轨道交通车辆变流器产品箱体防护设计

摘  要：轨道交通产业在我国高速发展，伴随着城市路面交通压力的持续增加和城市交通信息化水平的提高，目前仍然保持着迅猛的发展速度。牵引变流器作为车辆运行的核心部件，主要承担的是能量的转换及输送功能，它的性能的好坏会直接影响车辆的运行及车内乘坐环境。本文从轨道交通车辆变流器设备谈起，介绍了箱体的防护性设计，针对如何完善变流器箱体的防护性能，探讨了其中的几项关键设计。

关键词：轨道交通车辆变流器;箱体;防护性设计;IP防护;防爆

中图分类号：U216.6;TM46       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0145-03

0  引  言

轨道交通产业在我国高速发展，伴随着城市路面交通压力的持续增加和城市交通信息化水平的提高，目前仍然保持着迅猛的发展速度。

牵引变流器作为车辆运行的核心部件，主要承担的是能量的转换及输送功能，它的性能的好坏会直接影响车辆的运行及车内乘坐环境。变流器内部安装有大量电器元件，结构复杂、自重较大，而箱体作为其载体，首先必须要保证能够安全稳定地安装在车辆底部，其次要能够保证内部元器件的正常运行环境，因此涉及各类设计要求，如防护、轻量化、冷却、降噪、可维护性等，本文结合现有变流器产品，主要对箱体的防护性设计进行了分析。

1  防护性设计概念

本文涉及的防护性设计分为标识预防、IP防护以及防爆三点，设计以整体防护结构为主，辅以关键部位的特殊防护。

变流器设备布局时一般放置在车辆底部，个别箱体放置在车辆顶部，工作环境较为恶劣，需要充分考虑到车辆实际运营环境对箱体的影响，如低温、雨水、粉尘、柳絮等。GB 4208-2008/IEC60529：2001中规定了额定电压不超过72.5kV，借用外壳防护的电气设备的防护分级。设计时需要结合相关的IP等级试验，在保证箱体的功能性的同时，尽可能提高其防护性能。

1.1  标识预防

变流器箱体表面安装的标识的主要作用为提醒操作人员在作业前做好准备工作，并提示了正确的作业步骤。警告标识一般放置在箱门上，即可使操作人员在作业时第一时间能够看到其警告内容。标识包括警示符号、高压放电提示、作业准备提示、机械动作警示等，要求齐全、清晰、无损伤、无污染。

标识表面一般有非金属材料（热固性好、低吸湿性）防护层，单面背胶。然而由于箱体外环境较为恶劣，容易受湿热交变、盐雾等影响，我们在做相关试验时，发现有标识背胶失效的现象，主要原因是门板表面不平整，背胶貼合不紧密，为了保证在产品使用寿命期间标识不脱落，建议所有标识使用不锈钢密封铆钉进行固定。

1.2  防护等级（IP代码）

按标准规定的检验方法，按外壳对接近危险部件、防止固体异物进入或水进入所提供的保护程度进行分级[1]。设定防护等级是变流器箱体设计的先决条件。当实际运行环境比防护等级设定值更加恶劣时，将可能对箱体内部电气元件造成严重的影响。例如，当防护等级为IP54的箱体置于车顶，车辆运行时车顶如有积水，箱体将会短时间浸泡于水中，防水等级按标准GB4208-2008/IEC60529：2001至少为7，远远超过了原设定值4，对箱体内的母排等造成了严重的腐蚀。因此，变流器产品设计联络时，这点需要与车辆方进行沟通。

1.3  防爆

在做箱体防护性设计时，必须优先了解箱体内部各个电子元器件的机械参数，如工作环境、维护方法及周期、重量、安装方式等等，耐温性能差的元器件应远离冷、热源，利用热管效应，将发热件置于易散热的位置[2]。电弧、放电现象经常发生在继电器、接触器、开关上，箱体上正对高功率开关泄压口所在位置，必须加装泄压阀装置，防止过度冲击破坏箱体结构。根据冲击测试计算合理的泄压口大小和机构进行弹性释放，如图1所示。

某些元器件如传感器，过流产生爆炸时会产生一些金属粉尘，如果箱体内部没有恰当的隔离措施，粉尘扩散后会造成更多的短路放电，产生更大的冲击波，此时，冲击力已经远远超过了箱门本身的结构强度，可能造成箱门压紧锁失效，产生严重的后果，如图2所示。因此，门板的二次防脱设计至关重要。

2  防护关键项

2.1  箱体

国内外现有地铁平台的变流器箱体仍以铝合金材料为主，表面采用阳极氧化或者增加表面涂层进行防护，随着科技的不断进步，采用非金属材料制成的箱体渐渐进入我们的视野，主要有碳化硅、碳纤维等，非金属材料的采用将对设备的轻量化产生重大的影响。

无论采用何种材料，箱体必须在强度方面符合EN126 63-2010《铁路设备 铁路车辆车身的结构要求》、IEC613 73-1999《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》、TB/T13 35-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》，同时必须保证箱体在车辆正常运行的过程中产生的振动变形不影响其整体IP的防护性能。影响主要体现在箱体变形使压边与箱门密封胶条的配合产生错位，导致密封性降低。如图3所示，由于箱体过长，内部元器件偏重，重心集中在箱体中部，在振动过程中，箱体有轻微弯曲变形。

2.2  箱门

箱门作为变流器箱维护时的必要拆卸对象，首先必须有足够的强度来保证箱体IP防护的性能，其次要有合理的抗振防脱装置，最后还要方便维护。箱门尽可能少用除电阻焊以外的焊接方式，以减小变形程度，使箱门与箱体的实际配合状态尽量接近设计理想状态，如图4所示。

分析受力情况，正常工作时箱门主要受力点分布在四周的密封条位置、压紧锁位置以及防脱铰链位置。密封条按照壳体的密封槽尺寸，开模压制成型，安装时略微高于槽口，盖板盖上后压紧密封条，起到密封作用，密封条压缩量一般应大于20%[2];压紧锁安装于箱门下方，根据极端情况冲击力，将单个锁舌压紧力设定为1000N，锁舌通过旋转与箱体内的槽口压紧配合;铰链既需要起到正常的旋转连接作用，还要具备可拆卸和抗振防脱功能，其位置决定了门板的旋转中心。在极端情况下，如果箱体内部产生冲击，冲击力主要表现在箱门最薄弱的中部位置，如果中部位置产生变形，压紧锁受扭矩影响，锁舌将会从锁槽脱出，铰链作为最后措施，需要保证有足够的连接强度以防止箱门整体脱出。

箱门的两侧、中部加强筋、旋转中心以及抗振止挡将是防护关键项。

2.2.1  加强筋

加强筋可参考图5折边结构，受铰链和压紧锁的影响，门板直接受力点在上下位置，在密封垫理想压缩状态下，如门板两侧结构弯曲强度过低，势必会导致整个门板弯曲，影响密封性能。中部加强筋的作用是尽量减少门板在极端情况下的变形，将大部分冲击力转化为压紧锁的锁紧抗力。

2.2.2  铰链旋转中心

旋转中心过于靠近箱门内侧，如配合精度不够，将会产生“铡刀”现象：门板自然垂下时角度较大，为锁紧箱门，强行关闭将会使门板弯曲。因此，在设计时将旋转中心设置在箱门外侧，能够有效改善装配环境，如图6所示。

2.2.3  抗振止挡

车辆运行过程中，振动不可避免，铰链可以防止门板向下移位，而放置于门板下方止挡可有效防止向上位移，如图7所示。

2.3  葛兰板

变流器箱在装车时必然会通过葛兰孔连接车辆线缆，为方便车辆方维护和接线，一般会在箱体上设计葛兰板或连接器，通过螺栓连接固定，接线时拆卸，扩大维护检修空间。值得注意的是，葛兰板与箱体中间的密封垫不可过量压缩，橡胶密封垫是靠橡胶的弹力来密封的，如压缩量超过橡胶的极限而导致其失去弹力，容易造成裂纹，丧失密封作用，或影响橡胶垫的使用寿命。因此，密封的压缩量应控制在垫厚的1/3左右比较合适。

2.4  滤网

变流器箱一般有3种散热方式：自然冷却、强迫风冷、水冷[3]。自然冷却时，往往需要在箱体外部加装滤网装置，在保证IP防护的前提下，完成箱体内外热交换。某些特殊的接触器在长时间频繁开关后，箱体内部空气容易产生电离，此时相关的滤网装置兼具换气功能。

设计滤网时，优先确定IP等级和测试要求，如IP54，防尘等级决定了滤网目数和厚度，防水等级基本确定了滤网结构。如图8所示，可采用迷宫结构防止等级为4的溅水。

3  结  论

随着轨道交通产业的迅猛发展，变流器产品系统、元器件等也在不断地更新、优化，将会形成一套更简明、更轻量化、更高效、更方便的装置。箱体作为主要的机械构件，防护性设计至关重要，我们在选材与结构设计中仍需不断探索，努力突破瓶颈，通过可靠性计算和驗证形成新一代防护平台。

参考文献：

[1] GB 4208-2008/IEC 60529：2001，外壳防护等级（IP代码） [S].北京：中国标准出版社，2008.

[2] 汪方宝.整机电子装联技术 [M].北京：电子工业出版社，2017：253-260.

[3] 王少林，刁利军，林文立，等.低地板轻轨车牵引变流器通风散热设计 [J].电气传动，2009，39（4）：39-42.

作者简介：丁轩炯（1989.10-），男，汉族，江苏常州人，助理工程师，本科，研究方向：轨道交通制造。