夏磊 赵亚文
中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031
摘要 从机械结构设计、电气排布、参数化设计方法三个方面阐述了轨道车辆上电器柜的设计。列举了本部门项目设计过程中关于电器柜的设计所遇到的问题，加以对比和总结，对提高电器柜的可靠性、可维护性、美观性和提高设计效率提出了研究建议。
关键词：机械结构设计、失效分析、布线
轨道车辆上电器柜所承载的电气设备及相关电缆的数量较为繁多。随着轨道车辆电气功能的增加。电器柜的设计难度随之增大。诸如机箱类设备、盘状设备、大量的低压电气元件、各类电气连接部件等设备需集中安装。电器柜既要起到配电盘的作用，又要作为各类体积较大设备的安装载体。在这种情况下，现有的柜体框架空间利用率低且不利于线束排布。在总结每一次项目经验的基础上，如何提高电器柜设计的可靠性，可维护性和美观性，同时通过创新方法提高设计效率是必须思考和面对的问题。
1、机械结构设计
1.1 电器柜的基本结构设计
柜体的设计力求按照模块化的思路，便于安装维护、便于线束的布放。柜体框架上具有模数孔。考虑设备不同的安装方式，并根据各设备所需的空间来确定基本尺寸和尺寸链的设计，尺寸系列按照通用标准和定型尺寸，并考虑模数化、标准化、系列化解决安装的互换性。
目前地铁车辆上电器柜普遍采用铝合金作为结构材料。电器柜的机械结构主要包括了“焊接框架”及之上的各类装配组件（以上海号线CREC柜为例，见图1）。“焊接框架”是电器柜设计方案的基础。
“焊接框架”应具有明确的功能区域划分。从功能区域上划分主要包括了：机箱类设备安装区域；继电器、接触器安装区域；小继电器安装区域；主线束区域；断路器安装区域；盘状设备安装区域；开关、按钮安装区域等（见图1）。
以上海13号线CREC柜为例，“焊接骨架”又可以分为：“外框架”及“内部二次框架”。“外框架”起总体支撑的作用（见图2）。“内部二次框架”不但起到了机箱类设备的支撑安装作用（机箱设备可将柜体深度方向的空间完全占据，并且保证机箱设备的正面留有一定空间以便于进线的拐弯和维护操作。），同时它也是周围各面板、支架安装固定的结构基础（见图3）。“内部二次框架”下方有一“内部面板”（图1当中件号28），该面板可用安装面范围较大，并且可作双面电气安装，正面安装继电器和接触器，反面安装盘状设备。柜体正反两面皆有开门结构，以扩展电器柜的使用空间。
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图 1 图2
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图 3
1.2、电器柜结构可靠性分析
“焊接框架”的可靠性是十分关键的因素。框架中零件之间的焊接设计应符合EN 15085-3的规范要求，电器柜在按照标准配重之后，应能符合IEC 613737: 1999 轨道交通 机车车辆设备冲击和振动实验1类A级的要求。
在对电器柜进行振动实验的过程中，需要关注所出现的机械结构失效的问题，这一点对于项目的设计进度和设计质量都会产生不小的影响。设计因素，加工工艺因素，材料因素等都可能是导致电器柜机械结构失效的成因。以下图片是上海13号线CREC柜振动实验过程中出现的失效问题。如图4中所示。
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由图4和图5当中的失效位置可以看出，电器柜机械结构当中的断裂、裂纹容易发生在柜内零件结构的拐角处，尤其是有焊缝存在的地方，又或者是承受载荷过大的，应力较为集中的地方。尽管电器柜机械结构出现失效的原因较为复杂，我们依然可以从设计和工艺的角度总结出若干经验，防止以后出现类似的问题。
1、对于零件之间的焊接接头来说，由于受热的影响，焊缝的起始点和终止点往往是零件上疲劳性能较差的位置，在设计中应避免使这些位置承受过多的载荷。
2、裂纹和断裂经常出现在零件上应力集中的位置，拐角的位置，刚度出现差异的位置。尤其是同时又有焊缝存在的位置。
3、对于铝合金来说，在焊接高温下，机械性能会大幅下降，可以在易出现失效的部位可以避免采用焊接连接的方式，可以考虑用螺栓连接、铆接等方式来取代。
4、对于某些易失效的部件，可以采用机械强度更高的金属材料来制作，比如采用不锈钢。
5、 对于焊接工艺进行管控，电气柜骨架需焊接处所有焊缝应均匀、无焊穿、裂缝、夹渣及气孔等现象，溅渣、毛刺清除干净。框架中各梁之间的焊接严密，不得存在应力角。所有焊缝焊肉饱满，成形好，无咬边、断焊、偏移，无气孔、夹渣，焊接后必须清除焊渣，所有外露焊缝或与其他零部件接触的焊缝，焊后必须磨平、光滑、无毛刺、不挂砂。
2、 电气排布
电气排布的难点主要在于电器柜内电缆的布放。不良的电气排布设计存在以下缺点：无固定的主线束区域，导致柜内布线错综复杂，线束不能做到横平竖直。在线束的拐弯处，主线束集结过粗，所受应力过大，美观性差。由主线束汇入各设备区域的线束，容易过粗，打结，挤压。整个柜内的设备排布与布线排布不协调，空间利用率低，可维护性、美观性差，柜内空间密闭，散热性差。如何避免这些问题是我们要考虑解决的。
有一种较好的设计方法，采用电器柜暴露面积比较大的一个侧面作为主线束布放区域，主线束区域的布置结构采用“窗框式排布”。在该区域中，各塑料线槽的安装形式为：依附于“焊接骨架”中的立柱、横梁及若干支架作横平竖直的布置，形成“窗框结构”。在此基础上，各长条形端子排垂直安装于主线束空隙之间 ，由此主线束与端子排之间分线较为简洁。“腰部横梁”（图1当中件号13），处在窗框结构的中心位置，对于主线束区域的横向分线排布起着重要作用。其截面设计较宽，故可以在其上面水平并排布置两个塑料线槽。柜体上下部连接器面板，与主线束的头尾紧密相连，保证了走线的顺畅。同时连接器面板以垂直向外的形式安装，保证了连接器安装的可维护性。整个主线束区域面向司机室过道，易于维护。
整个主线束区域并非独立隔绝的仅仅用来做主线束的布放，其与其他各设备区域之间具有巧妙的汇线路径。很重要的一个特点是由于主线束区域的布置结构采用“窗框式排布”，故这种布线结构对于每个设备区域都具有一定的辐射、覆盖性。利用这个特点，主线束可以在临近前门板区域的部位，通过将垂直走向的主线束分出若干条水平平行的细线束整齐地汇入前门板区域水平排放的每一个塑料线槽当中，开关、按钮、断路器区域当中的进线同样如此。在“窗框框结构”与“内部面板”衔接的地方， “内部面板”上水平布置的塑料线槽与主线束区域当中垂直布置的母线槽直接连接，同样达到了很好的分线效果。此外柜体内的机箱设备安装区域，上下部连接器安装区域，与主线束区域之间都具有良好的汇线路径，使整个柜体内的线束布放达到了主次分明，整齐美观的效果。以上海13号线CREC柜为例，布线效果见图6所示。
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图 6
3. 结语
电器柜的设计是轨道车辆电气机械设计的一个缩影，如何提高设计质量，提高设计效率，是我们一直将讨论的话题。本文从机械结构设计、电气排布、参数化设计方法三个方面阐述了轨道车辆上电气柜的设计方法及应注意的事项。有效地解决了设计和现场生产当中所遇到的问题。目前公司现已采用PMD软件对项目进行了综合的管理，结合本文中所提供的设计思路，尤其是参数化设计方法，是一种切实可行的实施办法。