軌道交通車輛變流器產品箱體防護設計

摘? 要：軌道交通產業(yè)在我國高速發(fā)展，伴隨著城市路面交通壓力的持續(xù)增加和城市交通信息化水平的提高，目前仍然保持著迅猛的發(fā)展速度。牽引變流器作為車輛運行的核心部件，主要承擔的是能量的轉換及輸送功能，它的性能的好壞會直接影響車輛的運行及車內乘坐環(huán)境。本文從軌道交通車輛變流器設備談起，介紹了箱體的防護性設計，針對如何完善變流器箱體的防護性能，探討了其中的幾項關鍵設計。

關鍵詞：軌道交通車輛變流器;箱體;防護性設計;IP防護;防爆

中圖分類號：U216.6;TM46? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0145-03

0? 引? 言

軌道交通產業(yè)在我國高速發(fā)展，伴隨著城市路面交通壓力的持續(xù)增加和城市交通信息化水平的提高，目前仍然保持著迅猛的發(fā)展速度。

牽引變流器作為車輛運行的核心部件，主要承擔的是能量的轉換及輸送功能，它的性能的好壞會直接影響車輛的運行及車內乘坐環(huán)境。變流器內部安裝有大量電器元件，結構復雜、自重較大，而箱體作為其載體，首先必須要保證能夠安全穩(wěn)定地安裝在車輛底部，其次要能夠保證內部元器件的正常運行環(huán)境，因此涉及各類設計要求，如防護、輕量化、冷卻、降噪、可維護性等，本文結合現(xiàn)有變流器產品，主要對箱體的防護性設計進行了分析。

1? 防護性設計概念

本文涉及的防護性設計分為標識預防、IP防護以及防爆三點，設計以整體防護結構為主，輔以關鍵部位的特殊防護。

變流器設備布局時一般放置在車輛底部，個別箱體放置在車輛頂部，工作環(huán)境較為惡劣，需要充分考慮到車輛實際運營環(huán)境對箱體的影響，如低溫、雨水、粉塵、柳絮等。GB 4208-2008/IEC60529：2001中規(guī)定了額定電壓不超過72.5kV，借用外殼防護的電氣設備的防護分級。設計時需要結合相關的IP等級試驗，在保證箱體的功能性的同時，盡可能提高其防護性能。

1.1? 標識預防

變流器箱體表面安裝的標識的主要作用為提醒操作人員在作業(yè)前做好準備工作，并提示了正確的作業(yè)步驟。警告標識一般放置在箱門上，即可使操作人員在作業(yè)時第一時間能夠看到其警告內容。標識包括警示符號、高壓放電提示、作業(yè)準備提示、機械動作警示等，要求齊全、清晰、無損傷、無污染。

標識表面一般有非金屬材料（熱固性好、低吸濕性）防護層，單面背膠。然而由于箱體外環(huán)境較為惡劣，容易受濕熱交變、鹽霧等影響，我們在做相關試驗時，發(fā)現(xiàn)有標識背膠失效的現(xiàn)象，主要原因是門板表面不平整，背膠貼合不緊密，為了保證在產品使用壽命期間標識不脫落，建議所有標識使用不銹鋼密封鉚釘進行固定。

1.2? 防護等級（IP代碼）

按標準規(guī)定的檢驗方法，按外殼對接近危險部件、防止固體異物進入或水進入所提供的保護程度進行分級[1]。設定防護等級是變流器箱體設計的先決條件。當實際運行環(huán)境比防護等級設定值更加惡劣時，將可能對箱體內部電氣元件造成嚴重的影響。例如，當防護等級為IP54的箱體置于車頂，車輛運行時車頂如有積水，箱體將會短時間浸泡于水中，防水等級按標準GB4208-2008/IEC60529：2001至少為7，遠遠超過了原設定值4，對箱體內的母排等造成了嚴重的腐蝕。因此，變流器產品設計聯(lián)絡時，這點需要與車輛方進行溝通。

1.3? 防爆

在做箱體防護性設計時，必須優(yōu)先了解箱體內部各個電子元器件的機械參數(shù)，如工作環(huán)境、維護方法及周期、重量、安裝方式等等，耐溫性能差的元器件應遠離冷、熱源，利用熱管效應，將發(fā)熱件置于易散熱的位置[2]。電弧、放電現(xiàn)象經常發(fā)生在繼電器、接觸器、開關上，箱體上正對高功率開關泄壓口所在位置，必須加裝泄壓閥裝置，防止過度沖擊破壞箱體結構。根據(jù)沖擊測試計算合理的泄壓口大小和機構進行彈性釋放，如圖1所示。

某些元器件如傳感器，過流產生爆炸時會產生一些金屬粉塵，如果箱體內部沒有恰當?shù)母綦x措施，粉塵擴散后會造成更多的短路放電，產生更大的沖擊波，此時，沖擊力已經遠遠超過了箱門本身的結構強度，可能造成箱門壓緊鎖失效，產生嚴重的后果，如圖2所示。因此，門板的二次防脫設計至關重要。

2? 防護關鍵項

2.1? 箱體

國內外現(xiàn)有地鐵平臺的變流器箱體仍以鋁合金材料為主，表面采用陽極氧化或者增加表面涂層進行防護，隨著科技的不斷進步，采用非金屬材料制成的箱體漸漸進入我們的視野，主要有碳化硅、碳纖維等，非金屬材料的采用將對設備的輕量化產生重大的影響。

無論采用何種材料，箱體必須在強度方面符合EN126 63-2010《鐵路設備 鐵路車輛車身的結構要求》、IEC613 73-1999《鐵道車輛設備沖擊和振動試驗標準》、TB/T13 35-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》，同時必須保證箱體在車輛正常運行的過程中產生的振動變形不影響其整體IP的防護性能。影響主要體現(xiàn)在箱體變形使壓邊與箱門密封膠條的配合產生錯位，導致密封性降低。如圖3所示，由于箱體過長，內部元器件偏重，重心集中在箱體中部，在振動過程中，箱體有輕微彎曲變形。

2.2? 箱門

箱門作為變流器箱維護時的必要拆卸對象，首先必須有足夠的強度來保證箱體IP防護的性能，其次要有合理的抗振防脫裝置，最后還要方便維護。箱門盡可能少用除電阻焊以外的焊接方式，以減小變形程度，使箱門與箱體的實際配合狀態(tài)盡量接近設計理想狀態(tài)，如圖4所示。

分析受力情況，正常工作時箱門主要受力點分布在四周的密封條位置、壓緊鎖位置以及防脫鉸鏈位置。密封條按照殼體的密封槽尺寸，開模壓制成型，安裝時略微高于槽口，蓋板蓋上后壓緊密封條，起到密封作用，密封條壓縮量一般應大于20%[2];壓緊鎖安裝于箱門下方，根據(jù)極端情況沖擊力，將單個鎖舌壓緊力設定為1000N，鎖舌通過旋轉與箱體內的槽口壓緊配合;鉸鏈既需要起到正常的旋轉連接作用，還要具備可拆卸和抗振防脫功能，其位置決定了門板的旋轉中心。在極端情況下，如果箱體內部產生沖擊，沖擊力主要表現(xiàn)在箱門最薄弱的中部位置，如果中部位置產生變形，壓緊鎖受扭矩影響，鎖舌將會從鎖槽脫出，鉸鏈作為最后措施，需要保證有足夠的連接強度以防止箱門整體脫出。

箱門的兩側、中部加強筋、旋轉中心以及抗振止擋將是防護關鍵項。

2.2.1? 加強筋

加強筋可參考圖5折邊結構，受鉸鏈和壓緊鎖的影響，門板直接受力點在上下位置，在密封墊理想壓縮狀態(tài)下，如門板兩側結構彎曲強度過低，勢必會導致整個門板彎曲，影響密封性能。中部加強筋的作用是盡量減少門板在極端情況下的變形，將大部分沖擊力轉化為壓緊鎖的鎖緊抗力。

2.2.2? 鉸鏈旋轉中心

旋轉中心過于靠近箱門內側，如配合精度不夠，將會產生“鍘刀”現(xiàn)象：門板自然垂下時角度較大，為鎖緊箱門，強行關閉將會使門板彎曲。因此，在設計時將旋轉中心設置在箱門外側，能夠有效改善裝配環(huán)境，如圖6所示。

2.2.3? 抗振止擋

車輛運行過程中，振動不可避免，鉸鏈可以防止門板向下移位，而放置于門板下方止擋可有效防止向上位移，如圖7所示。

2.3? 葛蘭板

變流器箱在裝車時必然會通過葛蘭孔連接車輛線纜，為方便車輛方維護和接線，一般會在箱體上設計葛蘭板或連接器，通過螺栓連接固定，接線時拆卸，擴大維護檢修空間。值得注意的是，葛蘭板與箱體中間的密封墊不可過量壓縮，橡膠密封墊是靠橡膠的彈力來密封的，如壓縮量超過橡膠的極限而導致其失去彈力，容易造成裂紋，喪失密封作用，或影響橡膠墊的使用壽命。因此，密封的壓縮量應控制在墊厚的1/3左右比較合適。

2.4? 濾網

變流器箱一般有3種散熱方式：自然冷卻、強迫風冷、水冷[3]。自然冷卻時，往往需要在箱體外部加裝濾網裝置，在保證IP防護的前提下，完成箱體內外熱交換。某些特殊的接觸器在長時間頻繁開關后，箱體內部空氣容易產生電離，此時相關的濾網裝置兼具換氣功能。

設計濾網時，優(yōu)先確定IP等級和測試要求，如IP54，防塵等級決定了濾網目數(shù)和厚度，防水等級基本確定了濾網結構。如圖8所示，可采用迷宮結構防止等級為4的濺水。

3? 結? 論

隨著軌道交通產業(yè)的迅猛發(fā)展，變流器產品系統(tǒng)、元器件等也在不斷地更新、優(yōu)化，將會形成一套更簡明、更輕量化、更高效、更方便的裝置。箱體作為主要的機械構件，防護性設計至關重要，我們在選材與結構設計中仍需不斷探索，努力突破瓶頸，通過可靠性計算和驗證形成新一代防護平臺。

參考文獻：

[1] GB 4208-2008/IEC 60529：2001，外殼防護等級（IP代碼） [S].北京：中國標準出版社，2008.

[2] 汪方寶.整機電子裝聯(lián)技術 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：253-260.

[3] 王少林，刁利軍，林文立，等.低地板輕軌車牽引變流器通風散熱設計 [J].電氣傳動，2009，39（4）：39-42.

作者簡介：丁軒炯（1989.10-），男，漢族，江蘇常州人，助理工程師，本科，研究方向：軌道交通制造。