发射机柜调整管单元的结构设计与仿真分析论文

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　　摘要： 发射机柜工作时内部温度将会升高， 如果不能及时散热， 将会影响发射机的正常工作， 严重时将会损坏发射机。调整管单元 更是发射机的核心部件， 作为发射机中高压线性电源的稳压模块， 调整管单元内部具有高度的集成化 、小型化等特点， 导致调整管 单元功率密度极高， 调整管单元散热性能直接影响到发射机的正常工作。此外， 调整管外形结构尺寸的大小直接影响整个调整单元 的安装布局， 对调整管单元的热设计也增加了难度。根据发射机柜内部空间布局及散热设计要求， 对其内部的调整管单元结构和散 热形式进行优化设计， 设计后的调整管单元结构合理 、布局紧凑 、安装方便。通过对调整管单元进行了热 、力仿真分析及实物验 证， 验证结果表明设计的调整管单元能够满足结构强度 、散热及振动等要求， 提高了发射机整机的运行稳定性。

　　关键词： 调整管单元,结构设计,热设计,仿真分析


　　Abstract：The internal temperature of the transmitter cabinet will rise when it is working.If the heat dissipation cannot be timely，the normal operation of the transmitter is affected.In serious cases，the transmitter will be damaged.The adjusting tube unit is the core part of the transmitter.As the stability module of the linear power supply of the transmitter the adjusting tube unit is highly integrated and miniaturized which leads to the high power density of the adjusting tube unit.The heat dissipation performance of the adjusting tube unit directly affects the normal operation of the transmitter.In addition，the size of the adjustment tube shape structure directly affects the installation layout of the whole adjustment unit which also increases the difficulty of the thermal design of the adjustment tube unit.According to the local and heat dissipation design requirements of the internal space of the launch cabinet the structure and heat dissipation form of the adjustment tube unit were optimized.After the design of the adjustment tube unit，the structure is reasonable，the layout is compact，and the installation is convenient. Through the thermal and force simulation analysis and physical verification of the adjustment tube unit，the verification results show that thedesigned adjustment tube unit can meet the structural strength，heat dissipation and heat dissipation vibration and others.The stability of the whole transmitter is improved

　　Key words：adjusting tube unit;improved design;thermal design;simulation analysis


　　0 引言

　　随着科学技术不断地发展， 国防装备也在日新月异 的更新迭代， 为满足现代国防装备的发展需求， 需要研 制出高性能 、高可靠性的装备。发射机柜是雷达的重要 组成单元， 内部集成了各种规格 、型号数量众多的电子元器件， 如行波管 、油箱 、调整管单元和相应的电源模块及电路等[1-2] 。调整管单元作为发射机的核心部件， 对发射机工作起关键作用， 负责高压线性电源的稳压功 能， 而随着电子元器件的小型化， 集成电路的高集成化 和微组装等， 元器件 、组件的热流密度不断提高， 热设 计也面临着严峻的挑战[3] 。而调整管单元极高的功率密 度， 对散热一直有很高的要求。发射机柜布局中， 调整 管单元与高压油箱 、高压隔离变压器等元器件共同安装在发射机柜底板上， 高压油箱 、高压隔离变压器均为货 架标准产品， 结构尺寸无法变更。为满足调整管单元及 发射机柜的内部整体散热需求， 对调整管单元的结构设 计及散热方式提出了较高的要求。

　　本文基于现有研究理论， 结合项目实际特点和需求， 根据发射机柜内部空间布局及散热要求优化调整管单元 的散热形式， 对调整管单元结构进行了设计， 通过热、 力仿真分析及相关环境试验验证， 经设计改进后的调整 管单元在结构强度上能够满足要求， 便于使用和维护， 从而降低调整管的故障率， 保证调整管单元在实际工作 中运行稳定可靠。

　　1 调整管单元组成及安装散热形式

　　调整管单元主要由风机座 、风机 、调整管 、高压无感电阻和散热器等组成。 由于调整管单元内部器件较多、 外形较大 、重量较大等原因， 为保证发射机柜重心 、布 局要求， 一般将调整管单元安装在发射机柜底部。新机 柜的结构形式摒弃了常规的非密闭机柜形式， 采用了密 闭机柜， 该结构形式使机柜内部形成一个密闭空间， 不 仅能有效隔绝外部热源干扰， 还可以有效改善机柜内部电子元气件的使用环境，提高了 电 子 元 器 件 的 可靠性 及 环 境 适 应 性。新设计的 机 柜 利 用 旁 路 风道将冷 却 风 引 至 机 柜 底部， 保 证 机 柜 底 部 调 整管单元 及 其 他 模 块 的 散热风 量。最 后 利 用 风 机将热空 气 上 升 至 机 柜 顶部并进 入 气 液 交 换 器 中形成 循 环。机 柜 散 热 方式如图 1 所示[4] 。


　　2 调整管单元设计

　　2.1 散热结构形式

　　目前， 发射机柜的冷却方式主要有自然冷却 、强迫 风冷和液体冷却 3 种方式[5] 。液体冷却通过结合热管、 微通道技术， 更好地实现了热量控制的目标， 液体冷却 相对于其他两种冷却方式而言， 其冷却速度更快[6] 。在 新设计中， 为提高机柜内部的散热性能， 发射机柜内部 采用气液交换冷却技术， 替代了原发射机柜底部散热采 用单一风冷方式。发射机工作时， 输出功率只占输入功 率的一小部分， 其功率损失一半都以热能的形式散发出 来， 电子设备内部任何具有实际电阻的器件都是一个热 源 [7] 。电子元器件随着温度的升高， 时效率迅速增加。 一般元器件的环境温度升高 10 ℃， 元器件的失效率会增 加一个数量级[8] 。调整管单元是发射机的核心部件， 也 是发射机柜内主要热源之一， 调整管的热量主要包括两 部分： 一为高压工作时在调整管上约 3 kV 的管压降带来 的损耗; 二为调整管的灯丝产生的热耗。 因此调整管的热量为 ΔP调整管 =245 W。

　　根据机柜的冷气出 口位置， 将调整管单元的进气口设计在底板上， 安装位置与之对应， 便于上方风机排气。调整管单元中的调整管是整个单元内部热耗最高的器件， 采用将调整管安装于风机与进风口之间及散热器置于调整管下端的结构方式， 能最快速度降低调整管的温度。调整管通过导热硅脂将热量传导 至翅片散热器， 而该散热器的处理能力有限， 作为辅助 手段， 通过增加一个交流风机进行强迫风冷， 将调整管 的热量 及 时 带 走， 以 降 低 调 整 管 的 管 壳 温 度。如 图 2所示。


　　2.2 调整管座结构

　　调整管单元内部核心结构件为调整管座， 调整管座 主要由调整管 、散热器 、散热器底座 、散热器侧座构成， 如表 1 所示。


　　按 GJB150A-2009 振动条件要求进行结构设计， 对 以下零件的进行了设计[9-10]：

　　(1) 为了提高零件强度设计余量， 对聚砜底座进行 了设计， 保证爬电距离不变的情况下， 增加了端面法兰 的厚度以及中心支撑直径， 增加工艺圆角;

　　(2) 由于散热器重量较重， 对散热器进行了适当的 减重设计， 且在不影响主风道的情况下， 在散热器侧面 增加辅助安装面以减小悬臂振动的影响;

　　(3) 增加侧板过渡安装件， 采用聚四氟乙烯材料，与侧板的连接采用尼龙螺栓， 避免悬浮地击穿。

　　调整管与散热器通过调整管端部 M24 ×1-6g 的螺纹 连接， 散热器与座通过 6 个 GB/T5782-2000 M4 ×20 的 螺钉连接， 座与底部固定板通过 6 个 GB/T819.2-2000M4 ×16 的 螺 钉 连 接。新 设 计 的 调 整 管 座 结 构 如 图 3 所示。


　　2.3 调整管单元外形尺寸

　　由于机柜内部空间紧密， 调整管单元的上端有其他 单元器件， 加之调整管单元本身的重量较重， 为了满足 密闭机柜维修性设计， 调整管单元的安装方式采用插销 加螺钉紧固方式。如图 4 所示， 该方式通过导销定位调 整管单元的安装位置， 利用靠近机柜门一侧的空间， 将调整管单元推送至导销端， 待其安装到位， 在靠近机柜 门端一侧利用螺钉将调整管单元固定在机柜底部的安装 板上， 拆卸时与安装步骤相反， 只需拆除前端安装螺钉 便可直接将调整管单元从机柜内部抽处， 有效的避免了 装卸是与上端器件的碰撞。提高了发射机柜内部的整体 的维修性。

　　机柜内部的其他部件的外形横向增加 25 mm， 依据 其尺寸对调整管单元的外形尺寸进行了重新设计， 将模 块横向尺寸设计成 240 mm， 调整管单元的外形尺寸如图 5 所示。


　　3 验证与结果分析

　　综合以上设计， 新设计的调整管单元结构图如图 6 所示， 接下来对该结构进行热力学及力学仿真分析。


　　3.1 仿真分析

　　3.1.1 散热性能仿真

　　仿真条件： 进口风温为 30 ℃， 风量为 120 m3/h 。调 整管单元热耗为 245 W。

　　仿真结果分析： 最高温度在 85 ℃左右， 结果表明该 散热方案可行， 散热效率高， 满足调整管单元表明不高 于 90 ℃的散热要求; 由图 7 空气流场云图可看出， 空气 流动比较顺畅。图 8 为调整管单元温度场放大图。


　　3.1.2 力学仿真

　　调整管单元聚砜树脂材料的抗拉强度为 77 ~ 82 MPa， 疲劳强度约为 24 MPa ( 1/3 的抗拉强度) [11] 。对新设计 后的调整管单元进行了 2 种振动工况的分析， 分别按照 高速公路卡车振动环境和扫频振动的进行仿真[12] 。

　　通过计算结构的模态， 来分析结构振动刚度， 前几 阶模态对底座的影响较大， 仿真结果一 阶模态为 155 Hz， 刚度有大幅度提高， 如图 9 所示。


　　高速公路振动条件下， 在模型优化后， 底座上部内侧根部处的最大应力值约为 2.62 MPa， 钢板的最大位移 为 0.017 mm， 如图 10 所示。


　　振动扫频条件下， 经过仿真分析， 在模型优化后，底座上部内侧根部处的最大应力值约为 2.38 MPa， 钢板 的最大位移为 0.007 mm， 如图 11 所示。


　　仿真结果表明： 两种工况下底座上部内侧根部处的 最大应力值都远远小于疲劳强度约为 24 MPa。

　　3. 2 实物验证

　　对新设计的聚砜底座实物进行了模拟负载的高速公 路运输振动试验验证 (X 向/Z 向)， 并在试验过程中对 底板风道加强筋处增加传感器测试， 试验结束后底座零 件状态正常， 传感器显示加强筋处振幅局部放大， 如图 12 所示。

　　聚砜底座 、散热器 、过渡块进行了整体安装， 并按GJB150A-2009 振动试验条件进行验证 (X 向/Z 向)， 试验结束后检查各零件状态正常， 如图 13 所示。


　　4 结束语

　　本文调整管单元为满足发射机柜散热要求， 通过设 计新结构形式， 将机柜底部的冷却空气吸入调整管内部， 并将热量排出至机柜内部， 散发至发射机柜内部热量通 过其他辅助器件上升至机柜顶部并进入气液交换器中， 从而完成风冷循环。为解决了发射机柜内部空间紧凑安 装繁琐的问题， 重新设计了调整管内部风机安装位置， 并优化设计了调整管安装底座结构外形。最终通过对调 整管单元进行实物试验验证， 证明了新设计的调整管单 元结构形式能够满足密封机柜的使用要求 。综上所述， 通过热 、力仿真得出新设计的调整管单元满足发射机 柜内部散热设计及力学强度要求 。有效的提高了空间 使用率和维修 性， 在 实 际 工 作 中 运 行 稳 定 、可 靠， 效 果明显 。


　　参考文献：

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　　[11]成大先，等.机械设计手册[ M]：5 版.北京：化学工业出版 社，2007.

　　[12] GB 150A-2009.军用装备实验室环境试验方法[S].
 
 
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