李小平

（卡斯柯信號有限公司，北京 100160）

隨著我國鐵路運輸向高速、高密度和重載方向的飛速發(fā)展，鐵路信號系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的保障鐵路運輸安全的“眼睛”，變成了保障行車安全、集中調度管控、提高運能和運力并改善運輸勞動條件的鐵路“中樞神經”[1]。電氣化鐵路線路周圍復雜的電磁、強振動環(huán)境會對鐵路信號設備的穩(wěn)定工作造成極大影響，作為容納鐵路信號電氣或電子設備的獨立載體，鐵路信號設備機柜為信號核心安全設備提供了防水、防塵和防電磁干擾等的安全運行環(huán)境，其設計的優(yōu)劣將直接影響鐵路信號設備工作的穩(wěn)定性[2]。部分企業(yè)標準已對信號設備的室內外機柜外觀、結構和防護等級等做了明確的規(guī)定，鐵路信號機柜均達到了技術規(guī)范和CRCC 要求，但機柜設計還是存在較多差異和不合理之處[3]。該文總結了現(xiàn)有機柜存在的關鍵問題，分析了影響設計的各類因素，結合工程經驗，提出了信號設備機柜設計的改進原則和方法。

1 鐵路信號設備機柜現(xiàn)狀

經現(xiàn)場實地調研發(fā)現(xiàn)鐵路信號系統(tǒng)機柜存在如下問題[4]：1）機柜結構設計強度不夠或過強，影響設備安裝空間。2）機柜柜內電氣設備布局差異較大，甚至布局不合理，造成不易操作、散熱不良等問題。3）集成度不高，空間資源利用不合理，侵占維護空間，導致維護困難。4）機柜內部設備標識參差不齊，不易直觀區(qū)分設備名稱或板卡名稱。

2 鐵路信號機柜的設計

鐵路信號系統(tǒng)需要各子系統(tǒng)機柜內的信號設備有序配合，才能實現(xiàn)其復雜的聯(lián)鎖、聯(lián)動功能，每個子系統(tǒng)獨立而不可或缺。鐵路信號設備按安裝位置分為3 類，即車載、室內和軌旁。車載機柜主要安裝在機車上；室內機柜主要安裝在線路的車站、中繼站或調度中心機房；軌旁機柜主要安裝在軌道附近且不影響列車運行的位置。因為機柜安裝、運行環(huán)境不同，所以對防護等級、尺寸和結構等方面的要求也大不相同。

機柜安裝的環(huán)境決定了其性能需求、機柜型材選擇、散熱方式等整體方案。關于環(huán)境因素，需要明確其安裝方式、安裝位置和工作環(huán)境的溫度、濕度、沙塵防水等級、防雨以及防異物進入等因素，如安裝在沙漠中的軌旁機柜必須考慮防塵、冰雪和太陽輻射等因素。

機柜結構布局和外觀是機柜整體形象的體現(xiàn)，不僅包括機柜的尺寸、整機顏色、表面處理和機柜涂層等方面的詳細要求，也包括柜體門鎖、鉸鏈等的形狀、大小，標識的安裝位置、尺寸機柜銘牌等要求，還需要關注客戶的特殊要求。機柜結構主要根據(jù)工程現(xiàn)場環(huán)境、固定方式和柜內設備，需要考慮柜體型材、安裝空間、柜內配線、理線線槽、開門角度、柜門類型、出線方式、隔熱以及后期維護便利等方面的因素。

根據(jù)上述實際應用分析，機柜的結構布局和散熱是影響鐵路信號設備穩(wěn)定性的重要因素，因此該文對鐵路信號機柜的結構和散熱設計方法進行了優(yōu)化，具體設計過程如下。

為了便于系統(tǒng)維護并減少機柜設計的復雜度，該文根據(jù)從上至下的原則，將鐵路信號柜內完成同一功能的設備作為一個整體模塊。整個柜內設備分為若干功能單元模塊，并明確各單元模塊間的聯(lián)系，再對其功能模塊進行布局和設計。鐵路信號機柜一般分為安全主機單元、通信接口單元、輔助維護單元、冗余電源單元和驅動采集單元等，一方面可減少模塊內部的線纜長度和模塊間連接的復雜度，另一方面可使鐵路信號機柜內部結構清晰、空間布局合理。最后采用分層的模塊化結構設計方案。結構布局設計過程還要考慮實際應用，如應將比較重的模塊布置在機柜底部，散熱量較大的設備布置在機柜頂部，系統(tǒng)維修輔助單元則需要設計在便于現(xiàn)場人員維護的位置，距機柜底部約23cm 的位置等，具體如圖1所示。

圖1 鐵路信號機柜的分層設計

在圖1 中，可以同時看到鐵路信號機柜的2 個面，即正面和左側面，粗實線代表鐵路信號機柜的框架，細線代表各功能模塊層次間隔布局。從圖1 的結構可以看出，該文設計示例的鐵路信號機柜內部共劃分為5 個不同的功能區(qū)域，每個功能區(qū)既相互聯(lián)系又獨立分布。對每個功能區(qū)的設備再進行詳細設計，從而可以確定每個功能區(qū)的占用機柜的容積、高度等參數(shù)，由此可以確定鐵路信號機柜的高度和個數(shù)。其計算如公式（1）所示。

式中：H代表鐵路信號機柜的總體高度；Hi代表鐵路信號機柜第i層的高度；HF代表鐵路信號機柜的總體高度中的輔助高度。

HF的計算如公式（2）所示。

式中：HF代表鐵路信號機柜的總體高度中的輔助高度；HU代表鐵路信號機柜頂部的輔助高度；HD代表鐵路信號機柜底部的輔助高度。

標準機柜的寬度有明確的規(guī)定，該系統(tǒng)機柜的數(shù)量N如公式（3）所示。

式中：N代表機柜的總數(shù)；HG代表標準機柜容納設備的最大高度。

對非標尺寸的機柜來說，不僅要考慮其總體高度，還要考慮內容設備和線纜的體積需求、機柜的整體協(xié)調性，可以計算出鐵路信號機柜的總體體積和機柜數(shù)量，如公式（4）所示。

式中：V代表鐵路信號機柜的總體積；H代表鐵路信號機柜的總體高度；L代表鐵路信號機柜底面的總體長度；W代表鐵路信號機柜底面的總體寬度。

除基本的結構設計以外，鐵路信號機柜還需要設計立柱、支架、滑軌托盤等內容裝配結構，便于各種信號單元的安裝固定。

機柜散熱設計也是機柜設計的重點之一。據(jù)調查，機房內機柜局部過熱的現(xiàn)象普遍存在，僅局部過熱問題引發(fā)的系統(tǒng)宕機現(xiàn)象就達到了32%。合理的布局和風道設計是有效散熱的關鍵。進行產品熱設計時需要考慮環(huán)境溫度。先評估機柜內設備的總熱功率P總，通過計算得出滿足熱交換所需的風量，再設計機柜散熱方式，并選擇合適的風扇。

設計機柜內設備總熱功率如公式（5）所示。

式中：P總為機柜內部所有設備的熱功率；Pi為單個設備的熱功率；Pr為柜內電源線纜的熱功率。

無熱功率參數(shù)的設備如公式（6）所示。

式中：P為設備的額定功率為設備的輸出功率；Po設備的輸出功率。

散熱方式主要為自然對流散熱或強迫風冷散熱方式。機柜默認是帶風扇的強迫風冷機柜，但產品設計要滿足機柜在無風扇條件下正常工作的要求。3 種散熱方案是鐵路信號機柜常用的設計方案如圖2 所示。

圖2 鐵路信號機柜散熱方案

方案1 適合自然對流散熱機柜，其對環(huán)境要求較高；方案3 適用于室外軌旁機柜；方案2 是基于方案1 優(yōu)化過的散熱方案，適用范圍比較廣，適用于室內機柜和車載機柜。該文設計采用方案2，為強迫風冷方式。為能夠形成有效風路，托盤等設計需要采用網狀或開孔設計，防止柜內熱聚集。在散熱比較差的地方需要單獨設計風扇，進行助力散熱。同時，鐵路信號機柜的主立面補空應為實性，便于機柜內部形成有效散熱風路。

強迫風冷需要考慮傳導和對流。由于路徑復雜，精確評估傳熱能量不現(xiàn)實，針對鐵路信號機柜產品的特點，對機柜熱設計進行初步評估時，選擇采用質量守恒的方式。質量守恒公式如公式（7）所示。

式中：Q為風扇風量；p為空氣密度；Cp為空氣比熱容；ΔT為為機柜進出風口的溫度差；t為時間，h。

機柜所選風扇的最大風量建議滿足Qmax=2×Q，其中Q是根據(jù)評估得到的風扇實際風量要求。除了需要設計風扇的風量，還需要注意風扇的風壓。風壓主要和內部設備的體積、擺放位置有關系，由于產品機柜內的布局方式較多且結構差異較大，因此可以通過熱仿真來驗證其有效性。

3 鐵路信號機柜的結構性能仿真

完成鐵路信號機柜的結構設計后，需要對其力學性能進行仿真分析。尤其是車載機柜和軌旁機柜，由于二者安裝在振動強度較大的列車上和環(huán)境比較苛刻的軌旁，因此其在運行過程中的動態(tài)力學性能比靜態(tài)力學性能更值得關注。

和靜止擺放的室內機柜相比，列車上的車載機柜和軌旁機柜的工作條件更復雜。尤其是在運動過程中，列車高速行駛會使車載無法避免地發(fā)生顛簸和振動，導致車載機柜也會受橫向和縱向振動載荷的影響。相對而言，車載和軌旁機柜所受的橫向振動載荷更大。在垂直方向上，機柜和鐵軌之間不會產生較大偏移，因此比較平穩(wěn)。在水平方向上，車載和軌旁機柜所受的橫向振動載荷就會比較明顯。最主要的原因是列車經常受緊急制動和室外自然側風的影響，產生強烈的加速和減速，從而引起鐵路信號機柜明顯的橫向振動。

據(jù)此，該文重點研究軌旁和車載機柜橫向的振動變化，體現(xiàn)為加速度層面的沖擊，因此對加速度進行譜密度觀測是進行橫向振動沖擊試驗的重要手段。對加速度譜密度前、后變化的計算如公式（8）所示。

式中：P1表示加速度突變前的加速度譜密度；P2表示加速度突變后的加速度譜密度；f1表示速度突變前的加速度變化頻率；f2表示速度突變后的加速度變化頻率；S表示斜率。

然后采用ANSYS 軟件進行有限元建模和仿真，可以看到整個鐵路信號機柜橫向應變的變化，如圖3 所示。

圖3 鐵路信號機柜整體的橫向應變分析結果

從圖3 可以看出，在模擬運動過程中，鐵路信號機柜整體的左、右兩側外壁所受的應變變化均勻。從圖3 的區(qū)域劃分情況來看，其應變大小主要集中在0.11mm～0.16mm。鐵路信號機柜產生的應變最大值出現(xiàn)在0.25mm 左右，主要集中在正面頂部、側上中部的位置。從右側面的情況看，其中向上靠正面的位置產生的應變也比較明顯。鐵路信號機柜整體偏下的位置產生的應變則比較小。底部和后面的應變基本接近于0mm，這與這些位置加固得比較牢靠有關。但從應變的變化范圍來看，該文設計的鐵路信號機柜完全在安全范圍內，不會影響內部電子結構的使用。

鐵路信號機柜整體的橫向應力分析結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，鐵路信號機柜整體所受的橫向應力均處在比較低的水平，即≤110MPa，可保證設計的鐵路信號機柜在極端條件下能夠穩(wěn)定運行。

圖4 鐵路信號機柜整體的橫向應力分析結果

4 鐵路信號機柜的熱性能仿真

鐵路信號機柜的設計效果是否理想，還有另外一個重要的考核因素——熱性能考核。鐵路信號機柜內部承載了大部分電路板和電子器件，需要24h 不間斷運行，即使各電路板、電子器件都不是滿負荷工作狀態(tài)，也會產生大量熱量。如果機柜的散熱設計不理想，就會造成機柜內局部溫度過高，進而導致電路板和電子器件失效——這是CPU 失效最常見的現(xiàn)象之一。因為在各種電子器件的工作過程中，CPU 計算量最大、處理速度最快，所以也會消耗更多的電功率、產生更高的工作溫度，超出其極限工作溫度就會導致宕機。

該文設計的鐵路信號機柜充分考慮了散熱功能的設置，具體的散熱結構設計如圖5 所示。

圖5 鐵路信號機柜前、后面的散熱設計

鐵路信號機柜頂部是機柜整體散熱的主要區(qū)域。在機柜設計中，一方面，機柜后門下部設計了入風口，頂部有強迫散熱風扇，可保證機柜從底部到頂部形成一條有效風路；另一方面，機柜前門設計為蜂窩孔狀（也為了滿足有效電磁兼容性能），并且柜內每個設備間至少設計了1cm 間隔，在強迫散熱失效后可自然散熱。

為了驗證該文設計的散熱性能，使用ANSYS 軟件對機柜的熱力圖進行仿真，如圖6 所示。

圖6 鐵路信號執(zhí)行機柜熱力仿真（℃）

將自然對流和強迫風冷設計進行對比，分別記錄機柜內不同高度的5 組芯片（以VCU 為例）的最高溫度情況，如圖7 所示。

圖7 鐵路信號機柜內5 組VCU 的溫度情況

圖7 中，橫坐標代表機柜內不同高度的關鍵5 組VCU的序號，縱坐標代表VCU 表面溫度。實線代表自然對流散熱設計下VCU 的溫度變化，虛線代表強迫風冷散熱設計下5 組VCU 的表溫變化。對比2 組曲線的情況可以看出，優(yōu)化后的散熱性能有效提升約20%。這說明采用有效的方法設計機柜內部的散熱風路和選擇有效的散熱方式有助于提升機柜的整體散熱水平，確保柜內板卡和設備能穩(wěn)定工作。

5 結論

鐵路信號設備機柜不僅為中樞神經系統(tǒng)的核心器件提供安裝支撐、電氣連接和狀態(tài)指示等功能，也為其內部IT 設備提供可靠的電磁環(huán)境和外部防護。其設計的好壞將直接關系整個系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、設備開通運行后的可維護性以及柜內IT 設備的運行壽命，還會直接影響鐵路信號產品日常維護的勞動強度。該文對鐵路信號機柜進行結構設計、散熱設計的優(yōu)化，并通過試驗驗證了設計結果的有效性。結果表明：通過系統(tǒng)性設計，可提高鐵路信號機柜的結構性能、散熱性能以及產品在復雜環(huán)境下的適用性，也可提升設備在后續(xù)運行中的可維護性。