜的橫梁強度條件計算如下：

根據公式(3)可計算出機柜的強度條件，從而明確危險截面的最大應力情況，合理加強截面強度，從而避免彎曲問題的發生。

2.1.2 減震設計

船只在運行中會因為船體晃動和顛簸等問題讓高速運行的電子設備長期處于振動狀態，為了讓電子設備的運行穩定，使設備在運作中始終保持動態平衡，設計者就要思考如何實現電子設備的振動降低和阻尼能力提高，減少不平衡現象的發生[5]。通常來說，為實現機柜的有效減震，設計者會為電子機柜設計特別的減震結構，常見的減震機構設計是采用彈簧減震器系統來吸收機柜設備運作時的動能源，以此降低減震體的相互作用情況。但是考慮到船只航行過程中的船體晃動情況，僅僅依靠減震設計很難滿足電子機柜的消震需求，所以還需要在進行隔震設計，以此增強阻尼作用，具體而言，設計者要在機柜內的電子設備間加裝阻尼板襯墊，減少震動強度，同時還應對機柜內各組成部分做詳細的物理機制分析，確保采用的設備裝置方式合情合理，設備的結構參數以及懸架性能指標都符合最佳結構參數要求，實現機柜的良好抗震。

2.2 電子機柜的散熱設計方案

2.2.1 材料選擇

散熱設計的核心在于快速將系統產生的熱量傳遞到機柜之外，避免機柜中的溫度環境超標，對電子元器件造成損傷，故散熱系統需要選擇熱導率材料作為基礎，以此來讓設備的接觸熱阻降低，增大機柜的傳熱面積，這樣可以縮短熱傳導路徑，讓電子設備實現快速散熱，比較常用的散熱材料有鋁合金和導熱油脂等，以鋁合金為基礎材料可以提高熱輻射效率，鋁合金的黑度和表面積越大，則散熱性能越良好，故設計師在選擇設計材料時也當以此為基礎，盡量挑選符合電子設備散熱要求的材料制作散熱系統，實現對機柜熱量的充分傳遞。

2.2.2 散熱方式選擇

自然對流散熱和輻射散熱是船舶機柜較常使用的散熱方式，自然對流散熱是在機柜頂面和側面設置散熱端口，將熱功耗以自然流動的方式傳遞到外部環境中，自然對流散熱的散熱設計要點在于對熱功率的確定，而要確定熱功率就要進行冷卻計算，熱功率的計算包括自然對流換熱系數、自然對流換熱發生面積、機柜外殼表面溫度、環境溫度等幾個部分。此處以h 代表換熱系數，以A 代表換熱發生面積，以Ts代表機柜外殼表面溫度，以T∞代表環境溫度，以б代表電子設備的熱功耗，也就是熱量對時間的導數。設計師可以采取牛頓冷卻公式來計算和獲得電子設備的熱功耗，具體如下：

在公式(4)中，對流換熱系數與常規散熱設計的導熱系數有很大差別，對流換熱系數并不是物理參數，而是經驗參數，即對流換熱系數的確定不是以物體為依據，而是以實際條件來確認。設計者在確定對流換熱系數時，要對船只環境進行仔細的檢查和測試，以此獲得最準確的流換熱系數，保證熱功率計算的準確性。

輻射散熱是設計師將機柜的頂面和側面的熱功耗用輻射形式傳遞給天花板或者墻壁，實現對柜內溫度環境的調控。輻射散熱確定熱功耗使用的是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，其計算內容包括了機柜表面發射率、斯蒂芬-玻爾茲曼常數、機柜表面積和機柜的表面溫度等幾個部分。此處以ε表示表面發射率，以б表示斯蒂芬-玻爾茲曼常數，A 表示表面積，Ts表示機柜外殼表面溫度，以T∞表示船體的天花板和墻壁溫度，計算公式如下：

在公式(5)中，斯蒂芬-玻爾茲曼定律設定是絕對溫度。即如果真實的環境溫度比設計師給出的假設溫度要高，那么在電子設備的輸入功率保持不變的情況下，即使電子機柜的表面溫度跟外部環境間不存在溫差變化，但最終設計師所計算出的熱功耗會比實際的熱功耗低。故設計師在采取輻射散熱時要特別重視此點。

強制對流散熱是在自然對流散熱和輻射散熱都無法滿足電子設備的情況下所采取的散熱方式，設計師可通過給機柜加裝風扇的方式來滿足電子設備在運行時的散熱需求。強制對流散熱確定熱功耗使用的是熱力學定律，其計算內容包括了空氣質量流速、空氣恒壓比熱、空氣進口溫度和空氣出口溫度等幾個部分。此處以? 表示空氣質量流速，以Cp表示空氣恒壓比熱，Ti表示空氣進口溫度，To表示空氣出口溫度，計算公式如下：

根據公式(6)中，設計師可以有效確定滿足設備熱功耗需求的風量，從而適當在機柜中加裝風扇，讓熱量能有效向外部環境傳遞，實現良好散熱。

2.3 電子機柜的抗干擾設計方案

2.3.1 材料選擇

船舶機柜的理想材料以磁導通率為標準，磁導通率越高，做成的屏蔽體屏蔽效果越好，鐵、鋁、鋼和銅都是比較理想的材料，用這些材料組合制作的屏蔽體能對電磁波起到很強的反射損耗，可以為設備創作好的電屏蔽環境[7]。除了組合屏蔽體外，以不銹鋼為材料的屏蔽殼體也有不錯的電磁屏蔽效果，可以選擇作為船舶機柜的基礎屏蔽材料。

2.3.2 導電柔性介質的屏蔽設計

設計者要使用導電橡膠墊、導電布和金屬絲網等作為導電柔性介質，這些介質需要填充到機柜的縫隙處，以此幫助機柜縫隙實現結構件的電接觸，讓結構件間能夠充分導電，使電磁屏蔽作用完全發揮出來[8]。導電柔性介質有平面安裝和溝槽安裝兩種安裝思路，平面安裝是利用導電膠將導電橡膠粘固到箱體上，然后用螺釘和箱體將蓋板加固處理。溝槽安裝是通過鑲嵌的方式將導電橡膠條鑲到箱體上，從而實現屏蔽效果。

2.3.3 螺釘設計

螺釘是機柜結構中對電磁屏蔽效果影響較大的一環，這是因為螺釘的安裝會讓機柜中互相連接的結構件電接觸，同時能夠減少結構件的縫隙，對電磁泄露產生阻擋效果。所以螺釘的數量及間距在電子機柜抗干擾設計中占據了非常重要的地位。螺釘的安裝數量越多，間距越小，分布越密，那么機柜的屏蔽效果會越好。但是值得注意的是，如果為了追求屏蔽效果而一味增加螺釘安裝數量，會導致機柜的裝配變得繁瑣又麻煩，而且會令生產時長過度延長，反而會阻礙設備的正常運作。所以在實際設計中，設計師要選擇λ/20 波長來當做螺釘的安裝間距。

3 結語

船舶設備的電子工具要考慮其航行狀態所帶來的振動和沖擊，這些動態機械力會很容易造成機柜的變形，并損害機柜的電子元器件及電路工作穩定性，令電子設備受損，設備的使用壽命縮短。而要克服這些問題，設計者就要注重機柜的結構設計、散熱設計和抗干擾設計，要通過合理的機柜強度優化、散熱系統優化以及電磁屏蔽優化，為電子設備提供完美的運作環境，減少船只航行對電子設備造成的負面影響，確保電子設備可以在運作中始終保持動態平衡，為船舶設備的穩定運轉提供牢固的支持。

參看文獻

[1]金靜.低壓開關柜結構設計對電氣性能的影響[J].居舍,2020(10):103.

[2]楊坤,程志剛,王巍.一種機柜結構設計中的散熱分析[J].科技視界,2019(35):25-27.

[3]張小建.開關柜結構設計與制造的實踐研究[J].城市建設理論研究(電子版),2018(32):98.

[4]郭龍.通信用一體化戶外機柜結構設計要點[J].科技風,2018(16):65-65.

[5]賈松.標準機柜的參數化建模設計方法[J].機械工程師,2021(10):49-51.

[6]余濤,劉毅,張磊.基于氣液熱交換器的密閉機柜熱設計[J].電子機械工程,2021(03):17-21.

[7]丁文,韓德斌.淺談形式美法則在電力機柜設計中的應用[J].工業設計,2021(04):155-156.

[8]梁帥奇,張華潤,姜輝等.某型強制風冷直流變壓器機柜風道設計與優化[J].電力電子技術,2021(02):50-53.