地铁车辆高压电器箱的系统设计研究

史建强，韩国风

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031 )

地铁列车作为城市轨道交通重要的载运工具，越来越受到各个城市的重视，与此同时对于地铁车辆牵引设备的需求量也在不断加大[1-2]。高压电器箱作为地铁车辆牵引系统的重要组成部分[3]，为牵引系统、辅助电源系统等列车高压设备引入高压供电，可以实现列车正线运营与车间维护的供电模式转换，保护列车高压回路，为后侧变流器提供预充电等功能。

高压电器箱为车下车架吊挂设备，运行环境较为恶劣，同时地铁车辆的轻量化设计也要求高压电器箱具有高度集成化、轻量化的特性，因此箱体的机械强度、密封特性等显得尤为重要。

目前常见的高压电器箱体积较大，集成度不高，甚至需通过多个设备箱体实现其主要功能，导致总体质量增加，占用较多车下布局空间，使得车下各设备之间线缆搭接、管路连接增多，生产、维护难度和成本提高，同时系统的兼容性、稳定性和可靠性也有所下降，带来更多的风险点。基于此，本文设计了一套结构紧凑、质量较轻、集成度高、功能齐全的地铁高压电器箱，可大大提高地铁牵引系统的空间利用率，简化地铁车辆的车下布局，符合地铁车辆轻量化、简便化的要求。同时箱体设备各个功能模块布局合理，维护便利，系统的稳定性和可靠性也有很大提高，还可提高生产组装和现场检修效率。

1 高压电器箱设计

1.1 系统布局设计

根据目前地铁用户对车辆运营的优化要求，高压电器箱设备除实现牵引及辅助系统高压供电、电源模式转换、高压回路保护等基本功能外，还增加了蓄电池牵引功能，因其需实现的功能较多，导致系统设计复杂。高压电器箱的系统设计需要以电气原理系统为基础，根据要求进行相关功能布局与设计，从而实现箱体的合理布局。如图1所示，根据系统设计要求将箱体分为牵引高压区域、辅助高压区域、电源模式转换区域和蓄电池牵引区域。其中，每个区域对应相关功能的电器件，这些电器件主要以组件模块的形式布局在箱体内。同时各区域功能独立化设计，方便系统电缆或铜排的搭接，减小跨区域的连接，节约成本，也方便功能系统化管理，降低误操作率，具有高集成性和高兼容性。各个功能区域的模块化使得各个功能单元安装相互独立，减小了各功能单元间的电器干扰且组装及拆卸方便；各功能单元均分布在打开门板的可视区域，便于高压电器箱的生产组装、试验调试、现场维护和检修。

图1 设备箱体的功能布局图

1.2 设备箱体设计

通过三维软件对高压电器箱进行三维建模(图2)，可直观、清晰地展示箱体的空间结构、安装细节及线缆走向，还可减少安装干涉、布局不合理等现象，同时也为后期机械强度仿真分析提供了建模依据。

图2 高压电器箱三维示意图

目前设备箱体常用材质为不锈钢和铝合金，其性能对比如表1所示。虽然铝合金材质在抗拉强度、延伸率等方面对比不锈钢没有优势，但其密度仅为不锈钢材质的三分之一，因此在满足箱体强度的要求下，使用铝合金材质更便于设备箱体的轻量化设计。图2所示的高压电器箱箱体由框架、面板和吊耳组成，材质均为铝合金。其中框架由L形型材焊接而成，保证了箱体的强度，且焊接变形量较小，易保证箱体尺寸精度。面板通过铆钉铆接到框架上，从而避免了多区域板材焊接引起的板材变形、尺寸误差加大等现象，同时生产工艺上获得了更多的精简，组装效率有极大提高。吊耳通过螺栓形式进行安装，使得吊耳的安装灵活性加大，方便应对安装不同悬挂要求的车辆，实现不同项目高压电器箱设备的统型，缩短整个系统的设计周期，同时也大大节约了前期设计成本和生产成本，满足地铁牵引系统统型平台化设计的趋势要求。

表1 不锈钢与铝合金材质性能对比

由于地铁车辆车下运行环境较为恶劣，尤其是目前较多地铁车辆在地上、地下均有运行，使得运行环境变得更为复杂，因此其车下设备的密封特性显得尤为重要。如图3所示，高压电器箱采用双层密封条的压合方式，其中内侧密封条安装在箱体门框上，外侧密封条安装在门板上。通过门板的锁紧，内侧密封条挤压门板内侧，外侧密封条挤压箱体外框，实现两层密封条的压合密封。该双层密封方式可以更好地应对各种复杂的运行环境，极大地提高了箱体的防护等级以及长时间运行的可靠性，同时可防止灰尘、水等异物进入箱体内部，保证设备的正常运行。

图3 双层密封条压合方式

2 高压电器箱强度仿真

2.1 箱体建模

利用HyperMesh软件对高压电器箱进行网格划分以及建模分析。图4为高压电器箱有限元模型，其中约束X方向为地铁车辆运行方向(即纵向)，Y方向为横向，Z方向为垂向。根据高压电器箱的结构特点，主要采用壳单元模拟，设计单元大小约为10 mm，厚度取模型设计值。整个模型单元共290 555个，节点共178 986个。高压电器箱内部各器件按照各自质量采用质量单元进行模拟，螺栓采用梁单元进行模拟，其余连接处均采用耦合约束进行简化处理。

图4 高压电器箱有限元模型

2.2 仿真计算分析

目前，轨道交通车辆设备常用的振动冲击试验标准为IEC 61373：2010《铁路应用 铁道车辆设备冲击和振动试验标准》，依据标准对高压电器箱静强度、疲劳强度以及模态进行仿真计算分析，从而评估是否满足标准要求[4]。

通过仿真计算分析可知，在各个工况下其框架最大静强度为38.3 MPa，位于顶部横梁与中间纵梁焊接处，远小于型材的许用应力。在疲劳计算中，箱体材料的利用系数均小于1.0，其中最大处为顶部横梁与纵梁的焊接处，利用系数为0.52，满足设计要求。同时对箱体的模态进行了分析，箱体的一阶模态频率为28.5 Hz，该频率位于标准的振动主能量区外，符合标准要求。图5为高压电器箱一阶模态振型图。通过仿真分析可知，高压电器箱箱体满足设计要求。

图5 高压电器箱一阶模态阵型图

3 高压电器箱试验分析

3.1 振动冲击试验

根据振动冲击标准规定，高压电器箱需按照1类A级要求进行3个方向的模拟长寿命试验、冲击试验以及随机功能性试验。图6所示为设备的ASD频谱曲线图。图6中频率范围由设备箱体的质量来确定，如本次试验设备质量为325 kg，振动试验的频率范围应为5～150 Hz。本文按照标准要求，以高压电器箱为振动试验对象，利用振动冲击试验平台进行相关试验验证。

图6 1类A级车身安装设备的ASD频谱曲线

对高压电器箱进行模拟长寿命试验、冲击试验以及随机功能性试验后，设备箱体外观及结构均完好，无螺栓、器件脱落现象，因此验证了高压电器箱的箱体结构设计满足强度和刚度要求。图7为高压电器箱的垂向试验工况。

图7 高压电器箱的垂向试验工况

3.2 密封性能试验

本文按照地铁车辆实际运行环境与要求，参照标准IEC 60529：2011《机壳提供的防护等级(IP代码)》规定的IP65试验等级条件对高压电器箱进行相关密封性能试验[5]。箱体密封性能试验依次进行了防止接近危险部件试验、防尘试验及防水试验。箱体密封性能试验条件及结果如表2所示。试验结果显示箱体无灰尘、水进入，满足标准密封要求。图8为高压电器箱防尘试验环境工况。

图8 高压电器箱防尘试验环境工况

表2 箱体密封性能试验条件及结果

4 结论

本文依托《系列化中国标准地铁列车研制及试验》项目，根据其对牵引系统轻量化、系统化的设计思路，设计了一套结构紧凑、布局合理、集成度高的高压电器箱设备。首先通过三维建模对各个功能模块进行了合理布局，然后选用铝合金材质的高压电器箱体，通过框架焊接、面板铆接、吊耳螺栓紧固的方式实现了箱体的轻量化、统型化设计。运用HyperMesh软件对箱体进行了静强度、疲劳强度以及模态的仿真计算分析，最后通过振动冲击试验和密封性能试验进一步验证了箱体的可靠性和稳定性。本文将多种系统功能集成到一个设备箱体中，实现了高压电器箱的高集成、高兼容性的设计目标，同时方便设备器件的安装和维护，大大提高了生产组装和现场检修的效率。