城軌車輛司機(jī)室電氣柜設(shè)計(jì)的研究

韓瑋，邵春偉，李生軍，張利軍

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

1 概述

司機(jī)室電氣柜主要從兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：一是柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它主要包括確認(rèn)外形尺寸、設(shè)計(jì)柜體的強(qiáng)度；二是電氣柜的內(nèi)部設(shè)計(jì)，它包括安裝布置電器件、設(shè)計(jì)柜內(nèi)走線、出線以及其他一些輔助設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)電氣柜在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備布置和布線的安裝方式，不僅工序煩瑣，且因各系統(tǒng)之間不同的電氣和機(jī)械接口，容易導(dǎo)致調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的故障點(diǎn)較多?，F(xiàn)常用模塊化設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)如下：（1）提高生產(chǎn)效率，省掉現(xiàn)場(chǎng)操作煩瑣的工序（2）降低車輛在運(yùn)行過(guò)程中的故障率。

本文以某市地鐵2號(hào)線項(xiàng)目司機(jī)室電氣柜為例，簡(jiǎn)單闡述司機(jī)室電氣柜設(shè)計(jì)方案。司機(jī)室電氣柜實(shí)物如圖1所示。

圖1 司機(jī)室電氣柜

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)主機(jī)廠對(duì)車體整體設(shè)計(jì)要求，某市地鐵2號(hào)線項(xiàng)目司機(jī)室電氣柜采用開放式、鉚接形式框架，外形尺寸為：795mm×615mm×1950mm（長(zhǎng)×寬×高），柜體通過(guò)頂部垂直的兩個(gè)12mm×40mm長(zhǎng)圓孔和底部水平的4個(gè)12mm×50mm長(zhǎng)圓孔與車體進(jìn)行固定。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)理念，在滿足柜體強(qiáng)度的前提下，柜體主框架材質(zhì)選用T=4.0mm鋁合金（5754 H111）折彎結(jié)構(gòu)。為方便業(yè)主后期新增其他需求調(diào)整柜內(nèi)器件的安裝位置及尺寸，柜體框架及安裝梁均預(yù)留φ6.8mm孔，可根據(jù)需求調(diào)整安裝梁的位置，減少變更成本和縮短變更時(shí)間。柜體框架如圖2所示。

圖2 柜體框架

2.2 仿真計(jì)算

為避免柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存有缺陷，在生產(chǎn)前選用有限元法對(duì)柜體進(jìn)行計(jì)算分析，為后續(xù)電柜體批量投產(chǎn)提供理論依據(jù)。

（1）仿真模型建立。柜體使用Solidworks軟件進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算分析。司機(jī)室電氣柜結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。材料屬性如表1所示。

圖3 電氣柜結(jié)構(gòu)模型

表1 材料屬性

根據(jù)司機(jī)室電氣柜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件采用SHELL181單元進(jìn)行模擬，厚度取設(shè)計(jì)值；布置電器件部分采用SOLID185單元進(jìn)行模擬；質(zhì)量件按照實(shí)際重量采用MASS21單元進(jìn)行模擬，關(guān)鍵部位建立零件之間的接觸進(jìn)行承力；螺栓及鉚釘連接處采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行簡(jiǎn)化。整個(gè)模型單元大小約為6mm，結(jié)構(gòu)單元共約28萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)共約30萬(wàn)個(gè)，有限元模型如圖4所示。

圖4 柜體有限元模型

（2）仿真條件及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)地鐵的運(yùn)行情況確定司機(jī)室電氣柜靜強(qiáng)度分析的五種載荷工況和疲勞強(qiáng)度分析的三種載荷工況，如表2所示。

表2 電氣柜載荷工況

（3）仿真結(jié)果分析。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)司機(jī)室電氣柜在各載荷工況作用下應(yīng)力大小及分布情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5為靜強(qiáng)度工況1-5作用下，電氣柜的應(yīng)力云圖。圖6為疲勞強(qiáng)度工況1-3作用下，電氣柜的應(yīng)力云圖。在靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度載荷不同工況作用下，電氣柜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表3 電氣柜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（靜強(qiáng)度工況）

表4 電氣柜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（疲勞工況）

圖5 靜強(qiáng)度工況1-5作用下電氣柜的應(yīng)力云圖

圖6 疲勞強(qiáng)度工況1-3作用下電氣柜的應(yīng)力云圖

通過(guò)計(jì)算分析，電氣柜靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，為柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3 柜內(nèi)設(shè)計(jì)

3.1 器件布置

在滿足客戶需求的前提下，實(shí)現(xiàn)司機(jī)室電氣柜模塊化設(shè)計(jì)，器件布局合理緊湊尤為重要。優(yōu)先應(yīng)根據(jù)供電方式、功能組不同，對(duì)斷路器、接觸器、繼電器等器件分類放置。思路如下：首先，根據(jù)車體電氣系統(tǒng)原理圖統(tǒng)計(jì)出器件清單，確保滿足所有系統(tǒng)配置的全部功能；其次，進(jìn)行合理器件布局，根據(jù)每個(gè)器件的體積、尺寸、最小出線空間及檢修操作空間等要求，確定器件的最合適位置；最后，將電氣柜內(nèi)所有器件選用最佳的連接途經(jīng)，從而構(gòu)成一個(gè)滿足功用的電氣柜。

根據(jù)車體系統(tǒng)原理及客戶要求，電氣柜靠近司機(jī)室側(cè)安裝的設(shè)備主要有中繼模塊、MVB分線盒、斷路器、繼電器等器件，客室側(cè)安裝的設(shè)備主要有端子排、繼電器。為實(shí)現(xiàn)城軌司機(jī)方便觀察車輛運(yùn)行情況，在司機(jī)室側(cè)增加面板結(jié)構(gòu)，通過(guò)檢查門上的明窗直接觀察柜內(nèi)器件運(yùn)行情況。為方便司機(jī)操作，電柜體面板安裝的電器元件主要包括按鈕、旋鈕，電壓表以及斷路器等。面板如圖7所示。

圖7 司機(jī)室電氣柜面板

3.2 布線設(shè)計(jì)

電氣柜柜內(nèi)常見的布線方式有3種：扎線板、扎線桿、線槽。扎線板及扎線桿的布線方式是用扎帶將導(dǎo)線捆扎成束，優(yōu)點(diǎn)是充分利用柜內(nèi)的空間，實(shí)現(xiàn)柜體緊湊設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是捆扎工作量較大，后期維護(hù)困難。線槽布線的優(yōu)點(diǎn)是容易布置且方便維護(hù)，缺點(diǎn)是占用空間大。綜合考慮，在滿足走線空間的情況下為了方便布線，優(yōu)先選用線槽。

電氣柜布線方式不僅要考慮最短路徑和美觀，還要考慮電磁是否兼容。按照EN50343鐵道車輛布線規(guī)則的要求，電纜分為三類，如表5所示。鄰近的電纜可能會(huì)通過(guò)輻射、感應(yīng)等方式發(fā)生耦合的情況，導(dǎo)致彼此成為干擾源。因此，在電氣柜布線設(shè)計(jì)時(shí)，需將不同種類的電纜盡量分隔布置。間隔的距離與電流強(qiáng)度、帶寬、平行布置的長(zhǎng)度、抗干擾度等有關(guān)。不同種類的電纜最小距離如表6所示。

表5 與EMC有關(guān)的電纜類別

表6 不同EMC電纜間的最小距離

在電柜體布線設(shè)計(jì)中，若不同種類電纜之間距離達(dá)不到最小隔離距離要求時(shí)，可通過(guò)用金屬管、全體屏蔽、金屬傳輸管等措施進(jìn)行隔離。

3.3 接地方式

柜體上焊接M6設(shè)備接地座，采用M6X12螺栓緊固接地線，每個(gè)接地座上接線不超過(guò)3根，設(shè)備接地線采用2.5mm2黃綠電纜（有特殊要求除外），以接地線就近連接原則，電纜長(zhǎng)度不超過(guò)500mm；柜體對(duì)車體接地采用M8接地座，選M8X25外六角螺栓用于緊固接地線，車體接地線選用銅鍍錫編織電纜。

3.4 柜體安裝方式

根據(jù)整車設(shè)計(jì)要求，柜體與車體共有6個(gè)安裝點(diǎn)：柜體頂部2個(gè)安裝點(diǎn)、柜體底部4個(gè)安裝點(diǎn)。固定電氣柜的緊固件選用M10X25外六角螺栓、M10彈平墊及M10螺母。因車體預(yù)留的電氣柜安裝座焊接公差±6mm，柜體預(yù)留安裝孔可調(diào)節(jié)范圍在±4mm，確保柜體安裝。車體上的安裝孔與柜體上的安裝孔成十字交叉，電氣柜在兩個(gè)方向上均有調(diào)整量。安裝示意孔如圖8所示。

圖8 安裝孔示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，電氣柜產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、柜體輕量化設(shè)計(jì)理念在軌道鐵路車輛設(shè)計(jì)研發(fā)中尤為重要。在柜體結(jié)構(gòu)方面，當(dāng)前常用較成熟“L”型、“U”型、角鋁、槽鋁等型材，也要探索并應(yīng)用其他類柜型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，如“威圖機(jī)柜”的九折型材柜體結(jié)構(gòu)等。通過(guò)對(duì)司機(jī)室電氣柜框架設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)的闡述，進(jìn)一步闡述了模塊化設(shè)計(jì)的理念，此設(shè)計(jì)理念已在多個(gè)城軌地鐵項(xiàng)目司機(jī)室電氣柜的設(shè)計(jì)中得以運(yùn)用，并取得了一定的效果。