某电子机柜结构模块化互换设计

宋江兵李能

摘 要：某电子机柜是由骨架和众多安装在内部的控制模块组合，每个控制模块之间需要达到互换使用的水平。在实际产生制造过程中，遇到加工和装配存在一定的难度、维修性差等问题。本文以某型电子机柜为例，提出运用Solidworks三维设计软件对电子机柜结构进行结构设计优化，降低制造难度，更好的保障机柜、控制单元的在紧急情况下的快速维修与更换。

关键词： 电子机柜  模块化  Solidworks  优化设计

0 前言

处理紧急事件时，遇到设备故障就需要快速的维修与更换设备单元。所以，电子机柜在设计时就应考虑维修的方便性，快速性来保障正常使用，瞬息万变应急需要。

运用Solidworks三维软件能缩短产品设计开发的时间，减少设计中产生的设计尺寸干涉，提高装配的精度。

1 结构改进及三维建模

电子机柜主要由骨架、48组控制模块等主要零部件组成。控制模块通过骨架横梁上槽定位，通过控制模块面板上的四颗松不脱螺钉及相对应骨架上的螺纹孔固定在骨架上。控制模块面板上四个螺纹孔与相对应骨架上四个螺丝孔定位尺寸精度要求较高。骨架四个螺纹孔分别在上下导板上，螺纹孔之间的位置公差值φ0.2需要装配来保证，装配难度比较高。如采用装配过程中一般的处理办法，用控制模块来配钻骨架上的螺紋孔，不易达到包括备件在内的所有控制模块互换通用要求。遇到紧急情况时，不易满足快速修理和更换模块单元的实现。结构改进之前，48组模块互换性只能达到40%左右，不易保证良好的维修性。

控制模块的面板由于厚度太簿不能直接制作满足松不脱螺钉的螺纹孔。原先的设计是在面板上铆接镶套，在镶套上制作螺纹孔，安装松不脱螺钉。调整时由于受到孔径的影响，调整幅度较小，互换性比例降低不少。鉴于上述问题通过优化结构，通过改变镶套的结构，使镶套不固定在面板上，便其在圆周上有一定距离的移动量。这样结构优化后，不仅降低骨架上螺纹孔位置精度的要求，保证各控制模块之间的互换性达到百分之百。

运用Solidworks三维设计软件，对镶套进行设计及建模。在控制模块面板原先的用于铆接镶套的4-φ6孔（见图1），改为6×8腰孔（见图2）。设计镶套在腰孔上下方向自由活动的距离为1.5mm，左右自由活动的距离为1mm。这个活动量是优化前孔形位公差φ0.2的5倍以上，完全能满足互换性的要求、快速维修和更换的需要。利用镶套下部两搭头处弹性变形，装入面板腰孔内。控制模块抽入电子机柜时，模块面板上的松不脱螺钉可以随着镶套有一定活动量，使螺钉可以顺利的旋入骨架上的固定螺纹孔。装配时无需再花时间进行修配，现场操作也相当便利。

2  零件的材料选用

原先镶套的材料选用是与面板一致的硬铝2A12-T4。优化后的镶套结构决定了材料需要重新选用。运用Solidworks中simulation插件对镶套进行有限元分析。镶套装入控制模块的面板腰孔内，要求是镶套下部搭头受力生产单边弹性变形位移1mm。有限元分析当镶套搭头单边位移1mm时，由此产生的应力不得超过材料的许用应力（屈服强度）为条件来选择镶套材料。在Solidworks simulation中建立一个算例，算列属性中选择大型位移，上平面固定约束，在下部左右搭头各施加一个力，划分实体网格。通过调整力的大小，来满足单边弹性变形位移达到1mm时，所产生的最大应力有没有超过材料的最大许用应力。前后选用了铝，铜，Q235，45等常用的金属材料进行有限元分析，都不易满足要求。考虑使用非金属材料工程塑料POM。POM这种非金属料材机械加工性能非常接近普通钢材，容易机加工，工作温度在-40～100℃之间。通过有限元分析，材料设定为POM时，左右两搭头边加20N的力（装配时不需要使用工具就可以完成装配，普通装配工人徒手就能达到20N的力），单边位移达到要求1mm时，最大应力也低于材料最大许用应力。所以镶套材料选用POM在理论上是完成可行的。

3 尺寸的优化设计

对镶套尺寸的优化设计就是主要影响有限元分析中应力和弹性位移量的值的几个尺寸进行一个范围的设定。通过Solidworks 优化软件进行有限元分析，找出一个最优的尺寸组合。本例中优化的目标是达到要求的位移值时，所产生的应力是最小的。solidworks 三维软件中建立一个设计算例。在设计算例中，设制两个尺寸参数A和B，图3是镶套优化设计参数。尺寸A，在外圆一定的情况下主要影响镶套受力变形部分的壁厚，设定为4～5mm之间。尺寸B主要影响镶套受力变形时的位移量，设定为1～4mm之间。在设计算列中添加约束条件为单边位移量为1mm。添加优化目标为受力产生的应力越小越好。优化分析运算后，得到最优的尺寸组合为尺寸A为4.2mm、尺寸B为2mm的组合。

4 结论

通过优化设计，改进镶套的机械结构，保证了模块的互换性，使电子机柜在紧急情况下的快速维修更换得以轻松实现。互换性达到百分之百的模块连接配合形式具有一定通用性，在许多相类似结构的电子机柜都可以采用这种结构形式。这种结构形式具有易加工、装配方便、互换性高等优点，值得推广。

参考文献

[1]（美）DS Solidworks公司著  Solidworks Simulation 基础教程  北京 工业出版社  2010： 289-292

[2] 陈永当、任慧娟、武欣竹 基于Solidworks Simulation的有限元分析方法 CAD/CAE与制造业信息化  2011年9月