一種地鐵車輛高防護(hù)等級(jí)司機(jī)室電氣柜設(shè)計(jì)研究

檀 駿，余 凱，韓 可

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

0 引 言

電氣柜是地鐵車輛的重要組成部分。司機(jī)室電氣柜一般容納司機(jī)室的各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備及各種電氣元件，其設(shè)計(jì)方案直接影響柜內(nèi)設(shè)備的維護(hù)和壽命。目前地鐵車輛用司機(jī)室電氣柜基本采用框架結(jié)構(gòu)，僅僅通過內(nèi)裝柜體對(duì)電氣柜四周進(jìn)行防護(hù)，電氣柜頂部依賴車體車頂防護(hù)，而電氣柜的四周和頂部與內(nèi)裝外柜和車體車頂之間存在間隙，無法避免水塵對(duì)柜內(nèi)設(shè)備的影響，尤其在較惡劣運(yùn)行環(huán)境下，更容易造成柜內(nèi)的水塵污染。因此,對(duì)常規(guī)司機(jī)室電氣柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要意義。

筆者設(shè)計(jì)了一種司機(jī)室電氣柜結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)方案基于模塊化設(shè)計(jì)原則，可以提升司機(jī)室通道門寬度、柜體空間利用率以及柜體的防護(hù)等級(jí)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足IP53的密封等級(jí)以及鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 基本結(jié)構(gòu)

考慮到鋁合金加工性能好，焊接性能好，輕量化以及表面修復(fù)能力強(qiáng)，所以本設(shè)計(jì)中司機(jī)室電氣柜采用鋁合金框架搭建，柜外由蒙皮包裹。如圖1所示，各系統(tǒng)的主機(jī)可安裝在柜體通道側(cè)；司機(jī)室側(cè)門板上可安裝開關(guān)按鈕等元器件，司機(jī)室側(cè)門打開，內(nèi)部的框架結(jié)構(gòu)可安裝繼電器等元器件；客室側(cè)預(yù)留了較大空間安裝信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備以及部分元器件；柜體頂部可安裝風(fēng)扇，與司機(jī)室風(fēng)道相連，保證柜內(nèi)的散熱條件。

圖1 柜體基本結(jié)構(gòu)

柜體的底部、側(cè)面和頂部均設(shè)置與車體的安裝點(diǎn)，所有的安裝支架采用不銹鋼材料，保證支架的強(qiáng)度。在柜體底部安裝不便操作的位置設(shè)置可拆卸維護(hù)板結(jié)構(gòu)，保證底部安裝維護(hù)。柜體結(jié)構(gòu)的可靠性可以通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 模塊化電氣柜

地鐵車輛的模塊化，就是指根據(jù)地鐵車輛各個(gè)部分的功能將其劃分為多個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，而且每個(gè)結(jié)構(gòu)模塊都有自己獨(dú)立的功能，然后所有模塊共同組成了一個(gè)完整的地鐵車輛，這種模塊化的方式在地鐵車輛的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)都比傳統(tǒng)的整車模式的效率要高[1]。

此設(shè)計(jì)中電氣柜也采用了模塊化設(shè)計(jì)的思路，將電氣柜作為地鐵車輛的一個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，可以在車外進(jìn)行柜內(nèi)的設(shè)備安裝與布線, 然后整體吊裝上車，之后將柜體和車輛進(jìn)行必要的機(jī)械連接與電氣連接。電氣柜的模塊化設(shè)計(jì)可以省去現(xiàn)場(chǎng)操作中繁瑣的工序，從而提高工作效率和生產(chǎn)效益；可以簡(jiǎn)化電氣柜與車輛各個(gè)系統(tǒng)之間的電氣和機(jī)械接口，從而降低車輛在運(yùn)行過程中的故障率[2]。

2.2 通道偏置

常見的地鐵車輛一般設(shè)置兩個(gè)個(gè)司機(jī)室電氣柜(即司機(jī)室一位側(cè)、二位側(cè)分別安裝一個(gè)電氣柜)，司機(jī)室通道門居中，這種結(jié)構(gòu)電氣柜的空間利用率有限，并且需要設(shè)置兩個(gè)電氣柜之間的電氣連接。

此設(shè)計(jì)采用司機(jī)室通道門偏置的方式，將司機(jī)室兩個(gè)電氣柜合并為一個(gè)，將司機(jī)室通道門偏置在一側(cè)，可以節(jié)約電氣柜與內(nèi)裝的安全距離，減少兩個(gè)司機(jī)室電氣柜之間跨側(cè)的電氣連接，在滿足充足的空間調(diào)整設(shè)備排布的前提下，提高通道門的通過寬度。

如圖2、3所示，在滿足同樣的電氣設(shè)備安裝前提下，經(jīng)項(xiàng)目驗(yàn)證，司機(jī)室通道門居中，通道門的通過寬度為650 mm；將電氣柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化并合二為一，通道偏置時(shí)，通道門的通過寬度可以達(dá)到840 mm。

圖2 司機(jī)室通道門居中 圖3 司機(jī)室通道門偏置

2.3 柜體密封

常規(guī)地鐵項(xiàng)目的司機(jī)室電氣柜的與內(nèi)裝外柜和車體車頂之間存在間隙，防護(hù)等級(jí)較低。本設(shè)計(jì)通過密封膠條與相關(guān)結(jié)構(gòu)的配合實(shí)現(xiàn)了電氣柜較高的防護(hù)等級(jí)。

如圖1，電氣柜在司機(jī)室側(cè)、客室側(cè)和通道側(cè)均有開門，各個(gè)開門處四周粘結(jié)密封膠條，司機(jī)室側(cè)的門板閉合時(shí)壓縮門板四周的密封膠條，保證柜內(nèi)密封；客室側(cè)與通道側(cè)的開門與內(nèi)裝外柜門板配合保證柜內(nèi)密封，即在地鐵正常工作狀態(tài)下，內(nèi)裝門板關(guān)閉，內(nèi)裝門板上的相關(guān)結(jié)構(gòu)與電氣柜開門處貼合，壓縮兩者之間的密封膠條，保證柜內(nèi)的密封。

如圖4，客室側(cè)、通道側(cè)和司機(jī)室側(cè)的維護(hù)口通過可拆卸維護(hù)板和密封墊拴接在柜體蒙皮上保證密封，當(dāng)需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，維護(hù)板可拆卸。

圖4 維護(hù)口處密封

如圖5，電氣柜頂部安裝布線面板，布線面板和密封墊栓接在柜體蒙皮上保證密封，線束通過布線面板由管接頭和戈蘭頭進(jìn)線；電氣柜頂部風(fēng)扇處通過風(fēng)道和密封墊與柜體的連接進(jìn)行密封；電氣柜底部進(jìn)線口與車體引上線口之間通過密封墊壓緊密封，并通過高防護(hù)等級(jí)的夾塊進(jìn)線。

圖5 柜體頂部與底部的密封

根據(jù)車輛運(yùn)營(yíng)環(huán)境及柜體安裝位置要求，綜合考慮各類不同材質(zhì)的密封膠條的性能參數(shù)，選用抗臭氧、耐老化、抗壓抗拉性能比較強(qiáng)[3]的CR泡棉作為密封膠條,可有效的確保柜體的密封效果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

因本設(shè)計(jì)司機(jī)室電氣柜為新型結(jié)構(gòu)，所以需對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。作為車體上直接安裝的柜體，該電氣柜結(jié)構(gòu)需具備良好的的防水防塵性能，以及可靠的強(qiáng)度。

3.1 密封性能試驗(yàn)

將柜體送至具有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室，按照車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)的安裝及密封形式將其密封, 根據(jù)IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP53試驗(yàn)等級(jí)的條件, 依次進(jìn)行防止防塵試驗(yàn)及防水試驗(yàn)。

將柜體放置于沙塵環(huán)境中2 h后，開蓋檢查柜體內(nèi)部無明顯灰塵進(jìn)入，無有害灰塵堆積；將柜體各垂直面在60°范圍內(nèi)淋雨,水流量10 L/min,試驗(yàn)時(shí)間10 min后，開蓋檢查柜內(nèi)無產(chǎn)生有害影響。試驗(yàn)結(jié)果證明柜體滿足IP53密封等級(jí)要求。

3.2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

將柜體送至具有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)均按IEC 61373 1999 鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)[4]標(biāo)準(zhǔn)中1類A級(jí)的要求進(jìn)行。

試驗(yàn)樣品電氣柜根據(jù)車輛實(shí)際情況進(jìn)行配重，試驗(yàn)中柜體固定方式與在列車上安裝方式一致。項(xiàng)目試驗(yàn)順序?yàn)椋撼跏纪庥^、結(jié)構(gòu)檢查→模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)→功能振動(dòng)試驗(yàn)→沖擊試驗(yàn)→最后外觀、結(jié)構(gòu)檢查，其中模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)、功能振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)電氣柜樣品在三個(gè)互相垂直的方向分別振動(dòng)5 h和10 min，沖擊試驗(yàn)對(duì)電氣柜樣品在三個(gè)正交平面上的正向和反向各沖擊3次。

最終試驗(yàn)結(jié)論為受試樣品電氣柜按實(shí)驗(yàn)條件完成了全部試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣品電氣柜經(jīng)檢查外觀結(jié)構(gòu)均正常，表面無裂紋，螺栓及螺母無松動(dòng)等現(xiàn)象，所以本電氣柜設(shè)計(jì)方案滿足鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 語

文中司機(jī)室電氣柜設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，將司機(jī)室電氣柜將二柜合一，節(jié)約了電氣柜占用空間，提升了通道門寬度，提高了空間利用率；并通過與內(nèi)裝、風(fēng)道、引上線口、可拆卸維護(hù)板與密封膠條和柜體蒙皮的配合實(shí)現(xiàn)了全密封式電氣柜結(jié)構(gòu)，提高了電氣柜的防護(hù)等級(jí)；試驗(yàn)驗(yàn)證電氣柜設(shè)計(jì)方案滿足IP53的密封等級(jí)要求，滿足鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，為地鐵車輛高防護(hù)等級(jí)的電氣柜設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了參考。