高原制氧環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

蘇玉蕾，王永鑫

（中國船舶重工集團(tuán)公司第718研究所，河北邯鄲 056027）

中國是世界上高原面積最大的國家，具有“世界屋脊”之稱的青藏高原占國土面積的1/4，青藏高原一般海拔高度在2 500~4 500m，部分地區(qū)超過5 000m。

高原氣候條件惡劣，其特點(diǎn)是大氣壓力低，空氣密度小。含氧低，晝夜溫差大，低溫期長，空氣干燥，風(fēng)沙粉塵大等。氣壓的降低，容易引起氣體或液體從密封容器內(nèi)向外滲透，容器內(nèi)外壓差增大，甚至可能引起容器破裂。因此制氧設(shè)備艙室在非工作狀態(tài)時，天窗、通風(fēng)風(fēng)扇、換氣百葉窗、門都要鎖緊，才能保證內(nèi)部環(huán)境的保溫性能及密封性能。

1 工作環(huán)境影響及分析

1.1 氣候環(huán)境

考慮到高原地區(qū)溫度較低，室外設(shè)備工作溫度在-25~+40℃，廂內(nèi)設(shè)備工作溫度在0~+40。溫度可導(dǎo)致元器件的物理損傷引起性能下降，可以改變材料性能和幾何尺寸，造成材料發(fā)硬、電纜發(fā)脆，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱。為此，啟動制氧設(shè)備時，采用熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱提高其工作啟動時的環(huán)境溫度，當(dāng)設(shè)備完全啟動后，打開天窗、進(jìn)風(fēng)扇，關(guān)閉熱風(fēng)機(jī)供暖通道。

氣壓的下降，會使材料中的填料和溶劑物質(zhì)加速揮發(fā)或蒸發(fā)，材料發(fā)生分解、蛻變，加速老化失效。設(shè)備中的電纜、廂體及表面涂漆和輪胎等會受到影響。在電纜及管道外增加車載波紋管防護(hù)套，同時在廂體、工作平臺的表面涂防護(hù)面漆，提高設(shè)備的壽命及耐候性。

1.2 機(jī)械環(huán)境

隨著車輛的運(yùn)行，制氧設(shè)備在車廂內(nèi)會受到各種顛震、傾斜和搖擺等多種形式的機(jī)械力作用。車廂外設(shè)備還會受到風(fēng)載荷而產(chǎn)生的機(jī)械力影響。長期的振動或頻繁的沖擊容易使設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重機(jī)械應(yīng)力疲勞、金屬導(dǎo)線折斷、金屬構(gòu)件斷裂變形和結(jié)構(gòu)失效、繼電器和開關(guān)的瞬間斷開、電子插件性能下降、電接觸和電連接瞬時短斷路等。采用以下減震和緩沖設(shè)計：

（1）設(shè)備安裝在一個整體的下支架上，整體結(jié)構(gòu)做減震，框架主體下部及動力設(shè)備下部安裝專門的減震裝置。減震裝置應(yīng)同時具有隔振和緩沖兩種功能，具有足夠的吸收儲存能量的位移空間，保證不出現(xiàn)剛性碰撞。

（2）機(jī)器設(shè)備的連接要牢固可靠，安裝材料的減振性能要好，以提高機(jī)器設(shè)備的穩(wěn)定性和使用可靠性。如在空壓機(jī)底座的槽鋼架上增加支撐斜梁（即加強(qiáng)筋），采用雙面焊接，提高整體減振性能和強(qiáng)度。

（3）設(shè)備之間的連接采用軟連接和硬連接相結(jié)合的方式。所有緊固件設(shè)置合理的裝配方法及鎖緊裝置。

1.3 電磁環(huán)境

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作，又互不干擾，達(dá)到兼容狀態(tài)。這個概念有兩層含義，第一是電氣及電子設(shè)備要具有抵抗外界電磁干擾的能力；第二是電氣及電子設(shè)備對外發(fā)射的電磁干擾不能超過一定的限值，要盡可能少。

對于任一個電子設(shè)備既可能是一個干擾源，也可能是敏感設(shè)備，因此電磁兼容測試分為電磁干擾發(fā)射（EMI）和電磁干擾敏感度（EMS）測量兩大類，通常再細(xì)分為4類：輻射發(fā)射測試、傳導(dǎo)發(fā)射測試、輻射敏感度（抗擾度）測試和傳導(dǎo)敏感度（抗擾度）測試。制氧系統(tǒng)在使用中由于存在電機(jī)、電器等元器件，該系統(tǒng)在使用過程中可能會產(chǎn)生電磁波，或者外界產(chǎn)生的電磁波是否會影響到車載制氧系統(tǒng)的正常工作。在設(shè)計工程中也會充分考慮。

制氧機(jī)設(shè)備和系統(tǒng)不應(yīng)發(fā)射影響無線電業(yè)務(wù)、其他設(shè)備和系統(tǒng)基本性能的電磁騷擾，而且該設(shè)備和系統(tǒng)的基本性能對電磁騷擾應(yīng)有符合要求的抗擾度。由此分別對控制箱體、電氣布線及電路選擇合適屏蔽性能的結(jié)構(gòu)載體，采用多層屏蔽設(shè)計。

1.3.1 控制箱體設(shè)計

控制箱設(shè)備設(shè)計成一個長方體、全金屬結(jié)構(gòu)的小控制箱，以屏蔽監(jiān)控箱周圍磁場的干擾；對控制系統(tǒng)外引線進(jìn)行屏蔽以防外部環(huán)境的干擾；加大金屬零件之間的重疊面積；電磁能量經(jīng)孔洞泄漏會降低屏蔽體的效能，應(yīng)減少箱體對外的開孔面積，且屏蔽效果會隨著孔洞的增大而變小，孔洞的尺寸應(yīng)小于λ/50，且不得大于λ/20。

1.3.2 電氣布線設(shè)計

采用大電流的電源電纜線作為輸入、輸出線，將電力電纜與屏蔽信號電纜分開單獨(dú)布線。選用同軸電纜、屏蔽導(dǎo)線等作為信號線。采用固體薄膜保護(hù)劑對接插件進(jìn)行涂覆提高接插件的可靠性，對灌封后的插頭座套上熱縮套管使導(dǎo)線位置固定。

1.3.3 電路設(shè)計

選用具有良好抗干擾特性且滿足設(shè)計性能要求的電器、儀器儀表等。選用分布電容小、抑制帶大的配電器，以減少系統(tǒng)干擾。電源部分采用濾波器隔離、屏蔽高磁諧波，抑制外部干擾和內(nèi)部干擾信號的輸出。為防止電磁干擾，需進(jìn)行接地，盡可能減小接地電阻和地線阻抗，強(qiáng)電電路和弱電電路相隔離。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計來抵抗惡劣環(huán)境的影響，提高制氧設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力。

2.1 廂體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 廂體保溫性設(shè)計

為了保證車廂內(nèi)有足夠的啟動溫度，通過風(fēng)機(jī)實現(xiàn)供暖。箱體要進(jìn)行保溫性設(shè)計。通過增大聚氨酯泡沫的填充密度，廂體處黏有保溫棉，金屬連接處做隔熱處理，減小溫度傳導(dǎo)速度，整體保溫性能提高，如圖1所示。

圖1 保溫結(jié)構(gòu)

2.1.2 廂體密封性

可靠的密封能阻止廂體在使用過程中熱量的散失，在做廂體結(jié)構(gòu)密封壁板拼接時，采用在壁板與壁板間的接縫處涂覆密封涂層，外側(cè)黏接密封膠皮。廂體框架與廂體板結(jié)合面均涂密封膠并以鉚釘固定，采用閉口鉚釘以提高鉚接處的防水密封性，且每只鉚釘涂密封涂層聯(lián)結(jié)。廂體內(nèi)每個板件、角件均帶密封涂層后螺裝。門、窗、孔口及框口周圍均安裝有密封橡膠條，確保后門關(guān)閉時，水密、氣密性能良好。密封膠條的開槽尺寸合理設(shè)計，其相對變形量控制在10%~20%。

2.1.3 廂體結(jié)構(gòu)設(shè)計

避免采用易積存腐蝕介質(zhì)、雨水或冷凝水的結(jié)構(gòu)，車廂頂部避免采用凹陷結(jié)構(gòu)，避免積水導(dǎo)致腐蝕。易積水的部位設(shè)置排水孔。將內(nèi)腔和盲孔設(shè)計成通孔，便于排水和排除濕氣。排水面積不小于100mm2。

柜體表面形狀簡單，采用光滑過渡，避免結(jié)構(gòu)過分復(fù)雜，隨意組合的表面形式會使防腐蝕復(fù)雜化。零件邊緣應(yīng)使用圓角過渡，控制機(jī)械裝配間隙，以降低磨振腐蝕。廂體所有連接的零件保證表面平直、完整，突出表面的緊固件盡量減少，采用埋頭鉚釘和螺釘，并將突出表面的緊固件進(jìn)行密封保護(hù)。

廂體內(nèi)所有抽屜接插件、機(jī)柜、組合件、門等在前后面裝有兩個引銷，配合零件需非常嚴(yán)密，安裝鎖定裝置，避免震動時相互沖擊。所有緊固件應(yīng)有防松措施。

2.2 制氧主機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

制氧主機(jī)機(jī)箱采用框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，主承載構(gòu)件采用焊接件。采用加強(qiáng)側(cè)板、面板與框架的連接剛度。螺釘?shù)闹睆?、?shù)量、布局也應(yīng)有利于結(jié)構(gòu)加固，加強(qiáng)板的端點(diǎn)處有螺釘固定，面板與機(jī)架采用防松螺釘聯(lián)結(jié)。箱體底板是電子模塊、組件安裝基礎(chǔ)，在底板不宜開孔洞，如果開孔需采用加肋、加筋、翻邊等措施提高底板的剛度。內(nèi)部所有部件、組件的組合重心，應(yīng)落在箱體內(nèi)導(dǎo)柱與面板的支撐面內(nèi)，防止局部扭曲應(yīng)力。

3 降噪設(shè)計

主要噪音源制氧設(shè)備、空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)在工作過程中會產(chǎn)生較大噪音，影響使用人員的休息，通過設(shè)計改進(jìn)，可大幅降低噪音的干擾和破壞，提高使用者的吸氧體驗。通過以下措施進(jìn)行改進(jìn)：

1）合理布置廂體內(nèi)空間，將人員休息廂室布置于車體前部，可以降低車體運(yùn)行時造成的顛簸與震動，同時可與車體尾部噪音較大的發(fā)電機(jī)室進(jìn)行隔離。中間布置噪音較小的制氧廂室。

2）采取減振措施，并避免設(shè)備共振。

3）在吸氧廂、制氧廂之間設(shè)置隔音擋板，廂體內(nèi)采用隔音、消音材料。加強(qiáng)門、窗、開孔等位置的密封處理，減少外部噪音的干擾。

4）柴油發(fā)電機(jī)組室是整機(jī)的最大噪聲源，必須對噪聲進(jìn)行消聲降噪設(shè)計，通過在發(fā)電機(jī)廂室的壁板上安裝鋪設(shè)厚度為50mm高效吸音材料，內(nèi)襯厚度為1mm的沖孔鋁板，達(dá)到減重吸音的目的。

4 結(jié)束語

環(huán)境適應(yīng)性作為電子設(shè)備的主要性能指標(biāo)，以及提高設(shè)備可靠性及延長使用壽命的重要手段，其涉及的范圍比較廣，難題比較多，設(shè)計難度也較大，在設(shè)備的研制過程中應(yīng)全面考慮。采用先進(jìn)方法和工藝進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，充分將定性和定量相結(jié)合。此外，前期進(jìn)行各項模擬和實地測試實驗，定期檢查維護(hù)，積累豐富經(jīng)驗及提高環(huán)境適應(yīng)性能力的各項數(shù)據(jù)，將技術(shù)基礎(chǔ)研究積累的數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗相結(jié)合，為今后的設(shè)備設(shè)計提供借鑒與參考。