跨座式单轨低压箱的设计

□ 王海英

通号轨道车辆有限公司 长沙 410217

1 结构

跨座式单轨低压箱安装于车体底部,主要为车辆提供低压电源,低压箱接线盒部分还集成了辅助电源的分线功能。跨座式单轨低压箱的结构分为主柜和接线盒两部分,主柜包含蓄电池模组、熔断器,接线盒包含隔离开关、继电器、端子排、防水接头等。跨座式单轨低压箱主柜如图1所示,接线盒如图2所示。

▲图1 跨座式单轨低压箱主柜

2 设计过程

(1) 根据车辆电量需求,确定蓄电池模组容量及模组组成方式。

(2) 根据蓄电池模组分配主柜空间,初步确定主柜外形尺寸和结构形式。

▲图2 跨座式单轨低压箱接线盒

(3) 根据电气接线图统计电气元件数量,初步完成布置方案及接线盒外形尺寸计算。

(4) 结构强度仿真分析。

(5) 内部布置细化及走线布置。

3 技术要点

3.1 防火等级要求

根据标准EN 45545-1—2013《铁路应用设施 轨道车辆防火 第1部分:总则》的设计类别,跨座式单轨车辆为中低运量轨道车辆(N),运行类别为城郊高架行驶,原地火警疏散通道撤离(OC2),危害等级为中低风险(HL2)。因此,按照标准中HL2等级的相关要求进行设计。

跨座式单轨低压箱外壳为金属材料,满足中高风险(HL3)等级要求,选用电缆符合标准EN 50306—2002《薄壁型铁道机车车辆阻燃电缆》要求,端子排满足标准IEC 60998-2-2—2002《家用和类似用途低压电路连接器件 第2-2部分:作为单独分立件的带无螺纹型夹紧装置的连接器件的特殊要求》要求。其它非金属物料均要求通过测试,满足标准EN 45545-1—2013中的HL2等级要求[1-2]。

3.2 防水等级要求

跨座式单轨低压箱安装在车底,在车体外部满足标准IEC 60529—2001《机壳提供的防护等级(IP代码)》IP65等级的防护要求。考虑产品结构特点和维护便利性,箱盖选择铰链旋转式开闭。箱体采用收缩口,通过密封条压紧密封,可以有效防水侵入。拉紧锁采用防水锁芯,配备防尘盖[3]。跨座式单轨低压箱防水设计如图3所示。

▲图3 跨座式单轨低压箱防水设计

3.3 安全可靠性

跨座式单轨低压箱主柜主要布置蓄电池模组,属于低压电源,电池供应商在分组布置时已考虑最小电气间隙及散热问题[4]。

接线盒中有380 V辅助交流电源,根据标准IEC 62497-1—2013《铁路应用 绝缘配合 第1部分:基本要求 所有电气和电子设备的间隙及爬电距离》要求及跨座式主电路电缆与接触网连接的方式,接线盒过电压等级按标准采用2类过电压(OV2),使用环境污染等级为PD3,电路额定绝缘电压不低于0.72 kV,额定耐受冲击电压为5 kV,高压跨接箱内部最小电气间隙为4 mm[5]。在实际设计中,380 V交流电源端子排有安全隔板等,与其它电气元件最小间隙不小于20 mm,满足最小电气间隙要求[6]。

4 空间尺寸计算

根据标准IEC 60571—2006《铁路机车车辆电子装置》要求,跨座式单轨低压箱蓄电池模组选用80个单体1.2 V镍镉电池串联,标称电压为96 V。单体电池终止放电电压为1.0 V,总电压为80 V,最低电压不低于110 V直流电源的70%,符合110 V直流电源电压波动范围要求,适合为110 V直流电源电子设备供电。

单体电池尺寸为122 mm×115 mm×321 mm。低压箱处于跨座式单轨车辆底部轨道梁一侧,限制尺寸为680 mm×1 600 mm×1 200 mm。经过多种方案比较,选择单模组四行五列、共四组的方式布置。单模组电池尺寸为488 mm×575 mm×321 mm,增加隔板后修正尺寸为503 mm×593 mm×321 mm。单模组电池外形尺寸如图4所示。

▲图4 单模组电池外形尺寸

考虑最小电气间隙、散热及走线等因素,最终主柜设计尺寸长为1 470 mm,宽为643 mm，高为1 134 mm。接线盒尺寸按不同电压等级元件间距20 mm的要求进行布置,最终设计尺寸长为550 mm,宽为306 mm，高为446 mm。

5 强度仿真分析

采用Hypermesh软件进行强度分析[7-8],设定跨座式单轨低压箱边界约束,如图5所示。根据标准IEC 61373—2010《铁路设施 机车车辆设备 冲击和振动试验》要求施加载荷,仿真结果如图6所示。由图6可以看出,跨座式单轨低压箱最大应力为189 MPa,小于箱体材料Q355GNHE耐候钢板屈服强度(355 MPa);跨座式单轨低压箱最大变形为2.3 mm,小于变形预设量(5 mm)。可见,跨座式单轨低压箱的强度满足使用要求。

▲图5 跨座式单轨低压箱边界约束

▲图6 跨座式单轨低压箱仿真结果

6 布线模拟

采用CREO 4.0软件有缆模块,用于三维走线模拟。设置线轴相关参数,如最小折弯半径等,然后选择起止点,还可以自行选择经过点对走线路径进行定义。经过多次调整和优化,获得跨座式单轨低压箱内部布线[9-10],如图7所示。

▲图7 跨座式单轨低压箱内部布线

7 结束语

笔者设计了跨座式单轨低压箱,通过技术分析和计算仿真,验证了这一低压箱满足跨座式单轨车辆的技术要求。跨座式单轨低压箱已试制成功,进行样车测试,目前运行良好。