钣金结构机柜防尘防水设计的研究

钣金结构机柜防尘防水设计的研究

章道良1，罗淼军2

万马科技股份有限公司，浙江省杭州市310000

摘要：钣金结构机柜的防尘和防水性能对机柜内部设备安全具有重要影响。从设计意义出发，对广泛应用的三种防尘设计方法和四种防水设计方法进行了介绍，尤其是对二次啤塑防水设计展开了深入探讨。

关键词：钣金结构；机柜；防尘防水

引言

钣金结构机柜是将金属薄板或型材进行组装与而形成的柜体。在不同结构件的连接部位，不可避免地会存在缝隙，尤其是通风散热进出口或锁具和紧固件连接的部位，很易进入水或灰尘，严重影响机柜内设备的安全。因此，在钣金结构机柜设计过程中，不仅要考虑机柜材料、外壳、布线和尺寸等方面，同时还应重点考虑其防尘防水性能。

1钣金结构CAE分析

1.1　顶盖板固有频率分析

研究人员选取筋深3mm，壁厚0.7mm的顶盖板作为分析对象。通过建模软件建立不同筋深顶盖板模型，在壁厚均为0.7mm的条件下，筋深分别设计为0mm、1mm、5mm，分析1~4阶固有频率。由于筋深和壁厚对振型图几乎没有影响，故选用筋深3mm，壁厚0.7mm的顶盖板1~4振型。通过上述仿真结果分析，绘制相应图像，随着筋深的增加，各阶固有频率均逐渐提高，趋势基本呈线性，在现有起筋式样下，第3阶固有频率对筋深的敏感度较高。在筋深3mm的条件下，壁厚分别设计为0.5mm、0.6mm、0.8mm，分析1~4阶固有频率，分析数据。由图像可知随着壁厚的增加，各阶固有频率线性增加，其中第4阶固有频率对壁厚的敏感度较高。此外，对比上述两图像可知，筋深对顶盖板刚度的影响大于壁厚对其的影响。

1.2前面板固有频率分析

选取的现有分析对象外机前面板参数为筋深8.5mm，壁厚0.6mm。在壁厚均为0.6mm的条件下，筋深分别设计为0mm、6.5mm、10.5mm，分析1~4阶固有频率。分析数据如表3，由于筋深和壁厚对振型图几乎没有影响，故选用筋深8.5mm，壁厚0.6mm的前面板1~4振型。随着筋深的增加，各阶固有频率均逐渐提高，趋势基本呈线性，从平板到起筋，前面板的刚度明显提升，而逐渐增加筋深的过程中，2阶和4阶固有频率几乎没有变化，刚度提升不明显。在筋深均为8.5mm的条件下，壁厚分别设计为0.4mm、0.5mm、0.7mm，分析1~4阶固有频率，由图像可知随着壁厚的增加，各阶固有频率线性增加，各阶固有频率敏感度基本一致，其中第4阶固有频率对壁厚的敏感度最高。

2钣金结构机柜防尘防水设计

2.1防尘性能设计

钣金机柜的粉尘主要来源于外部抽取至机柜内部的空气，因此在设计时可主要划分成阻止空气进入和过滤进风口空气灰尘两方面，并可继续细化。

2.1.1 全密闭防尘

这种全密闭设计方法比较适用于加固式、携行式钣金机柜中，而且在整体上运用了密封设计的方法，以避免灰尘进入，实现了IP6防尘等级目标[2]。而对于机柜各个部位连接位置，应采用橡胶或其他弹性密封材料，通过弹性材料压缩达到密封的目的。如果弹性密封材料使用不便，或是针对不常拆卸的部位，应使用密封胶增强密封效果。而采用热设计方式会使得设备在运行过程中产生热量，这些热量通过热管传递到机壳部位，并且以机壳为载体，将热量散发到外界空气当中。

2.1.2隔离式防尘

所谓隔离式设计方法，具体是指将钣金机柜风道单独隔离，确保空气不进入机柜内部设备的电气元件腔体当中。这种设计方法一般常用于加固型钣金机柜中，而且防尘等级同样可达到IP6。对于机柜密封部位的设计，主要是使用弹性密封材料与密封胶。在机柜散热性能方面，主要使用强迫风冷的方式，利用热管把设备运行过程中产生的热量传递至风道散热片处，风道中的风扇则可从外部抽风，进而冷却散热片。

2.1.3防尘棉与防尘网

防尘棉和防尘网阻尘的主要原理是机械式过滤。概括来讲，在粉尘与防尘棉或防尘网相互接触时，会遇到多层阻隔，并且使得大颗粒风尘被吸附在防尘棉或防尘网中。然而，微细粉尘，特别是不超过5 μm的粉尘，很容易通过网眼穿过，因此防尘等级最大只能达到IP5。其中，在组装防尘棉与防尘网时，通常是将其夹在压板与机柜中间。

2.2　防水性能设计

2.2.1 防水条防水

使用防水条方式时，通常会使用软性材料，如橡胶、PVC或硅胶等。而防水条通常被使用于钣金薄片配合缝隙的位置，或柜体外壳和框架配合间隙的位置。其中，防水条工艺生产方式主要包括两种：其一，利用模具所形成的弹性固态体，需在背面覆胶，并按照实际需要选择安装；其二，将防水材料直接胶注在接缝位置，并实现固化。其中后者使用范围十分广泛，可以利用点胶机来控制批量产品的防水质量。

2.2.2防水结构设计

由于钣金结构机柜的进风口同样也是灰尘与水的入口，因此一定要对其进行综合考虑。在进风口设计方面，需采用防水结构，其斜面是流线形式，保证板材中所残留的水可以在自重作用下尽快滑落。另外，可以适当减少结构件间的螺釘连接，尽可能运用结构，在顶部添加防雨盖[4]。与此同时，对于柜体和门板接触的部位应设计成导流槽结构。

2.2.3 辅助材料选择

在对柜体附件结构缝隙进行全面防护的过程中，应使用密封胶和密封橡胶圈。而在电缆线的进出口，则需使用电缆接头作为主要防护措施。

2.2.4二次啤塑防水

对于防水等级过高的钣金结构机柜，可以采用二次啤塑方法，可一定程度上增强防水效果。然而，这种方法也同样存在不足之处，也就是制作难度较大，而且成本和维修费用很高。为此，这种方法一般仅使用于有特殊要求的钣金机柜中。除此之外，钣金结构机柜应当按照不同IP防护的要求，确定相对应的外壳结构形式、加工与安装形式，进而不断满足各等级防水与防尘需求。

由于塑胶啤塑残余应力的影响，容易产生变形。如果使用这类产品进行防水，为减少变形，除增加加强骨、加大脱模斜度、增加相关位置顶出位外，必要时可在产品刚刚啤塑完成时进行夹具定位定型，并置于温水中自然冷却，减少残余应力。

3设备介绍

3.1技术方案

磁液复合数控折弯机的工作原理是：升降液压缸控制上压板的升起与下落，磁性工作台控制上压板的压紧，后送料托板控制待折弯板料的前进与后退，折弯液压缸控制折弯板的掀起与回落，PLC发出和接受指令来控制各点的运动及运动幅度大小。本机器采用的PLC控制系统，每步操作都是通过触屏显示器来完成，折弯具体运作形式为：PLC系统将折弯形状的折弯长度信号传达给控制送料装置的旋转编码器和控制折弯板运作的拉绳编码器中，此时压料板在升降液压缸的控制下，将压料板抬起，送料板在旋转编码器的控制下将钣金件推动到需要折弯的位置，按下按钮，工作台通强磁，将压料板及钣金件吸住、压牢，拉绳编码器将折弯信号传给控制折弯板运作的折弯液压缸上，在折弯液压缸的推动下，折弯板翻转将钣金件折弯，折弯到所要求角度后，磁性工作台退强磁，折弯板返回，一个循环结束。

3.2结构特点

本机床由机架部分、磁性工作台、折弯板部分、上压板部分、送料机构、操作部分等组成：机架采用钢板结构，并经过严格的时效处理，消除内应力保证了整体的稳定性；磁性工作台固定在机架前上方的加工基面上，后面固定连接台面板，加大了工件的操作空间；液压系统放在机架内部，使机床外观整洁、美观；操作系统安装在机床的右侧，并可根据操作需要进行旋转，操作方便。压缸铰接连接在其中的两杆上，在液压缸的推动下可使折弯板围绕回转中心旋转。（和老式折弯机不同的是，此回转中心是敞开的，两端无任何遮挡，折弯体和工作台在整个长度内有多组支点连接，保证了折弯板和工作台铰接的均匀度，老式的摆式折弯机的回转中心是通过回转轴连接在机架两端的支撑板上的，只是两端支撑。）在液压缸上固定有拉绳编码器，液压缸的伸缩带动拉绳的长度变化，通过拉绳的长度不同来检测并控制折弯角度。

3.3结构简单的自动送料装置

通过装在减速电机上的电机同步带轮带动大同步带轮从而带动小同步带轮转动，小同步带轮上的同步带和送料板通过一连接块固定在一起，这样送料板就在同步带的拉动下做前进或后退移动。旋转编码器装在减速电机的另一端的输出轴上，通过旋转编码器的转动圈数来检测送料板前进或后退的距离。传统的数控折弯机的送料机构是通过伺服电机和滚珠丝杠来控制和距离检测的，我们的这套送料机构送料精度完全可达到使用要求，但在成本上要低于传统的伺服加滚珠丝杠结构。

4仿真分析

在使用ADAMS（机械系统动力学自动分析软件）进行有限元分析的过程中，实际是一动态的过程，输入固定受力值和零件参数可得到零件的变形曲线，变形曲线前半部分变形量随折弯高度变小急剧上升的部分为钣金件从原始状态到最大变形阶段，后面的直线段变形量几乎为零则反映的是静力状态。接下来以某款吸油压机前加强横梁为例，进行仿真分析。

4.1烟机横梁不同翻边高度的仿真分析

接下来使用两根结构相似材料相同的前加强横梁（下文简称横梁）进行仿真分析，假设两横梁均为完全弹性。横梁长度l=700mm，宽度b=40mm，厚度t=2mm，外载荷1500kg，外载荷施力A点在横梁宽度方向和长度方向中点，如图所示，横梁支撑方式为横梁两端固结。翻边高度的优化需仿真不同翻边高度时的受力状态。其变形对应曲线，横梁长度700mm，宽度为30mm，厚度2mm，外载荷500kg，钣金作用点在横梁宽度方向和长度方向中点，支撑方式为横梁两端面固结，对于长度和宽度固定的横梁，在相同受力作用下，增加横梁的翻边高度有助于提高横梁的刚度，但是会增加材料成本，为追求刚度和成本的最优组合，避免材料的浪费，比较合理的翻边高度应为横梁宽度值的1/2～2/3。

4.2烟机横梁不同厚度材料的仿真分析

使用长度相同宽度不同的五根横梁，在相同受力时，然后随机改变用料厚度和翻边高度，分析数据的可得出，当横梁长度宽度相同时，在相同受力的情况下，适当调整横梁厚度和翻边高度，多次匹配后可得到横梁的最小变形量，等同于使横梁获得最大的刚度。

4.3仪表板与前围钣金匹配设计

仪表板前端搭接在前围钣金上，配合间隙保证在6mm以上，防止干涉异响。本公司一般有两种类型的仪表板与前围钣金匹配结构。一种是用卡簧先卡在前围钣金上，仪表板上有插片，通过插片插入到卡簧上，控制Z向配合尺寸，而Y向尺寸放开。另一种就是聚甲醛（Polyformaldehyde,POM）固定座，先与前围钣金上的销子固定，再与仪表板进行对接，仪表板与前围钣金间支撑点要求分布合理，考虑公差累积影响，支撑点间距尽量控制在300～400mm，最好350mm以下，应避免塑料件(a)金属卡簧(b)塑料固定座仪表板与前围钣金匹配关系和钣金件直接配合，否则容易造成塑料件的磨损。仪表板与前围钣金的配合结构尽量布置靠近仪表板前端，可见性好，在装配时工人站在前舱外可以很方便地看到，以便指导模块安装工人操作，仪表板上配合结构Z向高度不要太高，以免形成悬臂梁结构，强度弱，难以装配到位。对结构的动态响应、动载荷的产生和传播以及结构振动的形式等具有重要影响，在仪表板设计开发时进行模态分析，可以提前判断存在异响的可能性。

结语

在钣金结构机柜设计工作中，工作人员需重视防尘和防水性能的重要作用。只有保证钣金机柜的全面性能都得以兼顾，才能够确保与客户产品需求相适应，获得客户的认可与信赖，最终不断增加钣金结构机柜企业自身的生产效益，进一步推动该行业的可持续发展。

参考文献

[1]王令霞,田改侠,王震明.钣金结构机柜防尘防水设计的研究[J].黑龙江科技信息,2015(27):107-108.

[2]陈少锋,薛澄岐.工业机柜设计案例库系统研究[J].电子机械工程,2009,25(5):4-7.

[3]潘彦峰,吴丽娜,李卫奇,等.钣金结构的机柜设计研究[J].科技展望,2015(13):48.

[4]尹洋,李伟.关于钣金结构的机柜设计探讨[J].企业文化旬刊,2015(5):224.

[5]吴丽娜,潘彦峰,秦坤勇.刍议钣金结构的机柜设计[J].科技风,2015(12):34.