動車組車下電氣柜模塊化設計與研究

李作鑫，王 飛，林祥禮，吉 鵬，孫文龍

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

電氣柜是軌道車輛控制系統不可或缺的重要組成部分，執行車輛安全回路、車輛牽引、高壓使能、門控、照明、煙火控制等電氣功能，是車輛各系統功能實現的載體。隨著列車技術的發展和創新，動車組功能日新月異，電氣柜類型以及電氣元件數量也越來越多、元件布置更加的緊湊、功率密度也越來越高。另外，電氣柜安裝在車廂內部會占用車輛的有效運輸空間；同時對于客運車輛，乘客與電氣柜共處同一車廂，二者之間會造成相互影響。

綜上，研發設計一種車下安裝的電氣柜，將大部分電氣元件由車上移至車下，可在提升動車組車廂空間利用率的同時，實現乘客與設備的絕對隔離。另外，通過模塊化、輕量化、標準化設計，可優化電氣柜內部元件布局與散熱的問題，提升產品的設計質量。

1 電氣柜設計與布局

1.1 電氣布局

電氣柜內集成各類電氣元件，除列車網絡控制系統(TCMS)、旅客信息系統(PIS)、煙火報警系統、軸溫報警系統、空調系統、網絡等功能類設備外，還包括斷路器、接觸器、繼電器、接線端子等各種控制類電氣元件以及連接元件的線束等，數量多、分布廣[1]。綜合考慮箱體空間尺寸、元件布局布線以及檢修維護等因素，將電氣柜整體分為3類區域：控制元件區、功能元件區、線束區。其中，控制元件區包括繼電器、接觸器、斷路器等，此類元件需進行日常操作、維護檢修頻率高且占用空間小，將控制元件區布置在檢修操作區后方，便于日常操作與檢修；功能元件區主要由各類機箱設備組成[2-3]。由于機箱日常操作及檢修頻率相對較小且占用空間大，因此將功能元件區放置于控制元件區后方，此區域空間較大同時可以進行簡單的維護操作；線束區主要用于線束的分流、匯流以及走線，包括分流排、匯流排以及線束固定器等[4]。由于線束無需日常檢修維護，因此將線束區布置在箱體中間區域，此區域空間寬敞，布線操作空間大，便于生產。電氣柜電氣布局示意圖如圖1所示。

圖1 電氣柜電氣布局示意圖

1.2 結構設計

1.2.1 電氣結構設計

為便于元件安裝、線束布置以及后續更改維護，根據電氣布局劃分結果，將控制元件區、功能元件區所有元件進行模塊化組合，形成電氣模塊與組件。模塊化的組件及模塊可以提前進行元件的預裝與線束的布置，便于實現流程化裝配，提高生產效率；另外，模塊及組件所有安裝接口保持一致，對應的電氣柜安裝框架采用兼容設計，模塊及組件在更換時能夠實現快速安裝和重組[5]。

考慮控制類組件的檢修維護，箱體門板采用可拆卸式設計。同時門板設置觀察窗，日常情況下無需打開箱門即可查看外層控制元件區組件狀態，判斷是否存在異常或故障。觀察窗不僅可減少箱門開啟次數，避免外部異物進入箱體，還可以減少由于開關箱門對膠條造成的機械性損傷，降低因箱體密封所帶來的風險。

圖2為模塊與組件布置圖。如圖2所示，考慮功能元件模塊的操作與檢修，控制元件組件采用旋轉門式設計。檢修功能元件模塊時，可將前方的控制元件組件開啟90°，進行后方功能元件的操作與維護。同時考慮功能元件模塊內機箱設備通風散熱，模塊組合后進行了通風散熱設計。通過導流罩與風機的作用加速機箱內部散熱。

圖2 模塊與組件布置圖

1.2.2 機械結構設計

從結構方面將電氣柜分為吊裝結構與主箱體結構兩部分。

根據車體的安裝需求吊裝結構分為2種，邊梁式吊裝結構與分布式吊裝結構，如圖3所示。邊梁式吊裝結構分為主梁與吊耳，兩者組裝后通過螺栓固定在箱體上；分布式吊裝結構則直接將吊耳通過螺栓固定在箱體上。2種吊裝結構均可以在不變動主箱體結構的前提下通過調整吊裝結構尺寸匹配各類車型的安裝要求，滿足現有所有動車組車型的安裝。

圖3 電氣柜吊裝結構

主箱體結構根據電氣布局形式進行模塊化劃分，分成左側箱、右側箱、中間箱三部分。其中左、右兩側箱體用于控制元件區、功能元件區的安裝。兩側箱體結構相同，布局方式一致。中間箱體考慮無法進行日常檢修，僅用于線束區的布置。各箱體間通過螺栓裝配，如圖4所示。

圖4 主箱體組裝示意圖

1.3 材料選型

為了滿足輕量化的設計需求，本文中的電氣柜吊裝結構與主箱體結構均采用鋁合金材質，針對吊裝結構與主箱體結構之間的加強筋采用不銹鋼材質，詳細的材質如表1所示。

表1 箱體材質表

2 電氣柜散熱結構設計

為了提升電氣柜的散熱性能，對電氣柜的散熱結構進行優化設計，通過內部循環散熱和對外熱交換相結合的散熱方式進行整機散熱[6]。散熱結構按照功能分為3部分：對外換熱結構、機箱散熱結構、電氣組件散熱結構。

2.1 對外換熱結構

根據電氣結構設計結果，發熱元件主要集中分布在產品左側箱與右側箱，兩側箱發熱功率密度高，因此針對側箱位置進行對外換熱結構設計，加速內部散熱降溫。

如圖5所示，對外換熱結構由換熱散熱片、導流罩以及風機組成。散熱片內外兩面設計散熱齒片，兩面齒片分別與箱體內外空氣接觸。箱體內部齒片增加導流罩，導流罩內的空氣流動方向與齒片方向保持一致，形成冷卻風道。風道安裝在箱體的頂部，導流罩正面及側面開設通風孔均勻覆蓋整個箱體頂部，風道的一端安裝軸流風機，加速空氣流動。

圖5 對外換熱結構示意圖

產品運行時風機啟動運轉，箱體內部空氣經元件加熱后在風機動力以及自身升力的作用下通過風道通風孔進入散熱風道。在對流換熱的作用下，流經齒片的熱空氣將熱量傳遞至散熱片。吸收了熱量的散熱片在外部齒片與走行風對流換熱的作用下，將熱量散至電氣柜外。整個散熱過程不僅加快了內部的空氣流通，也實現了箱體的對外散熱。

2.2 機箱散熱結構

根據機箱模塊結構對模塊進行散熱設計，按照各機箱大小以及機箱自帶散熱孔位置，在機箱模塊外部增加導流罩及風機，在風機及導流罩的作用下，空氣穿透各機箱，將機箱內產生的熱量帶走，達到散熱降溫的目的，如圖6所示。此過程加速箱體內部空氣循環，實現了箱體內部的均溫。

圖6 機箱散熱結構示意圖

2.3 電氣組件散熱結構

模塊化后的組件電氣元件較為密集，集中發熱極易出現局部熱點，導致器件溫升過高影響性能。因此，為避免局部熱點的出現，對電氣組件進行散熱設計，在箱體中間位置，即各個組件的中間位置增加軸流風機，加速各組件的空氣流通，以防止熱點產生，如圖7所示。

圖7 電氣組件散熱結構示意圖

2.4 散熱仿真分析

為驗證電氣柜散熱結構優化后的散熱效果，對電氣柜進行散熱仿真分析。

首先建立車下電氣柜散熱仿真模型，并設置以下邊界條件：環境溫度設定為40 ℃，環境壓力設定為101 325 Pa。對內部電氣元件的載荷施加如圖8所示。

圖8 電氣柜所加載荷示意圖

通過仿真計算，得到仿真的溫度云圖如圖9所示。電氣柜散熱結構優化前后各部件溫度對比如表2所示。

圖9 溫度云圖

表2 電氣柜散熱結構優化前后各部件溫度對比 K

根據表2可知，電氣柜散熱結構優化設計后，各部位溫度明顯降低，其中橫向失穩主機、能量計、軸溫報警器主機等部件降溫幅度較大；繼電器旋轉門降溫較小。這是由于優化后的散熱結構更具針對性，對于產生熱量較多的部位，通過優化結構布局以及風機等方式對電氣元件進行了更好地散熱處理，保證電氣柜箱內達到要求的工作環境。

3 電氣柜結構強度仿真分析

為評估車下電氣柜結構強度是否滿足要求，對電氣柜的靜強度、疲勞強度以及模態進行了計算分析。

首先，建立電氣柜有限元模型(圖10)并根據表1賦予相應的材料屬性。主箱體結構由鋁方管、角鋁以及板材焊接與螺接而成，由于其屬于薄壁零件，因此計算按照板殼單元模擬箱體結構，單元大小約為10 mm，厚度取設計值。

圖10 車下電氣柜有限元模型

3.1 靜強度工況

根據鐵路行業標準TB/T 3058—2016《鐵路應用 機車車輛設備沖擊和振動試驗》[7]中規定，車下電氣柜屬于車體1類A級部件。按照標準要求對其進行縱向、橫向、垂向3個方向的振動與沖擊后，箱體結構應完好、不發生破壞。因此，按照TB/T 3058—2016中的沖擊載荷作為靜強度載荷施加進行計算，車下電氣柜也不應出現超過材料許用值的現象。靜強度計算載荷如表3所示。

表3 靜強度計算載荷

本文根據利用系數C來評價結構的強度，公式如下：

(1)

式中：C——利用系數；

σmax——最大應力值；

σ0——許用應力。

根據仿真計算得到的靜強度工況應力云圖如圖11所示。根據圖11及式(1)計算可得，各工況下材料的利用系數均小于1.0。最大利用系數發生在工況5，最大值為0.69，位于三角加強筋與主梁連接的螺栓孔處，如圖11(a)所示。其余利用系數較大點主要出現在蒙皮與框架焊接位置(圖11(b))、吊耳安裝螺栓孔附近及中間箱底縱梁(圖11(c))以及右柜底縱梁連接的螺栓孔附近(圖11(d))。

圖11 靜強度工況應力云圖

3.2 疲勞強度工況

根據EN 12663-1:2010[8]中P-II類產品規定，對車下電氣柜進行疲勞強度計算，標準工況要求如表4所示。

表4 疲勞強度計算載荷

根據有限元分析結果及式(1)計算可得，在疲勞強度工況下，各工況下材料的利用系數均小于1.0。利用系數較高的部位主要出現三角加強筋與主梁連接的螺栓孔處(圖12(a))、側箱與中間箱底部縱梁連接的螺栓孔位置(圖12(b))、中間箱后板與豎梁斷續焊的熱影響區(圖12(c))以及側箱上板與框架斷續焊的熱影響區(圖12(c))[9-10]。

圖12 疲勞強度工況利用系數云圖

3.3 模態計算

本文對車下電氣柜低階模態進行了分析。通過仿真計算，提取了車下電氣柜前五階模態，如表5及圖13所示。計算結果顯示，產品整體模態良好。

表5 模態計算結果

圖13 模態振型圖

4 總結

本文研制的車下電氣柜有效地提升了車輛運輸空間、實現了人與電氣設備的隔離。通過產品內部的合理化設計與布局，實現了箱體與組件的模塊化與輕量化。通過產品吊裝結構的設計，滿足了各類車型的安裝需求；通過對外換熱結構以及內循環結構的設計，實現了產品良好的散熱效果，保證了產品正常的運行環境。最后，通過對整機進行的靜強度、疲勞強度計算得到電氣柜在靜載與疲勞載荷2種工況下的受力情況，結合相關標準要求進行評估，結果顯示車下電氣柜靜強度與疲勞強度均符合要求。