杭州地铁专用线车辆电气柜的模块化设计

杭州地铁专用线车辆电气柜的模块化设计

1模块化电气柜的应用长期以来，车辆电气仪表的电气线路一直是车辆的电线。换言之，当车辆安装客车时，通过手动安装电线，完成电气连接并最终连接时，这种传统的直线方式存在很多缺点，主要体现在以下方面：1.车距窄，操作难以确定；2.占领时间长，严重影响工作效率。3.线路不规范，质量难以保证；维护和维修既方便又快捷。部件的更换和系统可离性差；人为因素多，质量控制难度大。模块化设计理论最早出现于20世纪50年代,经过不断的探索和实践,其理论和应用技术日益完善,模块化设计已成为一种应用广泛的现代化的设计方法。众多的轨道交通制造商如阿尔斯通、庞巴迪、西门子等也逐步开始应用模块化设计,南车南京浦镇车辆有限公司(以下简称浦镇公司)在孟买地铁一号线的设计中也采用了模块化设计的思路。采取模块化设计的电气柜可以在车下安装设备并进行布线,不占用车上狭小的空间,最后整体吊装上车。仅需要把柜体和车体进行几处必要的机械连接、连接器对插即可。这样做的优点是:(1)柜体模块化生产,柜体内设备安装、布线、线束的检测都在车下完成,不占用整车台位时间;(2)柜体的对外接口采用连接器,上车后与司机室、客室及其他电气柜的线束直接使用连接器对插连接;(3)并行处理,大大提高工作效率和生产效益;(4)易于更换受损模块。如设备损坏需要更换时,只需将其拆下,更换另一个全新模块即可,大大缩短了维修时间。2建立挠曲模型杭州地铁一号线车辆客室ATC(列车自动控制)电气柜采用整体框架焊接形式,并多采用折弯形式以增加柜体的强度。通过挠曲量计算以及有限元分析可以得出折弯件折弯之后强度的变化,对比分析钣金件折弯前后的受力情况:以柜体及需要安装的设备重量为依据,考虑到柜体采用焊接框架的因素,在模型两端施加全约束,中部施加100N作用力进行分析。建立挠曲模型如图1所示。分析结果表明,普通钣金件在上述模型下的最大应力值为104.5MPa;最小应力值为0.6528MPa(见图2)。折弯后的钣金件最大应力值为20.08MPa;最小应力值为0.09610MPa(见图3),也即折弯件可以整体提高钣金件的承载强度。因此模块化设计的电气柜在有大设备安装时多采用折弯形式来增加柜体的强度。因此,柜体的设计采用这种折弯结构可以加强柜体强度、保证设备安装的稳定性,尤其是重量达80kg以上的大型OBCU(车载控制单元)组匣设备,更需要强有力的支撑。以此为依据构建出电气柜整体模块化框架模型。这种模块化设计柜体的特点是采用焊接结构,结构强度大,设备安装采用“推入式”。最显著的优点是对列车进行维护时只需将安装紧固件与防脱支架取下,便可以方便地将设备取出进行维修或更换,如图4所示。3线束配置3.1电气柜内部线束的设计机车的线束敷设以“机车车辆布线规则”(TB/T3153-2007)为依据,对安装在机车车辆上的电气柜内部线束进行敷设设计。不论是在外部还是在线槽内敷设的电缆,均需要采用机械固定附件或紧固件固定来确保安全可靠。(1)水平敷设的固定电力电缆、多芯电缆和束合电缆水平敷设时需要每300mm有一处机械固定,垂直敷设时每500mm有一处机械固定;(2)商业车辆接地及屏蔽接地安全线路图4低压电源用单芯电缆,单独敷设时每150mm有一处机械固定。电缆固定附件不安装在经常移动或者更换的部件上且与机械设备的固定件相互独立。线束经过的附近区域、各等级的线槽、支架的断面等处应用胶皮保护防止线束割伤。线束敷设时将电路按等级划分为6类:第1级:音频和视频模拟电路、高频发射、接收电路;第2级:数字、传感器电路;第3级:半导体燃烧控制电路;第4级:蓄电池基准电路、装置电源输入、蓄电池充电器输出,含DC110V和24V电路;第5级:电源电路、高电压电缆、牵引电机电缆、辅助电源电路,DC750V及AC380V线路;第6级:专用电路。不同等级的线束之间需要隔离,第1级的音频和高频信号之间隔离距离应不小于3cm;1、2、3、6级的各级之间隔离距离应不小于3～6cm;第4级与之前的等级隔离距离应不小于10cm;第5级与其他等级的隔离距离应不小于15～20cm。柜内的电气设备需要引出接地线,接地可通过连接器外壳接地、短接汇流排接地、屏蔽层引出接地。所有接地和屏蔽接地跨接线和跨接带都按照电压降不超过25V的故障电流和雷闪放电电流进行选择。电线、电缆的弯曲半径应符合TB1484/TB1507-93的规定:车辆内各电缆的最小弯曲半径要大于电缆制造商设定的最小值,垂向张紧力要保证导体和支架之间有足够的间隙,而不会对导体造成压力。当电缆直径不大于20mm时,弯曲半径应不小于电缆外径的3倍;当电缆直径大于20mm时,弯曲半径应不小于电缆外径的5倍。网络电缆的最小弯曲半径应不大于75mm,在车辆之间布线的最小弯曲半径应不大于100mm。3.2外部环境电磁干扰的预防电缆在敷设时除了考虑对不同载流量或功率等级电缆的不同需要外,还要考虑电磁兼容及屏蔽问题。电磁干扰的耦合方式有电场耦合、磁感应耦合等,需采取合理的布线以抑制干扰,提高电缆自身的抗干扰性同时要减小对外部环境的电磁干扰。依据安全原因电缆划分为以下3类:①高电压或大功率,主要有电源、牵引电动机与制动电阻电缆;②中电压或中功率,主要有辅助供电电缆,包括蓄电池回路;③低电压或低功率,主要有控制与信号电缆,包括蓄电池回路电缆。电缆间距要满足D﹥2d,D﹥0.1m的要求,式中,D为不同电缆间距,d为一束电缆外径,如图5所示。柜体侧面由于空间有限不能留有间距,因此采用隔板隔离以防止电磁干扰。最佳的电缆布线是:左边为三相系统,右边为不同流向的直流系统,或者当不同类型电缆交叉时,尽量布置成垂直交叉,使供电电缆与电气设备组成的环路最小化(见图6)。3.3柜体磺酸盐在实际电网电缆分布法国达索公司开发的产品三维设计和模拟软件CATIA可以在虚拟3D环境下进行电气装置电气属性设置及线束排布、展平。电气设计从机械设计环境开始,然后与线束铺设二者统一达到完整的集成。设计思路是首先建立三维电气设备物理模型,再在电气设计模块赋予设备电气特性和相关的物理配线(建立电气库),之后进行相关的电缆分布(电气布线),根据实际需要对3D产品线束展平(电气展平),随后导出布线清单,得出各等级线束的长度,车间便可以根据电气展平图制作柜体布线模板,完成模块化设计的线束设计及制作,如图7所示。首先在Electricalassemblydesign模块加载IGE导出的XML文件,将电气设备移动到合适的位置,把设备与安装板配合好,再转换到Electricalassemblydesign模块,确保调入的设备和XML文件对应。再通过ElectricalHarnessInstallation进行线束的铺设,铺设完成后在ElectricalWireRouting模块完成线束电气铺设。最后通过CATIA生成的XML文件把电线的属性信息返回给IGE软件,由IGE软件统一输出明细表格。同时可以利用CATIA环境中ExternalHarnessFlattening模块对铺设的线束进行展平(见图8),制作柜体线束铺设模板工程图,指导车间布线模板的制作及生产。4柜体的安装方式电气柜内所有装置、子系统、元件都分级并隔离成不同的区,且定义了它们的布置和接口,从而保证不同等级电缆的隔离。整个柜体自下至上依据功能的不同划分为:①底架引上线束盘线区;②大设备安装区、小设备安装区;③侧面线束线槽走线区;④柜体顶部及底部的连接器安装区。工艺上柜体的总成方式是:客室、司机室以及其他电器柜的线束通过上部连接器对接引入,同时根据展平图制作的线束先整体制作成束,并在分线处将各设备的连接器压接好,之后整体安装在侧面柜体线槽中,不占用柜体的框架搭接台位,再通过线槽走线,并根据不同的出线需求在不同的位置分向各个设备区域,与设备进行连接器对接。设备引出的线束通过下部引上线孔走向车下设备,并在引上线孔中安装夹块以达到密封的效果。整体柜体实现了设备的安装、线束的铺设与固定、输入输出所需要的连接器的安装功能。最后将设备排布好、线束铺设好的柜体整体吊装上车,与车体地板及侧墙固定,连接器对接便完成了整个模块化电器柜的安装。这种安装模式将大大减少总装车间的生产周期。5各柜模块化设计情况2009年,浦镇公司