城軌車輛司機室電氣柜設計的研究

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

司機室電氣柜主要從兩個方面進行設計：一是柜體結構設計，它主要包括確認外形尺寸、設計柜體的強度；二是電氣柜的內部設計，它包括安裝布置電器件、設計柜內走線、出線以及其他一些輔助設計。傳統電氣柜在現場進行設備布置和布線的安裝方式，不僅工序煩瑣，且因各系統之間不同的電氣和機械接口，容易導致調試時出現的故障點較多。現常用模塊化設計，其優點如下：（1）提高生產效率，省掉現場操作煩瑣的工序（2）降低車輛在運行過程中的故障率。

本文以某市地鐵2號線項目司機室電氣柜為例，簡單闡述司機室電氣柜設計方案。司機室電氣柜實物如圖1所示。

圖1 司機室電氣柜

2 結構設計

2.1 框架結構設計

根據主機廠對車體整體設計要求，某市地鐵2號線項目司機室電氣柜采用開放式、鉚接形式框架，外形尺寸為：795mm×615mm×1950mm（長×寬×高），柜體通過頂部垂直的兩個12mm×40mm長圓孔和底部水平的4個12mm×50mm長圓孔與車體進行固定。為實現產品輕量化設計理念，在滿足柜體強度的前提下，柜體主框架材質選用T=4.0mm鋁合金（5754 H111）折彎結構。為方便業主后期新增其他需求調整柜內器件的安裝位置及尺寸，柜體框架及安裝梁均預留φ6.8mm孔，可根據需求調整安裝梁的位置，減少變更成本和縮短變更時間。柜體框架如圖2所示。

圖2 柜體框架

2.2 仿真計算

為避免柜體結構設計存有缺陷，在生產前選用有限元法對柜體進行計算分析，為后續電柜體批量投產提供理論依據。

（1）仿真模型建立。柜體使用Solidworks軟件進行建模，導入ANSYS軟件進行計算分析。司機室電氣柜結構模型如圖3所示。材料屬性如表1所示。

圖3 電氣柜結構模型

表1 材料屬性

根據司機室電氣柜結構，結構件采用SHELL181單元進行模擬，厚度取設計值；布置電器件部分采用SOLID185單元進行模擬；質量件按照實際重量采用MASS21單元進行模擬，關鍵部位建立零件之間的接觸進行承力；螺栓及鉚釘連接處采用梁單元進行簡化。整個模型單元大小約為6mm，結構單元共約28萬個，節點共約30萬個，有限元模型如圖4所示。

圖4 柜體有限元模型

（2）仿真條件及評定標準。依據地鐵的運行情況確定司機室電氣柜靜強度分析的五種載荷工況和疲勞強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）仿真結果分析。通過ANSYS軟件對司機室電氣柜在各載荷工況作用下應力大小及分布情況進行分析，分析結果如圖5、圖6所示。圖5為靜強度工況1-5作用下，電氣柜的應力云圖。圖6為疲勞強度工況1-3作用下，電氣柜的應力云圖。在靜強度和疲勞強度載荷不同工況作用下，電氣柜強度計算結果如表3、表4所示。

表3 電氣柜強度計算結果（靜強度工況）

表4 電氣柜強度計算結果（疲勞工況）

圖5 靜強度工況1-5作用下電氣柜的應力云圖

圖6 疲勞強度工況1-3作用下電氣柜的應力云圖

通過計算分析，電氣柜靜強度及疲勞強度滿足設計要求，為柜體結構設計提供理論依據。

3 柜內設計

3.1 器件布置

在滿足客戶需求的前提下，實現司機室電氣柜模塊化設計，器件布局合理緊湊尤為重要。優先應根據供電方式、功能組不同，對斷路器、接觸器、繼電器等器件分類放置。思路如下：首先，根據車體電氣系統原理圖統計出器件清單，確保滿足所有系統配置的全部功能；其次，進行合理器件布局，根據每個器件的體積、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，將電氣柜內所有器件選用最佳的連接途經，從而構成一個滿足功用的電氣柜。

根據車體系統原理及客戶要求，電氣柜靠近司機室側安裝的設備主要有中繼模塊、MVB分線盒、斷路器、繼電器等器件，客室側安裝的設備主要有端子排、繼電器。為實現城軌司機方便觀察車輛運行情況，在司機室側增加面板結構，通過檢查門上的明窗直接觀察柜內器件運行情況。為方便司機操作，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 司機室電氣柜面板

3.2 布線設計

電氣柜柜內常見的布線方式有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線捆扎成束，優點是充分利用柜內的空間，實現柜體緊湊設計，缺點是捆扎工作量較大，后期維護困難。線槽布線的優點是容易布置且方便維護，缺點是占用空間大。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鐵道車輛布線規則的要求，電纜分為三類，如表5所示。鄰近的電纜可能會通過輻射、感應等方式發生耦合的情況，導致彼此成為干擾源。因此，在電氣柜布線設計時，需將不同種類的電纜盡量分隔布置。間隔的距離與電流強度、帶寬、平行布置的長度、抗干擾度等有關。不同種類的電纜最小距離如表6所示。

表5 與EMC有關的電纜類別

表6 不同EMC電纜間的最小距離

在電柜體布線設計中，若不同種類電纜之間距離達不到最小隔離距離要求時，可通過用金屬管、全體屏蔽、金屬傳輸管等措施進行隔離。

3.3 接地方式

柜體上焊接M6設備接地座，采用M6X12螺栓緊固接地線，每個接地座上接線不超過3根，設備接地線采用2.5mm2黃綠電纜（有特殊要求除外），以接地線就近連接原則，電纜長度不超過500mm；柜體對車體接地采用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

根據整車設計要求，柜體與車體共有6個安裝點：柜體頂部2個安裝點、柜體底部4個安裝點。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。因車體預留的電氣柜安裝座焊接公差±6mm，柜體預留安裝孔可調節范圍在±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，電氣柜在兩個方向上均有調整量。安裝示意孔如圖8所示。

圖8 安裝孔示意圖

4 結語

現階段，電氣柜產品模塊化設計、柜體輕量化設計理念在軌道鐵路車輛設計研發中尤為重要。在柜體結構方面，當前常用較成熟“L”型、“U”型、角鋁、槽鋁等型材，也要探索并應用其他類柜型結構的設計理念，如“威圖機柜”的九折型材柜體結構等。通過對司機室電氣柜框架設計、電氣設計、布線設計的闡述，進一步闡述了模塊化設計的理念，此設計理念已在多個城軌地鐵項目司機室電氣柜的設計中得以運用，并取得了一定的效果。