铁路信号机柜设计与性能仿真

李小平

（卡斯柯信号有限公司，北京 100160）

随着我国铁路运输向高速、高密度和重载方向的飞速发展，铁路信号系统也从传统的保障铁路运输安全的“眼睛”，变成了保障行车安全、集中调度管控、提高运能和运力并改善运输劳动条件的铁路“中枢神经”[1]。电气化铁路线路周围复杂的电磁、强振动环境会对铁路信号设备的稳定工作造成极大影响，作为容纳铁路信号电气或电子设备的独立载体，铁路信号设备机柜为信号核心安全设备提供了防水、防尘和防电磁干扰等的安全运行环境，其设计的优劣将直接影响铁路信号设备工作的稳定性[2]。部分企业标准已对信号设备的室内外机柜外观、结构和防护等级等做了明确的规定，铁路信号机柜均达到了技术规范和CRCC 要求，但机柜设计还是存在较多差异和不合理之处[3]。该文总结了现有机柜存在的关键问题，分析了影响设计的各类因素，结合工程经验，提出了信号设备机柜设计的改进原则和方法。

1 铁路信号设备机柜现状

经现场实地调研发现铁路信号系统机柜存在如下问题[4]：1）机柜结构设计强度不够或过强，影响设备安装空间。2）机柜柜内电气设备布局差异较大，甚至布局不合理，造成不易操作、散热不良等问题。3）集成度不高，空间资源利用不合理，侵占维护空间，导致维护困难。4）机柜内部设备标识参差不齐，不易直观区分设备名称或板卡名称。

2 铁路信号机柜的设计

铁路信号系统需要各子系统机柜内的信号设备有序配合，才能实现其复杂的联锁、联动功能，每个子系统独立而不可或缺。铁路信号设备按安装位置分为3 类，即车载、室内和轨旁。车载机柜主要安装在机车上；室内机柜主要安装在线路的车站、中继站或调度中心机房；轨旁机柜主要安装在轨道附近且不影响列车运行的位置。因为机柜安装、运行环境不同，所以对防护等级、尺寸和结构等方面的要求也大不相同。

机柜安装的环境决定了其性能需求、机柜型材选择、散热方式等整体方案。关于环境因素，需要明确其安装方式、安装位置和工作环境的温度、湿度、沙尘防水等级、防雨以及防异物进入等因素，如安装在沙漠中的轨旁机柜必须考虑防尘、冰雪和太阳辐射等因素。

机柜结构布局和外观是机柜整体形象的体现，不仅包括机柜的尺寸、整机颜色、表面处理和机柜涂层等方面的详细要求，也包括柜体门锁、铰链等的形状、大小，标识的安装位置、尺寸机柜铭牌等要求，还需要关注客户的特殊要求。机柜结构主要根据工程现场环境、固定方式和柜内设备，需要考虑柜体型材、安装空间、柜内配线、理线线槽、开门角度、柜门类型、出线方式、隔热以及后期维护便利等方面的因素。

根据上述实际应用分析，机柜的结构布局和散热是影响铁路信号设备稳定性的重要因素，因此该文对铁路信号机柜的结构和散热设计方法进行了优化，具体设计过程如下。

为了便于系统维护并减少机柜设计的复杂度，该文根据从上至下的原则，将铁路信号柜内完成同一功能的设备作为一个整体模块。整个柜内设备分为若干功能单元模块，并明确各单元模块间的联系，再对其功能模块进行布局和设计。铁路信号机柜一般分为安全主机单元、通信接口单元、辅助维护单元、冗余电源单元和驱动采集单元等，一方面可减少模块内部的线缆长度和模块间连接的复杂度，另一方面可使铁路信号机柜内部结构清晰、空间布局合理。最后采用分层的模块化结构设计方案。结构布局设计过程还要考虑实际应用，如应将比较重的模块布置在机柜底部，散热量较大的设备布置在机柜顶部，系统维修辅助单元则需要设计在便于现场人员维护的位置，距机柜底部约23cm 的位置等，具体如图1所示。

图1 铁路信号机柜的分层设计

在图1 中，可以同时看到铁路信号机柜的2 个面，即正面和左侧面，粗实线代表铁路信号机柜的框架，细线代表各功能模块层次间隔布局。从图1 的结构可以看出，该文设计示例的铁路信号机柜内部共划分为5 个不同的功能区域，每个功能区既相互联系又独立分布。对每个功能区的设备再进行详细设计，从而可以确定每个功能区的占用机柜的容积、高度等参数，由此可以确定铁路信号机柜的高度和个数。其计算如公式（1）所示。

式中：H代表铁路信号机柜的总体高度；Hi代表铁路信号机柜第i层的高度；HF代表铁路信号机柜的总体高度中的辅助高度。

HF的计算如公式（2）所示。

式中：HF代表铁路信号机柜的总体高度中的辅助高度；HU代表铁路信号机柜顶部的辅助高度；HD代表铁路信号机柜底部的辅助高度。

标准机柜的宽度有明确的规定，该系统机柜的数量N如公式（3）所示。

式中：N代表机柜的总数；HG代表标准机柜容纳设备的最大高度。

对非标尺寸的机柜来说，不仅要考虑其总体高度，还要考虑内容设备和线缆的体积需求、机柜的整体协调性，可以计算出铁路信号机柜的总体体积和机柜数量，如公式（4）所示。

式中：V代表铁路信号机柜的总体积；H代表铁路信号机柜的总体高度；L代表铁路信号机柜底面的总体长度；W代表铁路信号机柜底面的总体宽度。

除基本的结构设计以外，铁路信号机柜还需要设计立柱、支架、滑轨托盘等内容装配结构，便于各种信号单元的安装固定。

机柜散热设计也是机柜设计的重点之一。据调查，机房内机柜局部过热的现象普遍存在，仅局部过热问题引发的系统宕机现象就达到了32%。合理的布局和风道设计是有效散热的关键。进行产品热设计时需要考虑环境温度。先评估机柜内设备的总热功率P总，通过计算得出满足热交换所需的风量，再设计机柜散热方式，并选择合适的风扇。

设计机柜内设备总热功率如公式（5）所示。

式中：P总为机柜内部所有设备的热功率；Pi为单个设备的热功率；Pr为柜内电源线缆的热功率。

无热功率参数的设备如公式（6）所示。

式中：P为设备的额定功率为设备的输出功率；Po设备的输出功率。

散热方式主要为自然对流散热或强迫风冷散热方式。机柜默认是带风扇的强迫风冷机柜，但产品设计要满足机柜在无风扇条件下正常工作的要求。3 种散热方案是铁路信号机柜常用的设计方案如图2 所示。

图2 铁路信号机柜散热方案

方案1 适合自然对流散热机柜，其对环境要求较高；方案3 适用于室外轨旁机柜；方案2 是基于方案1 优化过的散热方案，适用范围比较广，适用于室内机柜和车载机柜。该文设计采用方案2，为强迫风冷方式。为能够形成有效风路，托盘等设计需要采用网状或开孔设计，防止柜内热聚集。在散热比较差的地方需要单独设计风扇，进行助力散热。同时，铁路信号机柜的主立面补空应为实性，便于机柜内部形成有效散热风路。

强迫风冷需要考虑传导和对流。由于路径复杂，精确评估传热能量不现实，针对铁路信号机柜产品的特点，对机柜热设计进行初步评估时，选择采用质量守恒的方式。质量守恒公式如公式（7）所示。

式中：Q为风扇风量；p为空气密度；Cp为空气比热容；ΔT为为机柜进出风口的温度差；t为时间，h。

机柜所选风扇的最大风量建议满足Qmax=2×Q，其中Q是根据评估得到的风扇实际风量要求。除了需要设计风扇的风量，还需要注意风扇的风压。风压主要和内部设备的体积、摆放位置有关系，由于产品机柜内的布局方式较多且结构差异较大，因此可以通过热仿真来验证其有效性。

3 铁路信号机柜的结构性能仿真

完成铁路信号机柜的结构设计后，需要对其力学性能进行仿真分析。尤其是车载机柜和轨旁机柜，由于二者安装在振动强度较大的列车上和环境比较苛刻的轨旁，因此其在运行过程中的动态力学性能比静态力学性能更值得关注。

和静止摆放的室内机柜相比，列车上的车载机柜和轨旁机柜的工作条件更复杂。尤其是在运动过程中，列车高速行驶会使车载无法避免地发生颠簸和振动，导致车载机柜也会受横向和纵向振动载荷的影响。相对而言，车载和轨旁机柜所受的横向振动载荷更大。在垂直方向上，机柜和铁轨之间不会产生较大偏移，因此比较平稳。在水平方向上，车载和轨旁机柜所受的横向振动载荷就会比较明显。最主要的原因是列车经常受紧急制动和室外自然侧风的影响，产生强烈的加速和减速，从而引起铁路信号机柜明显的横向振动。

据此，该文重点研究轨旁和车载机柜横向的振动变化，体现为加速度层面的冲击，因此对加速度进行谱密度观测是进行横向振动冲击试验的重要手段。对加速度谱密度前、后变化的计算如公式（8）所示。

式中：P1表示加速度突变前的加速度谱密度；P2表示加速度突变后的加速度谱密度；f1表示速度突变前的加速度变化频率；f2表示速度突变后的加速度变化频率；S表示斜率。

然后采用ANSYS 软件进行有限元建模和仿真，可以看到整个铁路信号机柜横向应变的变化，如图3 所示。

图3 铁路信号机柜整体的横向应变分析结果

从图3 可以看出，在模拟运动过程中，铁路信号机柜整体的左、右两侧外壁所受的应变变化均匀。从图3 的区域划分情况来看，其应变大小主要集中在0.11mm～0.16mm。铁路信号机柜产生的应变最大值出现在0.25mm 左右，主要集中在正面顶部、侧上中部的位置。从右侧面的情况看，其中向上靠正面的位置产生的应变也比较明显。铁路信号机柜整体偏下的位置产生的应变则比较小。底部和后面的应变基本接近于0mm，这与这些位置加固得比较牢靠有关。但从应变的变化范围来看，该文设计的铁路信号机柜完全在安全范围内，不会影响内部电子结构的使用。

铁路信号机柜整体的横向应力分析结果如图4 所示。从图4 可以看出，铁路信号机柜整体所受的横向应力均处在比较低的水平，即≤110MPa，可保证设计的铁路信号机柜在极端条件下能够稳定运行。

图4 铁路信号机柜整体的横向应力分析结果

4 铁路信号机柜的热性能仿真

铁路信号机柜的设计效果是否理想，还有另外一个重要的考核因素——热性能考核。铁路信号机柜内部承载了大部分电路板和电子器件，需要24h 不间断运行，即使各电路板、电子器件都不是满负荷工作状态，也会产生大量热量。如果机柜的散热设计不理想，就会造成机柜内局部温度过高，进而导致电路板和电子器件失效——这是CPU 失效最常见的现象之一。因为在各种电子器件的工作过程中，CPU 计算量最大、处理速度最快，所以也会消耗更多的电功率、产生更高的工作温度，超出其极限工作温度就会导致宕机。

该文设计的铁路信号机柜充分考虑了散热功能的设置，具体的散热结构设计如图5 所示。

图5 铁路信号机柜前、后面的散热设计

铁路信号机柜顶部是机柜整体散热的主要区域。在机柜设计中，一方面，机柜后门下部设计了入风口，顶部有强迫散热风扇，可保证机柜从底部到顶部形成一条有效风路；另一方面，机柜前门设计为蜂窝孔状（也为了满足有效电磁兼容性能），并且柜内每个设备间至少设计了1cm 间隔，在强迫散热失效后可自然散热。

为了验证该文设计的散热性能，使用ANSYS 软件对机柜的热力图进行仿真，如图6 所示。

图6 铁路信号执行机柜热力仿真（℃）

将自然对流和强迫风冷设计进行对比，分别记录机柜内不同高度的5 组芯片（以VCU 为例）的最高温度情况，如图7 所示。

图7 铁路信号机柜内5 组VCU 的温度情况

图7 中，横坐标代表机柜内不同高度的关键5 组VCU的序号，纵坐标代表VCU 表面温度。实线代表自然对流散热设计下VCU 的温度变化，虚线代表强迫风冷散热设计下5 组VCU 的表温变化。对比2 组曲线的情况可以看出，优化后的散热性能有效提升约20%。这说明采用有效的方法设计机柜内部的散热风路和选择有效的散热方式有助于提升机柜的整体散热水平，确保柜内板卡和设备能稳定工作。

5 结论

铁路信号设备机柜不仅为中枢神经系统的核心器件提供安装支撑、电气连接和状态指示等功能，也为其内部IT 设备提供可靠的电磁环境和外部防护。其设计的好坏将直接关系整个系统性能的稳定性、设备开通运行后的可维护性以及柜内IT 设备的运行寿命，还会直接影响铁路信号产品日常维护的劳动强度。该文对铁路信号机柜进行结构设计、散热设计的优化，并通过试验验证了设计结果的有效性。结果表明：通过系统性设计，可提高铁路信号机柜的结构性能、散热性能以及产品在复杂环境下的适用性，也可提升设备在后续运行中的可维护性。