一种机载电源机箱的结构设计

撰文/宋杰穆文林曾建江

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一种机载电源机箱的结构设计

撰文/宋杰1穆文林1曾建江2

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■2.324000 94850部队 浙江 衢州

本文介绍了一种机载电源机箱的结构设计，分别从结构方案设计、热设计、电磁屏蔽设计、抗振动与抗冲击设计、三防设计等五个方面阐述了机载电源机箱的设计思想和实际应用。经过验证，该机箱满足设计要求，在使用中工作可靠、维修性好。关键词：电源机箱；热设计；电磁屏蔽；抗振动；抗冲击；三防设计

机载电源设备一般为独立设备，是机载电子系统中重要的组成部分，随着机载产品的高集成化，对电源设备的要求也越来越高。机箱需满足散热性好，可靠性高、维修性高、小型化、轻量化等要求。

飞机设计总体对机载电子产品的尺寸和重量都有严格的要求，在最大限度保证设备小型化、轻量化的前提下，机箱的结构设计往往不能采用GJB 441-88的尺寸规范，而是根据飞机设计总体给出的有限位置和空间进行非标设计［2］。

结构方案设计

机载电源组件是由电源机箱和托架两个LRU组成，电源机箱快速装拆和托架固定，托架接入飞机环控供风。飞机总体要求装机空间为439mm×209mm×220mm，环控风为20kg/h。

根据飞机总体要求的结构尺寸，确定电源机箱为非标机箱，采用铝合金材质，通过铣加工成侧板后用紧固件拼接而成。机箱内部采用模块化设计，共分4个模块，每个模块通过楔形锁紧装置竖直安装于机箱内。模块间和对外通信通过位于机箱底部的母板进行互联。机箱结构示意图见图1。

图1　机箱结构示意图

a热设计

设备工作温度为-55℃～+70℃，电源模块的工作温度≤100℃，对热设计的要求为：在环境温度70℃时，使用飞机环控风将发热器件温度控制在100℃以下。

为了满足总体要求，机箱采取夹层式设计，环控风从机箱后部进入，从机箱两侧导出。每个模块均设计有冷板，模块内的发热器件贴导热垫后固定在冷板上，将发热器件的热量通过冷板传导到机箱侧板，在两侧的侧板由环控风将热量带出机箱。

电源机箱结构设计完成后，利用FloEFD软件进行仿真分析，设定环境温度为70℃，机箱表面与环境热交换系数为15W/K·m2。由于机箱是以传导和对流相结合为主的散热方式，因此不考虑辐射散热方式。机箱热功耗预计为110W，只考虑4个主要模块的热功耗，其余由于发热较小，将其忽略。4个主要模块的热功耗分别预计为40W、35W、30W和5W。机箱结构件和冷板的材质为Al 6061-T4，电路板材质为FR-4。

经过简化模型、网格划分和软件仿真，机箱内部温度分布如图2所示，从图中得到最高温度为83.6℃，符合设计要求。

图2 电源机箱热仿真结果

b电磁屏蔽设计

电磁屏蔽是整机设计时考虑的一个重要因素，必须和设计同步开展，这样才能保证整机的性能。电源机箱在总体布局时，将滤波器放置于交流电源入口处，以降低线缆的传导干扰。机箱在设计时考虑电磁屏蔽，以减少辐射干扰。机箱所用铝合金材质的结构件，表面均经过导电氧化处理，使之能够长期保持良好的导电性能。机箱前后面板和侧板间采用嵌入式设计，增加接缝的深度，以提高屏蔽性能；上下盖板和箱体的结合面上加工方槽，放置导电硅橡胶条，胶条通过盖板的压力后变形，保证胶条与结合面结构件的良好接触，增加屏蔽性能［2］， 如图3所示。电连接器和面板之间增加导电衬垫，这种衬垫经模压制成，形状定制，垫在连接器与结构件之间，具有良好的电接触性能，能有效的控制缝隙泄露。

图3　导电硅橡胶条安装示意图

c抗振动与抗冲击设计

机箱框架零件采用12mm厚铝板，通过互相嵌入而成形，局部做减重设计，结构强度高。因此电源机箱的抗振动设计主要考虑机箱钢丝螺套的使用和印制板及其元器件的固定。

材质为铝合金的机箱

零件，直接攻丝易滑丝，因此采用钢丝螺套工艺。钢丝螺套的应用，使得载荷在每圈螺纹上的分布均匀，增强螺纹连接的承载能力和抗疲劳强度；用在经常拆卸的部位，耐磨损，可提高螺纹的使用寿命；如有损坏，修复后可继续使用，避免零件因螺纹孔损坏而报废；钢丝螺套一般为钢件，相对于铝合金，具有重量轻、体积小、强度高等优点。钢丝螺套的使用进一步提高了机箱的抗振动与抗冲击性。

模块中的印制板均设计冷板与之固定，用来增加印制板的刚度，以减小在振动和冲击试验中的变形量。模块均采用楔形锁紧装置固定设计，将其通过机箱的导向槽插入后，拧紧紧固件来固定。采用起拔器设计，方便模块的拔出。楔形锁紧装置示意图见如图4。

图4　楔形锁紧装置示意图

d三防设计

三防设计是机箱结构设计的一个要点，机载电子设备的机箱均要满足GJB 150A-2009所规定的湿热、盐雾、霉菌试验要求［1］。

夹层式设计的机箱中，环控风只在风道中流动，不会与机箱内部的元器件接触，可以减少环控风中杂质和水汽对元器件电气性能的影响。

机箱采用结构件中，材质为铝合金的零件表面做导电氧化处理，非接触面喷涂丙烯酸聚氨酯三防清漆；材质为不锈钢的零件表面做钝化处理。机箱外表面喷丙烯酸聚氨酯磁漆，以进一步提高三防能力。

机箱用不锈钢零件和各种紧固件均采用1Cr18Ni9Ti材质［3］。

结论

电源机箱在设计过程中充分考虑了模块化设计、热设计、电磁兼容设计和三防设计，做到了结构紧凑、重量轻、空间利用率高，机箱内各模块分布合理，插拔方便。机箱和托架固定后，进行了温度、冲击、振动、湿热、温度-高度和电磁兼容试验，均符合设计要求。证明机箱的结构设计、热设计和电磁兼容设计合理，满足总体要求［4］。

由于空间尺寸的限制，虽然是非标机箱，但设计时均按照标准航空设备机箱的要求进行设计，达到了模块化、小型化、轻量化的要求。电源机箱在使用中工作可靠、维修性好。

参考：

［1］李响.军用机载通讯设备机箱结构设计技术［J］，电子世界，2013，11：115-117.

［2］杨群.小型化机载电子设备的设计和应用［J］，电子机械工程，2009，25（5）：31-33.

［3］董志力，张大勇，林军.加固机箱的结构设计［J］，红外与激光工程，2006，35：195-198.

［4］艾文光.机载ATR机箱结构设计［J］，测控与通信，2010，3：40-44.