高壓箱內輔助二極管安裝單元的設計優化與改進

程春宇　謝瑩瑩

摘要： 描述了地鐵車輛用高壓箱的構成和功能，闡述了其內部的輔助二極管安裝單元的功能作用；對產品運用過程中輔助二極管安裝單元發生的支撐絕緣子裂紋事件進行分析并提出優化改進方案，基于有限元對改進的安裝單元進行精強度分析。

Abstract： This paper describes the components and functions of the high-voltage compartment of metro vehicles， expounds the functions of its internal auxiliary diode installed units， analyzes the supporting insulator crack of the booster diode installation unit in the process of product use and puts forward the optimization improvement plan. Based on the finite element， the strength analysis of modified installation unit is carried out.

關鍵詞： 高壓箱；輔助二極管安裝單元；設計改進

Key words： high-voltage compartment；booster diode installation unit；design improvement

中圖分類號：TN322+.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0105-02

0 引言

地鐵車輛用高壓箱主要由箱體（含安裝框架）、高壓轉換開關、帶散熱器的輔助二極管、輔助熔斷器1和2、車間電源插座、安全電鎖和指示燈等組成，是地鐵車輛的主要功能性設備，對地鐵車輛的運行起關鍵作用，其功能是通過高壓轉換開關的檔位轉換，實現從受電弓受流給列車供電、入庫時使用外接電源以及接地位。輔助二極管模塊（含安裝單元）在箱中起到保護后端設備的作用，防止雷擊浪涌或短路對整車設備和弓網造成傷害。輔助二極管安裝是通過絕緣子與箱體內部框家想連接，絕緣子保證電氣間隙和爬電距離作用又起到支撐作用，故絕緣子的穩定和可靠對其二極管甚至整個設備的可靠性起到根本的作用。

1 事件的發生

我司接到國內某公司的產品訂單，為其生產地鐵車輛用高壓箱，經過方案設計—方案確認—首件試制、性能試驗和確認—裝車運用等一系列環節，生產出的高壓箱滿足客戶的要求，也得到了客戶的認可。具體高壓箱圖見圖1。

生產的高壓箱在經過一斷時間的運行后，用戶反饋高壓箱內輔助二極管安裝單元的六柱型絕緣子（見圖1，用于輔助二極管支撐用）有裂紋的現象，如圖2。存在一定的安全運用風險，要求我們進行改進。

2 技術分析及原因

在接受到用戶反饋的信息后，我們做了以下工作：

一是對安裝單元的4個支撐絕緣子從絕緣子的材質、性能試驗（機械性能）、外形尺寸、安裝誤差等幾個方面進行統計分析，分析結果見表1。

二是，與客戶進行了詳細的技術交流，主要是對車輛的運用環境、線路狀況做分析，通過交流得知：該地鐵車輛運行基本上全程高架橋，在建設時考慮到成本（盡量減少房屋動遷費用）和建設要求時間等多方面因素，線路平直路段短少，設計的彎道較多。

綜上，我們可以得出絕緣子產生裂紋的原因：車輛在運行過程中，由于線路彎道多，安裝單元的絕緣子持續受到交變載荷的沖擊，長時間運行導致絕緣子產生裂紋。根本原因是：產品在設計初期，對車輛運行線路的工況信息收集不夠，導致絕緣子選型存在偏差。

3 方案的設計優化及靜強度計算分析

結合上述的原因，對箱內原安裝單元的設計方案做以下優化：

①對二極管支撐絕緣子重新選型，考慮到強度的要求，支撐絕緣子由六柱型改為紡錘型，見圖3。

②考慮運行環境復雜，交變應力多，對支撐絕緣子根據設計冗余理念，采用六個紡錘型絕緣子做支撐，增加2支撐點，以分擔輔助二極管的重量，保證其支撐可靠性。

③為了對新的安裝方案的可靠性進行嚴整分析，故對輔助二極管安裝單元采用有限元分析方法對其安裝后的狀態進行靜強度分析。其分析過程為：

1）輔助二極管安裝單元構成說明。

該單元中構架結構材料6061T6，屈服強度290MPa，安全系數取值為1.15，因此靜強度應力不得超過290/1.15=252MPa。

主要組成部件：安裝構架、輔助二極管（重量11.13kg）、304吊座、匯流銅排、紡錘型絕緣子。

利用Hypermesh建立構架的有限元模型。如圖1所示，該構架結構采用SHELL單元模擬；二極管散熱片、螺栓墊塊、絕緣子采用solid單元模擬，螺栓采用beam單元模擬，焊縫采用節點耦合方式模擬，梁、板用SHELL單元模擬。模型如圖4所示。

2）輔助二極管安裝單元工況計算過程。

根據EN 12663和DIN-EN 485-2標準要求并結合實際工況，確定3個方向加速度值選取，見表2；確定安裝單元所用材料的機械性能值選取，見表3。

3）靜強度計算結果及結論。

如下圖5、圖6、圖7為三個工況縱向、橫向、垂向應力云圖，最大值分別為11MP、40 MP、112 MP，遠小于對應母材的屈服強度。最大值位置分別如圖所示。

計算結果表明，優化過的輔助二極管安裝單元在設定的工況下，輔助二極管安裝單元沒有出現應力集中現象，且各點應力分布均勻。

至此，我們得出結論：優化后的輔助二極管安裝單元方案滿足使用要求和設計要求。

4 結束語

按照優化后的方案進行裝車運行后，在線路上運行效果很好，未再發生絕緣子裂紋事件，客戶很滿意，保證地鐵車輛的安全運行。

參考文獻：

[1]EN 12663，鐵道應用—軌道車身的結構要求[S].

[2]DIN-EN 485-2，鋁和鋁合金薄板、帶和板材的機械性能[S].

[3]陳宏鈞主編.實用機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，1996.