張 坤，李杏元，脫連弟，高 雪

1 概述

城市軌道車輛電器屏柜（以下簡稱電器屏柜）集中了大部分的低壓電器設(shè)備及控制設(shè)備，是列車實現(xiàn)電氣控制的主要組成。電器屏柜主要包括司機室電器屏柜和客室電器屏柜[1]。本文主要就客室的電器屏柜設(shè)計進行探討。

客室電器屏柜的設(shè)計主要包括兩個方面的內(nèi)容：首先是骨架設(shè)計，包括骨架的尺寸、骨架的剛度、強度及人機工程學(xué)的應(yīng)用等方面的內(nèi)容。其次是內(nèi)部設(shè)計，包括通風(fēng)散熱、器件布置、柜內(nèi)布線，以及其他輔助設(shè)計。

2 骨架設(shè)計

首先，骨架尺寸是由車輛的平斷面核算出，本文設(shè)計的客室電器柜尺寸為590 mm×475 mm×1 900 mm（長×款×高），此尺寸可為城市軌道車輛電器屏柜設(shè)計提供參考。

為保證骨架的強度及剛度要求，柜體主框架由40 mm×20 mm×3 mm的鋁型材組成，框架上焊接電氣安裝架、扎線架以及螺栓連接的安裝架，框架材料為鋁型材6063T5，扎線架材料為5083H111，設(shè)備總重量為30 kg，具體材料屬性見表1。

表1 材料屬性

在完成整個電器柜的骨架設(shè)計后，為保證電器柜的強度及柜內(nèi)的電器件的安全性，依據(jù)IEC 61373-2010《鐵路應(yīng)用機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》對柜體的結(jié)構(gòu)進行了強度分析[2]。

2.1 計算內(nèi)容

2.1.1 靜強度工況

靜強度計算工況見表2。

表2 靜強度計算工況

2.1.2 疲勞強度工況

疲勞強度計算工況見表3。

表3 疲勞強度計算工況

2.2 有限元計算

本次計算使用前處理軟件Hypermesh，求解器為Radioss，單位選用mm，t，MPa。

根據(jù)電氣柜的結(jié)構(gòu)，主要采用殼單元模擬，電氣柜內(nèi)部電氣組件按照各部重量采用質(zhì)量單元模擬，連接處采用耦合約束進行簡化[3]，如圖1所示。

圖1 電氣柜有限元模型

各工況以加速度形式對整個模型施加慣性載荷，約束上下兩端螺栓孔處的X、Y、Z三個方向的平動自由度。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 靜強度計算結(jié)果

靜強度計算結(jié)果應(yīng)力均低于材料的屈服強度，應(yīng)力大的點主要分布在鋁型材連接處及設(shè)備安裝架螺栓孔附近。最大應(yīng)力為47.74 MPa，位于設(shè)備安裝架螺栓孔附近。

2.3.2 疲勞強度計算結(jié)果

疲勞強度計算結(jié)果最大應(yīng)力低于DVS8-2011規(guī)定的相應(yīng)材料及焊接接頭的最大許用應(yīng)力，利用系數(shù)均不大于0.3。利用系數(shù)高的部位主要出現(xiàn)在鋁型材焊接處、線架與鋁型材焊接處以及設(shè)備安裝架螺栓孔附件[4]。

有限元計算結(jié)果表明，電器柜靜強度及疲勞強度性能滿足EN12663-2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》[5]及 DVS1608-2011 《Design and fatigue strength evaluation of weld joints in aluminum alloys in therail vehicleconstruction》[6]的相關(guān)要求。

3 柜內(nèi)設(shè)計

3.1 通風(fēng)散熱及防塵設(shè)計

電器柜兩側(cè)采用防塵板密封，防塵板上加散熱孔。電氣柜頂部采取防塵措施，預(yù)留進線孔及適當(dāng)?shù)纳嵬L(fēng)孔，進線孔尺寸可調(diào)，在接線完成后對進線孔多余部分進行調(diào)節(jié)覆蓋，方便現(xiàn)場操作，如圖2所示。

圖2 柜體頂面防塵及散熱措施

防塵板A設(shè)置散熱孔，以方便柜內(nèi)器件散熱，防塵板B下部裝配有滑動結(jié)構(gòu)，用于調(diào)整兩側(cè)穿線孔的大小，增加防塵效果，如圖3所示。

圖3 防塵板B

3.2 元件的布置與安裝

電器屏柜內(nèi)的器件分控制器件，如：斷路器、繼電器、接觸器等及系統(tǒng)設(shè)備件，如制動控制單元、PIDS主機、交換機、網(wǎng)絡(luò)模塊等。器件布置首先要保證電氣性能，進而兼顧操作、安裝及監(jiān)視和維護。如圖4所示。

圖4 柜內(nèi)設(shè)備布置

柜內(nèi)控制器件一般按功能集中布置，其中需要經(jīng)常操作、監(jiān)視的器件，如指示燈、顯示元件及斷路器、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)等控制元件在安裝布置時主要從操作方便、易于觀察、排列整齊等方面考慮。根據(jù)人機工程學(xué)理論，其布置高度—般為距車輛地板面1.4～1.85 m，這樣人在操作、觀測時較為舒適[7]。

同時，兼顧電器屏柜的安裝：重心應(yīng)偏于下部，小而輕的元件布置于柜內(nèi)中上部，大而重的設(shè)備布置于柜內(nèi)下部，操作和維護頻率低的器件布置于柜內(nèi)頂部。

3.3 電器屏柜的走線及出線

電器屏柜常用的走線方式：捆扎走線和線槽走線。

捆扎走線是將導(dǎo)線成束捆扎于柜內(nèi)的走線架上的方式，特點是可以充分利用柜內(nèi)的空間，但對工藝及施工要求較高。

線槽走線是將導(dǎo)線布于柜內(nèi)設(shè)置的線槽內(nèi)的方式，優(yōu)點是施工容易且維護方便，但對柜內(nèi)空間占用較大。

隨著軌道交通車輛功能不斷完善，電器屏柜內(nèi)的器件也在不斷增加，為了節(jié)省空間，本文的電器屏柜采用捆扎走線為主，電器屏柜與車輛其他系統(tǒng)的設(shè)備電氣連接是通過接線端子來實現(xiàn)的，進出線端子一般安裝在柜內(nèi)頂部和底部，如圖5所示。

圖5 柜內(nèi)走線示意

圖5 中所有的車輛進入線束均走在同一側(cè)，另一側(cè)為柜內(nèi)布線，避免屏柜內(nèi)部線束與車輛進入線束混合，為施工及后面工序帶來不便。

結(jié)合《TB/T 3153-2007機車車輛布線規(guī)則》要求與EMC設(shè)計要求，所有設(shè)備的通訊束及控制線束均分開布線，捆扎線架均為雙層結(jié)構(gòu)，便于將通訊線與電源線分開[8]。

3.4 接地設(shè)計

每個電器屏柜骨架必須與車體接地，柜內(nèi)的各系統(tǒng)設(shè)備、控制器件安裝板（非焊接）與骨架之間也應(yīng)具有可靠的接地連接，且每個接地點都應(yīng)有接地標(biāo)志[9]。

4 總結(jié)

該電器屏柜是在總結(jié)以往城軌車輛電器屏柜設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的優(yōu)化設(shè)計的，主要具有以下特點。

（1）柜體結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強，可滿足A型和B型城軌車輛的需要。

（2）柜內(nèi)元件布置及走線合理，既適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備件安裝，又滿足EMC的要求；控制器件及系統(tǒng)設(shè)備區(qū)間劃分清晰，操作器件滿足人機工程的要求。

（3）接地連續(xù)性。車體、骨架及內(nèi)部的設(shè)備件之間均有可靠的接地，保證了整個柜體的接地連續(xù)性。

［1］GB/T 21413.2-2008.鐵路應(yīng)用機車車輛電氣設(shè)備.第2部分：電工器件通用規(guī)則［S］.

［2］GB/T 21563-2008.軌道交通機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗［S］.

［3］王建江，胡仁喜，劉英林.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)有限元分析實例指導(dǎo)教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［4］EN 15085-1～5.鐵路上的應(yīng)用－鐵路車輛及其部件的焊接［S］.

［5］ EN12663-2010.Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies［S］.

［6］DVS1608-2011.Design and fatigue strength evaluation of weld joints in aluminum alloys in the rail vehicle construction［S］.

［7］TB/T1508-2010.機車電氣屏柜技術(shù)條件［S］.

［8］TB/T 3153-2007.機車車輛布線規(guī)則［S］.

［9］GB/T7928-2003.地鐵車輛通用技術(shù)條件［S］.