广州南方电力集团科技发展有限公司 广东广州 510000
摘要：文章主要通过对旧式的机柜与控制台结构设计的实际着手，探讨了机柜和控制台结构优化设计的可行性，最后在保持产品基本结构和不会影响元器件功能的正常发挥的前提下，从美学和视觉原理角度出发，分别对机柜和控制台的结构优化设计进行了阐述，以期能够改善机柜的外观质量，进而创造出更高的效益。
关键词：电气设备；电控柜；结构设计
电气设备可靠性对于电气设备来说，起着重要的作用，并且随着科学技术的发展，知识经济、信息化高速发展时代的到来，电子技术不断更新与发展，人们对电气设备的需求已经远远超过单纯的物质享受。在这种背景之下，作为电气设备的一般结构形式，机柜和控制台机的结构设计被提出了更高的要求。因此，加强对电气设备机柜、控制台的可靠性与美观性研究与设计具有十分重要的现实意义。
1 旧式机柜和控制台存在的问题
旧式的机柜一般分为高压开关柜和低压配电屏两种，而一般单位和房屋建筑用得最多的是低压配电屏，它包含以下几种系列：GGD系列，GGL1型固定式系列，GHL型固定式系列，GCL1系列等等。纵观这几种类型，它们的结构有一个共同点，那就是所有的柜体几乎都是采用型材焊接而成。在强度上以及密封性上，焊接有其优点，但是在实际生产中，采用焊接结构不利于成批生产，不利于抢时间和赶进度，不利于编写标准化的加工工艺，且焊后产品容易变型，尤其是在代表现代加工先进水平的数控设备上，更不能体现其高效率、高精度和高可靠性。另外，在产品的运输上，也带来实际性的困难。在设计这类产品时，考虑更多的是它的实用性，却忽略了操作者在使用过程中的方便性、合理性、舒适性和工作效率最优化的特点；没有在满足使用要求的前提条件下，根据产品的使用环境合理的搭配颜色，根据人机工程学原理合理确定造型物的尺度以减少疲劳和提高劳动效率。
2 机柜和控制台结构优化设计的可行性分析
机柜和控制台的结构形式多样，通常采用型材如角钢、槽钢焊接而成。由于焊接工艺性特性，使得焊接后的产品在外形尺寸上、变形上很难得到控制，这样一来常常使得与其配合的产品报废重做，耗费大量的人力和物力。尤其，当不定时需要大批量的机柜和控制台时，不能按时按质的保证客户的需求，也不能保证产品的一致性，严重影响产品的市场竞争力。本设计大胆的利用薄板材料成型型材的结构，把整个机柜和控制台化整为零，分成一个个单独的零部件，采用螺栓连接，不但便于运输和装配，更重要的是由于零部件已标准化和通用化，可以实现大批量生产，随时都可以组装成产品，随时满足用户的需求。
利用薄板结构加工成机柜和控制台，在强度和可靠性上与型材焊接而成的机柜进行如下比较。
（1）薄钢板的特性分析
改形后的机柜和控制台的零部件采用的是用厚度为1.5～2.0mm的冷轧Q235-A钢板折弯而成，这是因为冷轧钢板变形系数小，板面平正，机械加工性能好，可以加工成各种所需的形状，应用范围广，它的冷弯冷拉试验符合GB700-79同类钢的甲类钢。其主要性能指标为抗拉强度σb=38～47kg/mm2，屈服强度σS=24kg/mm2。其受力强度远远超过实际所要求的技术指标，且其表面处理性能好，易于喷涂，吸附性强。
（2）连接强度的分析
整个机柜是通过螺栓把一个个零件连接而成的，机柜的受力主要通过一个个的螺栓来承受。现在来分析螺栓的受力情况。
当机柜或控制台处于静止安装好的状态时，螺栓受到的只是起连接作用的紧固力，它对螺栓的性能不会产生破坏的影响，只有当机柜或控制台在运输或起吊过程中其载重会对螺栓产生很大的竖直向下的剪切力。该力可能使螺栓发生变形甚至断裂。现以一台标准机柜为例。
标准机柜尺寸为：L•W•H=1000×800×2200（mm3），自带一变压器型号为：SCL—30/6，总重量为300kg，机柜本身及内装元器件的总重量约<250kg，这样，当机柜在运输起吊过程中每棵螺栓受到的剪切力大约为550kg，而所选用的螺栓是M6的普通螺栓，其性能参数如下：公称应力截面积为20.1/mm2，保证载荷为：7640kgf，即每一个M6的螺栓能承受的最大剪切力为7640/9.8=780kg>550kg，故该种用螺栓连接的结构能满足使用要求。
另外，在实际生产过程中不难发现，以前用型材加工焊接而成的机柜，每一台从投产到成品加工出来，至少要4-5天的时间，而改用现在的螺栓连接结构，只要1天时间，大大提高了生产速度。
3 机柜和控制台结构优化设计与实现
3.1 机柜的优化设计
大部分企业使用的机柜结构简单，其侧面示意如图1所示。
该机柜尺寸为L•W•H=1000mm×780mm×2000mm，不符合国际标准，不利于与国际接轨，且视觉效果差，给人一臃肿的感觉且色彩单调；前后门和柜体接触处未采取密封措施，顶板上和底部处没有挡灰处理，灰尘、爬虫类等容易进入，尤其是，由于柜所处的环境是一个多灰的环境，灰尘进入一多，会影响元器件功能的正常发挥，严重的会使元器件失效或烧毁；柜体笨重，移动困难；而且，整个柜体给人一头重脚轻之嫌，视觉稳定性差，档次低的感觉。基于以上种种不足之处，结合国标和本所实际，现对机柜作以下改进。
（1）查阅机柜通用标准，从美学和视觉原理角度出发，现行的机柜标准尺寸为L•W•H=1000mm×800mm×2400mm或L•W•H=800mm×600mm×2200mm是比较合适的。如考虑到机柜尺寸减少而元器件装不下的话，可以考虑每一组增加一个机柜。为避免头重脚轻的问题，可以考虑在机柜下部增加底座或挡尘板，也即俗称的扫脚板，这和灯罩相对应，也即有头有尾，有整体感。
（2）有关密封性的问题：考虑到标准机柜的要求和一般机柜所处的实际环境中灰尘多，空中悬浮粒多，极易进入机柜内腐蚀电子元器件，并且由于机柜上下都没有防护措施，一些爬虫内动物容易进入，特别是一些有危害的生物种类，如分布在两广、两湖等地的天牛幼虫、金龟子幼虫、衣蛾等的进入，因在其生命活动过程中，会对电子元器件产生蛀蚀。因此，采取以下措施。
1）前后门贴密封条，可以采用带有压缩性的橡胶或海绵来起密封作用，其截面图如图2所示。
利用关门时的力使橡胶和海绵稍微压缩变型而在门和柜体的接触间起到密封作用。
2）柜体底部采用密封底板，底板上开多个标准的过线孔，过线孔上配橡胶过线圈，既可以保护导线不被磨损，又可以很方便的装卸和防止灰尘和异物的进入。
3）柜体顶部采用点焊目数小的过滤丝网，其上再装上防尘板，如考虑到散热和通风效果，顶部可以装一风机来保证。
（3）机柜移动困难的问题：可以考虑在机柜的底部安装万向轮，这样可以很方便机柜的搬运和移动．为防止机柜在安装好以后移动，在机柜底部安装四个止动螺杆，它既解决了移动难的问题，又可以调节机柜的水平和高度，一举多得。
（4）机柜表面处理问题：一般的机柜采用的表面涂层颜色基本上是统一的，很少考虑到颜色的合理搭配，没有根据用户场地的具体要求来选择涂层颜色，也没有根据具体使用情况来确定表面涂层应达到的性能，涂层的厚度，涂层表面应达到的光亮度，使用涂覆材料的颗粒大小等等。例如：当设备处于较潮湿的环境，那么在选择构件的表面处理时就应选用具有防潮性能的涂料和处理方法，那么就可以要求选用低压聚乙烯涂料；或者，先要求喷一层低压聚乙烯涂料，然后再要求喷一层丙烯酸油漆，这样更加能防潮防腐，并且构件表面色彩优良，保光保色性能好。又如当主要考虑防霉处理时，就应选用有机硅漆或聚四氟乙烯涂料。等等诸如此类情况，具体情况具体处理。
（5）为了提升产品档次，可以采取以下改进：一般的机柜的一些仪表都是装在面板上，裸露在整个机柜外面，这样易于造成仪表盘损伤，且防灰尘处理也不好。如果把装仪表的面板移到机柜内，且也能自由开合，然后在其外面改用能开启的一装玻璃的门板，这样，外面的玻璃门既起装饰作用，提高了产品的档次，又起到了保护机柜内部仪表等元器件的作用，并且也可以通过玻璃门很清楚的观察里面面板上仪表的工作正常与否。再者，对于一般机柜的灯罩，其实际使用和装饰效果都不好，如果改为眉头以和底部的扫脚板相对应，一增加整个机柜的装饰效果，至于，以前起照明作用的灯管，可以装一个控制开关在玻璃门上，当玻璃门一打开，通过该控制开关控制装在机柜里的灯泡或灯管自动发光。玻璃门一关上，灯泡或灯管自动熄灭。通过以上改进后的机柜结构示意图如图3所示。
3.2 控制台的优化设计
目前一般企业使用的控制台，其侧面示意图如图4所示。
该种结构也存在如移动不方便、机柜表面处理及有关密封性等问题，解决办法可以参照上面机柜的解决方案。其最大的缺点是，该种结构没有考虑到人的因素，没有考虑操作者的特点。设计机柜的目的应该在保证满足使用前提下，再考虑到美观，而应考虑到操作者的舒适度和方便感。根据人体测量参数、工作状态、感觉和心理等各种因素，按照使95%的人满意的原则，根据人体最舒适的作业范围和最适工作区的原理，例如：坐姿作业时，手臂的最舒适的作业范围是手臂自然弯曲<3/5手臂长>所划成的范围；立姿作业时，身体最舒适的作业范围是由半径为300mm，上臂与身体躯干夹角不大于45°左右的两个圆弧构成；还有头部姿势和视线等等的因素。基于此，控制台的一些常用典型结构和基本参数如表1所示。
控制台型式如图5所示。
对于控制台上面的控制元器件，根据人眼的最佳视角范围如图6所示。
这样，控制台的常用布局如图7所示。
（1）坐式控制台的布局
坐式操作控制台面操纵机构和信息显示等装置的布局区间见图7（a）。最常用的信息显示等装置应布置在区间1、2、3。最常用的操纵机构应布置在区间4、5。
（2）坐—立式控制台的布局
坐—立式操作控制台面操纵机构和信息显示等装置的布局区间见图7（b）。最常用的信息显示等装置应布置在区间1、2、3。最常用的操纵机构应布置在区间5、6。
根据以上原理，该控制台的外观图可以如图8所示。
4 小结
综上所述，电气控制柜设计的基本思路其实是一种逻辑思维，只要符合逻辑控制规律，能够保证电气安全及满足生产要求，就可以是一种好的设计。本设计结构不但满足上述要求，并且便于运输和装配，随时都可以组装成产品，随时满足用户的需求，更重要的是该设计大大提高了生产速度，能够实现大规模的生产，可为相关的结构设计提供有益的参考借鉴。
参考文献：
[1]熊大胜;史荣.浅析通信舱室组合机柜电气和结构可靠性设计[J].环境技术.2010（03）
[2]王立;陈雨君.电子设备机箱机柜可靠性研究[J].城市建设理论研究（电子版）.2015（08）
[3]张聪;王翼;张思.机柜设计中的工艺性和防护性问题探究[J].城市建设理论研究（电子版）.2015（24）
论文作者:邢庆
论文发表刊物:《基层建设》2016年1期
论文发表时间:2016/5/19
标签：机柜论文; 控制台论文; 螺栓论文; 结构论文; 所示论文; 如图论文; 考虑到论文; 《基层建设》2016年1期论文;