LKJ2000型监控装置散热系统的设计与实现

2015-10-09张华黄娟娟

科技资讯 2015年17期

张华++黄娟娟

摘要：LKJ2000型列车运行监控记录装置已有“安全期”过渡到“故障频发期”，电容爆浆、记录芯片起泡变型、监控模式混乱、彩屏与监控装置通讯等故障频繁发生。究其原因，主要是LKJ2000型列车运行监控装置设计上存在缺陷，采用自然风冷，没有散热系统，影响该装置作用的正常发挥，对运输安全生产造成较大干扰。因此，如何降低监控装置内部温度，使监控过热故障率下降，提高机车的运行性能，成为铁路运行急需解决的问题。

关键词：LKJ2000监控装置散热系统元器件温度

中图分类号：U26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0065-03

随着列车运行监控技术的升级换代，2002年路局开始全面推广使用LKJ2000型监控装置，但是运用情况并不尽如人意，电容爆浆、记录芯片起泡变型、监控模式混乱、彩屏与监控装置通讯等故障频繁发生。究其原因，主要为LKJ2000型列车运行监控装置设计上存在缺陷，采用自然风冷，没有散热系统，在气候炎热的季节，装置内部温度达90℃以上。电子元器件过热损坏。影响该装置作用的正常发挥，每年此类故障率就占了监控装置故障落修率的80%以上。对运输安全生产造成较大干扰。为此，昆明机务段组成课题组，设计研制出一套散热装置样机，使LKJ2000型监控装置过热故障率下降80%以上。散热装置性能可靠，安装方便，不影响监控装置正常工况。

1 主要元器件正常工况环境温度范围分析

1.1 DS1250Y芯片

DS1250Y芯片内部每个NV SRAM均自带锂电池及控制电路。在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，在电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度有密切的关系，电极/电解液界面被视为电池的心脏，如果温度下降，电极的反应率也下降，假设电池电压保持恒定，放电电流降低，电池的功率输出也会下降；如果温度上升则相反，即电池输出功率会上升。温度也影响电解液的传送速度，温度上升则加快，温度下降，传送减慢。

对于DS1250Y芯片来说温度太高，即：≥45℃，会破坏电池内的化学平衡，导致副反应，释放出腐蚀性物质，同时，高温下充电电池材料的性能会退化，电池的循环寿命也将大大缩短。

经测试，监控主机箱的内部环境温度一般高达85℃以上。在这样环境中长期工作最终导致芯片内部锂电池因过热损坏导致芯片外部起泡变形，从而严重影响DS1250Y芯片的电气性能。使CPU读写DS1250超时或失败致使监控记录文件出现错误。

可见监控记录板上DS1250Y芯片工作的环境温度应<45℃，原芯片内部控制标称电路所选用的-40℃到+85℃工业级温度范围有偏差。

1.2 27C4001芯片

LKJ2000型监控装置选用存储监控模式及数据的EPROM芯片即27C4001芯片。由于监控装置内部的工作温度较高，即便没有外加电场，“热载流子”也会通过“电子迁移”的方式缓慢的注入NVM器件。改变EPROM中的数据，导致监控模式混乱。

1.3 CPU

1989年MOTOROLA公司推出MC68300系列32位单片机，LKJ2000型监控装置选用的就是其代表性产品MC68332。

据超微公司（AMD）统计，全世界因中央处理器引起的各种故障中，长期温度过高所致CPU损坏的占92%。然而，并不是热直接伤害CPU，而是热所导致的“电子迁移”效应在缓慢的损坏CPU内部的芯片结构，是高温导致的“电子迁移”效应而引发的结果。为了防止“电子迁移”效应的发生，必须把CPU的表面温度控制在摄氏55℃以下，这样CPU的内部温度维持在80℃以下，“电子迁移”现象才不会轻易的发生。此外“电子迁移”效应也并非立刻就会损坏CPU（芯片），它对CPU（芯片）的损坏是一个缓慢的过程，但肯定会缩短CPU的使用寿命。

1.4 电解电容

一般导致电解电容爆浆漏液的原因分为两种：①电容过压；②电容过热。LKJ2000型监控装置电源插件上装有3个滤波电解电容，经过对故障插件的分析研究并不是3个电解电容同时爆浆，有的插件仅有一个电容爆浆。如果是过压原因造成电容爆浆，应该是3个电解电容全部爆浆，绝对不会有一个幸免，所以电源插件上的电解电容爆浆的原因只可能是过热。

2 监控装置散热系统设计

2.1 散热方式比选

散热就所采用的方式来说，可以分为两种，被动散热和主动散热，在主动散热中根据采用的散热方式不同，又分为风冷散热、水冷散热、液冷散热、热管散热器散热、半导体致冷片散热、压缩机辅助散热和液氮散热等几种。

从热力学的角度看，物体的吸热、放热是相对的，只要有温度差存在，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象，有差别的只是传导速度。热传递有3种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。水冷散热、液冷散热、热管散热器散热的散热能力非常好，但结构复杂、安装空间、工艺要求很高，监控装置的安装位置无法满足空间上的要求。

风冷散热是现在最为常见且使用率最高的一种散热方式，属于主动散热，这种散热方式可以解决监控装置的散热需要，技术成熟并且空间、安装工艺要求不高。风冷散热器结构简单，安全可靠，冷却效果明显。

为提升CPU、CAN芯片、电源模块的散热效果，课题组研究了散热片被动散热。所谓被动散热，即在不借助任何辅助散热方式的情况下，通过散热片自身与芯片的接触，进行热传导带走芯片上聚集的热量，通过增加芯片的有效散热面积来降低芯片工作温度。但就LKJ2000监控装置机箱的复杂情况，各个元件发出的热量无法自然散出，仅仅采用被动散热远远不能满足监控装置散热的需要。经过调研论证，最终确定LKJ2000型监控装置采用风冷散热和散热片被动散热相结合的散热方式。

2.2 散热片的选择

虽然风冷散热器中“风”起着至关重要的作用，但没有散热片作为基础，“风力”散热则无从发挥。可以说，散热片的结构设计、材料选择、制作工艺对风冷散热器的性能起着决定性的作用，也是判断风冷散热器性能时需要注意的第一要素。散热片担负着将发热物体产生的热量散失到周围空气中的使命，是风冷散热器中的热量传导通道。其主要作用有：吸热、导热和散热。

制作散热器用金属铜材料加工鳍片最好，而且使用特殊的工艺为散热器提供了更多的鳍片，从而增加传热面积获得更好的散热效率，但铜的密度大，如果采用全铜散热片，散热器的重量会很沉重很可能会压坏CPU（各种CPU对散热器的重量都有规定，MC68332CPU是≤35克）或散热片因自重脱落。

通过以上分析，确定采用铝制平板型吸热底+直立林状鳍片的设计。

为保证芯片在所能承受的最高温度以内正常工作，用导热材料和工具将散热器安装于芯片上面，从而将芯片产生的热量迅速排除。根据散热器规格、芯片功率、环境温度等数据，通过热传导计算来确定芯片工作温度。

2.3 散热通路设计（被动式散热）

由于散热器底面与芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须使用导热性能好的导热材料来填充，课题组确定使用导热黏合剂、相转变材料。

芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器，再通过风扇的高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走到周围的空气中，强制将热量排除，这样就形成了从芯片开始，然后通过散热器和导热材料，到周围空气的散热通路。如图1所示。

2.4 LKJ2000型监控装置散热系统设计

将LKJ-2000型监控装置数学模型，放入风动模拟试验程序，计算机列出了近似温度相位方程。

以上方程用计算机拟合出函数关系求解后计算机绘出温度信号曲线（图2）。

根据分析：①当上下隔板温度信号相位相反的时，机箱内温度恒定基本为恒温；②当上下隔板温度信号相位改变时，相位变化越大机箱内各个离散点温度波动越剧烈；③机箱内同一水平高度温度相差不大。

所以让机箱快速将箱内温度释放必须改变上下隔板的温度相位。改变温度相位最有效的方法是使用风扇。

通过计算散热片可以使芯片工作温度降至63.5℃左右，但是根据前面监控装置机箱的数学模型推导的结论，温度是会出现饱和性积累的，所以设计为一个将散热片被动散热和主动散热相结合的适合LKJ2000型监控装置使用的整体散热系统，如图3所示。

3 试验过程及效果分析

第一阶段，完成了监控装置散热系统方案初步设计工作。并采购分离器件制作了简易监控装散热装置，利用监控装置多台地面备品，对装置进行第一阶段地面试验。试验结果表明散热系统能有效降低电源插件、监控记录插件的工作温度。

第二阶段，对试验数据进行分析，进一步完善散热系统模型，增加被动散热部分散热方案，解决大功率模块、CPU、芯片发热点集中的问题；并优化设计完善各部份的性能，确定监控散热系统装置的设计、制造方案。

第三阶段，对监控装置散热系统的设计改造进行最后的调试工作，制作了专用散热风路箱体，使样机更加规范。并在SS7型0014号机车上正式装车试用。自试用以来，所研制的散热装置性能稳定，作用良好，经100000多公里运用考核表明，LKJ2000型监控装置工作可靠性有了较大提高，未曾发生过任何监控装置因过热死机、关机、记录混乱无法分析等故障，实现零故障报修。

4 结语

该散热系统具有以下特点。

（1）顶部安装散热风扇较好解决死区问题。

（2）该系统结构紧凑、散热风路无死区，其散热效果好；

（3）由于采用外置安装，该设备无需对监控装置整体外形加工改造，安装方便；

（4）风扇采用机车110V独立电源，同监控装置电源分离不会对监控装置的电源产生纹波干扰；

（5）过滤网采用套装方式，更换方便；

（6）风扇采用工作指示灯便于检查。

该装置装车后，一方面，有效地解决了课题提出的问题；另一方面保证了监控装置基本功能的实施，大大节约了生产成本的支出、延长监控装置的使用寿命、减少检修工作量，有力的保障了LKJ2000监控装置的稳定性和可靠性。

参考文献

[1] 杨志刚.LKJ2000型列车运行监控记录装置[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[2] 李秋梅.LKJ2000型监控装置及其显示器故障分析[J].广西轻工业，2011（3）：38-39.