城轨车辆司机室电气柜设计的研究

韩玮，邵春伟，李生军，张利军

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031）

1 概述

司机室电气柜主要从两个方面进行设计：一是柜体结构设计，它主要包括确认外形尺寸、设计柜体的强度；二是电气柜的内部设计，它包括安装布置电器件、设计柜内走线、出线以及其他一些辅助设计。传统电气柜在现场进行设备布置和布线的安装方式，不仅工序烦琐，且因各系统之间不同的电气和机械接口，容易导致调试时出现的故障点较多。现常用模块化设计，其优点如下：（1）提高生产效率，省掉现场操作烦琐的工序（2）降低车辆在运行过程中的故障率。

本文以某市地铁2号线项目司机室电气柜为例，简单阐述司机室电气柜设计方案。司机室电气柜实物如图1所示。

图1 司机室电气柜

2 结构设计

2.1 框架结构设计

根据主机厂对车体整体设计要求，某市地铁2号线项目司机室电气柜采用开放式、铆接形式框架，外形尺寸为：795mm×615mm×1950mm（长×宽×高），柜体通过顶部垂直的两个12mm×40mm长圆孔和底部水平的4个12mm×50mm长圆孔与车体进行固定。为实现产品轻量化设计理念，在满足柜体强度的前提下，柜体主框架材质选用T=4.0mm铝合金（5754 H111）折弯结构。为方便业主后期新增其他需求调整柜内器件的安装位置及尺寸，柜体框架及安装梁均预留φ6.8mm孔，可根据需求调整安装梁的位置，减少变更成本和缩短变更时间。柜体框架如图2所示。

图2 柜体框架

2.2 仿真计算

为避免柜体结构设计存有缺陷，在生产前选用有限元法对柜体进行计算分析，为后续电柜体批量投产提供理论依据。

（1）仿真模型建立。柜体使用Solidworks软件进行建模，导入ANSYS软件进行计算分析。司机室电气柜结构模型如图3所示。材料属性如表1所示。

图3 电气柜结构模型

表1 材料属性

根据司机室电气柜结构，结构件采用SHELL181单元进行模拟，厚度取设计值；布置电器件部分采用SOLID185单元进行模拟；质量件按照实际重量采用MASS21单元进行模拟，关键部位建立零件之间的接触进行承力；螺栓及铆钉连接处采用梁单元进行简化。整个模型单元大小约为6mm，结构单元共约28万个，节点共约30万个，有限元模型如图4所示。

图4 柜体有限元模型

（2）仿真条件及评定标准。依据地铁的运行情况确定司机室电气柜静强度分析的五种载荷工况和疲劳强度分析的三种载荷工况，如表2所示。

表2 电气柜载荷工况

（3）仿真结果分析。通过ANSYS软件对司机室电气柜在各载荷工况作用下应力大小及分布情况进行分析，分析结果如图5、图6所示。图5为静强度工况1-5作用下，电气柜的应力云图。图6为疲劳强度工况1-3作用下，电气柜的应力云图。在静强度和疲劳强度载荷不同工况作用下，电气柜强度计算结果如表3、表4所示。

表3 电气柜强度计算结果（静强度工况）

表4 电气柜强度计算结果（疲劳工况）

图5 静强度工况1-5作用下电气柜的应力云图

图6 疲劳强度工况1-3作用下电气柜的应力云图

通过计算分析，电气柜静强度及疲劳强度满足设计要求，为柜体结构设计提供理论依据。

3 柜内设计

3.1 器件布置

在满足客户需求的前提下，实现司机室电气柜模块化设计，器件布局合理紧凑尤为重要。优先应根据供电方式、功能组不同，对断路器、接触器、继电器等器件分类放置。思路如下：首先，根据车体电气系统原理图统计出器件清单，确保满足所有系统配置的全部功能；其次，进行合理器件布局，根据每个器件的体积、尺寸、最小出线空间及检修操作空间等要求，确定器件的最合适位置；最后，将电气柜内所有器件选用最佳的连接途经，从而构成一个满足功用的电气柜。

根据车体系统原理及客户要求，电气柜靠近司机室侧安装的设备主要有中继模块、MVB分线盒、断路器、继电器等器件，客室侧安装的设备主要有端子排、继电器。为实现城轨司机方便观察车辆运行情况，在司机室侧增加面板结构，通过检查门上的明窗直接观察柜内器件运行情况。为方便司机操作，电柜体面板安装的电器元件主要包括按钮、旋钮，电压表以及断路器等。面板如图7所示。

图7 司机室电气柜面板

3.2 布线设计

电气柜柜内常见的布线方式有3种：扎线板、扎线杆、线槽。扎线板及扎线杆的布线方式是用扎带将导线捆扎成束，优点是充分利用柜内的空间，实现柜体紧凑设计，缺点是捆扎工作量较大，后期维护困难。线槽布线的优点是容易布置且方便维护，缺点是占用空间大。综合考虑，在满足走线空间的情况下为了方便布线，优先选用线槽。

电气柜布线方式不仅要考虑最短路径和美观，还要考虑电磁是否兼容。按照EN50343铁道车辆布线规则的要求，电缆分为三类，如表5所示。邻近的电缆可能会通过辐射、感应等方式发生耦合的情况，导致彼此成为干扰源。因此，在电气柜布线设计时，需将不同种类的电缆尽量分隔布置。间隔的距离与电流强度、带宽、平行布置的长度、抗干扰度等有关。不同种类的电缆最小距离如表6所示。

表5 与EMC有关的电缆类别

表6 不同EMC电缆间的最小距离

在电柜体布线设计中，若不同种类电缆之间距离达不到最小隔离距离要求时，可通过用金属管、全体屏蔽、金属传输管等措施进行隔离。

3.3 接地方式

柜体上焊接M6设备接地座，采用M6X12螺栓紧固接地线，每个接地座上接线不超过3根，设备接地线采用2.5mm²黄绿电缆（有特殊要求除外），以接地线就近连接原则，电缆长度不超过500mm；柜体对车体接地采用M8接地座，选M8X25外六角螺栓用于紧固接地线，车体接地线选用铜镀锡编织电缆。

3.4 柜体安装方式

根据整车设计要求，柜体与车体共有6个安装点：柜体顶部2个安装点、柜体底部4个安装点。固定电气柜的紧固件选用M10X25外六角螺栓、M10弹平垫及M10螺母。因车体预留的电气柜安装座焊接公差±6mm，柜体预留安装孔可调节范围在±4mm，确保柜体安装。车体上的安装孔与柜体上的安装孔成十字交叉，电气柜在两个方向上均有调整量。安装示意孔如图8所示。

图8 安装孔示意图

4 结语

现阶段，电气柜产品模块化设计、柜体轻量化设计理念在轨道铁路车辆设计研发中尤为重要。在柜体结构方面，当前常用较成熟“L”型、“U”型、角铝、槽铝等型材，也要探索并应用其他类柜型结构的设计理念，如“威图机柜”的九折型材柜体结构等。通过对司机室电气柜框架设计、电气设计、布线设计的阐述，进一步阐述了模块化设计的理念，此设计理念已在多个城轨地铁项目司机室电气柜的设计中得以运用，并取得了一定的效果。