高压箱内辅助二极管安装单元的设计优化与改进

程春宇　谢莹莹

摘要： 描述了地铁车辆用高压箱的构成和功能，阐述了其内部的辅助二极管安装单元的功能作用；对产品运用过程中辅助二极管安装单元发生的支撑绝缘子裂纹事件进行分析并提出优化改进方案，基于有限元对改进的安装单元进行精强度分析。

Abstract： This paper describes the components and functions of the high-voltage compartment of metro vehicles， expounds the functions of its internal auxiliary diode installed units， analyzes the supporting insulator crack of the booster diode installation unit in the process of product use and puts forward the optimization improvement plan. Based on the finite element， the strength analysis of modified installation unit is carried out.

关键词： 高压箱；辅助二极管安装单元；设计改进

Key words： high-voltage compartment；booster diode installation unit；design improvement

中图分类号：TN322+.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0105-02

0 引言

地铁车辆用高压箱主要由箱体（含安装框架）、高压转换开关、带散热器的辅助二极管、辅助熔断器1和2、车间电源插座、安全电锁和指示灯等组成，是地铁车辆的主要功能性设备，对地铁车辆的运行起关键作用，其功能是通过高压转换开关的档位转换，实现从受电弓受流给列车供电、入库时使用外接电源以及接地位。辅助二极管模块（含安装单元）在箱中起到保护后端设备的作用，防止雷击浪涌或短路对整车设备和弓网造成伤害。辅助二极管安装是通过绝缘子与箱体内部框家想连接，绝缘子保证电气间隙和爬电距离作用又起到支撑作用，故绝缘子的稳定和可靠对其二极管甚至整个设备的可靠性起到根本的作用。

1 事件的发生

我司接到国内某公司的产品订单，为其生产地铁车辆用高压箱，经过方案设计—方案确认—首件试制、性能试验和确认—装车运用等一系列环节，生产出的高压箱满足客户的要求，也得到了客户的认可。具体高压箱图见图1。

生产的高压箱在经过一断时间的运行后，用户反馈高压箱内辅助二极管安装单元的六柱型绝缘子（见图1，用于辅助二极管支撑用）有裂纹的现象，如图2。存在一定的安全运用风险，要求我们进行改进。

2 技术分析及原因

在接受到用户反馈的信息后，我们做了以下工作：

一是对安装单元的4个支撑绝缘子从绝缘子的材质、性能试验（机械性能）、外形尺寸、安装误差等几个方面进行统计分析，分析结果见表1。

二是，与客户进行了详细的技术交流，主要是对车辆的运用环境、线路状况做分析，通过交流得知：该地铁车辆运行基本上全程高架桥，在建设时考虑到成本（尽量减少房屋动迁费用）和建设要求时间等多方面因素，线路平直路段短少，设计的弯道较多。

综上，我们可以得出绝缘子产生裂纹的原因：车辆在运行过程中，由于线路弯道多，安装单元的绝缘子持续受到交变载荷的冲击，长时间运行导致绝缘子产生裂纹。根本原因是：产品在设计初期，对车辆运行线路的工况信息收集不够，导致绝缘子选型存在偏差。

3 方案的设计优化及静强度计算分析

结合上述的原因，对箱内原安装单元的设计方案做以下优化：

①对二极管支撑绝缘子重新选型，考虑到强度的要求，支撑绝缘子由六柱型改为纺锤型，见图3。

②考虑运行环境复杂，交变应力多，对支撑绝缘子根据设计冗余理念，采用六个纺锤型绝缘子做支撑，增加2支撑点，以分担辅助二极管的重量，保证其支撑可靠性。

③为了对新的安装方案的可靠性进行严整分析，故对辅助二极管安装单元采用有限元分析方法对其安装后的状态进行静强度分析。其分析过程为：

1）辅助二极管安装单元构成说明。

该单元中构架结构材料6061T6，屈服强度290MPa，安全系数取值为1.15，因此静强度应力不得超过290/1.15=252MPa。

主要组成部件：安装构架、辅助二极管（重量11.13kg）、304吊座、汇流铜排、纺锤型绝缘子。

利用Hypermesh建立构架的有限元模型。如图1所示，该构架结构采用SHELL单元模拟；二极管散热片、螺栓垫块、绝缘子采用solid单元模拟，螺栓采用beam单元模拟，焊缝采用节点耦合方式模拟，梁、板用SHELL单元模拟。模型如图4所示。

2）辅助二极管安装单元工况计算过程。

根据EN 12663和DIN-EN 485-2标准要求并结合实际工况，确定3个方向加速度值选取，见表2；确定安装单元所用材料的机械性能值选取，见表3。

3）静强度计算结果及结论。

如下图5、图6、图7为三个工况纵向、横向、垂向应力云图，最大值分别为11MP、40 MP、112 MP，远小于对应母材的屈服强度。最大值位置分别如图所示。

计算结果表明，优化过的辅助二极管安装单元在设定的工况下，辅助二极管安装单元没有出现应力集中现象，且各点应力分布均匀。

至此，我们得出结论：优化后的辅助二极管安装单元方案满足使用要求和设计要求。

4 结束语

按照优化后的方案进行装车运行后，在线路上运行效果很好，未再发生绝缘子裂纹事件，客户很满意，保证地铁车辆的安全运行。

参考文献：

[1]EN 12663，铁道应用—轨道车身的结构要求[S].

[2]DIN-EN 485-2，铝和铝合金薄板、带和板材的机械性能[S].

[3]陈宏钧主编.实用机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，1996.