高壓箱內(nèi)輔助二極管安裝單元的設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)

程春宇　謝瑩瑩

摘要： 描述了地鐵車輛用高壓箱的構(gòu)成和功能，闡述了其內(nèi)部的輔助二極管安裝單元的功能作用；對(duì)產(chǎn)品運(yùn)用過程中輔助二極管安裝單元發(fā)生的支撐絕緣子裂紋事件進(jìn)行分析并提出優(yōu)化改進(jìn)方案，基于有限元對(duì)改進(jìn)的安裝單元進(jìn)行精強(qiáng)度分析。

Abstract： This paper describes the components and functions of the high-voltage compartment of metro vehicles， expounds the functions of its internal auxiliary diode installed units， analyzes the supporting insulator crack of the booster diode installation unit in the process of product use and puts forward the optimization improvement plan. Based on the finite element， the strength analysis of modified installation unit is carried out.

關(guān)鍵詞： 高壓箱；輔助二極管安裝單元；設(shè)計(jì)改進(jìn)

Key words： high-voltage compartment；booster diode installation unit；design improvement

中圖分類號(hào)：TN322+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）08-0105-02

0 引言

地鐵車輛用高壓箱主要由箱體（含安裝框架）、高壓轉(zhuǎn)換開關(guān)、帶散熱器的輔助二極管、輔助熔斷器1和2、車間電源插座、安全電鎖和指示燈等組成，是地鐵車輛的主要功能性設(shè)備，對(duì)地鐵車輛的運(yùn)行起關(guān)鍵作用，其功能是通過高壓轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從受電弓受流給列車供電、入庫時(shí)使用外接電源以及接地位。輔助二極管模塊（含安裝單元）在箱中起到保護(hù)后端設(shè)備的作用，防止雷擊浪涌或短路對(duì)整車設(shè)備和弓網(wǎng)造成傷害。輔助二極管安裝是通過絕緣子與箱體內(nèi)部框家想連接，絕緣子保證電氣間隙和爬電距離作用又起到支撐作用，故絕緣子的穩(wěn)定和可靠對(duì)其二極管甚至整個(gè)設(shè)備的可靠性起到根本的作用。

1 事件的發(fā)生

我司接到國內(nèi)某公司的產(chǎn)品訂單，為其生產(chǎn)地鐵車輛用高壓箱，經(jīng)過方案設(shè)計(jì)—方案確認(rèn)—首件試制、性能試驗(yàn)和確認(rèn)—裝車運(yùn)用等一系列環(huán)節(jié)，生產(chǎn)出的高壓箱滿足客戶的要求，也得到了客戶的認(rèn)可。具體高壓箱圖見圖1。

生產(chǎn)的高壓箱在經(jīng)過一斷時(shí)間的運(yùn)行后，用戶反饋高壓箱內(nèi)輔助二極管安裝單元的六柱型絕緣子（見圖1，用于輔助二極管支撐用）有裂紋的現(xiàn)象，如圖2。存在一定的安全運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)，要求我們進(jìn)行改進(jìn)。

2 技術(shù)分析及原因

在接受到用戶反饋的信息后，我們做了以下工作：

一是對(duì)安裝單元的4個(gè)支撐絕緣子從絕緣子的材質(zhì)、性能試驗(yàn)（機(jī)械性能）、外形尺寸、安裝誤差等幾個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表1。

二是，與客戶進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)交流，主要是對(duì)車輛的運(yùn)用環(huán)境、線路狀況做分析，通過交流得知：該地鐵車輛運(yùn)行基本上全程高架橋，在建設(shè)時(shí)考慮到成本（盡量減少房屋動(dòng)遷費(fèi)用）和建設(shè)要求時(shí)間等多方面因素，線路平直路段短少，設(shè)計(jì)的彎道較多。

綜上，我們可以得出絕緣子產(chǎn)生裂紋的原因：車輛在運(yùn)行過程中，由于線路彎道多，安裝單元的絕緣子持續(xù)受到交變載荷的沖擊，長時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致絕緣子產(chǎn)生裂紋。根本原因是：產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期，對(duì)車輛運(yùn)行線路的工況信息收集不夠，導(dǎo)致絕緣子選型存在偏差。

3 方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化及靜強(qiáng)度計(jì)算分析

結(jié)合上述的原因，對(duì)箱內(nèi)原安裝單元的設(shè)計(jì)方案做以下優(yōu)化：

①對(duì)二極管支撐絕緣子重新選型，考慮到強(qiáng)度的要求，支撐絕緣子由六柱型改為紡錘型，見圖3。

②考慮運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，交變應(yīng)力多，對(duì)支撐絕緣子根據(jù)設(shè)計(jì)冗余理念，采用六個(gè)紡錘型絕緣子做支撐，增加2支撐點(diǎn)，以分擔(dān)輔助二極管的重量，保證其支撐可靠性。

③為了對(duì)新的安裝方案的可靠性進(jìn)行嚴(yán)整分析，故對(duì)輔助二極管安裝單元采用有限元分析方法對(duì)其安裝后的狀態(tài)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。其分析過程為：

1）輔助二極管安裝單元構(gòu)成說明。

該單元中構(gòu)架結(jié)構(gòu)材料6061T6，屈服強(qiáng)度290MPa，安全系數(shù)取值為1.15，因此靜強(qiáng)度應(yīng)力不得超過290/1.15=252MPa。

主要組成部件：安裝構(gòu)架、輔助二極管（重量11.13kg）、304吊座、匯流銅排、紡錘型絕緣子。

利用Hypermesh建立構(gòu)架的有限元模型。如圖1所示，該構(gòu)架結(jié)構(gòu)采用SHELL單元模擬；二極管散熱片、螺栓墊塊、絕緣子采用solid單元模擬，螺栓采用beam單元模擬，焊縫采用節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬，梁、板用SHELL單元模擬。模型如圖4所示。

2）輔助二極管安裝單元工況計(jì)算過程。

根據(jù)EN 12663和DIN-EN 485-2標(biāo)準(zhǔn)要求并結(jié)合實(shí)際工況，確定3個(gè)方向加速度值選取，見表2；確定安裝單元所用材料的機(jī)械性能值選取，見表3。

3）靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及結(jié)論。

如下圖5、圖6、圖7為三個(gè)工況縱向、橫向、垂向應(yīng)力云圖，最大值分別為11MP、40 MP、112 MP，遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)母材的屈服強(qiáng)度。最大值位置分別如圖所示。

計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化過的輔助二極管安裝單元在設(shè)定的工況下，輔助二極管安裝單元沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且各點(diǎn)應(yīng)力分布均勻。

至此，我們得出結(jié)論：優(yōu)化后的輔助二極管安裝單元方案滿足使用要求和設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

按照優(yōu)化后的方案進(jìn)行裝車運(yùn)行后，在線路上運(yùn)行效果很好，未再發(fā)生絕緣子裂紋事件，客戶很滿意，保證地鐵車輛的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]EN 12663，鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求[S].

[2]DIN-EN 485-2，鋁和鋁合金薄板、帶和板材的機(jī)械性能[S].

[3]陳宏鈞主編.實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.