一種實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量功放模塊的熱插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廖胡娜

（成都成廣電視設(shè)備有限公司，成都 610081）

0 引言

熱插拔技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的高新技術(shù)，它在系統(tǒng)運(yùn)行中通過對(duì)運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測(cè)和診斷，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行任務(wù)組件的插入和替換[1]?？勺層脩魪囊粋€(gè)正在運(yùn)行的系統(tǒng)中插拔電路板而不損壞其它板或引起系統(tǒng)崩潰。這讓系統(tǒng)在硬件替換、維護(hù)或升級(jí)時(shí)仍能正常運(yùn)行[2]，滿足關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)高可用性的需求。最早應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組件和網(wǎng)絡(luò)通信組件?，F(xiàn)今的電子信息產(chǎn)品已大量采用熱插拔技術(shù)，例如U盤、外接硬盤、工控機(jī)中的印制板等等。它們因使用便捷、維護(hù)方便被廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

5G時(shí)代的來臨，使通信視聽技術(shù)進(jìn)入新的紀(jì)元。新的發(fā)射機(jī)設(shè)備不僅需要滿足發(fā)射5G的信號(hào)，還具有新的標(biāo)準(zhǔn)與要求。不間斷工作、高可靠、快速維護(hù)成為了新設(shè)備的必備要素。而熱插拔技術(shù)完全契合這種要求，舊發(fā)射機(jī)并不支持這種技術(shù)，所以新一代的電視、廣播發(fā)射機(jī)紛紛推行和采用這一技術(shù)。

舊發(fā)射機(jī)功放模塊安裝如圖1所示，模塊與系統(tǒng)是靠航空接頭聯(lián)接。如需更換功放模塊，必須關(guān)閉發(fā)射機(jī)，拔掉所有與之相聯(lián)接的航空插頭才可拔出。

圖1 舊功放模塊安裝

舊功放模塊的安裝，還有一個(gè)一直存在的弊端：功放模塊在插入、拔出時(shí)很費(fèi)力。分析其原因，結(jié)果是功放模塊支撐面太窄，不能撐穩(wěn)模塊。加上模塊較重，人員在移動(dòng)模塊時(shí)不能保持模塊平衡，導(dǎo)致模塊傾斜，卡在上下軌道間。故而移動(dòng)模塊時(shí)就比較費(fèi)力了，如圖2所示。

圖2 舊功放模塊狀態(tài)

功放模塊尺寸頗大，大小為562 mm ×435 mm ×91.5 mm。其推入插口的行進(jìn)路線也長，需移動(dòng)550 mm 才能接入。在如此長的距離后，需保證位置精度在0.4 mm以內(nèi)才可確保接頭順利接插成功。模塊質(zhì)量較大，達(dá)到25 kg，只憑操作者單手控制是不可能達(dá)到這個(gè)精度的。必須設(shè)計(jì)輔助結(jié)構(gòu)，幫助操作者在插入功放模塊時(shí)，強(qiáng)制引導(dǎo)其準(zhǔn)確定位。

預(yù)想設(shè)計(jì)三級(jí)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一層層提高定位精度，以幫助模塊順利定位。首先以較為寬松的限位，進(jìn)行初步定位，以利于模塊行進(jìn)；其次，行進(jìn)路線的后段再進(jìn)行緊配合，以利于提高定位精確度。這樣做的好處是既解決了整段行進(jìn)時(shí)阻力過大的毛病，也保證了最后模塊的定位精度；最后再利用接頭的浮動(dòng)特性，完成最后的糾偏工作。

1 熱插拔大質(zhì)量功放模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 加大支撐面結(jié)構(gòu)

首先解決模塊因支撐面太窄而不能站穩(wěn)導(dǎo)致插拔費(fèi)力的問題。因?yàn)殡娐放c結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的延續(xù)性，插件的大結(jié)構(gòu)上變化并不能太大，這涉及到現(xiàn)有技術(shù)改變及采購成本的大幅增加。所以不能靠簡(jiǎn)單加大原有支撐面解決問題。但要使模塊穩(wěn)定，足夠的支撐面不可或缺，否則模塊仍會(huì)東倒西歪，不可避免地與導(dǎo)軌摩擦，加大行進(jìn)時(shí)的阻力。

所以在模塊下端新設(shè)計(jì)了軌道條，用來加寬支撐面。軌道條采用聚四氟的材料，利用其摩擦因數(shù)極低的特點(diǎn)（其摩擦因數(shù)為0.14），在相同的正壓力下，與原來的材料—環(huán)氧樹脂玻璃纖維板（其摩擦因數(shù)為0.28）相比，推力減少了一半。新模塊支撐面如圖3所示，用螺釘裝配好軌道條后，支撐面積由原來的12 mm×550 mm擴(kuò)大到54 mm×550 mm，支撐面積擴(kuò)大了4.5倍。

圖3 新舊模塊支撐面對(duì)比

1.2 第一級(jí)定位結(jié)構(gòu)

新模塊設(shè)計(jì)不僅增加了模塊的支撐面，讓其可以自主穩(wěn)定立于 軌 道上，還讓模塊有了軌道限位功能。裝配好后的軌道條，使模塊下端形成內(nèi)凹的形狀。與其下的鋁軌道凸緣相配合，像榫卯結(jié)構(gòu)一樣公母楔合，進(jìn)行了第一級(jí)的定位（如圖4）。不過這種楔合并不緊，反而是比較寬松的。鋁軌道與聚四氟軌道條的單側(cè)配合間隙為0.5 mm，保證功放模塊在鋁軌道上順滑行進(jìn)時(shí)，不會(huì)與上面的上框支架相接觸（功放模塊與上框的單側(cè)配合間隙為1 mm)。這樣就不會(huì)發(fā)生模塊傾斜，卡在軌道間或者與上下軌道都接觸而發(fā)生摩擦力增大的問題。并且軌道條的設(shè)計(jì)對(duì)模塊中的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)改變極少，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)基本無影響。

圖4 一級(jí)定位結(jié)構(gòu)

1.3 第二級(jí)定位結(jié)構(gòu)

由于需要在功放模塊插入或取出時(shí)省力，所以聚四氟軌道條與鋁軌道之間的間隙較大，模塊的初步定位精確度并不高。如果在這種情況下實(shí)現(xiàn)接頭的熱插拔，塑料材質(zhì)的接頭極易因定位不準(zhǔn)、強(qiáng)力插入而被撞毀。所以在離行進(jìn)終點(diǎn)35 mm處，設(shè)計(jì)了第二級(jí)定位結(jié)構(gòu)。

二級(jí)定位結(jié)構(gòu)采用定位銷與定位銷座配合（如圖5），定位精度提高到0.2 mm。同時(shí)使用2個(gè)定位銷定位，對(duì)模塊進(jìn)行上下左右約束，修正模塊位置，為順利進(jìn)入三級(jí)定位打下基礎(chǔ)。

圖5 二級(jí)定位結(jié)構(gòu)

1.4 第三級(jí)定位結(jié)構(gòu)

三級(jí)定位是熱插拔接頭自帶的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)（如圖6），它由熱插拔接頭、熱插拔插座和固定螺釘組成。

圖6 三級(jí)定位結(jié)構(gòu)

固定螺釘與接頭/插座的固定孔位間有0.75 mm的間隙，讓接頭/插座可以以固定螺釘為中心在0.75 mm的圓內(nèi)浮動(dòng)。但接駁導(dǎo)線后，布線、扎線會(huì)嚴(yán)重影響其浮動(dòng)范圍，所以定位精度一般不能低于0.4 mm，否則模塊不能順利接入。

1.5 功放模塊的糾偏提示

定位銷與定位銷座的配合長度還有一個(gè)糾錯(cuò)提示功能：如果插入功放模塊時(shí)太大意，未能讓模塊上方的凸起進(jìn)入上框的凹槽，那么當(dāng)模塊被推到離行程結(jié)束還有17 mm處，會(huì)因定位銷不能進(jìn)入定位銷座孔而直接抵在后板上，終止行程。此時(shí)，熱插接頭之間尚有1.6 mm距離（如圖7）。這可以有效防止因疏忽大意、錯(cuò)插模塊而撞毀熱插拔接頭的事故出現(xiàn)。

圖7 定位銷與定位銷座的配合長度糾錯(cuò)提示示意

2 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與校核

結(jié)構(gòu)中托架所受的載荷最為集中，又以安裝鋁導(dǎo)軌處受力最大。因?yàn)橥屑懿捎肣235鋼材制作，材料屬于塑性材料，故采用第三強(qiáng)度理論校核。又因材料的長度/高度遠(yuǎn)大于5，可視做為細(xì)長梁進(jìn)行受力分析。

導(dǎo)軌安裝處的正應(yīng)力為[3]

式中：M為橫截面處所受力矩，N·m；y為受力點(diǎn)與中性軸的距離，m；Iz為橫截面的慣性矩，m4。

經(jīng)計(jì)算，正應(yīng)力在導(dǎo)軌的中段時(shí)最大，其值為91.34 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力170 MPa[3]。最大切應(yīng)力發(fā)生在導(dǎo)軌安裝處的兩端。此處因工藝需要，開折彎槽兩處，故材料的強(qiáng)度有所削弱。代入公式[4]：

式中：Fs為橫截面所受的剪力，N；Sz為需計(jì)算的受力點(diǎn)一側(cè)的面積對(duì)中性軸的靜矩，m3；b為需計(jì)算的受力點(diǎn)處橫截面的寬度，m；Iz為橫截面的慣性矩，m4。

經(jīng)計(jì)算得最大切應(yīng)力為1.913 MPa，也遠(yuǎn)小于許用剪應(yīng)力100 MPa[3]，故設(shè)計(jì)滿足材料強(qiáng)度需求。

使用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元靜態(tài)應(yīng)力、位移分析，最大應(yīng)力為6.155 MPa，如圖8所示，最大位移為1.3 mm，如圖9如示。

圖9 托架單梁位移分布圖

3 結(jié)語

通過解決實(shí)際中出現(xiàn)的問題，重新設(shè)計(jì)的功放熱插撥結(jié)構(gòu)，讓大質(zhì)量、大尺寸模塊也可以實(shí)現(xiàn)熱插拔行為。再依據(jù)理論力學(xué)中的第三強(qiáng)度理論和細(xì)長梁的受力情況，對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。最后運(yùn)用有限元分析方法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度位移分析、驗(yàn)證設(shè)計(jì)、計(jì)算結(jié)果。加工完成的產(chǎn)品也成功地實(shí)施了熱插拔的行為，完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，也為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化奠定理論和實(shí)例基礎(chǔ)。