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(jìn)行設(shè)計：一是柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計，它主要包括確認(rèn)外形尺寸、設(shè)計柜體的強度；二是電氣柜的內(nèi)部設(shè)計，它包括安裝布置電器件、設(shè)計柜內(nèi)走線、出線以及其他一些輔助設(shè)計。傳統(tǒng)電氣柜在現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備布置和布線的安裝方式，不僅工序煩瑣，且因各系統(tǒng)之間不同的電氣和機械接口，容易導(dǎo)致調(diào)試時出現(xiàn)的故障點較多。現(xiàn)常用模塊化設(shè)計，其優(yōu)點如下：（1）提高生產(chǎn)效率，省掉現(xiàn)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)主機廠對車體整體設(shè)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(jìn)行固定。為實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計理念，在滿足柜體強度的前提下，柜體主框架材質(zhì)選用T=4.0mm鋁合金（5754 H111）折彎結(jié)構(gòu)。為方便業(yè)主后期新增其他需求調(diào)整柜內(nèi)器件的安裝位置及尺寸，柜體框架及安裝梁均預(yù)留φ6.8mm孔，可根據(jù)需求調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計存有缺陷，在生產(chǎn)前選用有限元法對柜體進(jìn)行計算分析，為后續(xù)電柜體批量投產(chǎn)提供理論依據(jù)。

（1）仿真模型建立。柜體使用Solidworks軟件進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行計算分析。司機室電氣柜結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。材料屬性如表1所示。

圖3 電氣柜結(jié)構(gòu)模型

表1 材料屬性

根據(jù)司機室電氣柜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件采用SHELL181單元進(jìn)行模擬，厚度取設(shè)計值；布置電器件部分采用SOLID185單元進(jìn)行模擬；質(zhì)量件按照實際重量采用MASS21單元進(jìn)行模擬，關(guān)鍵部位建立零件之間的接觸進(jìn)行承力；螺栓及鉚釘連接處采用梁單元進(jìn)行簡化。整個模型單元大小約為6mm，結(jié)構(gòu)單元共約28萬個，節(jié)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(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)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(jié)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(yīng)力大小及分布情況進(jìn)行分析，分析結(jié)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(yīng)力云圖。圖6為疲勞強度工況1-3作用下，電氣柜的應(yīng)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(jié)果如表3、表4所示。

表3 電氣柜強度計算結(jié)果（靜強度工況）

表4 電氣柜強度計算結(jié)果（疲勞工況）

圖5 靜強度工況1-5作用下電氣柜的應(yīng)力云圖

圖6 疲勞強度工況1-3作用下電氣柜的應(yīng)力云圖

通過計算分析，電氣柜靜強度及疲勞強度滿足設(shè)計要求，為柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

3 柜內(nèi)設(shè)計

3.1 器件布置

在滿足客戶需求的前提下，實現(xiàn)司機室電氣柜模塊化設(shè)計，器件布局合理緊湊尤為重要。優(yōu)先應(yīng)根據(jù)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(jù)車體電氣系統(tǒng)原理圖統(tǒng)計出器件清單，確保滿足所有系統(tǒng)配置的全部功能；其次，進(jìn)行合理器件布局，根據(jù)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(nèi)所有器件選用最佳的連接途經(jīng)，從而構(gòu)成一個滿足功用的電氣柜。

根據(jù)車體系統(tǒng)原理及客戶要求，電氣柜靠近司機室側(cè)安裝的設(shè)備主要有中繼模塊、MVB分線盒、斷路器、繼電器等器件，客室側(cè)安裝的設(shè)備主要有端子排、繼電器。為實現(xiàn)城軌司機方便觀察車輛運行情況，在司機室側(cè)增加面板結(jié)構(gòu)，通過檢查門上的明窗直接觀察柜內(nèi)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(shè)計

電氣柜柜內(nèi)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(dǎo)線捆扎成束，優(yōu)點是充分利用柜內(nèi)的空間，實現(xiàn)柜體緊湊設(shè)計，缺點是捆扎工作量較大，后期維護(hù)困難。線槽布線的優(yōu)點是容易布置且方便維護(hù)，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(yōu)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(guī)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(yīng)等方式發(fā)生耦合的情況，導(dǎo)致彼此成為干擾源。因此，在電氣柜布線設(shè)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(guān)。不同種類的電纜最小距離如表6所示。

表5 與EMC有關(guān)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(shè)計中，若不同種類電纜之間距離達(dá)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(jìn)行隔離。

3.3 接地方式

柜體上焊接M6設(shè)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(shè)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(jù)整車設(shè)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(yù)留的電氣柜安裝座焊接公差±6mm，柜體預(yù)留安裝孔可調(diào)節(jié)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(diào)整量。安裝示意孔如圖8所示。

圖8 安裝孔示意圖

4 結(jié)語

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