高原制氧环境适应性设计

苏玉蕾，王永鑫

（中国船舶重工集团公司第718研究所，河北邯郸 056027）

中国是世界上高原面积最大的国家，具有“世界屋脊”之称的青藏高原占国土面积的1/4，青藏高原一般海拔高度在2 500~4 500m，部分地区超过5 000m。

高原气候条件恶劣，其特点是大气压力低，空气密度小。含氧低，昼夜温差大，低温期长，空气干燥，风沙粉尘大等。气压的降低，容易引起气体或液体从密封容器内向外渗透，容器内外压差增大，甚至可能引起容器破裂。因此制氧设备舱室在非工作状态时，天窗、通风风扇、换气百叶窗、门都要锁紧，才能保证内部环境的保温性能及密封性能。

1 工作环境影响及分析

1.1 气候环境

考虑到高原地区温度较低，室外设备工作温度在-25~+40℃，厢内设备工作温度在0~+40。温度可导致元器件的物理损伤引起性能下降，可以改变材料性能和几何尺寸，造成材料发硬、电缆发脆，结构强度减弱。为此，启动制氧设备时，采用热风机进行预热提高其工作启动时的环境温度，当设备完全启动后，打开天窗、进风扇，关闭热风机供暖通道。

气压的下降，会使材料中的填料和溶剂物质加速挥发或蒸发，材料发生分解、蜕变，加速老化失效。设备中的电缆、厢体及表面涂漆和轮胎等会受到影响。在电缆及管道外增加车载波纹管防护套，同时在厢体、工作平台的表面涂防护面漆，提高设备的寿命及耐候性。

1.2 机械环境

随着车辆的运行，制氧设备在车厢内会受到各种颠震、倾斜和摇摆等多种形式的机械力作用。车厢外设备还会受到风载荷而产生的机械力影响。长期的振动或频繁的冲击容易使设备产生严重机械应力疲劳、金属导线折断、金属构件断裂变形和结构失效、继电器和开关的瞬间断开、电子插件性能下降、电接触和电连接瞬时短断路等。采用以下减震和缓冲设计：

（1）设备安装在一个整体的下支架上，整体结构做减震，框架主体下部及动力设备下部安装专门的减震装置。减震装置应同时具有隔振和缓冲两种功能，具有足够的吸收储存能量的位移空间，保证不出现刚性碰撞。

（2）机器设备的连接要牢固可靠，安装材料的减振性能要好，以提高机器设备的稳定性和使用可靠性。如在空压机底座的槽钢架上增加支撑斜梁（即加强筋），采用双面焊接，提高整体减振性能和强度。

（3）设备之间的连接采用软连接和硬连接相结合的方式。所有紧固件设置合理的装配方法及锁紧装置。

1.3 电磁环境

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作，又互不干扰，达到兼容状态。这个概念有两层含义，第一是电气及电子设备要具有抵抗外界电磁干扰的能力；第二是电气及电子设备对外发射的电磁干扰不能超过一定的限值，要尽可能少。

对于任一个电子设备既可能是一个干扰源，也可能是敏感设备，因此电磁兼容测试分为电磁干扰发射（EMI）和电磁干扰敏感度（EMS）测量两大类，通常再细分为4类：辐射发射测试、传导发射测试、辐射敏感度（抗扰度）测试和传导敏感度（抗扰度）测试。制氧系统在使用中由于存在电机、电器等元器件，该系统在使用过程中可能会产生电磁波，或者外界产生的电磁波是否会影响到车载制氧系统的正常工作。在设计工程中也会充分考虑。

制氧机设备和系统不应发射影响无线电业务、其他设备和系统基本性能的电磁骚扰，而且该设备和系统的基本性能对电磁骚扰应有符合要求的抗扰度。由此分别对控制箱体、电气布线及电路选择合适屏蔽性能的结构载体，采用多层屏蔽设计。

1.3.1 控制箱体设计

控制箱设备设计成一个长方体、全金属结构的小控制箱，以屏蔽监控箱周围磁场的干扰；对控制系统外引线进行屏蔽以防外部环境的干扰；加大金属零件之间的重叠面积；电磁能量经孔洞泄漏会降低屏蔽体的效能，应减少箱体对外的开孔面积，且屏蔽效果会随着孔洞的增大而变小，孔洞的尺寸应小于λ/50，且不得大于λ/20。

1.3.2 电气布线设计

采用大电流的电源电缆线作为输入、输出线，将电力电缆与屏蔽信号电缆分开单独布线。选用同轴电缆、屏蔽导线等作为信号线。采用固体薄膜保护剂对接插件进行涂覆提高接插件的可靠性，对灌封后的插头座套上热缩套管使导线位置固定。

1.3.3 电路设计

选用具有良好抗干扰特性且满足设计性能要求的电器、仪器仪表等。选用分布电容小、抑制带大的配电器，以减少系统干扰。电源部分采用滤波器隔离、屏蔽高磁谐波，抑制外部干扰和内部干扰信号的输出。为防止电磁干扰，需进行接地，尽可能减小接地电阻和地线阻抗，强电电路和弱电电路相隔离。

2 结构设计

通过对车厢结构进行合理的结构设计来抵抗恶劣环境的影响，提高制氧设备的环境适应能力。

2.1 厢体结构设计

2.1.1 厢体保温性设计

为了保证车厢内有足够的启动温度，通过风机实现供暖。箱体要进行保温性设计。通过增大聚氨酯泡沫的填充密度，厢体处黏有保温棉，金属连接处做隔热处理，减小温度传导速度，整体保温性能提高，如图1所示。

图1 保温结构

2.1.2 厢体密封性

可靠的密封能阻止厢体在使用过程中热量的散失，在做厢体结构密封壁板拼接时，采用在壁板与壁板间的接缝处涂覆密封涂层，外侧黏接密封胶皮。厢体框架与厢体板结合面均涂密封胶并以铆钉固定，采用闭口铆钉以提高铆接处的防水密封性，且每只铆钉涂密封涂层联结。厢体内每个板件、角件均带密封涂层后螺装。门、窗、孔口及框口周围均安装有密封橡胶条，确保后门关闭时，水密、气密性能良好。密封胶条的开槽尺寸合理设计，其相对变形量控制在10%~20%。

2.1.3 厢体结构设计

避免采用易积存腐蚀介质、雨水或冷凝水的结构，车厢顶部避免采用凹陷结构，避免积水导致腐蚀。易积水的部位设置排水孔。将内腔和盲孔设计成通孔，便于排水和排除湿气。排水面积不小于100mm2。

柜体表面形状简单，采用光滑过渡，避免结构过分复杂，随意组合的表面形式会使防腐蚀复杂化。零件边缘应使用圆角过渡，控制机械装配间隙，以降低磨振腐蚀。厢体所有连接的零件保证表面平直、完整，突出表面的紧固件尽量减少，采用埋头铆钉和螺钉，并将突出表面的紧固件进行密封保护。

厢体内所有抽屉接插件、机柜、组合件、门等在前后面装有两个引销，配合零件需非常严密，安装锁定装置，避免震动时相互冲击。所有紧固件应有防松措施。

2.2 制氧主机机箱结构设计

制氧主机机箱采用框架结构，设计成稳定结构，主承载构件采用焊接件。采用加强侧板、面板与框架的连接刚度。螺钉的直径、数量、布局也应有利于结构加固，加强板的端点处有螺钉固定，面板与机架采用防松螺钉联结。箱体底板是电子模块、组件安装基础，在底板不宜开孔洞，如果开孔需采用加肋、加筋、翻边等措施提高底板的刚度。内部所有部件、组件的组合重心，应落在箱体内导柱与面板的支撑面内，防止局部扭曲应力。

3 降噪设计

主要噪音源制氧设备、空压机、发电机在工作过程中会产生较大噪音，影响使用人员的休息，通过设计改进，可大幅降低噪音的干扰和破坏，提高使用者的吸氧体验。通过以下措施进行改进：

1）合理布置厢体内空间，将人员休息厢室布置于车体前部，可以降低车体运行时造成的颠簸与震动，同时可与车体尾部噪音较大的发电机室进行隔离。中间布置噪音较小的制氧厢室。

2）采取减振措施，并避免设备共振。

3）在吸氧厢、制氧厢之间设置隔音挡板，厢体内采用隔音、消音材料。加强门、窗、开孔等位置的密封处理，减少外部噪音的干扰。

4）柴油发电机组室是整机的最大噪声源，必须对噪声进行消声降噪设计，通过在发电机厢室的壁板上安装铺设厚度为50mm高效吸音材料，内衬厚度为1mm的冲孔铝板，达到减重吸音的目的。

4 结束语

环境适应性作为电子设备的主要性能指标，以及提高设备可靠性及延长使用寿命的重要手段，其涉及的范围比较广，难题比较多，设计难度也较大，在设备的研制过程中应全面考虑。采用先进方法和工艺进行环境适应性设计，充分将定性和定量相结合。此外，前期进行各项模拟和实地测试实验，定期检查维护，积累丰富经验及提高环境适应性能力的各项数据，将技术基础研究积累的数据和专家经验相结合，为今后的设备设计提供借鉴与参考。