鐵路信號(hào)機(jī)柜設(shè)計(jì)與性能仿真

李小平

（卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100160）

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸向高速、高密度和重載方向的飛速發(fā)展，鐵路信號(hào)系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的保障鐵路運(yùn)輸安全的“眼睛”，變成了保障行車安全、集中調(diào)度管控、提高運(yùn)能和運(yùn)力并改善運(yùn)輸勞動(dòng)條件的鐵路“中樞神經(jīng)”[1]。電氣化鐵路線路周圍復(fù)雜的電磁、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境會(huì)對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的穩(wěn)定工作造成極大影響，作為容納鐵路信號(hào)電氣或電子設(shè)備的獨(dú)立載體，鐵路信號(hào)設(shè)備機(jī)柜為信號(hào)核心安全設(shè)備提供了防水、防塵和防電磁干擾等的安全運(yùn)行環(huán)境，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響鐵路信號(hào)設(shè)備工作的穩(wěn)定性[2]。部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)信號(hào)設(shè)備的室內(nèi)外機(jī)柜外觀、結(jié)構(gòu)和防護(hù)等級(jí)等做了明確的規(guī)定，鐵路信號(hào)機(jī)柜均達(dá)到了技術(shù)規(guī)范和CRCC 要求，但機(jī)柜設(shè)計(jì)還是存在較多差異和不合理之處[3]。該文總結(jié)了現(xiàn)有機(jī)柜存在的關(guān)鍵問(wèn)題，分析了影響設(shè)計(jì)的各類因素，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，提出了信號(hào)設(shè)備機(jī)柜設(shè)計(jì)的改進(jìn)原則和方法。

1 鐵路信號(hào)設(shè)備機(jī)柜現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)鐵路信號(hào)系統(tǒng)機(jī)柜存在如下問(wèn)題[4]：1）機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠或過(guò)強(qiáng)，影響設(shè)備安裝空間。2）機(jī)柜柜內(nèi)電氣設(shè)備布局差異較大，甚至布局不合理，造成不易操作、散熱不良等問(wèn)題。3）集成度不高，空間資源利用不合理，侵占維護(hù)空間，導(dǎo)致維護(hù)困難。4）機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備標(biāo)識(shí)參差不齊，不易直觀區(qū)分設(shè)備名稱或板卡名稱。

2 鐵路信號(hào)機(jī)柜的設(shè)計(jì)

鐵路信號(hào)系統(tǒng)需要各子系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)的信號(hào)設(shè)備有序配合，才能實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜的聯(lián)鎖、聯(lián)動(dòng)功能，每個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立而不可或缺。鐵路信號(hào)設(shè)備按安裝位置分為3 類，即車載、室內(nèi)和軌旁。車載機(jī)柜主要安裝在機(jī)車上；室內(nèi)機(jī)柜主要安裝在線路的車站、中繼站或調(diào)度中心機(jī)房；軌旁機(jī)柜主要安裝在軌道附近且不影響列車運(yùn)行的位置。因?yàn)闄C(jī)柜安裝、運(yùn)行環(huán)境不同，所以對(duì)防護(hù)等級(jí)、尺寸和結(jié)構(gòu)等方面的要求也大不相同。

機(jī)柜安裝的環(huán)境決定了其性能需求、機(jī)柜型材選擇、散熱方式等整體方案。關(guān)于環(huán)境因素，需要明確其安裝方式、安裝位置和工作環(huán)境的溫度、濕度、沙塵防水等級(jí)、防雨以及防異物進(jìn)入等因素，如安裝在沙漠中的軌旁機(jī)柜必須考慮防塵、冰雪和太陽(yáng)輻射等因素。

機(jī)柜結(jié)構(gòu)布局和外觀是機(jī)柜整體形象的體現(xiàn)，不僅包括機(jī)柜的尺寸、整機(jī)顏色、表面處理和機(jī)柜涂層等方面的詳細(xì)要求，也包括柜體門鎖、鉸鏈等的形狀、大小，標(biāo)識(shí)的安裝位置、尺寸機(jī)柜銘牌等要求，還需要關(guān)注客戶的特殊要求。機(jī)柜結(jié)構(gòu)主要根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、固定方式和柜內(nèi)設(shè)備，需要考慮柜體型材、安裝空間、柜內(nèi)配線、理線線槽、開(kāi)門角度、柜門類型、出線方式、隔熱以及后期維護(hù)便利等方面的因素。

根據(jù)上述實(shí)際應(yīng)用分析，機(jī)柜的結(jié)構(gòu)布局和散熱是影響鐵路信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定性的重要因素，因此該文對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了優(yōu)化，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

為了便于系統(tǒng)維護(hù)并減少機(jī)柜設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，該文根據(jù)從上至下的原則，將鐵路信號(hào)柜內(nèi)完成同一功能的設(shè)備作為一個(gè)整體模塊。整個(gè)柜內(nèi)設(shè)備分為若干功能單元模塊，并明確各單元模塊間的聯(lián)系，再對(duì)其功能模塊進(jìn)行布局和設(shè)計(jì)。鐵路信號(hào)機(jī)柜一般分為安全主機(jī)單元、通信接口單元、輔助維護(hù)單元、冗余電源單元和驅(qū)動(dòng)采集單元等，一方面可減少模塊內(nèi)部的線纜長(zhǎng)度和模塊間連接的復(fù)雜度，另一方面可使鐵路信號(hào)機(jī)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰、空間布局合理。最后采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)過(guò)程還要考慮實(shí)際應(yīng)用，如應(yīng)將比較重的模塊布置在機(jī)柜底部，散熱量較大的設(shè)備布置在機(jī)柜頂部，系統(tǒng)維修輔助單元?jiǎng)t需要設(shè)計(jì)在便于現(xiàn)場(chǎng)人員維護(hù)的位置，距機(jī)柜底部約23cm 的位置等，具體如圖1所示。

圖1 鐵路信號(hào)機(jī)柜的分層設(shè)計(jì)

在圖1 中，可以同時(shí)看到鐵路信號(hào)機(jī)柜的2 個(gè)面，即正面和左側(cè)面，粗實(shí)線代表鐵路信號(hào)機(jī)柜的框架，細(xì)線代表各功能模塊層次間隔布局。從圖1 的結(jié)構(gòu)可以看出，該文設(shè)計(jì)示例的鐵路信號(hào)機(jī)柜內(nèi)部共劃分為5 個(gè)不同的功能區(qū)域，每個(gè)功能區(qū)既相互聯(lián)系又獨(dú)立分布。對(duì)每個(gè)功能區(qū)的設(shè)備再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，從而可以確定每個(gè)功能區(qū)的占用機(jī)柜的容積、高度等參數(shù)，由此可以確定鐵路信號(hào)機(jī)柜的高度和個(gè)數(shù)。其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：H代表鐵路信號(hào)機(jī)柜的總體高度；Hi代表鐵路信號(hào)機(jī)柜第i層的高度；HF代表鐵路信號(hào)機(jī)柜的總體高度中的輔助高度。

HF的計(jì)算如公式（2）所示。

式中：HF代表鐵路信號(hào)機(jī)柜的總體高度中的輔助高度；HU代表鐵路信號(hào)機(jī)柜頂部的輔助高度；HD代表鐵路信號(hào)機(jī)柜底部的輔助高度。

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的寬度有明確的規(guī)定，該系統(tǒng)機(jī)柜的數(shù)量N如公式（3）所示。

式中：N代表機(jī)柜的總數(shù)；HG代表標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜容納設(shè)備的最大高度。

對(duì)非標(biāo)尺寸的機(jī)柜來(lái)說(shuō)，不僅要考慮其總體高度，還要考慮內(nèi)容設(shè)備和線纜的體積需求、機(jī)柜的整體協(xié)調(diào)性，可以計(jì)算出鐵路信號(hào)機(jī)柜的總體體積和機(jī)柜數(shù)量，如公式（4）所示。

式中：V代表鐵路信號(hào)機(jī)柜的總體積；H代表鐵路信號(hào)機(jī)柜的總體高度；L代表鐵路信號(hào)機(jī)柜底面的總體長(zhǎng)度；W代表鐵路信號(hào)機(jī)柜底面的總體寬度。

除基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以外，鐵路信號(hào)機(jī)柜還需要設(shè)計(jì)立柱、支架、滑軌托盤等內(nèi)容裝配結(jié)構(gòu)，便于各種信號(hào)單元的安裝固定。

機(jī)柜散熱設(shè)計(jì)也是機(jī)柜設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。據(jù)調(diào)查，機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜局部過(guò)熱的現(xiàn)象普遍存在，僅局部過(guò)熱問(wèn)題引發(fā)的系統(tǒng)宕機(jī)現(xiàn)象就達(dá)到了32%。合理的布局和風(fēng)道設(shè)計(jì)是有效散熱的關(guān)鍵。進(jìn)行產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮環(huán)境溫度。先評(píng)估機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的總熱功率P總，通過(guò)計(jì)算得出滿足熱交換所需的風(fēng)量，再設(shè)計(jì)機(jī)柜散熱方式，并選擇合適的風(fēng)扇。

設(shè)計(jì)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備總熱功率如公式（5）所示。

式中：P總為機(jī)柜內(nèi)部所有設(shè)備的熱功率；Pi為單個(gè)設(shè)備的熱功率；Pr為柜內(nèi)電源線纜的熱功率。

無(wú)熱功率參數(shù)的設(shè)備如公式（6）所示。

式中：P為設(shè)備的額定功率為設(shè)備的輸出功率；Po設(shè)備的輸出功率。

散熱方式主要為自然對(duì)流散熱或強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式。機(jī)柜默認(rèn)是帶風(fēng)扇的強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)柜，但產(chǎn)品設(shè)計(jì)要滿足機(jī)柜在無(wú)風(fēng)扇條件下正常工作的要求。3 種散熱方案是鐵路信號(hào)機(jī)柜常用的設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 鐵路信號(hào)機(jī)柜散熱方案

方案1 適合自然對(duì)流散熱機(jī)柜，其對(duì)環(huán)境要求較高；方案3 適用于室外軌旁機(jī)柜；方案2 是基于方案1 優(yōu)化過(guò)的散熱方案，適用范圍比較廣，適用于室內(nèi)機(jī)柜和車載機(jī)柜。該文設(shè)計(jì)采用方案2，為強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。為能夠形成有效風(fēng)路，托盤等設(shè)計(jì)需要采用網(wǎng)狀或開(kāi)孔設(shè)計(jì)，防止柜內(nèi)熱聚集。在散熱比較差的地方需要單獨(dú)設(shè)計(jì)風(fēng)扇，進(jìn)行助力散熱。同時(shí)，鐵路信號(hào)機(jī)柜的主立面補(bǔ)空應(yīng)為實(shí)性，便于機(jī)柜內(nèi)部形成有效散熱風(fēng)路。

強(qiáng)迫風(fēng)冷需要考慮傳導(dǎo)和對(duì)流。由于路徑復(fù)雜，精確評(píng)估傳熱能量不現(xiàn)實(shí)，針對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)柜產(chǎn)品的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)柜熱設(shè)計(jì)進(jìn)行初步評(píng)估時(shí)，選擇采用質(zhì)量守恒的方式。質(zhì)量守恒公式如公式（7）所示。

式中：Q為風(fēng)扇風(fēng)量；p為空氣密度；Cp為空氣比熱容；ΔT為為機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)口的溫度差；t為時(shí)間，h。

機(jī)柜所選風(fēng)扇的最大風(fēng)量建議滿足Qmax=2×Q，其中Q是根據(jù)評(píng)估得到的風(fēng)扇實(shí)際風(fēng)量要求。除了需要設(shè)計(jì)風(fēng)扇的風(fēng)量，還需要注意風(fēng)扇的風(fēng)壓。風(fēng)壓主要和內(nèi)部設(shè)備的體積、擺放位置有關(guān)系，由于產(chǎn)品機(jī)柜內(nèi)的布局方式較多且結(jié)構(gòu)差異較大，因此可以通過(guò)熱仿真來(lái)驗(yàn)證其有效性。

3 鐵路信號(hào)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)性能仿真

完成鐵路信號(hào)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。尤其是車載機(jī)柜和軌旁機(jī)柜，由于二者安裝在振動(dòng)強(qiáng)度較大的列車上和環(huán)境比較苛刻的軌旁，因此其在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能比靜態(tài)力學(xué)性能更值得關(guān)注。

和靜止擺放的室內(nèi)機(jī)柜相比，列車上的車載機(jī)柜和軌旁機(jī)柜的工作條件更復(fù)雜。尤其是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，列車高速行駛會(huì)使車載無(wú)法避免地發(fā)生顛簸和振動(dòng)，導(dǎo)致車載機(jī)柜也會(huì)受橫向和縱向振動(dòng)載荷的影響。相對(duì)而言，車載和軌旁機(jī)柜所受的橫向振動(dòng)載荷更大。在垂直方向上，機(jī)柜和鐵軌之間不會(huì)產(chǎn)生較大偏移，因此比較平穩(wěn)。在水平方向上，車載和軌旁機(jī)柜所受的橫向振動(dòng)載荷就會(huì)比較明顯。最主要的原因是列車經(jīng)常受緊急制動(dòng)和室外自然側(cè)風(fēng)的影響，產(chǎn)生強(qiáng)烈的加速和減速，從而引起鐵路信號(hào)機(jī)柜明顯的橫向振動(dòng)。

據(jù)此，該文重點(diǎn)研究軌旁和車載機(jī)柜橫向的振動(dòng)變化，體現(xiàn)為加速度層面的沖擊，因此對(duì)加速度進(jìn)行譜密度觀測(cè)是進(jìn)行橫向振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的重要手段。對(duì)加速度譜密度前、后變化的計(jì)算如公式（8）所示。

式中：P1表示加速度突變前的加速度譜密度；P2表示加速度突變后的加速度譜密度；f1表示速度突變前的加速度變化頻率；f2表示速度突變后的加速度變化頻率；S表示斜率。

然后采用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元建模和仿真，可以看到整個(gè)鐵路信號(hào)機(jī)柜橫向應(yīng)變的變化，如圖3 所示。

圖3 鐵路信號(hào)機(jī)柜整體的橫向應(yīng)變分析結(jié)果

從圖3 可以看出，在模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鐵路信號(hào)機(jī)柜整體的左、右兩側(cè)外壁所受的應(yīng)變變化均勻。從圖3 的區(qū)域劃分情況來(lái)看，其應(yīng)變大小主要集中在0.11mm～0.16mm。鐵路信號(hào)機(jī)柜產(chǎn)生的應(yīng)變最大值出現(xiàn)在0.25mm 左右，主要集中在正面頂部、側(cè)上中部的位置。從右側(cè)面的情況看，其中向上靠正面的位置產(chǎn)生的應(yīng)變也比較明顯。鐵路信號(hào)機(jī)柜整體偏下的位置產(chǎn)生的應(yīng)變則比較小。底部和后面的應(yīng)變基本接近于0mm，這與這些位置加固得比較牢靠有關(guān)。但從應(yīng)變的變化范圍來(lái)看，該文設(shè)計(jì)的鐵路信號(hào)機(jī)柜完全在安全范圍內(nèi)，不會(huì)影響內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)的使用。

鐵路信號(hào)機(jī)柜整體的橫向應(yīng)力分析結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，鐵路信號(hào)機(jī)柜整體所受的橫向應(yīng)力均處在比較低的水平，即≤110MPa，可保證設(shè)計(jì)的鐵路信號(hào)機(jī)柜在極端條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 鐵路信號(hào)機(jī)柜整體的橫向應(yīng)力分析結(jié)果

4 鐵路信號(hào)機(jī)柜的熱性能仿真

鐵路信號(hào)機(jī)柜的設(shè)計(jì)效果是否理想，還有另外一個(gè)重要的考核因素——熱性能考核。鐵路信號(hào)機(jī)柜內(nèi)部承載了大部分電路板和電子器件，需要24h 不間斷運(yùn)行，即使各電路板、電子器件都不是滿負(fù)荷工作狀態(tài)，也會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果機(jī)柜的散熱設(shè)計(jì)不理想，就會(huì)造成機(jī)柜內(nèi)局部溫度過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致電路板和電子器件失效——這是CPU 失效最常見(jiàn)的現(xiàn)象之一。因?yàn)樵诟鞣N電子器件的工作過(guò)程中，CPU 計(jì)算量最大、處理速度最快，所以也會(huì)消耗更多的電功率、產(chǎn)生更高的工作溫度，超出其極限工作溫度就會(huì)導(dǎo)致宕機(jī)。

該文設(shè)計(jì)的鐵路信號(hào)機(jī)柜充分考慮了散熱功能的設(shè)置，具體的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 鐵路信號(hào)機(jī)柜前、后面的散熱設(shè)計(jì)

鐵路信號(hào)機(jī)柜頂部是機(jī)柜整體散熱的主要區(qū)域。在機(jī)柜設(shè)計(jì)中，一方面，機(jī)柜后門下部設(shè)計(jì)了入風(fēng)口，頂部有強(qiáng)迫散熱風(fēng)扇，可保證機(jī)柜從底部到頂部形成一條有效風(fēng)路；另一方面，機(jī)柜前門設(shè)計(jì)為蜂窩孔狀（也為了滿足有效電磁兼容性能），并且柜內(nèi)每個(gè)設(shè)備間至少設(shè)計(jì)了1cm 間隔，在強(qiáng)迫散熱失效后可自然散熱。

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的散熱性能，使用ANSYS 軟件對(duì)機(jī)柜的熱力圖進(jìn)行仿真，如圖6 所示。

圖6 鐵路信號(hào)執(zhí)行機(jī)柜熱力仿真（℃）

將自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，分別記錄機(jī)柜內(nèi)不同高度的5 組芯片（以VCU 為例）的最高溫度情況，如圖7 所示。

圖7 鐵路信號(hào)機(jī)柜內(nèi)5 組VCU 的溫度情況

圖7 中，橫坐標(biāo)代表機(jī)柜內(nèi)不同高度的關(guān)鍵5 組VCU的序號(hào)，縱坐標(biāo)代表VCU 表面溫度。實(shí)線代表自然對(duì)流散熱設(shè)計(jì)下VCU 的溫度變化，虛線代表強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)下5 組VCU 的表溫變化。對(duì)比2 組曲線的情況可以看出，優(yōu)化后的散熱性能有效提升約20%。這說(shuō)明采用有效的方法設(shè)計(jì)機(jī)柜內(nèi)部的散熱風(fēng)路和選擇有效的散熱方式有助于提升機(jī)柜的整體散熱水平，確保柜內(nèi)板卡和設(shè)備能穩(wěn)定工作。

5 結(jié)論

鐵路信號(hào)設(shè)備機(jī)柜不僅為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的核心器件提供安裝支撐、電氣連接和狀態(tài)指示等功能，也為其內(nèi)部IT 設(shè)備提供可靠的電磁環(huán)境和外部防護(hù)。其設(shè)計(jì)的好壞將直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、設(shè)備開(kāi)通運(yùn)行后的可維護(hù)性以及柜內(nèi)IT 設(shè)備的運(yùn)行壽命，還會(huì)直接影響鐵路信號(hào)產(chǎn)品日常維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度。該文對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)柜進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性。結(jié)果表明：通過(guò)系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，可提高鐵路信號(hào)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)性能、散熱性能以及產(chǎn)品在復(fù)雜環(huán)境下的適用性，也可提升設(shè)備在后續(xù)運(yùn)行中的可維護(hù)性。