鐵路用室外柜設(shè)計(jì)和探討

侯石巖

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

隨著中國鐵路不斷快速發(fā)展，對(duì)工程建設(shè)短周期和投入低成本的要求也日趨明顯。相對(duì)于傳統(tǒng)在信號(hào)樓機(jī)械室集中放置信號(hào)設(shè)備，使用室外分布式設(shè)置信號(hào)設(shè)備的形式，能減少電纜鋪設(shè)長度、縮短建設(shè)周期、降低后期維護(hù)成本，提升信號(hào)設(shè)備安裝靈活性。研發(fā)性能可靠、工作穩(wěn)定的室外柜就顯得尤其重要。

1 室外柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全電子執(zhí)行單元室外柜采用雙層門板結(jié)構(gòu)，采用自然對(duì)流熱交換方式，IP設(shè)計(jì)等級(jí)為55，外觀尺寸為1 700×700×800（高×寬×深， mm），內(nèi)部整體框架焊接式設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。機(jī)柜主要由以下幾部分組成：內(nèi)部整體框架（焊接）、前門、后門、頂板罩、底座、左側(cè)門板和右側(cè)門板。

圖1 全電子執(zhí)行單元室外柜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Outdoor cabinet structure of full-electronic executive unit

1）內(nèi)部整體框架：左側(cè)內(nèi)門板、右側(cè)內(nèi)門板、內(nèi)部頂板、內(nèi)部底板4個(gè)部分整體焊接，增加柜體的強(qiáng)度和剛度。左側(cè)內(nèi)門板、右側(cè)內(nèi)門板的外側(cè)設(shè)計(jì)百葉窗結(jié)構(gòu)，門板內(nèi)側(cè)安裝過濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層熱交換。

2）前后門組成：內(nèi)門板、門板加強(qiáng)筋、門鎖機(jī)構(gòu)、發(fā)泡膠條、導(dǎo)電密封條，外門板通過鉸鏈和整體焊接式內(nèi)部柜體連接。

3）左右側(cè)外門組成：外門通過螺釘與焊接在內(nèi)門板表面的支撐柱緊固連接，內(nèi)門和外門板間隙形成散熱、防塵、防水通道。

4）機(jī)柜頂部組成：頂板罩、頂部罩加強(qiáng)筋，頂板設(shè)計(jì)為2°的斜面結(jié)構(gòu)，可以防止雨雪堆積、防輻射，頂部側(cè)面設(shè)計(jì)的百葉窗結(jié)構(gòu)與柜體形成通風(fēng)散熱循環(huán)系統(tǒng)。

5）底座：底部橫梁、底部擋板；底部橫梁和內(nèi)部整體框架焊接構(gòu)成一體。

2 IP防護(hù)設(shè)計(jì)思路

1） IP防護(hù)要求

考慮到室外環(huán)境惡劣，IEC61969-3《戶外機(jī)柜氣候和機(jī)械試驗(yàn)及安全》中對(duì)雨雪、冰雹環(huán)境因素的試驗(yàn)規(guī)定了IP55等級(jí)。GB4208-2008《外殼防護(hù)等級(jí)的分類》從防止灰塵等異物進(jìn)入和防水兩方面規(guī)定電氣設(shè)備外殼的防護(hù)等級(jí)，其中防塵等級(jí)5要求不能完全防止塵埃進(jìn)入，但進(jìn)入的灰塵量不得影響設(shè)備的正常運(yùn)行，不得影響安全；雨水進(jìn)入機(jī)柜對(duì)電子設(shè)備的危害極大，危害設(shè)備的安全與正常運(yùn)行，防水侵入戶外機(jī)柜設(shè)備等級(jí)5規(guī)定2.5～3 m距離用規(guī)定的噴嘴在流量12.5 L/min條件下每平方米噴水時(shí)間1 min，試驗(yàn)至少3 min向機(jī)柜外殼各個(gè)方向噴水無影響。

2） 機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)柜結(jié)構(gòu)的工藝水平、密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及密封材料件的選型是實(shí)現(xiàn)機(jī)柜IP55及以上等級(jí)指標(biāo)的兩個(gè)重要方面。

全電子執(zhí)行單元室外柜為整體焊接式內(nèi)部柜體，在焊接中保證焊接工藝質(zhì)量，不能有多余焊渣，虛焊、漏焊、焊絲粘連等問題；前后門使用發(fā)泡膠條、導(dǎo)電密封條，保證前后門內(nèi)門的密封性；底部進(jìn)出線孔采用密封膠或者滿足IP55等級(jí)的穿線孔密封；門鎖防護(hù)等級(jí)不低于IP55。

經(jīng)過實(shí)際的淋雨試驗(yàn)測(cè)試（噴嘴直徑6.3 mm，距離2.5～3 m，水流量（12.5±0.625）L/min，持續(xù)時(shí)間至少3 min），全電子執(zhí)行單元室外柜的IP防護(hù)能力滿足設(shè)計(jì)要求。

3 環(huán)境溫度影響分析

機(jī)柜左右側(cè)外門與內(nèi)門間隙以及前后門外門與內(nèi)門間隙，配合底部進(jìn)風(fēng)孔和頂部的百葉窗通風(fēng)孔，形成散熱通道，將內(nèi)層設(shè)備的熱量由下而上帶出到柜外。

全電子執(zhí)行單元室外柜（1 700×700×800，高×寬×深，mm）在不同環(huán)境溫度條件下，柜內(nèi)溫度的仿真情況如圖2、3所示。

圖2 環(huán)境溫度20℃仿真情況Fig.2 Simulation at ambient temperature of 20℃

圖3 環(huán)境溫度50℃仿真情況Fig.3 Simulation at ambient temperature of 50℃

從圖2、3可以看出，在20 ℃環(huán)境溫度時(shí)，柜內(nèi)最高溫度為55 ℃。在50 ℃環(huán)境溫度時(shí)，柜內(nèi)最高溫度為70 ℃。

保持高度和寬度不變的情況，將機(jī)柜深度改為1 000 mm，進(jìn)行溫度仿真，結(jié)果如圖4所示。

對(duì)比圖2、4可知，增大機(jī)柜的深度，可使柜內(nèi)溫度降低4 ℃。增大機(jī)柜深度，有利用柜內(nèi)風(fēng)速增大，減少機(jī)柜內(nèi)部熱流渦旋現(xiàn)象，機(jī)柜散熱性能更高。

極端環(huán)境溫度條件下，需考慮安裝熱交換器，加快熱量交換，降低柜內(nèi)溫度。

圖4 機(jī)柜深度1 000 m下溫度仿真結(jié)果Fig.4 Temperature simulation at cabinet depth of 1 000 m

具體可從以下幾個(gè)方面選擇。

1） 傳導(dǎo)換熱方式。

幾種常見材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如表1所示。

表1 幾種常見材料的導(dǎo)熱系數(shù)Tab.1 Thermal conductivity of several common materials

2） 強(qiáng)制對(duì)流換熱方式。

3） 液體冷卻方式。

4 防太陽輻射

對(duì)機(jī)柜頂部罩有斜面和無斜面進(jìn)行熱仿真，仿真結(jié)果如圖5、6所示。

圖5中機(jī)柜頂部水平，太陽輻射使機(jī)柜頂部殼體表面最高溫度為63.4 ℃，機(jī)柜頂罩內(nèi)部溫度為37.7 ℃；圖6中機(jī)柜頂部傾斜角度大約是1.43°，太陽輻射使機(jī)柜頂部殼體表面最高溫度為55.8 ℃，機(jī)柜頂罩內(nèi)部溫度為33 ℃，由于傾斜角度的存在，使機(jī)柜頂罩內(nèi)部受太陽輻射溫升降低了4.7 ℃。

另外，可通過在機(jī)柜表面噴涂防曬隔熱涂層，減少太陽輻射。

5 濕度影響分析

對(duì)于電子產(chǎn)品，相對(duì)濕度控制在30%～80%比較適宜。濕度超過90%時(shí)，會(huì)使金屬器件銹蝕和電器絕緣性能下降。

當(dāng)與空氣接觸的物體表面溫度低于空氣的露點(diǎn)時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生凝露現(xiàn)象。露點(diǎn)或者露點(diǎn)溫度是指在固定氣壓之下，空氣中所含的氣態(tài)水達(dá)到飽和而凝結(jié)成液態(tài)水所需要降至的溫度。

在空氣溫度保持不變的情況下，相對(duì)濕度越高，其露點(diǎn)溫度也越高，且越接近空氣溫度。也就是說，相對(duì)濕度越高的空氣，越容易因氣溫突變而發(fā)生凝露。室外柜凝露一般發(fā)生在柜壁內(nèi)表面，當(dāng)柜壁內(nèi)表面溫度降低到柜內(nèi)空氣的露點(diǎn)以下時(shí)，就會(huì)在內(nèi)壁產(chǎn)生凝露。

防止室外柜凝露問題的重點(diǎn)在于提高柜壁內(nèi)表面溫度和降低室外柜內(nèi)部空氣的相對(duì)濕度。

全電子執(zhí)行單元室外柜內(nèi)部為發(fā)熱設(shè)備，雙層柜體間形成的通風(fēng)風(fēng)道會(huì)將熱量帶出到柜外，一定程度能夠降低濕度。全電子執(zhí)行單元室外柜在室外（中國西安，8月）運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)的溫濕度統(tǒng)計(jì)如圖7、8所示。

圖5 機(jī)柜頂部水平仿真結(jié)果Fig.5 Thermal simulation when the top cover of cabinet is horizontal

圖6 機(jī)柜頂部傾斜仿真結(jié)果Fig.6 Thermal simulation when the top cover of cabinet is inclined

圖7 全電子執(zhí)行單元室外柜內(nèi)外溫度比較Fig.7 Comparison of temperature in and outside of outdoor cabinet of full-electronic executive unit

圖8 全電子執(zhí)行單元室外柜內(nèi)外濕度比較Fig.8 Comparison of humidity in and outside of outdoor cabinet of full-electronic executive unit

就當(dāng)前使用環(huán)境看，全電子執(zhí)行單元室外柜的設(shè)計(jì)符合預(yù)期目標(biāo)。

為避免結(jié)露，可以考慮優(yōu)先選用低成本的表面保溫材料提高溫度，防止冷凝。或使用吸濕劑除濕，在預(yù)算范圍內(nèi)，也可以考慮使用加熱棒提高柜內(nèi)溫度。

6 總結(jié)

通過對(duì)全電子執(zhí)行單元室外柜的仿真和實(shí)際測(cè)試，全電子執(zhí)行單元室外柜滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。但當(dāng)使用環(huán)境極端惡劣時(shí)，需要考慮額外增加溫濕度的控制設(shè)備、噴涂防輻射材料，這些措施會(huì)增加產(chǎn)品的成本。另外，針對(duì)不同運(yùn)用場(chǎng)景，可對(duì)室外柜的外形尺寸進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

需要說明的是，室外柜的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，影響其性能的因素可能還有許多，比如酸雨、鹽霧、雷電、地震等，今后要在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)使用環(huán)境需求進(jìn)一步研究。