新型车载雷达模块化机柜的设计

　　 新型车载雷达模块化机柜的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 3 刘国维 (南京电子技术研究所 , 　江苏 南京 210013) 摘 　要 :新型车载雷达模块化机柜为军、民两用的电子设备通用载体 ,特别适用于车载、舰载电子设备以 及在任何恶劣环境下工作的舱内电子设备。文中主要介绍了车载雷达模块化机柜的设计过程 ,通过创 新的机柜立柱 ,为机柜的结构形式及屏蔽、接地、走线、机柜造型、通用性等带来很多方面的优越性。 关键词 :模块化机柜 ;骨架 ; 立柱 ; 电磁屏蔽 ; 双向走线 ; 参数化设计 ; 机柜造型 中图分类号 : TN957. 8　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1008 - 5300 (2007) 03 - 0028 - 03 Design ofModularization Cabinet for a New Type Vehicle2Borne Radar L IU Guo 2w e i (N an jing R esea rch Institu te of E lectron ics Technology, 　N anjing 210013, Ch ina) Abstract: The new type vehicle2borne radar′s modular cabinet is the general carrier for both m ilitary and civil electronic equipment, thus especially suitable for the vehicle2borne electronic equipment, ship2borne electron2 ic equipment and any electronic equipment working in a cabin with inclement environment. the design p rocess of vehide2borne Radar′smodular cabinetwas introduced. The innovative vertical column brought lots of advan2 tages for the cabinet in many ways, such as structure, electromagnetic shielding, grounding, wire arrange2 ment, external modeling, modularization etc. Key words:modularization cabinet; framework; vertical column; electromagnetic shielding; double direction wire arrangement; parametric design; external modeling 0　引　言 电子设备结构设计是研制各种类型电子设备的一 个重要环节 ,它对保证电子设备的优良性能起着重要 作用。目前国内车载机柜的来源一部分为自制 ,另一 部分为进口国外的机柜通过二次改装而成。自制机柜 基本上是上世纪末开发的产品 ,由于机柜的刚强度差 , 外观造型落后 ,仅部分老型号产品还在使用 ,新开发的 产品已不再使用这类机柜 ;使用进口机柜 ,由于进口机 柜等级为工业级 ,有很多缺点 :一、环境适应能力差 ,不 能满足车载环境条件 ,即使二次加固后 ,机柜的整体不 协调 ,仍存在使用隐患 ;二、进货周期长 ,成本高 ,科研 周期成本难以保证 ;三、机柜的专用配件仅随机柜供 货 ,在调试过程中若遗失或损坏将很难补全 ;四、进口 机柜不能很好满足军用产品对机柜多品种小批量的定 货要求 ,技术状态无法保证。近年来 ,作为现代军用电 子设备的机柜设计 ,不再是单纯机械安装、支撑和结构 外壳设计的概念 ,而是以满足设备功能和环境要求为 基本设计内容 ,体现电子设备总体设计思想的综合设 计 ,该车载机柜就是根据电子设备的总体要求进行综 合设计的。 1　车载机柜的结构设计 车载机柜由骨架及相应的前门、后门、左右侧门、 顶板、底座、并配装三节滚动式铝导轨、定位装置、走线 装置及其它附件组成。 1. 1　骨架 立柱与顶框、底框连接后形成骨架 ,骨架是机柜的 核心部分 ,机柜的所有功能均依靠骨架来实现。因为 机柜的设计动载承载能力要达到 200 kg,所以对骨架 的刚、强度要求极高 ,为了满足这种要求 ,我们决定将 骨架设计为封闭式型材 ,骨架的角部利用特殊导向件 插入封闭型材中使该两种封闭型材形成整体骨架 ,导 向件起定位和加强的作用 ,骨架采用全焊接结构 ,加工 82 　电 子 机 械 工 程 Electro - M echan ica l Eng ineer ing 　　　　　　　　　　　 2007年第 23卷第 3期 2007. Vol. 23 No. 3 3 收稿日期 : 2007 - 01 - 25 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 简单 ,机柜变形小。 立柱由 4根十二褶钢型材构成 ,上框架、下框架分 别由 4根九褶钢型材按不同的方向组合构成。立柱共 有四只突出的筋 ,每只筋都有其独特的功能 ,如筯 1与 机箱的前面板固定 ,筋 2与机箱导轨固定 ,筋 3与机柜 的侧门相连 ,筋 4与机柜的前门相连 (如图 1所示 )。 图 1　立柱与带前门机柜主要部件的连接关系 骨架的型材定型后 ,如果采用冷拉钢型材 ,加工难 度很大 ,而且型材成型后 ,按常规需要手工加工立柱上 的系列孔 ,加工精度很难保证。为了解决上述问题 ,经 多次试验后 ,决定将型材拆分为 Ⅰ、Ⅱ两部分 ,先下料、 运用数控冲系列孔、折弯、两部分定位后点焊成形。 1. 2　前门、后门 门与骨架是通过四个转角为 130°的暗藏式门铰 链相连接 ,门的锁紧装置选用美国 Southco公司生产 的四点压迫式锁紧装置 ,该装置通过转动门上的把手 带动伸缩连杆及滚轮支架与固定在骨架上的锲形槽块 快速压紧锁牢。门四周与骨架相接触的部分嵌装橡胶 金属丝屏蔽套 (屏蔽套内层为硅橡胶 ,外层为蒙乃尔 合金丝编织套 ) ,以达到屏蔽的目的。 1. 3　左、右侧门 左、右侧门与骨架装配均采用导电橡胶衬垫进行 密封。侧门用多个普通螺钉 ,螺母沿其四周从外侧与 机柜骨架筋固定 ,侧门内侧不用加强筋 ,增大了机柜两 侧的走线空间。后盖板用多个普通螺钉沿后盖板四周 从外面通过衬套与骨架固定。 1. 4　顶板 机柜顶板由两部分组成 ,一块是与骨架顶框边缘 相连的固定板 ,做装饰用 ;另一块为可更换的平板 ,根 据需要选用普通网孔板、带风机的顶板、安装有截止波 导窗的顶板等。 1. 5　底座 机柜底座主要用于增大机柜的进线空间及补偿机 柜的总高度。 1. 6　定位装置 定位装置按实际需要的位置固定在骨架后立柱的 系列孔上 ,用于容纳机箱上的定位销。 1. 7　导轨 为了便于检测与维修 ,机箱与机柜之间通过可伸 缩的导轨连成一体。伸缩导轨为三节滚动式铝导轨。 其结构由外导轨、中导轨、内导轨、滑块、滚珠等组成。 如图 2所示。安装方式为三节导轨的外导轨与骨架采 用弯角件连接。该导轨具有间隙小、厚度薄 ( 13. 5 mm )、承载量大、推拉自如的优点。 1. 8　走线装置 走线装置由走线板和走线钢带组成。走线板有左 右两种 ,分别安装在骨架的左右两侧。走线钢带的一 端用压板固定在走线板的系列孔上 ,另一端与机箱后 板上的支架相连。线缆经机柜转接顶板转接后 ,根据 要求 ,数字电路线缆、模拟电路线缆分别从机柜两侧沿 走线板通过走线钢带进入机箱。同一机箱内 ,若两种 信号线缆并存 ,可选用左右双钢带分别进入同一机箱 , 这样两种信号线缆相距较远 ,减少了相互间的干扰。 采用这种钢带走线 ,承载的线缆容量增大 ,解决了机箱 进出线多的走线问题。 2　电磁屏蔽设计 2. 1　接缝处理 整个车载机柜属钣金结构 ,由于机柜的接缝直接 影响到机柜的屏蔽性能 ,因此 ,为了提高机柜的屏蔽性 能 ,对永久性接缝均采用了连续焊接法 ,可拆式接缝均 安装了导电衬垫或导电胶合剂。 2. 2　接地处理 接地方式也是保障雷达电磁兼容性的主要措施之 一 ,由于各种机柜的功能不同 ,故电路差异甚大 ,接地 状况也大不相同。有的机柜只存在模拟电路或数字电 路 ,有的机柜两者并存。该密闭机柜由于走线方式采 用了双向走线 ,较好地解决了两种信号的接地分开问 题 ,模拟电路地与机柜一侧走线板上紫铜条相连 ,该紫 铜条与机柜地相接 ;数字电路接地与机柜另一侧走线 板上紫铜条相连 ,该紫铜条与机柜地绝缘。这种方式 较好地抑制了电磁噪声并减小了数字信号和模拟信号 之间的相互干扰。 92第 3期 刘国维 :新型车载雷达模块化机柜的设计 　 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 3　机柜模块化设计 为了适应不同产品的需要 ,我们根据 GJB2825 - 97《军用雷达机柜、机箱、插件模块化要求 》规定 ,对机 柜进行了系列化设计。按常规设计出图 ,工作量大 ,周 期长 ,图纸往往还会出错。为了解决这一问题 ,我们运 用 p ro /E软件 ,通过 top - down的设计方法 ,运用参数 化公式先定义三化机柜骨架的模型 ,后定义各部件的 位置 ,再定义各零件的位置 ,然后参考骨架的模型设计 零件 ,将所有系列化尺寸与骨架模型发生关链。这样 , 根据客户的不同需求 ,通过调整三化机柜宽、深、高 ,就 可以驱动三化机柜内所有零件、部件、整件的三维及二 维图纸的变化 ,从而节省了大量的设计时间 ,还减少了 图纸错误的几率。 4　振动与冲击试验 我们选择了最典型的一种车载机柜做试验 ,机柜 高 1800 mm,宽 24英寸 ,深 600 mm。机柜内每层机箱 均匀加载 35 kg,共六层 ,机柜共加载为 210 kg,重心偏 向机柜正前方 20 mm,机柜固定方式模拟机柜在方舱 内的固定方式 (带减震器 )。振动条件 :按美军标组合 轮式车振动作用条件进行如图 2所示 ,垂直方向 2. 18 grm s;横向 1. 60 grm s;纵向 1. 968 grm s。冲击条件 :半 正弦波 , 20 g的峰值加速度 ,持续时间 11 m s,冲击三 次。结论 :试验中 ,机柜骨架主要部位没有出现谐振现 象 ;试验后 ,机柜未发生破坏和明显变形 ,各机箱推拉 灵活 ,无卡死现象。 图 2　组合轮式车辆振动 5　机柜造型扩展 现在市场上的工业机柜造型更新换代很快 ,所以 机柜造型也应该常换常新 ,否则就会跟不上时代潮流 , 因此 ,在机柜设计时预留有扩展平台 ,扩展升级方便。 由于车载机柜在方舱内排列紧凑 ,展现在人们视觉范 围内的只有机柜的正面造型 ,根据这一特点将机柜外 型设计重点放在机柜的正面 ,带门机柜只需更换前门 的造型 ,敞开式机柜只需更换机柜正面两侧的装饰条。 例如 :去掉机柜前门 ,装上装饰框就可以将带前门机柜 改装成敞开式机柜如图 3所示。 图 3　敞开式机柜在雷达方舱内的并柜实景 6　结束语 新型车载雷达机柜严格遵循 GJB2825 - 97《军用 雷达机柜、机箱、插件模块化要求 》设计 ,同时也满足 《GB /T3047. 2 - 1992高度进制 44. 45 mm面板、机架 和机柜基本尺寸系列 》的要求 ,其主要特点 : 1. 新型机柜在设计时全部运用参数化建模 ,采用 计算机仿真分析方法对机柜进行了静力及模态分析 , 并对机柜的工作状态进行了仿真 ,保证了设计的一次 成功。在制造过程中直接釆用数字化折弯、冲孔、扩孔 等 ,加工精度高 ; 2. 新型机柜独特设计了十二褶钢型材、九褶钢型 材。机柜骨架由上述两种封闭式型材按不同的方向组 合 ,用三维导向件连接并焊接而成 ,抗振动冲击强 ,提 高了电子设备的可靠性 ; 3. 新型机柜侧面采用整侧板形式 ,在保证刚度需 要的前提下 ,最大程度地增大了走线空间。机柜前门、 (下转第 40页 ) 03 电 子 机 械 工 程 第 23卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 3　雷达天线改进后的结构示意图 表 2　雷达天线改进前后的尺寸及质量比较 参数 类型 改进前 改进后 高度 /mm 12978 9720 宽度 /mm 18410 15000 中心位置 /mm (0, - 12. 76, 5421. 07) (0, - 26. 6, 5250. 9) 总质量 / kg 1561. 5 1341. 8 　　为了更好的分析改进后雷达天线结构应力及位移 情况 ,针对上述三种工况对改进后的雷达天线进行有 限元分析 ,分析结果见表 3。 表 3　改进后各工况应力及位移的极值 工况 参数 最大拉应力 /MPa 最大压应力 /MPa 最大位移 /mm 工况一 141. 0 - 134. 0 71. 0 工况二 104. 0 - 157. 0 54. 1 工况三 50. 2 - 62. 7 63. 5 　　比较表 3和表 1可以发现 ,改进后天线结构在各 工况下的应力状况都得到了改善 ,最大位移在允许范 围内。根据有限元分析可知 ,改进后雷达天线在上述 三种工况下的最大拉应力、最大压应力及最大位移发 生的位置与改进前基本相似。 3　结束语 (1)通过对改进前后的雷达天线分析比较可知改 进后的雷达天线在各种工况下的应力情况都得到很大 的改善 ,而且都小于所选材料 (16Mn)的许用应力 ,所 以改进后的雷达天线结构是合理的且优于改进前的结 构。 (2)利用有限元方法对雷达天线结构进行结构优 化 ,可以降低设计成本 ,缩短设计周期。 参考文献 : [ 1 ]　王小谟 ,张光义 ,编著. 雷达与探测 [M ]. 北京 :国防工业 出版社 , 2000 [ 2 ]　朱钟淦 ,叶尚辉 ,主编. 天线结构设计 [M ]. 北京 :国防工 业出版社 , 1979 [ 3 ]　金 　雷. 关于雷达天线风载荷的几个问题 [ J ]. 电子机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 , 2003, 19 (1) : 33 - 35 [ 4 ]　段宝岩 ,主编. 天线结构分析、优化与测量 [M ]. 西安 :西 安电子科技大学出版社 , 1998 [ 5 ]　张见明. 用 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择法改进抽油机支架结构 [ J ]. 石油 机械 , 1997, 25 (6) : 30 - 32 作者简介 :黄天成 (1979 - ) ,男 ,长江大学机械工 程学院教师 ,现主要从事机械设计理论及有限元方面 的研究。 (上接第 30页 ) 后门、左右侧门全部采用了国际最流行的扑门形式 ,前 门的铰链用内铰链 ,开启角度达到 130°,门锁机构釆 用四点接触式连杆收缩锁紧方式等 ,机柜前门开启方 向根据需要左右可随意互换 ; 4. 对机柜外观造型预留有扩展平台 ,扩展升级方 便 ; 5. 新型机柜具有尺寸系列齐全。模块化结构 ,配 置灵活 ;刚强度好 ,载重量大 ;符合模块化军用机柜等 国军标的有关规定。具有安装简便、通用性强、继承性 强等特点。 新型机柜保留了军用模块化机柜的优点 ,广泛吸 收了国内外先进机柜的设计思想 ,特别在机柜的整体 刚强度、外观造型、色彩搭配上与目前使用的现有机柜 相比上了一个台阶 ,并通过了车载机柜各项例行试验。 目前 ,该机柜已被多种产品采用 ,效果较好。 参考文献 : [ 1 ]　GJB2825 - 97. 军用雷达机柜、机箱、插件模块化要求 [ S] [ 2 ]　M IL2STD2810F. 环境工程考虑和实验室试验 [ S ] [ 3 ]　Q /AL18 - 2005. 面板、架、柜、插箱、插件基本尺寸系列 [企业标准 ] [ S] 作者简介 :刘国维 ( 1971 - ) ,男 ,湖北随州人 ,工 程师 ,长期从事电子设备结构设计工作。 04 电 子 机 械 工 程 第 23卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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