動(dòng)車組車下電氣柜模塊化設(shè)計(jì)與研究

李作鑫，王 飛，林祥禮，吉 鵬，孫文龍

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

電氣柜是軌道車輛控制系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，執(zhí)行車輛安全回路、車輛牽引、高壓使能、門控、照明、煙火控制等電氣功能，是車輛各系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的載體。隨著列車技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，動(dòng)車組功能日新月異，電氣柜類型以及電氣元件數(shù)量也越來越多、元件布置更加的緊湊、功率密度也越來越高。另外，電氣柜安裝在車廂內(nèi)部會(huì)占用車輛的有效運(yùn)輸空間；同時(shí)對(duì)于客運(yùn)車輛，乘客與電氣柜共處同一車廂，二者之間會(huì)造成相互影響。

綜上，研發(fā)設(shè)計(jì)一種車下安裝的電氣柜，將大部分電氣元件由車上移至車下，可在提升動(dòng)車組車廂空間利用率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)乘客與設(shè)備的絕對(duì)隔離。另外，通過模塊化、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可優(yōu)化電氣柜內(nèi)部元件布局與散熱的問題，提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 電氣柜設(shè)計(jì)與布局

1.1 電氣布局

電氣柜內(nèi)集成各類電氣元件，除列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)、旅客信息系統(tǒng)(PIS)、煙火報(bào)警系統(tǒng)、軸溫報(bào)警系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等功能類設(shè)備外，還包括斷路器、接觸器、繼電器、接線端子等各種控制類電氣元件以及連接元件的線束等，數(shù)量多、分布廣[1]。綜合考慮箱體空間尺寸、元件布局布線以及檢修維護(hù)等因素，將電氣柜整體分為3類區(qū)域：控制元件區(qū)、功能元件區(qū)、線束區(qū)。其中，控制元件區(qū)包括繼電器、接觸器、斷路器等，此類元件需進(jìn)行日常操作、維護(hù)檢修頻率高且占用空間小，將控制元件區(qū)布置在檢修操作區(qū)后方，便于日常操作與檢修；功能元件區(qū)主要由各類機(jī)箱設(shè)備組成[2-3]。由于機(jī)箱日常操作及檢修頻率相對(duì)較小且占用空間大，因此將功能元件區(qū)放置于控制元件區(qū)后方，此區(qū)域空間較大同時(shí)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)操作；線束區(qū)主要用于線束的分流、匯流以及走線，包括分流排、匯流排以及線束固定器等[4]。由于線束無需日常檢修維護(hù)，因此將線束區(qū)布置在箱體中間區(qū)域，此區(qū)域空間寬敞，布線操作空間大，便于生產(chǎn)。電氣柜電氣布局示意圖如圖1所示。

圖1 電氣柜電氣布局示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于元件安裝、線束布置以及后續(xù)更改維護(hù)，根據(jù)電氣布局劃分結(jié)果，將控制元件區(qū)、功能元件區(qū)所有元件進(jìn)行模塊化組合，形成電氣模塊與組件。模塊化的組件及模塊可以提前進(jìn)行元件的預(yù)裝與線束的布置，便于實(shí)現(xiàn)流程化裝配，提高生產(chǎn)效率；另外，模塊及組件所有安裝接口保持一致，對(duì)應(yīng)的電氣柜安裝框架采用兼容設(shè)計(jì)，模塊及組件在更換時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝和重組[5]。

考慮控制類組件的檢修維護(hù)，箱體門板采用可拆卸式設(shè)計(jì)。同時(shí)門板設(shè)置觀察窗，日常情況下無需打開箱門即可查看外層控制元件區(qū)組件狀態(tài)，判斷是否存在異?；蚬收稀Ｓ^察窗不僅可減少箱門開啟次數(shù)，避免外部異物進(jìn)入箱體，還可以減少由于開關(guān)箱門對(duì)膠條造成的機(jī)械性損傷，降低因箱體密封所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2為模塊與組件布置圖。如圖2所示，考慮功能元件模塊的操作與檢修，控制元件組件采用旋轉(zhuǎn)門式設(shè)計(jì)。檢修功能元件模塊時(shí)，可將前方的控制元件組件開啟90°，進(jìn)行后方功能元件的操作與維護(hù)。同時(shí)考慮功能元件模塊內(nèi)機(jī)箱設(shè)備通風(fēng)散熱，模塊組合后進(jìn)行了通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)。通過導(dǎo)流罩與風(fēng)機(jī)的作用加速機(jī)箱內(nèi)部散熱。

圖2 模塊與組件布置圖

1.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)方面將電氣柜分為吊裝結(jié)構(gòu)與主箱體結(jié)構(gòu)兩部分。

根據(jù)車體的安裝需求吊裝結(jié)構(gòu)分為2種，邊梁式吊裝結(jié)構(gòu)與分布式吊裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示。邊梁式吊裝結(jié)構(gòu)分為主梁與吊耳，兩者組裝后通過螺栓固定在箱體上；分布式吊裝結(jié)構(gòu)則直接將吊耳通過螺栓固定在箱體上。2種吊裝結(jié)構(gòu)均可以在不變動(dòng)主箱體結(jié)構(gòu)的前提下通過調(diào)整吊裝結(jié)構(gòu)尺寸匹配各類車型的安裝要求，滿足現(xiàn)有所有動(dòng)車組車型的安裝。

圖3 電氣柜吊裝結(jié)構(gòu)

主箱體結(jié)構(gòu)根據(jù)電氣布局形式進(jìn)行模塊化劃分，分成左側(cè)箱、右側(cè)箱、中間箱三部分。其中左、右兩側(cè)箱體用于控制元件區(qū)、功能元件區(qū)的安裝。兩側(cè)箱體結(jié)構(gòu)相同，布局方式一致。中間箱體考慮無法進(jìn)行日常檢修，僅用于線束區(qū)的布置。各箱體間通過螺栓裝配，如圖4所示。

圖4 主箱體組裝示意圖

1.3 材料選型

為了滿足輕量化的設(shè)計(jì)需求，本文中的電氣柜吊裝結(jié)構(gòu)與主箱體結(jié)構(gòu)均采用鋁合金材質(zhì)，針對(duì)吊裝結(jié)構(gòu)與主箱體結(jié)構(gòu)之間的加強(qiáng)筋采用不銹鋼材質(zhì)，詳細(xì)的材質(zhì)如表1所示。

表1 箱體材質(zhì)表

2 電氣柜散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提升電氣柜的散熱性能，對(duì)電氣柜的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過內(nèi)部循環(huán)散熱和對(duì)外熱交換相結(jié)合的散熱方式進(jìn)行整機(jī)散熱[6]。散熱結(jié)構(gòu)按照功能分為3部分：對(duì)外換熱結(jié)構(gòu)、機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)、電氣組件散熱結(jié)構(gòu)。

2.1 對(duì)外換熱結(jié)構(gòu)

根據(jù)電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，發(fā)熱元件主要集中分布在產(chǎn)品左側(cè)箱與右側(cè)箱，兩側(cè)箱發(fā)熱功率密度高，因此針對(duì)側(cè)箱位置進(jìn)行對(duì)外換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加速內(nèi)部散熱降溫。

如圖5所示，對(duì)外換熱結(jié)構(gòu)由換熱散熱片、導(dǎo)流罩以及風(fēng)機(jī)組成。散熱片內(nèi)外兩面設(shè)計(jì)散熱齒片，兩面齒片分別與箱體內(nèi)外空氣接觸。箱體內(nèi)部齒片增加導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩內(nèi)的空氣流動(dòng)方向與齒片方向保持一致，形成冷卻風(fēng)道。風(fēng)道安裝在箱體的頂部，導(dǎo)流罩正面及側(cè)面開設(shè)通風(fēng)孔均勻覆蓋整個(gè)箱體頂部，風(fēng)道的一端安裝軸流風(fēng)機(jī)，加速空氣流動(dòng)。

圖5 對(duì)外換熱結(jié)構(gòu)示意圖

產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，箱體內(nèi)部空氣經(jīng)元件加熱后在風(fēng)機(jī)動(dòng)力以及自身升力的作用下通過風(fēng)道通風(fēng)孔進(jìn)入散熱風(fēng)道。在對(duì)流換熱的作用下，流經(jīng)齒片的熱空氣將熱量傳遞至散熱片。吸收了熱量的散熱片在外部齒片與走行風(fēng)對(duì)流換熱的作用下，將熱量散至電氣柜外。整個(gè)散熱過程不僅加快了內(nèi)部的空氣流通，也實(shí)現(xiàn)了箱體的對(duì)外散熱。

2.2 機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)箱模塊結(jié)構(gòu)對(duì)模塊進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，按照各機(jī)箱大小以及機(jī)箱自帶散熱孔位置，在機(jī)箱模塊外部增加導(dǎo)流罩及風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)及導(dǎo)流罩的作用下，空氣穿透各機(jī)箱，將機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走，達(dá)到散熱降溫的目的，如圖6所示。此過程加速箱體內(nèi)部空氣循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了箱體內(nèi)部的均溫。

圖6 機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 電氣組件散熱結(jié)構(gòu)

模塊化后的組件電氣元件較為密集，集中發(fā)熱極易出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致器件溫升過高影響性能。因此，為避免局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)，對(duì)電氣組件進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，在箱體中間位置，即各個(gè)組件的中間位置增加軸流風(fēng)機(jī)，加速各組件的空氣流通，以防止熱點(diǎn)產(chǎn)生，如圖7所示。

圖7 電氣組件散熱結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 散熱仿真分析

為驗(yàn)證電氣柜散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的散熱效果，對(duì)電氣柜進(jìn)行散熱仿真分析。

首先建立車下電氣柜散熱仿真模型，并設(shè)置以下邊界條件：環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃，環(huán)境壓力設(shè)定為101 325 Pa。對(duì)內(nèi)部電氣元件的載荷施加如圖8所示。

圖8 電氣柜所加載荷示意圖

通過仿真計(jì)算，得到仿真的溫度云圖如圖9所示。電氣柜散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各部件溫度對(duì)比如表2所示。

圖9 溫度云圖

表2 電氣柜散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各部件溫度對(duì)比 K

根據(jù)表2可知，電氣柜散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，各部位溫度明顯降低，其中橫向失穩(wěn)主機(jī)、能量計(jì)、軸溫報(bào)警器主機(jī)等部件降溫幅度較大；繼電器旋轉(zhuǎn)門降溫較小。這是由于優(yōu)化后的散熱結(jié)構(gòu)更具針對(duì)性，對(duì)于產(chǎn)生熱量較多的部位，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局以及風(fēng)機(jī)等方式對(duì)電氣元件進(jìn)行了更好地散熱處理，保證電氣柜箱內(nèi)達(dá)到要求的工作環(huán)境。

3 電氣柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

為評(píng)估車下電氣柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求，對(duì)電氣柜的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。

首先，建立電氣柜有限元模型(圖10)并根據(jù)表1賦予相應(yīng)的材料屬性。主箱體結(jié)構(gòu)由鋁方管、角鋁以及板材焊接與螺接而成，由于其屬于薄壁零件，因此計(jì)算按照板殼單元模擬箱體結(jié)構(gòu)，單元大小約為10 mm，厚度取設(shè)計(jì)值。

圖10 車下電氣柜有限元模型

3.1 靜強(qiáng)度工況

根據(jù)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3058—2016《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》[7]中規(guī)定，車下電氣柜屬于車體1類A級(jí)部件。按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其進(jìn)行縱向、橫向、垂向3個(gè)方向的振動(dòng)與沖擊后，箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)完好、不發(fā)生破壞。因此，按照TB/T 3058—2016中的沖擊載荷作為靜強(qiáng)度載荷施加進(jìn)行計(jì)算，車下電氣柜也不應(yīng)出現(xiàn)超過材料許用值的現(xiàn)象。靜強(qiáng)度計(jì)算載荷如表3所示。

表3 靜強(qiáng)度計(jì)算載荷

本文根據(jù)利用系數(shù)C來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，公式如下：

(1)

式中：C——利用系數(shù)；

σmax——最大應(yīng)力值；

σ0——許用應(yīng)力。

根據(jù)仿真計(jì)算得到的靜強(qiáng)度工況應(yīng)力云圖如圖11所示。根據(jù)圖11及式(1)計(jì)算可得，各工況下材料的利用系數(shù)均小于1.0。最大利用系數(shù)發(fā)生在工況5，最大值為0.69，位于三角加強(qiáng)筋與主梁連接的螺栓孔處，如圖11(a)所示。其余利用系數(shù)較大點(diǎn)主要出現(xiàn)在蒙皮與框架焊接位置(圖11(b))、吊耳安裝螺栓孔附近及中間箱底縱梁(圖11(c))以及右柜底縱梁連接的螺栓孔附近(圖11(d))。

圖11 靜強(qiáng)度工況應(yīng)力云圖

3.2 疲勞強(qiáng)度工況

根據(jù)EN 12663-1:2010[8]中P-II類產(chǎn)品規(guī)定，對(duì)車下電氣柜進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)工況要求如表4所示。

表4 疲勞強(qiáng)度計(jì)算載荷

根據(jù)有限元分析結(jié)果及式(1)計(jì)算可得，在疲勞強(qiáng)度工況下，各工況下材料的利用系數(shù)均小于1.0。利用系數(shù)較高的部位主要出現(xiàn)三角加強(qiáng)筋與主梁連接的螺栓孔處(圖12(a))、側(cè)箱與中間箱底部縱梁連接的螺栓孔位置(圖12(b))、中間箱后板與豎梁斷續(xù)焊的熱影響區(qū)(圖12(c))以及側(cè)箱上板與框架斷續(xù)焊的熱影響區(qū)(圖12(c))[9-10]。

圖12 疲勞強(qiáng)度工況利用系數(shù)云圖

3.3 模態(tài)計(jì)算

本文對(duì)車下電氣柜低階模態(tài)進(jìn)行了分析。通過仿真計(jì)算，提取了車下電氣柜前五階模態(tài)，如表5及圖13所示。計(jì)算結(jié)果顯示，產(chǎn)品整體模態(tài)良好。

表5 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖13 模態(tài)振型圖

4 總結(jié)

本文研制的車下電氣柜有效地提升了車輛運(yùn)輸空間、實(shí)現(xiàn)了人與電氣設(shè)備的隔離。通過產(chǎn)品內(nèi)部的合理化設(shè)計(jì)與布局，實(shí)現(xiàn)了箱體與組件的模塊化與輕量化。通過產(chǎn)品吊裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足了各類車型的安裝需求；通過對(duì)外換熱結(jié)構(gòu)以及內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品良好的散熱效果，保證了產(chǎn)品正常的運(yùn)行環(huán)境。最后，通過對(duì)整機(jī)進(jìn)行的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度計(jì)算得到電氣柜在靜載與疲勞載荷2種工況下的受力情況，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示車下電氣柜靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度均符合要求。