地鐵車輛高壓電器箱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

史建強(qiáng)，韓國(guó)風(fēng)

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031 )

地鐵列車作為城市軌道交通重要的載運(yùn)工具，越來(lái)越受到各個(gè)城市的重視，與此同時(shí)對(duì)于地鐵車輛牽引設(shè)備的需求量也在不斷加大[1-2]。高壓電器箱作為地鐵車輛牽引系統(tǒng)的重要組成部分[3]，為牽引系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)等列車高壓設(shè)備引入高壓供電，可以實(shí)現(xiàn)列車正線運(yùn)營(yíng)與車間維護(hù)的供電模式轉(zhuǎn)換，保護(hù)列車高壓回路，為后側(cè)變流器提供預(yù)充電等功能。

高壓電器箱為車下車架吊掛設(shè)備，運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，同時(shí)地鐵車輛的輕量化設(shè)計(jì)也要求高壓電器箱具有高度集成化、輕量化的特性，因此箱體的機(jī)械強(qiáng)度、密封特性等顯得尤為重要。

目前常見的高壓電器箱體積較大，集成度不高，甚至需通過(guò)多個(gè)設(shè)備箱體實(shí)現(xiàn)其主要功能，導(dǎo)致總體質(zhì)量增加，占用較多車下布局空間，使得車下各設(shè)備之間線纜搭接、管路連接增多，生產(chǎn)、維護(hù)難度和成本提高，同時(shí)系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性和可靠性也有所下降，帶來(lái)更多的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。基于此，本文設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較輕、集成度高、功能齊全的地鐵高壓電器箱，可大大提高地鐵牽引系統(tǒng)的空間利用率，簡(jiǎn)化地鐵車輛的車下布局，符合地鐵車輛輕量化、簡(jiǎn)便化的要求。同時(shí)箱體設(shè)備各個(gè)功能模塊布局合理，維護(hù)便利，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也有很大提高，還可提高生產(chǎn)組裝和現(xiàn)場(chǎng)檢修效率。

1 高壓電器箱設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)目前地鐵用戶對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)的優(yōu)化要求，高壓電器箱設(shè)備除實(shí)現(xiàn)牽引及輔助系統(tǒng)高壓供電、電源模式轉(zhuǎn)換、高壓回路保護(hù)等基本功能外，還增加了蓄電池牽引功能，因其需實(shí)現(xiàn)的功能較多，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。高壓電器箱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要以電氣原理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)要求進(jìn)行相關(guān)功能布局與設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)箱體的合理布局。如圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求將箱體分為牽引高壓區(qū)域、輔助高壓區(qū)域、電源模式轉(zhuǎn)換區(qū)域和蓄電池牽引區(qū)域。其中，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)相關(guān)功能的電器件，這些電器件主要以組件模塊的形式布局在箱體內(nèi)。同時(shí)各區(qū)域功能獨(dú)立化設(shè)計(jì)，方便系統(tǒng)電纜或銅排的搭接，減小跨區(qū)域的連接，節(jié)約成本，也方便功能系統(tǒng)化管理，降低誤操作率，具有高集成性和高兼容性。各個(gè)功能區(qū)域的模塊化使得各個(gè)功能單元安裝相互獨(dú)立，減小了各功能單元間的電器干擾且組裝及拆卸方便；各功能單元均分布在打開門板的可視區(qū)域，便于高壓電器箱的生產(chǎn)組裝、試驗(yàn)調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和檢修。

圖1 設(shè)備箱體的功能布局圖

1.2 設(shè)備箱體設(shè)計(jì)

通過(guò)三維軟件對(duì)高壓電器箱進(jìn)行三維建模(圖2)，可直觀、清晰地展示箱體的空間結(jié)構(gòu)、安裝細(xì)節(jié)及線纜走向，還可減少安裝干涉、布局不合理等現(xiàn)象，同時(shí)也為后期機(jī)械強(qiáng)度仿真分析提供了建模依據(jù)。

圖2 高壓電器箱三維示意圖

目前設(shè)備箱體常用材質(zhì)為不銹鋼和鋁合金，其性能對(duì)比如表1所示。雖然鋁合金材質(zhì)在抗拉強(qiáng)度、延伸率等方面對(duì)比不銹鋼沒有優(yōu)勢(shì)，但其密度僅為不銹鋼材質(zhì)的三分之一，因此在滿足箱體強(qiáng)度的要求下，使用鋁合金材質(zhì)更便于設(shè)備箱體的輕量化設(shè)計(jì)。圖2所示的高壓電器箱箱體由框架、面板和吊耳組成，材質(zhì)均為鋁合金。其中框架由L形型材焊接而成，保證了箱體的強(qiáng)度，且焊接變形量較小，易保證箱體尺寸精度。面板通過(guò)鉚釘鉚接到框架上，從而避免了多區(qū)域板材焊接引起的板材變形、尺寸誤差加大等現(xiàn)象，同時(shí)生產(chǎn)工藝上獲得了更多的精簡(jiǎn)，組裝效率有極大提高。吊耳通過(guò)螺栓形式進(jìn)行安裝，使得吊耳的安裝靈活性加大，方便應(yīng)對(duì)安裝不同懸掛要求的車輛，實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目高壓電器箱設(shè)備的統(tǒng)型，縮短整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也大大節(jié)約了前期設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本，滿足地鐵牽引系統(tǒng)統(tǒng)型平臺(tái)化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)要求。

表1 不銹鋼與鋁合金材質(zhì)性能對(duì)比

由于地鐵車輛車下運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，尤其是目前較多地鐵車輛在地上、地下均有運(yùn)行，使得運(yùn)行環(huán)境變得更為復(fù)雜，因此其車下設(shè)備的密封特性顯得尤為重要。如圖3所示，高壓電器箱采用雙層密封條的壓合方式，其中內(nèi)側(cè)密封條安裝在箱體門框上，外側(cè)密封條安裝在門板上。通過(guò)門板的鎖緊，內(nèi)側(cè)密封條擠壓門板內(nèi)側(cè)，外側(cè)密封條擠壓箱體外框，實(shí)現(xiàn)兩層密封條的壓合密封。該雙層密封方式可以更好地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，極大地提高了箱體的防護(hù)等級(jí)以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可靠性，同時(shí)可防止灰塵、水等異物進(jìn)入箱體內(nèi)部，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖3 雙層密封條壓合方式

2 高壓電器箱強(qiáng)度仿真

2.1 箱體建模

利用HyperMesh軟件對(duì)高壓電器箱進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及建模分析。圖4為高壓電器箱有限元模型，其中約束X方向?yàn)榈罔F車輛運(yùn)行方向(即縱向)，Y方向?yàn)闄M向，Z方向?yàn)榇瓜颉８鶕?jù)高壓電器箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要采用殼單元模擬，設(shè)計(jì)單元大小約為10 mm，厚度取模型設(shè)計(jì)值。整個(gè)模型單元共290 555個(gè)，節(jié)點(diǎn)共178 986個(gè)。高壓電器箱內(nèi)部各器件按照各自質(zhì)量采用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，螺栓采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其余連接處均采用耦合約束進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

圖4 高壓電器箱有限元模型

2.2 仿真計(jì)算分析

目前，軌道交通車輛設(shè)備常用的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61373：2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高壓電器箱靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及模態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算分析，從而評(píng)估是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

通過(guò)仿真計(jì)算分析可知，在各個(gè)工況下其框架最大靜強(qiáng)度為38.3 MPa，位于頂部橫梁與中間縱梁焊接處，遠(yuǎn)小于型材的許用應(yīng)力。在疲勞計(jì)算中，箱體材料的利用系數(shù)均小于1.0，其中最大處為頂部橫梁與縱梁的焊接處，利用系數(shù)為0.52，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)箱體的模態(tài)進(jìn)行了分析，箱體的一階模態(tài)頻率為28.5 Hz，該頻率位于標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)主能量區(qū)外，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。圖5為高壓電器箱一階模態(tài)振型圖。通過(guò)仿真分析可知，高壓電器箱箱體滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 高壓電器箱一階模態(tài)陣型圖

3 高壓電器箱試驗(yàn)分析

3.1 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

根據(jù)振動(dòng)沖擊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，高壓電器箱需按照1類A級(jí)要求進(jìn)行3個(gè)方向的模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)以及隨機(jī)功能性試驗(yàn)。圖6所示為設(shè)備的ASD頻譜曲線圖。圖6中頻率范圍由設(shè)備箱體的質(zhì)量來(lái)確定，如本次試驗(yàn)設(shè)備質(zhì)量為325 kg，振動(dòng)試驗(yàn)的頻率范圍應(yīng)為5～150 Hz。本文按照標(biāo)準(zhǔn)要求，以高壓電器箱為振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)象，利用振動(dòng)沖擊試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 1類A級(jí)車身安裝設(shè)備的ASD頻譜曲線

對(duì)高壓電器箱進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)以及隨機(jī)功能性試驗(yàn)后，設(shè)備箱體外觀及結(jié)構(gòu)均完好，無(wú)螺栓、器件脫落現(xiàn)象，因此驗(yàn)證了高壓電器箱的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求。圖7為高壓電器箱的垂向試驗(yàn)工況。

圖7 高壓電器箱的垂向試驗(yàn)工況

3.2 密封性能試驗(yàn)

本文按照地鐵車輛實(shí)際運(yùn)行環(huán)境與要求，參照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529：2011《機(jī)殼提供的防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》規(guī)定的IP65試驗(yàn)等級(jí)條件對(duì)高壓電器箱進(jìn)行相關(guān)密封性能試驗(yàn)[5]。箱體密封性能試驗(yàn)依次進(jìn)行了防止接近危險(xiǎn)部件試驗(yàn)、防塵試驗(yàn)及防水試驗(yàn)。箱體密封性能試驗(yàn)條件及結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示箱體無(wú)灰塵、水進(jìn)入，滿足標(biāo)準(zhǔn)密封要求。圖8為高壓電器箱防塵試驗(yàn)環(huán)境工況。

圖8 高壓電器箱防塵試驗(yàn)環(huán)境工況

表2 箱體密封性能試驗(yàn)條件及結(jié)果

4 結(jié)論

本文依托《系列化中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)地鐵列車研制及試驗(yàn)》項(xiàng)目，根據(jù)其對(duì)牽引系統(tǒng)輕量化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、集成度高的高壓電器箱設(shè)備。首先通過(guò)三維建模對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了合理布局，然后選用鋁合金材質(zhì)的高壓電器箱體，通過(guò)框架焊接、面板鉚接、吊耳螺栓緊固的方式實(shí)現(xiàn)了箱體的輕量化、統(tǒng)型化設(shè)計(jì)。運(yùn)用HyperMesh軟件對(duì)箱體進(jìn)行了靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及模態(tài)的仿真計(jì)算分析，最后通過(guò)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)和密封性能試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了箱體的可靠性和穩(wěn)定性。本文將多種系統(tǒng)功能集成到一個(gè)設(shè)備箱體中，實(shí)現(xiàn)了高壓電器箱的高集成、高兼容性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)方便設(shè)備器件的安裝和維護(hù)，大大提高了生產(chǎn)組裝和現(xiàn)場(chǎng)檢修的效率。