余凱 檀駿 周婷

摘 要：新一代懸掛式空軌不同于常規(guī)軌道交通車輛，車下無法安裝設(shè)備，車內(nèi)封閉空間小，因此將控制設(shè)備元器件集成于電氣箱內(nèi)，安裝于車頂。車頂電氣箱直接暴露在車外環(huán)境中，對(duì)箱體的散熱與密封要求高?，F(xiàn)提出一種用于空軌車輛電氣箱的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了散熱分析，結(jié)果表明，優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)有良好的密封及散熱降溫效果。

關(guān)鍵詞：空軌車輛;電氣箱;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);散熱分析

0 ? ?引言

新一代懸掛式空軌車輛由于采用大視野設(shè)計(jì)，增加車內(nèi)乘客空間，同時(shí)車下無法安裝設(shè)備，因此只能將控制設(shè)備元器件集成于電氣箱內(nèi)，安裝于車頂。一方面需保證電氣箱密封等級(jí)滿足要求，另一方面車頂電氣箱暴露在車外，常年受陽光直射和風(fēng)雨沙塵等惡劣天氣影響，若電氣箱散熱性能不好，箱內(nèi)溫度過高，將直接影響電氣設(shè)備元器件工作的穩(wěn)定性和可靠性[1]。鑒于此，本文提出了一種用于空軌車輛車頂電氣箱的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了散熱仿真分析。

1 ? ?基本結(jié)構(gòu)

電氣箱由箱體和箱蓋組成。箱蓋通過壓力鎖與箱體連接，方便打開以維護(hù)內(nèi)部設(shè)備;電氣箱通過4個(gè)吊耳安裝在車頂C型槽，箱體對(duì)外設(shè)置防水連接器作為電氣接口。箱體安裝與電氣連接簡(jiǎn)單易操作，同時(shí)符合模塊化要求。

2 ? ?具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 ? ?箱體設(shè)計(jì)

箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示，箱體主要由焊接框架和蒙皮組成，其中焊接框架以兩個(gè)主橫梁作為主要承載結(jié)構(gòu)，主橫梁突出箱體蒙皮形成安裝吊耳，在主橫梁上焊接二次框架用于設(shè)備、支架等結(jié)構(gòu)安裝，保證了箱體結(jié)構(gòu)的可靠性。由于只有箱體頂面一個(gè)維護(hù)面，因此主機(jī)等設(shè)備采用立式安裝，可直接從頂部抽出，方便操作維護(hù);箱體蒙皮采用整體鈑金，折彎后焊接而成，密封性能好。

2.2 ? ?防塵防水設(shè)計(jì)

電氣箱蒙皮采用整體鈑金折彎焊接結(jié)構(gòu)，箱體的防塵防水主要在于箱體與蓋板的密封。在箱體頂部四周（箱體蒙皮）設(shè)置向內(nèi)的Z字型翻邊，箱體蓋板四周設(shè)置向下的L型翻邊，并焊接擋板形成凹槽，在凹槽內(nèi)粘接密封膠條，箱體和蓋板貼合后形成良好的防水密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對(duì)電氣箱按照IEC 60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明電氣箱密封等級(jí)可達(dá)到IP66。

2.3 ? ?散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

電氣箱的主要熱量來源于箱體蓋板上的陽光照射和設(shè)備元器件的發(fā)熱，因此，本文采用復(fù)合蓋板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖3所示，在蓋板頂面通過六角隔離柱，再安裝一個(gè)隔熱板，從而在蓋板與隔熱板之間形成一個(gè)20 mm的隔熱層，避免陽光直接照射箱體蓋板，減小陽光照射的影響。

同時(shí)在箱體前后面上下對(duì)角各設(shè)置一個(gè)散熱風(fēng)扇（一抽一吸），加強(qiáng)空氣對(duì)流，帶走熱量。為保證良好的防水防塵效果，電氣箱在散熱風(fēng)扇外部加裝帶防塵過濾網(wǎng)的防雨罩。

3 ? ?散熱分析

本文通過流體仿真分析軟件對(duì)箱體進(jìn)行散熱分析，分別計(jì)算蓋板無隔熱板和增加隔熱板兩種情況下電氣箱持續(xù)工作1 h的散熱情況。計(jì)算考慮極端工況，即箱體頂面受到陽光輻射，陽光輻射考慮夏至日12：00的輻射強(qiáng)度;箱體四周及地面被其他設(shè)備或結(jié)構(gòu)遮蔽，因空隙較小，設(shè)置為絕熱面;考慮設(shè)備元器件發(fā)熱，按其實(shí)際功率計(jì)算;計(jì)算中考慮風(fēng)扇故障，即風(fēng)扇不工作;認(rèn)為車輛靜止，即不考慮車輛運(yùn)動(dòng)帶走箱體周圍的熱空氣[2]。

3.1 ? ?無隔熱板計(jì)算結(jié)果

圖4和圖5為箱體蓋板沒有隔熱板情況下，不同時(shí)刻箱體溫度的分布云圖及曲線圖。

由圖4和圖5可以看出，整個(gè)箱體隨著陽光的持續(xù)照射，溫度逐漸升高。蓋板作為陽光直射的區(qū)域，溫度升高非常明顯，其溫度為箱體的最高溫度。蓋板溫度2 min升高了17 ℃，10 min升高了50 ℃，30 min之后溫度升高速率降低，之后雖仍在緩慢升溫，但基本趨于穩(wěn)定值110 ℃左右。

提取1 h時(shí)刻箱體內(nèi)各元件和結(jié)構(gòu)的溫度，其中箱內(nèi)空氣域溫度為68.7 ℃，箱體平均溫度為59.2 ℃，主要發(fā)熱設(shè)備最高溫度為67.2 ℃，且位于箱體內(nèi)靠上位置。對(duì)比各設(shè)備的溫度和位置可發(fā)現(xiàn)，設(shè)備安裝位置越低，溫度越低。這一方面是因?yàn)闊峥諝饧性谙鋬?nèi)上部，另一方面也由此驗(yàn)證了電氣箱的主要熱量來源于蓋板上的陽光照射。因此，對(duì)蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可減小陽光照射的影響。

3.2 ? ?增加隔熱板計(jì)算結(jié)果

采用第2章節(jié)所述的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，其溫度變化趨勢(shì)與無隔熱板的情況相同，即30 min后蓋板最高溫度和箱內(nèi)平均溫度趨于穩(wěn)定，因此提取1 h時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。

由圖6可知，隔熱板位置最高溫度121.37 ℃，通過隔熱板作用后蓋板最高溫度86.584 ℃，遠(yuǎn)低于無隔熱板時(shí)的110 ℃，可見增加隔熱板大大減小了陽光照射的影響。

工作1 h后，箱內(nèi)空氣域溫度為60.1 ℃，箱體平均溫度為51.6 ℃，主要發(fā)熱設(shè)備最高溫度為58.06 ℃，溫度相對(duì)沒有隔熱板的結(jié)構(gòu)均明顯下降，滿足設(shè)備工作的溫度要求（不高于70 ℃）。

4 ? ?結(jié)語

本文根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則，提出了一種適用于空軌車輛、滿足防塵防水要求的車頂電氣箱結(jié)構(gòu)，并針對(duì)散熱問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真分析，仿真結(jié)果表明，箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于降低箱體溫度效果明顯。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 梁師嵩.地鐵車輛低壓箱的密封形式研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2015，38（3）：86-88.

[2] 胡學(xué)永，許穎光，楊會(huì)鋒.軌道車輛密閉柜體的熱設(shè)計(jì)和仿真分析[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2020（5）：92-95.

收稿日期：2021-08-23

作者簡(jiǎn)介：余凱（1990—），男，安徽桐城人，碩士研究生，工程師，研究方向：軌道交通車輛牽引輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。