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60W(120W)路灯结构设计方案
报告
1.概述
60W(120W)路灯结构设计方案，是指以60W为基数，按30为模数递增，最大120W的三个（60W、90W、120W）路灯品种的电子机械结构设计。
其设计原则，主要是参照现有灯具，选用已有型材品种，最大限度地使用通用件和标准件；且参照已生产的灯具，进行改进性方案设计。
2.外形结构及尺寸
外形及尺寸见图1。
A-ABABCA图1 60W(120W)路灯灯具外形图
2.1 外形
外形呈长方形偏平体，前端大圆弧过渡，后端大倒角小圆弧过渡；上下为大平面，上前端及两侧为较大圆弧过渡；上后端及后侧交接处均以小圆弧过渡；下
平面为灯罩与下散热器所组成的开放平面；灯杆杆柄为异形长条型材，从灯体后下伸出。
2.2 尺寸
外形尺寸：136×340×1033(高×宽×长), 灯体尺寸:65×340×740(高×宽×长), 灯柄尺寸：92×106×315(高×宽×出灯体长)。
2.3 结构
整体构件由驱动电源，灯组（包括铝基板）及光分配，支架（包括上散热型材）与防护罩等四部分组成。几乎所有部分都安装在支架上。
2.3．1 灯组（包括铝基板）及光分配
由于考虑灯组（包括铝基板）及光分配部分，已经正式定型生产，将其作为通用件直接用于本方案，也按30W一模为基本单位组配。60W配两模，90W配三模120W配四模。其联接安装结构也与其相同。
2.3．2 支架（包括上散热型材）
EDED图2 支架构件平面图
支架主要是由上散热器和杆柄拼装后，通过M10螺纹联接而成（见图2）。其结构功能，既是支撑又是基座。
2.3．2.1 上散热器
是由上散热型材（见图2）切削加工而成。前端单边成大圆弧（R90），后端单边大倒角（105×105）以小圆弧（R30）过渡。两件对称平拼成一个长方形的散热器，在散热器中部，有供四个横拼的下散热器的安装孔，这与现已生产的上散热器的结构一样。所不同之处，1.增加了支撑灯罩的立柱，2.增加了后端与杆柄拼装的四个安装通孔，3.增加了配电用引线孔。
2.3．2.2 杆柄
杆柄是由杆柄型材（见图2）切削加工而成。前端与上散热器的上下拼接处切削为一坡面，既减重又不致遮挡过多光线。尾端外接灯杆处切削多余安装平面台阶，既减重又保证了方便安装。前端安装台阶平面有四个对应于上散热器的联接安装孔，垂直两侧小台阶面备有配电盒用的安装孔，沿轴线安装槽有配电用引线孔。
2.3．2.3 联接与结构
上散热器与杆柄，是通过四个M10螺栓紧固联接而成一体（见图2），以构成支架。其结构形式是拼装，性质是可拆卸的穿孔螺纹紧固（螺母在上散热器的T型槽内）。是结构灯体的主要基座与支撑。
2.3．3 防护罩
防护罩即灯罩，是冷挤压成形件（见图2）。对应于支架，是一个半封闭（顶部）半开放（下部）的壳体零件，也是一个典型的防护件。定部平台有安装孔，通过螺钉，可紧固在支架的上散热器上的安装螺柱上。
2.3．4 驱动电源（配电）
驱动电源部分，仍然用已经生产所选用的电源。其不同之处是将电源及其连接器放入一盒内，再用螺钉安装紧固在支架的杆柄上方（见图3）。结构与工艺性
该路灯是以型材为基本构件，在以其他成形辅助件作为结构件所组成，是半开放灯体，其防护等级有限（仅能达到IP42）。这主要是散热条件所致。散热与密封本是LED路灯行业所面临的一个难题。因此，这一结构，也是国内外目前部分厂家权宜之计的一种形式。
3.1 材料选用
上下散热器、杆柄选用现有铝型材（材料6063），电源罩,用Q235-A(GB/T11253)0.8厚薄钢板，灯罩用0Cr18Ni9(GB/T4237)1.0厚热扎板，紧固件选用普通不锈钢。
这些材料均为国产普通大棕产品，供销渠道通畅，比价较低，选择是较合理可行的。
3.2 工艺性
上下散热器、杆柄等零件，主要是机械切削的加工。电源罩、灯罩为板金加工。其中灯罩需模压引伸成形，其难度较大外，其余均为常规简易加工。其工艺性是较好的。
3.3 结构机械强度
该路灯从受力情况看，是一典型简支梁承载（见图4）。主要承载静负荷是自重，其次是风吹与沙雪的沉积的迭加负荷。首先静态估算。估计灯重≤9kg(不包括杆柄)，则按9kg估算。因灯杆仰角为15°，为简便计算，也令P＇等于P。
图4 灯体几何平面受力图
3.3.1 杆柄机械强度
杆柄承载着整个灯体，灯罩后端与杆柄相结处是其弯曲应力最大处。中性轴相对截面上为受拉，下为受压。分布集中载荷，纵向370处P＇是9kg（见图4），则为88N。其计算如下：
(1).按截面形心公式确定位置(中性轴)：计算得Yc=54，见图5.80548187图5 杆柄几何平面图
(2).计算截面对中心轴的惯性钜：Iz=1.506×10
φ70φ8048 m(3).计算弯曲应力: 最大拉应力 σmax=0.7 MPa
最大压应力 σmax=1.2 MPa
由此可见，所受应力极小，没必要往下计算了。其强度足够。
3.3.2 上散热器机械强度
上散热器承载着下散热器与光电结构部件，上散热器后端与杆柄相结处是其弯曲应力最大处。中性轴相对截面上为受拉，下为受压。分布集中载荷，纵向252处P＇是9kg（见图4），则为88N。其计算如下：
(1).按截面形心公式确定位置(中性轴)：计算得Yc=7.3，见图6.图6 上型材几何平面图
(2).计算截面对中心轴的惯性钜：Iz=0.108×10
m(3).计算弯曲应力: 最大拉应力 σmax=5.2 MPa
最大压应力 σmax=1.5 MPa
由此可见，所受拉应力较压应力大，也比杆柄承受的拉应力大的多。但是型材用材是铝合金6063,其σb是145～205 MPa,许用应力也在40～57 MPa,还是远低于许用应力，其强度足够。
3.4 可靠性与维修性
支架是灯具的支撑和基座，是由上散热器和杆柄的拼装后，通过4个M10螺纹联接而成。紧固强度足够。虽然铝合金表面硬度低，而该紧固形式是穿孔压接(螺母在散热器“T”型槽内)，压接面比较大，同时又靠近形心中性轴，因此其压接是比较稳定的。其余如灯罩，电源罩等都是受力不大且受力条件较好的联接，其紧固是可靠的。
整体构件全为可拆卸的拼装结构，是可维修的。灯组（包括铝基板）及光分配、电源和灯罩部分相对独立，特别是电源维修十分方便。灯组（包括铝基板）的维修需将灯罩卸下后才能维修，这给现场维修带来一定困难，有待下一步改进。热简析
LED路灯，是用多个（30W是24个）LED有机发光器件连接(串并)到电路中的。LED是半导体器件，器件在发光的同时产生高热量（功率耗散热），而不断增高的温升又影响光性能。在目前的技术运用上，还是以散热的方法来解决这一矛盾的。因此，该方案也是从散热的方法入手，来考虑这一问题的。4.1 热传递与热交换
LED器件，焊接到铝基板上，工作时产生极温。这一温升热通过贴片焊接层传热到铝基板上，铝基板上的热再通过导热材料传到上下散热器，从而完成了热的传导全过程（见图7中所示的粗线箭头）。热传到散热器，散热器以其外表面再与外界进行热交换。该方案选择自然散热方式，也就是散热器直接与空气进行热交换（见图7中所示的细线箭头）。
图7 热传递与交换图
当灯开始工作时，上下散热器、外罩外表面都与空气接触进行直接冷热交换。当温升到一定时候，散热条件较差的罩内空腔，由于上散热器表面温度高于其他部位，罩内空腔温升高，且空气膨胀形成高压，迫使空腔内热空气向周边侧壁流动，散发到罩外。同时，冷空气遇热膨胀，不断上升也形成气流吸入内空腔，两种冷热气流交替运动，从而实现腔内热交换。同时罩内空腔温升，一部分热传导
到灯罩，再由灯罩外表面和空气进行冷热交换。
当在无风的条件下，上下散热器、外罩外表面与空气接触，也是可能形成自然对流，是由于其表面存在着温差。空气遇热膨胀向上，热气上升冷气下沉，就能形成气流运动。
4.2 热路分析
从图7的散热结构归纳出图8热阻等效电路图（见图8）。
图8 热阻等效图
从图8热阻等效电路图可见，热的传递，从节点①～②Rj-管结温,→R-贴装焊接层，→R铝基板是热源传导的关键；从节点②～Ta和③，R-导热垫也是很重要的；从节点③～Ta也十分重要。也就是说这些热阻越小越好。要使热阻小，得选传导系数大的材料。
要使节点③～Ta中的等效热阻小，就得增大上散热器外表面面积，或括大罩内空腔距离（高度）。
因此，方案中上散热器前后都伸长约一个模块宽度，且为整体，就是为了弥补灯罩给散热所带来的热阻（见图9）。
上型材前空白处图9 灯仰视图
上型材后空白处同时在组模上，也是考虑到散热，用同一外形和支架，组装成60W/90W/120W等三个不同品种。其中60W/90W散热条件非常好，前后预留模块孔，增加了进入灯罩空腔内的进风孔，同时也增加了与外界敞露面积。120W散热条件较之差一些，但初估也足够。
4.3 热核算
因上次也核算过单模散热器，该方案与单模折合估算相当，计算省略。配光
该方案与单模一致，计算省略。标准化与防护
贯彻执行国家现行标准及专业标准，参照相应国际标准。这主要是指相关的基础标准。因为目前LED路灯还未有统一的行业规范可寻。尽量以通用、模块化为设计原则，优先使用标准件，使通用化系数达到85%。
灯罩表面不进行处理，散热器本体氧化，电源盒镀锌/喷聚氨脂漆，杆柄本体氧化/喷聚氨脂漆。紧固件全用不锈钢。使灯具达到中等防护要求。
灯罩与散热器接触面的最小距离为8～15,以保证气流通畅。灯具外露交接面以圆弧与倒棱过渡。
灯杆套入杆柄内，以螺栓止动，灯具材料为铝型材用螺纹联接，构成一良好导体，且电源供电为低压，安全有保障。
2012.08.10.
