电子通信方舱结构总体设计技术

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电子通信方舱作为机动式通信系统，集成有任务系统的大量电子设备，同时任务期间需要人员长时间在方舱密闭环境中工作，因此，在对系统进行结收稿 日期 ：2012-1O-16《机械与电子)2013(3)构总体设计时，需要从方舱的机动性、舱 内振动环境、热环境设计和人机界面等方面进行综合考虑，以满足方舱在使用中的各项技术指标。

1 典型系统配置及设计技术要点分析电子通信系统方舱主要由方舱、载车、起降机构、设备机柜、天线及其升降杆、配电箱、人员工作及休息保障设备等部分组成。方舱主要有 CAF20、CAF30、CAF40、CAF50及 CAF60共 5个 尺寸 系列，常 用 的电子 通信 方舱 - 般选 择 CAF40或CAF50E 。某 CAF50规范电子通信方舱配置及舱内布局如图 1所示。方舱的主要特性参数如表 1所示 。

维修图 1 某电子通信方舱配置及布局表 1 CAFS0方舱主要参数· 21 · 方舱结构技术的先进性主要由 3个指标来体现，分别是荷质 比、单位容积重量和空间利用系数l2]。因此，在对方舱进行总体设计时，把布局设计作为方舱设计的出发点 ，然后再进行系统的热、抗 冲振、人机工学及电磁兼容等设计，同时校核结构设计技术指标，并提出需求进而优化布局。方舱总体设计流程如图 2所示。

图 2 方舱 总体设计 流程方舱的指标校核-般不进行具体数值计算，它是在布局优化设计及各项专题设计(热、抗冲振设计等)相互制约过程下评估设计质量的过程，可以在每次设计后进行纵 向比较 ，定性得到其变化趋势即可。

方舱的舱内热环境、抗冲振、人机工程及电磁兼容设计是结构总体设计的主要 内容 。

2 舱 内热环境设计在有限空间内，大功率电子设备生成的热量，-方面 ，容易导致设备失效 ，系统崩溃 ；另-方面 ，影响操作人员的热舒适性，关系任务的执行效率，因此，在总体方案设计阶段，通过计算机仿真模拟出舱内的热环境，预先考量相关指标是否满足要求，可以保证系统的整体功效，避免工程实施后出现较大问题。

方舱系统中，舱内热负荷主要有工作人员人体散热量、电子设备散热量和照明发热量等几项，其中电子设备的发热量是舱内热负荷的主要来源。方舱环控系统由空调 、方舱进出风 口的轴流风机组成l3]。

2.1 空调系统设计在进行空调系统设计时，除考虑设备发热外，还需充分考虑照明热、人体发热、人体所需新鲜空气热及环境透热等因素。

根据系统各种发热源热量的估算来选日调的容量，根据方舱的实际工作情况选日调的类型。

空调类型-般有 4种，即壁挂式、柜式、顶置式和整体风道式。壁挂式和柜式技术成熟、产品质量可靠、噪音型价格较低，但是很占空间，还因风量不均匀，冷、热风直接吹向人体，不利于人机环境的完善。

顶置式空调突出的优点就是占用空间较少，但噪音· 22 ·较大，还有对电磁兼容和水气密封性的处理难度较大。整体风道式空调外形美观，占用空间少，风量均匀，可避免冷、热风直接吹向人体，有利于改善人机环境，也有利于设备的散热，因此，它是 目前电子方舱设计中优先推荐的空调类型。

2.1.1 方舱空调容量估算根据 GJB219-86《军用通信车通用技术条件》中的规定，通信车的取暖应在 30 min时间内能将车厢内温度升到 0℃以上；通信车的降温应在 30 min时间内能将车厢内温度降到 3O℃以下。

由于空调在制热和制冷两种工况下，方舱内各部件间的热平衡关系不同，因此，需要对制热和制冷条件的空调功率分别计算。

a.制冷。夏天露天停放时，空调热平衡方程为：Q-Q Q2Q。Q Q Q Q Q。

其中，Q为空调制冷量；Q 为太阳辐射热量；Q 为围护透热；Q。为设备热耗；Q 为照明热；Q 为人体排热 ；Q 为新风热；Q ，Q。为开关车门及漏风冷量损失 。

空调设计时，通常采用舱外计算温度，将太阳辐射热 Q 与围护透热Q。-并计算，即Q1Q2-KS(T。。～Ti)其中，K 为方舱总传热系数，K-1.5 W/m· ℃；S为方舱外表面积；Toi为舱外计算温度，按GJB74.6-86附件 c，全国除吐鲁番之外的所有地区，最高环境温度取为 T。42℃，考虑太阳辐射后的计算环境温度取为 T。i-50℃；Ti为舱内空气温度，人体感觉较为舒适的环境温度为 25℃，考虑适当的设计裕量，计算时取 Ti-20。C。

Q5：145n其中， 为人数，根据系统常规任务下需要配置的工作人员确定；人体对外界散热功率取 145 W。

为保持舱内空气清新，提供舱内工作人员足够的氧气，方舱会配置鼓风机将舱外空气鼓人方舱，舱外空气进入的同时也将外界的热量带入方舱。新风热量可由下式计算：Q6-C ·p·Vh(To -T。)其中，C 为车外空气比热；p为车外空气密度；为人体每秒所需新风量，每人所需新风量-般取2O 1TI。/h。

开关车门及漏风冷量损失的计算公式为：Q7 Q8-C ·D·Vx(Toi～Ti)《机械与 电子 )2Ol3(3)设计技术开关车门时的热量损失可忽略不计；常规方舱舱体泄风量 -般取 1.5 m。/min。

b.制热。冬天露天停放的空调热平衡方程为：Q-Q -Q。-Q -Q Q Q Q其中，围护散热 Q 。按风速进行修正为：Q 2-1.2KS(T i-T 。i)Q 2-Cp·10·Vh(T -T oi)Q 7Q 8- C ·D·Vx(T i- T 。。)T 。的取值可根据设计裕量的要求在 5～25℃范围内选龋2.1.2 风道 设计在进行舱 内风道设计时，应注意以下几点：a.合理设计风道界面尺寸，应根据给定的风量及选定的风速求得风道截面尺寸，圆形风道刚度好 ，内部阻力小，但舱内难以实现，为了合理利用舱内顶部空间，通常采用矩形管道，宽高比不超过 3：1。

b.合理布局舱 内风道 的送风 口位置，避免形成气流短路而增加回风噪声。

c.风道内部应光滑平整 ，不应有 凸出物或风道面积突变现象 ，以免引起气流的涡流噪声 。

d.空调机的出风 口向舱 内送风时，尽量避免急剧转弯，必要时应设置导流板 。

e.风道的末端可粘贴吸声材料或设置阻性消声器，通过对声波的反射，吸收来减小声压级。

2.2 机柜热设计由于方舱内环境温度由空调调节 ，同时，需要强迫风冷散热的设备-般有 自带的风冷系统，因此，设备机柜不需再采用强迫风冷等措施。

机柜级的散热只需进行合理的设备布局，并利用方舱内空气循环气流就可提高设备的散热效率。

所有机柜均按前部进风和烟囱式 自然通风设计，并与风道式空调系统配合，以形成 良好的通风散热。

空调 空调进风 口 风道 空调 出风口图 3 舱内循环冷却风流向3 设备抗冲振设计设备机柜是舱内电子设备的基瘁构。在实战《机械与电子>2013(3)环境中，振动、冲击、离心力以及结构产生的摩擦力等机械力是导致电子设备失灵、失效的重要因素，其中危害最大的是振动和冲击 。因此，提高电子设备抵御振动 、冲击等机械力干扰，是保障电子设备可靠性 的重要环节 。

为了增强设备在机械动态环境中的可靠性，工程中除了对设备进行 的结构进行加固外 ，也可采用减振器进行振动、冲击隔离 。所谓结构加固，就是针对设备 自身的薄弱环节对其结构进行理学修改，提高结构的动刚度及其低阶固有频率，使其实际相应值低于容许的冲击应力和疲劳极限，保证设备的正常工作。

在实际工程中，方舱 内设备的减震措施-般是采用隔振器对设备机柜进行整体减振。隔振器分为橡胶隔振器 、金属橡胶隔振器和金属 隔振器 3种类型。综合考虑隔振器材料的稳定性 、隔振器性能及耐候性等特性，电子通信方舱内机柜减振采用无谐振峰金属隔振器。对单个机柜的减振是在机柜底部安装 4个隔振器，机柜背部安装 2个与底部隔振器相匹配 的背架式隔振器 ；如果是多个机柜并排安装 ，可选择并联式机柜并对机柜进行整体减振 ，并联式机柜可避免单个机柜减震条件下，各机柜摆动引起的机柜间碰撞 。

4 电磁兼容设计电子通信方舱舱体本身尺寸较小，内部空间狭小 ，设备密集度很 高，局部 电磁环境恶劣，同时方舱内部设备之间极易通过供电系统、接地系统、互连系统以及空间辐射场产生电磁干扰耦合，从电磁兼容角度来说，具有干扰源、敏感源多，耦合途径广泛的特点。因此，能否解决电子通信方舱中的电磁兼容问题 ，成为影响系统生存力和战斗力的重要 因素 ]。

方舱结构总体设计时必须从屏蔽 、接地 、搭接及布线等方面综合考量舱体设计及机柜内设备及线缆布局是否符合电子兼容设计的基本准则。针对电子通信方舱的具体情况，-般在进行结构总体设计时就要对方舱的各部件提出相应的要求，并采取如下措施 。

a.减少方舱开口数，对方舱开口的接缝处必须采取严格的导电搭接措施。对舱门接缝采用导电橡胶条配合钢丝网进行密闭和导电；对信号口接缝采用弹簧铜片实现接缝间导电的连续性。

· 23 ·子b.在方舱的进出风口根据系统具体情况选择安装合适 的通风截波板。

c.安装方舱 电源滤波器。为了避免 电网对方舱内设备的干扰，在方舱的电源入口处加装电源滤波器 ，从而从源头上保证了供 电系统的电磁兼容性能。

d.合理布置机柜内部线缆。电子通信系统内线缆众多，包括任务、勤务音频 、28 V、直流 电源 、光缆、交流220 V、UPS电源及数据线等。系统结构设计应保证系统正常工作同时兼顾设备的维修性 良好，并且避免各类线缆间的相互干扰。设备机柜-般需要对线缆进行分类布局，如图 4所示。

频图 4 机柜 内线缆 布局5 人机工学设计对于电子通信方舱的人机工学设计，应当着重从以下几个方面考虑 。

a.车载机柜使用空间受到限制，又要抵抗移动中产生的振动，用户对车载机柜的审美意象是小巧、简洁又不失稳定性，选用的机柜应当使用紧凑的直线条，深色底座，背部与地面及墙面的稳定连接可以满足大众的审美诉求 。调查得 出使用者对于室内机柜的审美意象是整齐、大气和有现代感l5]。首先舱内机柜要求考虑与室内环境搭配，在空间允许的情况下尽量考虑机柜或显控 台多台并排的并柜效果 。

b.舱内设备布局应当相对集中，尽量利用有限空间，旧能给操作人员留有更大的活动余地。

c.合理进行照明设计、热环境设计及降噪声设计，最大限度地提高操作人员的舒适性。

d.按照人机工程合理划分部位，显示、操作处于合理位置，减少操作失误，认真学习通信系统的操作方式及作业程序，对机柜或显控台上有人机交互界面的设备进行合理的功能性分区。

· 24 ·6 整合式机架概念及其优势第 1节中提到的系统布局中，是 4个机柜并排，实际工程设计中，由于标准方舱的宽度限制，4个独立机柜 (或并联机柜)的布局是较难实现的。因此，提出整合式机架 的概念 ，希望在 以后的工程设计 中进-步探讨并研究其可行性，使整合式机架成为车载机柜的-个发展方向。整合式机架是并联机柜的- 种变形，外形上类似多个独立机柜连接后的状态。

与并联机柜不同的特征是：整合式机架可以通过通用化设计，将相联机柜紧挨的立柱整合，实现机柜间的无缝连接，整合式机架有如下优点。

a.机架的正面外观更加简洁、统- ，减少了并联式机柜的接缝线条 。

b.由于整合了机柜间的立柱连接，机架的连接刚度更好，有利于机架的减振使用整体减振的方式。

c.整合式机架由于有效利用的机柜的宽度空间，可以很好地适应标准方舱 内部的宽度空间，同时，也利于舱内空间的功能性分区，利于舱内冷热空气的循环，提高人员的舒适度。

7 结束语阐述了电子通信方舱的总体设计思路，并对各个专题设计的设计方法或措施进行了探讨。电子通信方舱的结构总体设计还包括噪声设计、防雷设计、运输设计及车辆稳定性设计等方面，这些设计与用户特定需求有关。