發射機柜調整管單元的結構設計與仿真分析

周 揚，竇長安，陳 武

（揚州船用電子儀器研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

隨著科學技術不斷地發展，國防裝備也在日新月異的更新迭代，為滿足現代國防裝備的發展需求，需要研制出高性能、高可靠性的裝備。發射機柜是雷達的重要組成單元，內部集成了各種規格、型號數量眾多的電子元器件，如行波管、油箱、調整管單元和相應的電源模塊及電路等［1－2］。調整管單元作為發射機的核心部件，對發射機工作起關鍵作用，負責高壓線性電源的穩壓功能，而隨著電子元器件的小型化，集成電路的高集成化和微組裝等，元器件、組件的熱流密度不斷提高，熱設計也面臨著嚴峻的挑戰［3］。而調整管單元極高的功率密度，對散熱一直有很高的要求。發射機柜布局中，調整管單元與高壓油箱、高壓隔離變壓器等元器件共同安裝在發射機柜底板上，高壓油箱、高壓隔離變壓器均為貨架標準產品，結構尺寸無法變更。為滿足調整管單元及發射機柜的內部整體散熱需求，對調整管單元的結構設計及散熱方式提出了較高的要求。

本文基于現有研究理論，結合項目實際特點和需求，根據發射機柜內部空間布局及散熱要求優化調整管單元的散熱形式，對調整管單元結構進行了設計，通過熱、力仿真分析及相關環境試驗驗證，經設計改進后的調整管單元在結構強度上能夠滿足要求，便于使用和維護，從而降低調整管的故障率，保證調整管單元在實際工作中運行穩定可靠。

1 調整管單元組成及安裝散熱形式

調整管單元主要由風機座、風機、調整管、高壓無感電阻和散熱器等組成。由于調整管單元內部器件較多、外形較大、重量較大等原因，為保證發射機柜重心、布局要求，一般將調整管單元安裝在發射機柜底部。新機柜的結構形式摒棄了常規的非密閉機柜形式，采用了密閉機柜，該結構形式使機柜內部形成一個密閉空間，不僅能有效隔絕外部熱源干擾，還可以有效改善機柜內部電子元氣件的使用環境，提高了電子元器件的可靠性及環境適應性。新設計的機柜利用旁路風道將冷卻風引至機柜底部，保證機柜底部調整管單元及其他模塊的散熱風量。最后利用風機將熱空氣上升至機柜頂部并進入氣液交換器中形成循環。機柜散熱方式如圖1所示［4］。

圖1 機柜冷卻方式示意圖

2 調整管單元設計

2.1 散熱結構形式

目前，發射機柜的冷卻方式主要有自然冷卻、強迫風冷和液體冷卻3種方式［5］。液體冷卻通過結合熱管、微通道技術，更好地實現了熱量控制的目標，液體冷卻相對于其他兩種冷卻方式而言，其冷卻速度更快［6］。在新設計中，為提高機柜內部的散熱性能，發射機柜內部采用氣液交換冷卻技術，替代了原發射機柜底部散熱采用單一風冷方式。發射機工作時，輸出功率只占輸入功率的一小部分，其功率損失一半都以熱能的形式散發出來，電子設備內部任何具有實際電阻的器件都是一個熱源［7］。電子元器件隨著溫度的升高，時效率迅速增加。一般元器件的環境溫度升高10℃，元器件的失效率會增加一個數量級［8］。調整管單元是發射機的核心部件，也是發射機柜內主要熱源之一，調整管的熱量主要包括兩部分：一為高壓工作時在調整管上約3 kV的管壓降帶來的損耗；二為調整管的燈絲產生的熱耗。因此調整管的熱量為ΔP調整管＝245 W。

根據機柜的冷氣出口位置，將調整管單元的進氣口設計在底板上，安裝位置與之對應，便于上方風機排氣。調整管單元中的調整管是整個單元內部熱耗最高的器件，采用將調整管安裝于風機與進風口之間及散熱器置于調整管下端的結構方式，能最快速度降低調整管的溫度。調整管通過導熱硅脂將熱量傳導至翅片散熱器，而該散熱器的處理能力有限，作為輔助手段，通過增加一個交流風機進行強迫風冷，將調整管的熱量及時帶走，以降低調整管的管殼溫度。如圖2所示。

圖2 調整管單元散熱形式設計示意圖

2.2 調整管座結構

調整管單元內部核心結構件為調整管座，調整管座主要由調整管、散熱器、散熱器底座、散熱器側座構成，如表1所示。

表1 調整管單元主要結構件

按GJB150A－2009振動條件要求進行結構設計，對以下零件的進行了設計［9－10］：

（1）為了提高零件強度設計余量，對聚砜底座進行了設計，保證爬電距離不變的情況下，增加了端面法蘭的厚度以及中心支撐直徑，增加工藝圓角；

（2）由于散熱器重量較重，對散熱器進行了適當的減重設計，且在不影響主風道的情況下，在散熱器側面增加輔助安裝面以減小懸臂振動的影響；

（3）增加側板過渡安裝件，采用聚四氟乙烯材料，與側板的連接采用尼龍螺栓，避免懸浮地擊穿。

調整管與散熱器通過調整管端部M24×1－6g的螺紋連接，散熱器與座通過6個GB／T5782－2000 M4×20的螺釘連接，座與底部固定板通過6個GB／T819.2－2000 M4×16的螺釘連接。新設計的調整管座結構如圖3所示。

圖3 調整管座結構及安裝圖

2.3 調整管單元外形尺寸

由于機柜內部空間緊密，調整管單元的上端有其他單元器件，加之調整管單元本身的重量較重，為了滿足密閉機柜維修性設計，調整管單元的安裝方式采用插銷加螺釘緊固方式。如圖4所示，該方式通過導銷定位調整管單元的安裝位置，利用靠近機柜門一側的空間，將調整管單元推送至導銷端，待其安裝到位，在靠近機柜門端一側利用螺釘將調整管單元固定在機柜底部的安裝板上，拆卸時與安裝步驟相反，只需拆除前端安裝螺釘便可直接將調整管單元從機柜內部抽處，有效的避免了裝卸是與上端器件的碰撞。提高了發射機柜內部的整體的維修性。

圖4 調整管單元安裝方式

機柜內部的其他部件的外形橫向增加25 mm，依據其尺寸對調整管單元的外形尺寸進行了重新設計，將模塊橫向尺寸設計成240 mm，調整管單元的外形尺寸如圖5所示。

圖5 調整管單元外形尺寸

3 驗證與結果分析

綜合以上設計，新設計的調整管單元結構圖如圖6所示，接下來對該結構進行熱力學及力學仿真分析。

圖6 調整管單元內部結構圖

3.1 仿真分析

3.1.1 散熱性能仿真

仿真條件：進口風溫為30℃，風量為120 m3／h。調整管單元熱耗為245 W。

仿真結果分析：最高溫度在85℃左右，結果表明該散熱方案可行，散熱效率高，滿足調整管單元表明不高于90℃的散熱要求；由圖7空氣流場云圖可看出，空氣流動比較順暢。圖8為調整管單元溫度場放大圖。

圖7 流動跡線圖

圖8 調整管視圖局部視圖

3.1.2 力學仿真

調整管單元聚砜樹脂材料的抗拉強度為77～82 MPa，疲勞強度約為24 MPa（1／3的抗拉強度）［11］。對新設計后的調整管單元進行了2種振動工況的分析，分別按照高速公路卡車振動環境和掃頻振動的進行仿真［12］。

通過計算結構的模態，來分析結構振動剛度，前幾階模態對底座的影響較大，仿真結果一階模態為155 Hz，剛度有大幅度提高，如圖9所示。

圖9 優化件一階振型和各階模態頻率

高速公路振動條件下，在模型優化后，底座上部內側根部處的最大應力值約為2.62 MPa，鋼板的最大位移為0.017 mm，如圖10所示。

圖10 高速公路振動條件下底座及鋼板應力云圖

振動掃頻條件下，經過仿真分析，在模型優化后，底座上部內側根部處的最大應力值約為2.38 MPa，鋼板的最大位移為0.007 mm，如圖11所示。

圖11 振動掃頻條件下底座及鋼板應力云圖

仿真結果表明：兩種工況下底座上部內側根部處的最大應力值都遠遠小于疲勞強度約為24 MPa。

3.2 實物驗證

對新設計的聚砜底座實物進行了模擬負載的高速公路運輸振動試驗驗證（X向／Z向），并在試驗過程中對底板風道加強筋處增加傳感器測試，試驗結束后底座零件狀態正常，傳感器顯示加強筋處振幅局部放大，如圖12所示。

圖12 高速公路運輸振動試驗驗證（X向／Z向）

聚砜底座、散熱器、過渡塊進行了整體安裝，并按GJB150A－2009振動試驗條件進行驗證（X向／Z向），試驗結束后檢查各零件狀態正常，如圖13所示。

圖13 GJB150A－2009振動試驗驗證（X向／Z向）

4 結束語

本文調整管單元為滿足發射機柜散熱要求，通過設計新結構形式，將機柜底部的冷卻空氣吸入調整管內部，并將熱量排出至機柜內部，散發至發射機柜內部熱量通過其他輔助器件上升至機柜頂部并進入氣液交換器中，從而完成風冷循環。為解決了發射機柜內部空間緊湊安裝繁瑣的問題，重新設計了調整管內部風機安裝位置，并優化設計了調整管安裝底座結構外形。最終通過對調整管單元進行實物試驗驗證，證明了新設計的調整管單元結構形式能夠滿足密封機柜的使用要求。綜上所述，通過熱、力仿真得出新設計的調整管單元滿足發射機柜內部散熱設計及力學強度要求。有效的提高了空間使用率和維修性，在實際工作中運行穩定、可靠，效果明顯。