一種空軌車輛車頂電氣箱結構設計與散熱分析

余凱 檀駿 周婷

摘 要：新一代懸掛式空軌不同于常規(guī)軌道交通車輛，車下無法安裝設備，車內封閉空間小，因此將控制設備元器件集成于電氣箱內，安裝于車頂。車頂電氣箱直接暴露在車外環(huán)境中，對箱體的散熱與密封要求高?，F提出一種用于空軌車輛電氣箱的優(yōu)化結構設計，并對其進行了散熱分析，結果表明，優(yōu)化后的箱體結構有良好的密封及散熱降溫效果。

關鍵詞：空軌車輛;電氣箱;結構設計;散熱分析

0 ? ?引言

新一代懸掛式空軌車輛由于采用大視野設計，增加車內乘客空間，同時車下無法安裝設備，因此只能將控制設備元器件集成于電氣箱內，安裝于車頂。一方面需保證電氣箱密封等級滿足要求，另一方面車頂電氣箱暴露在車外，常年受陽光直射和風雨沙塵等惡劣天氣影響，若電氣箱散熱性能不好，箱內溫度過高，將直接影響電氣設備元器件工作的穩(wěn)定性和可靠性[1]。鑒于此，本文提出了一種用于空軌車輛車頂電氣箱的優(yōu)化結構設計，并對其進行了散熱仿真分析。

1 ? ?基本結構

電氣箱由箱體和箱蓋組成。箱蓋通過壓力鎖與箱體連接，方便打開以維護內部設備;電氣箱通過4個吊耳安裝在車頂C型槽，箱體對外設置防水連接器作為電氣接口。箱體安裝與電氣連接簡單易操作，同時符合模塊化要求。

2 ? ?具體結構設計

2.1 ? ?箱體設計

箱體結構如圖1所示，箱體主要由焊接框架和蒙皮組成，其中焊接框架以兩個主橫梁作為主要承載結構，主橫梁突出箱體蒙皮形成安裝吊耳，在主橫梁上焊接二次框架用于設備、支架等結構安裝，保證了箱體結構的可靠性。由于只有箱體頂面一個維護面，因此主機等設備采用立式安裝，可直接從頂部抽出，方便操作維護;箱體蒙皮采用整體鈑金，折彎后焊接而成，密封性能好。

2.2 ? ?防塵防水設計

電氣箱蒙皮采用整體鈑金折彎焊接結構，箱體的防塵防水主要在于箱體與蓋板的密封。在箱體頂部四周（箱體蒙皮）設置向內的Z字型翻邊，箱體蓋板四周設置向下的L型翻邊，并焊接擋板形成凹槽，在凹槽內粘接密封膠條，箱體和蓋板貼合后形成良好的防水密封結構，如圖2所示。對電氣箱按照IEC 60529標準規(guī)定進行試驗，試驗結果表明電氣箱密封等級可達到IP66。

2.3 ? ?散熱結構的優(yōu)化設計

電氣箱的主要熱量來源于箱體蓋板上的陽光照射和設備元器件的發(fā)熱，因此，本文采用復合蓋板結構的優(yōu)化設計，如圖3所示，在蓋板頂面通過六角隔離柱，再安裝一個隔熱板，從而在蓋板與隔熱板之間形成一個20 mm的隔熱層，避免陽光直接照射箱體蓋板，減小陽光照射的影響。

同時在箱體前后面上下對角各設置一個散熱風扇（一抽一吸），加強空氣對流，帶走熱量。為保證良好的防水防塵效果，電氣箱在散熱風扇外部加裝帶防塵過濾網的防雨罩。

3 ? ?散熱分析

本文通過流體仿真分析軟件對箱體進行散熱分析，分別計算蓋板無隔熱板和增加隔熱板兩種情況下電氣箱持續(xù)工作1 h的散熱情況。計算考慮極端工況，即箱體頂面受到陽光輻射，陽光輻射考慮夏至日12：00的輻射強度;箱體四周及地面被其他設備或結構遮蔽，因空隙較小，設置為絕熱面;考慮設備元器件發(fā)熱，按其實際功率計算;計算中考慮風扇故障，即風扇不工作;認為車輛靜止，即不考慮車輛運動帶走箱體周圍的熱空氣[2]。

3.1 ? ?無隔熱板計算結果

圖4和圖5為箱體蓋板沒有隔熱板情況下，不同時刻箱體溫度的分布云圖及曲線圖。

由圖4和圖5可以看出，整個箱體隨著陽光的持續(xù)照射，溫度逐漸升高。蓋板作為陽光直射的區(qū)域，溫度升高非常明顯，其溫度為箱體的最高溫度。蓋板溫度2 min升高了17 ℃，10 min升高了50 ℃，30 min之后溫度升高速率降低，之后雖仍在緩慢升溫，但基本趨于穩(wěn)定值110 ℃左右。

提取1 h時刻箱體內各元件和結構的溫度，其中箱內空氣域溫度為68.7 ℃，箱體平均溫度為59.2 ℃，主要發(fā)熱設備最高溫度為67.2 ℃，且位于箱體內靠上位置。對比各設備的溫度和位置可發(fā)現，設備安裝位置越低，溫度越低。這一方面是因為熱空氣集中在箱內上部，另一方面也由此驗證了電氣箱的主要熱量來源于蓋板上的陽光照射。因此，對蓋板結構進行優(yōu)化設計可減小陽光照射的影響。

3.2 ? ?增加隔熱板計算結果

采用第2章節(jié)所述的優(yōu)化結構進行計算，其溫度變化趨勢與無隔熱板的情況相同，即30 min后蓋板最高溫度和箱內平均溫度趨于穩(wěn)定，因此提取1 h時刻的計算結果，如圖6所示。

由圖6可知，隔熱板位置最高溫度121.37 ℃，通過隔熱板作用后蓋板最高溫度86.584 ℃，遠低于無隔熱板時的110 ℃，可見增加隔熱板大大減小了陽光照射的影響。

工作1 h后，箱內空氣域溫度為60.1 ℃，箱體平均溫度為51.6 ℃，主要發(fā)熱設備最高溫度為58.06 ℃，溫度相對沒有隔熱板的結構均明顯下降，滿足設備工作的溫度要求（不高于70 ℃）。

4 ? ?結語

本文根據模塊化設計原則，提出了一種適用于空軌車輛、滿足防塵防水要求的車頂電氣箱結構，并針對散熱問題進行了結構優(yōu)化和仿真分析，仿真結果表明，箱體的結構優(yōu)化對于降低箱體溫度效果明顯。

[參考文獻]

[1] 梁師嵩.地鐵車輛低壓箱的密封形式研究[J].電力機車與城軌車輛，2015，38（3）：86-88.

[2] 胡學永，許穎光，楊會鋒.軌道車輛密閉柜體的熱設計和仿真分析[J].機車電傳動，2020（5）：92-95.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：余凱（1990—），男，安徽桐城人，碩士研究生，工程師，研究方向：軌道交通車輛牽引輔助系統設計。