户外电子设备箱的机构设计

卢接桦，邓伟锋，陈灿林，叶俊健

（深圳市特发信息股份有限公司东莞分公司，广东 东莞 523400）

1 机箱设计准则

1.1 满足技术要求

根据电子设备箱的使用环境不同，综合考虑气候、电磁干扰、电气、机械等因素影响，确保机箱机械强度及用电设备机电连接的可靠性，同时采取相应保护措施，确保满足技术要求。

1.2 加工工艺、运输、安装、维修便捷性

机箱结构设计要点1：加工工艺，能够性能优、效率高、低成本地进行设备加工。结构设计要点2：机箱运输过程中，要从结构设计中综合考虑到运输的便捷及保护机箱不受损坏。要点3：安装简便，考虑到安装场景的复杂多变，机箱在结构设计阶段中要考虑到安装的简便，能使用更少的部件，使用更少的工具及便捷的方案，稳固的安装到目标位置。要点4：维修便捷，机箱内部电子元器件在使用一定时间内或者到达使用寿命需要维护或者替换时，机箱结构设计要充分考虑到维护和替换的便捷性，使各部件成为独立单元，拆卸方便。

1.3 小型化、模块化、标准化

机箱结构设计充分考虑前面所述，小型化则成为以上所述的综合整理，机箱布局合理、比重均匀、充分使用空间使机箱体积变小、重量变小是机箱设计准则的核心内容。机箱电子设备的模块化、标准化设计，从功能、接口、逻辑、状态等特性来分区，使机箱内电子设备独立工作，即便单组模块出线故障也不影响整个系统工作。标准化接口及紧固方式能够在电子设备替换和设备更新时带来简便。

2 钣金机箱结构设计

2.1 材料选择

从材料的选择开始，材料的选择对应用场景、使用寿命、结构强度有着重要的影响。钣金机箱常用钢板、不锈钢等板材折弯、焊接来完成。根据机箱的承载能力选择不锈钢板的厚度，材料过薄会导致机箱变形、穿洞严重后果，材料过厚看起来比较臃肿，对生产工艺增加一定难度，以及造成材料的浪费。不锈钢板在同等厚度情况下结构强度、使用寿命、耐腐蚀能力均优于普通钢板。不锈钢机箱是未来钣金机箱的主要使用材料。箱内设备重量约40kg，综合机箱框架及加强筋结构，最终选择1.2mm不锈钢板。

2.2 表面加工工艺

根据不同种类金属表面的处理工艺也不一样，有氧化、电泳、烤漆、电镀、拉丝等不仅在防刮花、防锈上有很好的保护，在外观上也比没加工前亮丽许多。我们选择的镀锌板是做烤漆处理，保护板材在使用年限内不会生锈。不锈钢的烤漆比普通钢板的烤漆工艺上更为复杂，不锈钢在放锈及表面硬度都属于较高级别，所以一般不需要做烤漆处理，拉丝工艺更适合不锈钢板的表面处理。

2.3 防水性能

户外电子设备箱的防水是最基本要求了，防水等级表如下：

防水等级 检测标准0级 无保护1级 可以消除垂直落下水滴的有害影响2级 对与垂直方向在15度以内落下的水滴有防护作用3级 可以消除与垂直方向在60度的喷雾状水滴的有害影响4级 可以消除从不同方向飞溅水滴的有害影响5级 可以消除对各方向喷嘴喷射水流的有害影响6级 可以消除对各方向喷嘴强力喷射水流的有害影响7级 顶部距离水面0.15—1米，连续30分钟，性能不受影响，不漏水8级 顶部距离水面1.5—30米，连续30分钟，性能不受影响，不漏水

钣金机箱在设计的时候要尽量减少焊缝，规避漏水风险，多使用折弯成型，在合页、门锁、把手这些地方灌防水胶，门板内粘贴防水压条，贴紧机箱主体来达到防水要求（图1）。

图1

2.4 散热性能

电子器件在工作中的能量并不能全部转化，大部分的能耗会转化为热能，对于大功率的电子器件来说就意味着大量的热量散发出来，这在电子设备箱体中将会带来很大的隐患。热量如果在电子器件和机箱构件等接触地方不能够及时散开，容易造成电气器件的损坏，严重的在接头处造成短路并形成火灾。

目前机箱常用的散热方式有三种，第一是采用优质的散热材料组成机箱配件和外壳，第二是设计良好的散热通道形成温度循环，第三是增加水冷或风冷降低热量。

优质的散热材料组成机箱配件和外壳能够加快散热速度，目前导热和散热能力较强的机箱外壳为铝合金材料制造，铝金属在吸收相同热量的情况下比市面上的钢质机箱散热能力有优异的多，当然造价也要更昂贵。

一个机箱的散热风道设计不合理，会导致机箱内部热量无法及时排出，带来一系列的散热难题。而一个散热通道优秀的机箱也有很多方面需要考虑，比如内部电子元器件的摆放、风扇的摆放、机箱风道进风量和出风量、内部剩余空间大小等，设计出一个合理的散热通道组成机箱内部热循环，解决散热问题。

不同类型的户外电子设备箱因为型号大小不一、功率器件本身热量不一装配的散热风冷、水冷设备数量也不通，有的只需加装散热风扇，有的大型功率器件需要加装流动水冷散热板。无论是风冷还是水冷的散热器，都是将热量散到功率器件的周围空间或带出机箱外，实现主动传递热量，达到维护器件运行安全的目的。

机箱的散热性能，直接影响到电子设备的运行状态及寿命。机箱的散热方式有风冷、水冷、能使机箱的温度整体减低3℃-10℃来保护电子设备。根据我们设备的使用环境，比如户外高压电线的杆塔上不会出现小动物筑窝的情况，所以在机箱底部开小孔，使机箱内空气流通，防止机箱内温度过高的情况。

2.5 结构强度

强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形的能力。金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹塑变形和断裂三个连续的阶段。在应力达到屈服极限时，材料出现明显塑性变形；当应力到强度极限时，材料会断裂。在核实的位置增加加强筋，可使局部强度增大，降低失效风险。

在需要设计加强筋来加强零件时，加强筋的方向应与力的方向相同；若要做局部弱化，则需做筋的方向与力的方向垂直，如压溃筋。根据力的传递方向不同，同样的加强筋起不同的作用。在需要加强钣金时，图2的效果最好，图3的效果次之，图4的效果最差。

机箱经常使用的钣金结构是一种利用材料的塑性进行加工的弯曲工艺，将金属材料弯曲成一定的形状进行加工。而无法弯曲的部位使用焊接工艺连接起来，经过打磨拉丝后外表面与折弯工艺没有差别，焊接可以使同种金属熔接一起的化学反应。无论是折弯或者焊接从某种意义上是对机箱的机构强度的提高。钣金结构如图5所示。

图5

2.6 标准化、模块化

在设计产电子设备箱时，综合考虑其使用场景、周围环境、电子箱内部电子器件等因素，应该满足标准化与模块化的设计。标准化设计有利于统一设备规格，安装固定通用尺寸能方便现场安装的对接；模块化的设计能加速研制的周期，同时降低设计难度，电子设备箱的标准化与模块化已经广泛应用在其研制与生产。

在机箱设计过程中，要充分考虑不同配置的电子设备安装在机箱内的兼容性，做到区间尺寸内可以安装在同一个机箱。在不同使用环境下，同样设备的安装兼容性，简化生产流程。

设备安装在输电线路杆塔上，杆塔使用的角钢大小、厚度、方向都不统一，设计时做了以下结构（图6）：

图6

2.7 小型化

无论是电子元器件还是电子设备机箱，其发展趋势一直都是往小型化、标准化来走，更小的体积更小的重量意味着愈加趋向稳定的结构以及成本上的降低。在输电线路杆塔上的机箱设备，小型化的电子设备箱在杆塔上安装的更稳，更不受大风、振动的影响，不对杆塔单方向产生较大压力而不平衡，对安装实施、现场维护更为简便。

3 结束语

电子设备箱作为保护箱体内电子设备的载体，结构设计尤为重要，从机箱的防水、稳固、耐用的方向出发整合标准化、模块化、小型化的设计理念，完成户外电子设备箱的设计。本文除了对机箱设计准则的一些，还根据个人经验初步探讨了有关钣金电子设备箱设计时应注意的问题，并提供了个人的设计理念。未来的电子设备箱会随着使用场景不同、电子元器件的不同而产生越来越多的设计内容与设计要求，在满足小型化、标准化与模块化的设计要求下，会产生更多的新型技术与新型工艺。