摘? 要：軌道交通產(chǎn)業(yè)在我國高速發(fā)展，伴隨著城市路面交通壓力的持續(xù)增加和城市交通信息化水平的提高，目前仍然保持著迅猛的發(fā)展速度。牽引變流器作為車輛運(yùn)行的核心部件，主要承擔(dān)的是能量的轉(zhuǎn)換及輸送功能，它的性能的好壞會直接影響車輛的運(yùn)行及車內(nèi)乘坐環(huán)境。本文從軌道交通車輛變流器設(shè)備談起，介紹了箱體的防護(hù)性設(shè)計，針對如何完善變流器箱體的防護(hù)性能，探討了其中的幾項關(guān)鍵設(shè)計。

關(guān)鍵詞：軌道交通車輛變流器;箱體;防護(hù)性設(shè)計;IP防護(hù);防爆

中圖分類號：U216.6;TM46? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0145-03

0? 引? 言

軌道交通產(chǎn)業(yè)在我國高速發(fā)展，伴隨著城市路面交通壓力的持續(xù)增加和城市交通信息化水平的提高，目前仍然保持著迅猛的發(fā)展速度。

牽引變流器作為車輛運(yùn)行的核心部件，主要承擔(dān)的是能量的轉(zhuǎn)換及輸送功能，它的性能的好壞會直接影響車輛的運(yùn)行及車內(nèi)乘坐環(huán)境。變流器內(nèi)部安裝有大量電器元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重較大，而箱體作為其載體，首先必須要保證能夠安全穩(wěn)定地安裝在車輛底部，其次要能夠保證內(nèi)部元器件的正常運(yùn)行環(huán)境，因此涉及各類設(shè)計要求，如防護(hù)、輕量化、冷卻、降噪、可維護(hù)性等，本文結(jié)合現(xiàn)有變流器產(chǎn)品，主要對箱體的防護(hù)性設(shè)計進(jìn)行了分析。

1? 防護(hù)性設(shè)計概念

本文涉及的防護(hù)性設(shè)計分為標(biāo)識預(yù)防、IP防護(hù)以及防爆三點(diǎn)，設(shè)計以整體防護(hù)結(jié)構(gòu)為主，輔以關(guān)鍵部位的特殊防護(hù)。

變流器設(shè)備布局時一般放置在車輛底部，個別箱體放置在車輛頂部，工作環(huán)境較為惡劣，需要充分考慮到車輛實際運(yùn)營環(huán)境對箱體的影響，如低溫、雨水、粉塵、柳絮等。GB 4208-2008/IEC60529：2001中規(guī)定了額定電壓不超過72.5kV，借用外殼防護(hù)的電氣設(shè)備的防護(hù)分級。設(shè)計時需要結(jié)合相關(guān)的IP等級試驗，在保證箱體的功能性的同時，盡可能提高其防護(hù)性能。

1.1? 標(biāo)識預(yù)防

變流器箱體表面安裝的標(biāo)識的主要作用為提醒操作人員在作業(yè)前做好準(zhǔn)備工作，并提示了正確的作業(yè)步驟。警告標(biāo)識一般放置在箱門上，即可使操作人員在作業(yè)時第一時間能夠看到其警告內(nèi)容。標(biāo)識包括警示符號、高壓放電提示、作業(yè)準(zhǔn)備提示、機(jī)械動作警示等，要求齊全、清晰、無損傷、無污染。

標(biāo)識表面一般有非金屬材料（熱固性好、低吸濕性）防護(hù)層，單面背膠。然而由于箱體外環(huán)境較為惡劣，容易受濕熱交變、鹽霧等影響，我們在做相關(guān)試驗時，發(fā)現(xiàn)有標(biāo)識背膠失效的現(xiàn)象，主要原因是門板表面不平整，背膠貼合不緊密，為了保證在產(chǎn)品使用壽命期間標(biāo)識不脫落，建議所有標(biāo)識使用不銹鋼密封鉚釘進(jìn)行固定。

1.2? 防護(hù)等級（IP代碼）

按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗方法，按外殼對接近危險部件、防止固體異物進(jìn)入或水進(jìn)入所提供的保護(hù)程度進(jìn)行分級[1]。設(shè)定防護(hù)等級是變流器箱體設(shè)計的先決條件。當(dāng)實際運(yùn)行環(huán)境比防護(hù)等級設(shè)定值更加惡劣時，將可能對箱體內(nèi)部電氣元件造成嚴(yán)重的影響。例如，當(dāng)防護(hù)等級為IP54的箱體置于車頂，車輛運(yùn)行時車頂如有積水，箱體將會短時間浸泡于水中，防水等級按標(biāo)準(zhǔn)GB4208-2008/IEC60529：2001至少為7，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原設(shè)定值4，對箱體內(nèi)的母排等造成了嚴(yán)重的腐蝕。因此，變流器產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)絡(luò)時，這點(diǎn)需要與車輛方進(jìn)行溝通。

1.3? 防爆

在做箱體防護(hù)性設(shè)計時，必須優(yōu)先了解箱體內(nèi)部各個電子元器件的機(jī)械參數(shù)，如工作環(huán)境、維護(hù)方法及周期、重量、安裝方式等等，耐溫性能差的元器件應(yīng)遠(yuǎn)離冷、熱源，利用熱管效應(yīng)，將發(fā)熱件置于易散熱的位置[2]。電弧、放電現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在繼電器、接觸器、開關(guān)上，箱體上正對高功率開關(guān)泄壓口所在位置，必須加裝泄壓閥裝置，防止過度沖擊破壞箱體結(jié)構(gòu)。根據(jù)沖擊測試計算合理的泄壓口大小和機(jī)構(gòu)進(jìn)行彈性釋放，如圖1所示。

某些元器件如傳感器，過流產(chǎn)生爆炸時會產(chǎn)生一些金屬粉塵，如果箱體內(nèi)部沒有恰當(dāng)?shù)母綦x措施，粉塵擴(kuò)散后會造成更多的短路放電，產(chǎn)生更大的沖擊波，此時，沖擊力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了箱門本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可能造成箱門壓緊鎖失效，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如圖2所示。因此，門板的二次防脫設(shè)計至關(guān)重要。

2? 防護(hù)關(guān)鍵項

2.1? 箱體

國內(nèi)外現(xiàn)有地鐵平臺的變流器箱體仍以鋁合金材料為主，表面采用陽極氧化或者增加表面涂層進(jìn)行防護(hù)，隨著科技的不斷進(jìn)步，采用非金屬材料制成的箱體漸漸進(jìn)入我們的視野，主要有碳化硅、碳纖維等，非金屬材料的采用將對設(shè)備的輕量化產(chǎn)生重大的影響。

無論采用何種材料，箱體必須在強(qiáng)度方面符合EN126 63-2010《鐵路設(shè)備 鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》、IEC613 73-1999《鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動試驗標(biāo)準(zhǔn)》、TB/T13 35-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》，同時必須保證箱體在車輛正常運(yùn)行的過程中產(chǎn)生的振動變形不影響其整體IP的防護(hù)性能。影響主要體現(xiàn)在箱體變形使壓邊與箱門密封膠條的配合產(chǎn)生錯位，導(dǎo)致密封性降低。如圖3所示，由于箱體過長，內(nèi)部元器件偏重，重心集中在箱體中部，在振動過程中，箱體有輕微彎曲變形。

2.2? 箱門

箱門作為變流器箱維護(hù)時的必要拆卸對象，首先必須有足夠的強(qiáng)度來保證箱體IP防護(hù)的性能，其次要有合理的抗振防脫裝置，最后還要方便維護(hù)。箱門盡可能少用除電阻焊以外的焊接方式，以減小變形程度，使箱門與箱體的實際配合狀態(tài)盡量接近設(shè)計理想狀態(tài)，如圖4所示。

分析受力情況，正常工作時箱門主要受力點(diǎn)分布在四周的密封條位置、壓緊鎖位置以及防脫鉸鏈位置。密封條按照殼體的密封槽尺寸，開模壓制成型，安裝時略微高于槽口，蓋板蓋上后壓緊密封條，起到密封作用，密封條壓縮量一般應(yīng)大于20%[2];壓緊鎖安裝于箱門下方，根據(jù)極端情況沖擊力，將單個鎖舌壓緊力設(shè)定為1000N，鎖舌通過旋轉(zhuǎn)與箱體內(nèi)的槽口壓緊配合;鉸鏈既需要起到正常的旋轉(zhuǎn)連接作用，還要具備可拆卸和抗振防脫功能，其位置決定了門板的旋轉(zhuǎn)中心。在極端情況下，如果箱體內(nèi)部產(chǎn)生沖擊，沖擊力主要表現(xiàn)在箱門最薄弱的中部位置，如果中部位置產(chǎn)生變形，壓緊鎖受扭矩影響，鎖舌將會從鎖槽脫出，鉸鏈作為最后措施，需要保證有足夠的連接強(qiáng)度以防止箱門整體脫出。

箱門的兩側(cè)、中部加強(qiáng)筋、旋轉(zhuǎn)中心以及抗振止擋將是防護(hù)關(guān)鍵項。

2.2.1? 加強(qiáng)筋

加強(qiáng)筋可參考圖5折邊結(jié)構(gòu)，受鉸鏈和壓緊鎖的影響，門板直接受力點(diǎn)在上下位置，在密封墊理想壓縮狀態(tài)下，如門板兩側(cè)結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度過低，勢必會導(dǎo)致整個門板彎曲，影響密封性能。中部加強(qiáng)筋的作用是盡量減少門板在極端情況下的變形，將大部分沖擊力轉(zhuǎn)化為壓緊鎖的鎖緊抗力。

2.2.2? 鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心

旋轉(zhuǎn)中心過于靠近箱門內(nèi)側(cè)，如配合精度不夠，將會產(chǎn)生“鍘刀”現(xiàn)象：門板自然垂下時角度較大，為鎖緊箱門，強(qiáng)行關(guān)閉將會使門板彎曲。因此，在設(shè)計時將旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置在箱門外側(cè)，能夠有效改善裝配環(huán)境，如圖6所示。

2.2.3? 抗振止擋

車輛運(yùn)行過程中，振動不可避免，鉸鏈可以防止門板向下移位，而放置于門板下方止擋可有效防止向上位移，如圖7所示。

2.3? 葛蘭板

變流器箱在裝車時必然會通過葛蘭孔連接車輛線纜，為方便車輛方維護(hù)和接線，一般會在箱體上設(shè)計葛蘭板或連接器，通過螺栓連接固定，接線時拆卸，擴(kuò)大維護(hù)檢修空間。值得注意的是，葛蘭板與箱體中間的密封墊不可過量壓縮，橡膠密封墊是靠橡膠的彈力來密封的，如壓縮量超過橡膠的極限而導(dǎo)致其失去彈力，容易造成裂紋，喪失密封作用，或影響橡膠墊的使用壽命。因此，密封的壓縮量應(yīng)控制在墊厚的1/3左右比較合適。

2.4? 濾網(wǎng)

變流器箱一般有3種散熱方式：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷[3]。自然冷卻時，往往需要在箱體外部加裝濾網(wǎng)裝置，在保證IP防護(hù)的前提下，完成箱體內(nèi)外熱交換。某些特殊的接觸器在長時間頻繁開關(guān)后，箱體內(nèi)部空氣容易產(chǎn)生電離，此時相關(guān)的濾網(wǎng)裝置兼具換氣功能。

設(shè)計濾網(wǎng)時，優(yōu)先確定IP等級和測試要求，如IP54，防塵等級決定了濾網(wǎng)目數(shù)和厚度，防水等級基本確定了濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)。如圖8所示，可采用迷宮結(jié)構(gòu)防止等級為4的濺水。

3? 結(jié)? 論

隨著軌道交通產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，變流器產(chǎn)品系統(tǒng)、元器件等也在不斷地更新、優(yōu)化，將會形成一套更簡明、更輕量化、更高效、更方便的裝置。箱體作為主要的機(jī)械構(gòu)件，防護(hù)性設(shè)計至關(guān)重要，我們在選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍需不斷探索，努力突破瓶頸，通過可靠性計算和驗證形成新一代防護(hù)平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 4208-2008/IEC 60529：2001，外殼防護(hù)等級（IP代碼） [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2] 汪方寶.整機(jī)電子裝聯(lián)技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：253-260.

[3] 王少林，刁利軍，林文立，等.低地板輕軌車牽引變流器通風(fēng)散熱設(shè)計 [J].電氣傳動，2009，39（4）：39-42.

作者簡介：丁軒炯（1989.10-），男，漢族，江蘇常州人，助理工程師，本科，研究方向：軌道交通制造。