基于NX的低壓柜體線束設計與工藝標準化

摘 要：應用NX線束模塊對 SINAMICS V50的動力電纜進行線束設計和工藝標準化，整理歸納了低壓柜體線束設計的一般原則和方法，一方面指導工程師合理的布置電氣元件和線束路徑設計;另一方面指導產線人員進行線束制作和生產裝配，并且通過最終輸出的工藝文件或圖紙的版本控制來實現柜體線束的生命周期的管理，進行線束數字化的初步探討。

關鍵詞：線束設計;工藝標準化;NX建模;數字化管理

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.111

0 引言

中低壓柜體，包括控制柜，變頻柜，開關柜等柜體設備，是一種機械結構，電氣系統集成化程度很高的設備，承擔著電力分配及數據信號通道的“血管”線束， 其設計空間進一步壓縮，復雜程度成倍增加。線束設計作為機械和電氣交叉的一門學科技術，在各種工程軟件中均能找到相應的功能模塊，但都趨于外形特征的模型表達，對于其背后的設計因素，布置規律以及計算方法，長期以來沒有統一的觀點。本文通過分析柜體線束設計的主要影響因子，整理歸納了柜體設計中線束設計的一般原則;并基于NX線束模塊對SINAMICS V50動力電纜進行三維建模，設計計算與工藝規劃，最后對過程輸出數據和文檔進行數字化平臺的同步管理，旨在啟發設計人員掌握工程線束設計的基本思路與流程，更好的進行設備結構與電氣系統的協同設計和平臺數據管理。

1 線束設計的一般原則

柜體線束是供電設備分配電能到用電設備的橋梁，并將電源信號和數據信息傳遞交換于各個電氣系統的功能單元之間，是整個設備正常運轉關鍵，對其可靠優質的傳遞能力的要求隨著電氣部件集成化程度的增加而不斷提高;另外線纜須要基于整個系統的機械結構而布置路徑，能否更好的優化操作空間，工藝的可靠性以及標準化就顯得更加緊迫。工程設計中，我們需要從系統的角度出發，結合模塊化設計思路，電磁兼容性，安全性等三個方面綜合考慮，從而避免不必要的重復工作，做到更加緊湊美觀，穩定可靠和維護的可持續性。

對于電氣布線，模塊化思想主要體現在依據EMC原則進行有效的功能區域劃分。功能區域的獨立性越強，區域間的裝配、測試、維護等工作的相互影響程度就越小。如圖1所示，A區主要包括柜子的進線側， 包括隔離開關或熔斷器開關、接觸器、斷路器等， 此區域的電磁干擾程度不能超過限制值;B區包括進線電抗器 和干擾源（功率模塊）;C區包括潛在的易受干擾的設備， 如控制系統或傳感器系統等 ;D區：信號或控制電纜與外圍設備的接口，須具有一定的抗電磁干擾水平;E區指電機或電機電纜等。

隨著控制柜電氣功能的增加，柜內電磁環境也變得愈為復雜。線束上主要是通過掐斷或削弱電磁干擾的傳輸途徑來解決電磁兼容性問題，方法主要有電纜的分級分類和屏蔽。柜體中的線纜應遵循IEEE標準或被認可的等效標準來進行信號隔離分類，主要有不大于1000V的電力電纜;220V的報警信號，控制信號和設備供電電源電纜;24V的報警信號，控制信號和設備供電電源電纜;設備信號（通常0-20mA，4-20mA，-10～+10V）電纜;各種網絡通訊信號電纜。屏蔽的方式可采用金屬線槽、金屬軟護套管或電纜本身自帶屏蔽層來實現。

柜體的電氣布線除了考慮設備的安全外，還要充分考慮操作，維護人員的人身安全，主要從火災和觸電兩方面來考慮。火災的發生主要誘因在于電纜過載與電氣短路，而電氣短路多是連接松動和絕緣層破損導致，所以首先需要選定足夠的電纜承載能力及絕緣層的壽命與保護。前者由電氣工程師選定，后者則要求機械工程師來合理考慮布線路徑與保護。各型電纜都有各自的最小彎曲半徑。 在線束拐彎的設計中， 一定要兼顧到線束所包含的每一根電纜的最小彎曲半徑。 線束的長度要留有一定的余量， 以考慮安裝和熱脹冷縮等不定因素造成的影響。布線路徑盡量避開與金屬邊、角的直接接觸， 實在避不開的要考慮在金屬邊、角上增加橡膠墊等緩沖物; 另外還要充分考慮線束的固定問題， 確保線束穩固， 不與硬物產生摩擦。另外柜體的保護接地實際上就是等電位連接，即把外露導電部分（如電器的金屬箱體）用導線連接到柜體，以保持外露導電部分與柜體的等電位。

2 SINAMICS V50動力電纜線束設計與工藝標準化

西門子低壓柜體SINAMICS V50 55kw到160kw有六個功率段，其中均使用了大量的動力電纜作為動力電源的傳遞介質。在實際批產的過程當中，總是存在大量的電纜浪費，電纜布置外觀參差不齊，其根本原因在于動力電纜的長度，及裝配工藝主要取決于不同配線師傅的實際經驗。不同批次的產品更換了不同的工人，或者同一批次不同工位的工人一旦輪換，總是會出現不同的配線工藝，以及多多少少的線纜裁減修正的浪費。如圖2所示，通過引入NX線束模塊，對其柜體的動力電纜進行工程3D建模，并在模型上規定線纜的長度，布置路徑，綁定位置，連接附件等，從而達到消除人工配線經驗的差異造成的線纜的浪費，保證動力電纜布線美觀，緊湊可靠。

在V50的動力電纜的裝配中，首先要規范配線的工藝問題，主要從以下幾方面入手：（1）端頭連接保持一致，針對線鼻子采用螺栓固定的方式，線鼻子與銅排成45°角度連接，保證線鼻子與排貼合完全且彎曲應力減小，且線纜長度得到適當的減小。（2）對于綁線的位置，應嚴格依據裝配圖給出的梁的位置安裝，標準柜體梁時，給出明顯的孔位區分;考慮與鄰近支架空間距離充裕，同時從下端端頭連接的角度，應用45°連接時，避免下端的線纜應力彎曲且縮短線纜長度。（3）為保證電路的磁場平衡，建議此種情況應用分組綁的方式。特殊情況下，為保證線纜與電抗之間的壓接良好，需要應用轉接小銅排來實現。（4）為了統一線纜的長度，建議規定線纜的壓線順序：U上-V中-W下;對應線纜的裝配順序，主要針對水平走向的線纜，建議裝配順序是從后往前裝配。對于豎直走向線纜的綁線順序，建議規范綁線的規則，即兩側在前，中間在后的綁線方式。（5）接地連接位置一致化：給定線纜的長度后，需要明確給出框架上的接地點位置標識，建議在AD圖或零件圖上定義。

除上述工藝方法的標準化之外，我們還需要對動力電纜扎帶的選用及數量進行工程計算。以SINAMICS V50 132KW 功率柜體為例，Q1-L1線纜用2個綁扎帶，X1-Q1用6個扎帶固定，如圖3所示，主要考慮電路在開關前后的主回路短路電流的大小不一樣，即經過熔斷器保護后，短路電流減小，相應的短路電流發生時，所產生的短路電流力的大小不一樣，所以在綁扎時，所需要扎帶的束縛力要求不一樣，我們通過比對扎帶應力載荷與短路電流力的大小來定義扎帶的選用和數量位置。

假設：因為導線不同于銅排，線纜的中心距a是一條曲線分布，因此需應用函數來積分，這里假定取中部綁線成捆處距離a=19.5mm（導線直徑），選用扎帶物料號D185066，W=8mm，最小把持力785N。已知132kw X1-Q1在快熔之前，短路電流為49.0KA，110kw Q1-L1在快熔之后，短路電流為17.3KA。由下面公式（參見DIN IEC 60865-1）計算短路電流力（β=1），L指支撐件的間距a指導體的中心距離，isk為短路電流：

Fmax=1.73×10-7Lai2sh×β

①取中部綁線，一根扎帶固定時，L取線纜連接兩段距離的一半：

X1-Q1，L=0.251m，a=0.0195mm，isk=49000A，F=5347N

L1-Q1，L=0.2835m，a=0.0195mm，isk=17300A，F=753N

一根扎帶固定時，L1-Q1段的短路電流力雖然接近且小于785N，但存在安全風險，所以應至少用兩個扎帶;X1-Q1段的短路電流力遠遠大于785，不滿足安裝要求。

②取中部綁線，至少兩根扎帶時，L取扎帶之間的距離：

X1-Q1，取L=0.020m，a=0.0195mm，isk=49000A，F=426N

L1-Q1，取L=0.08m，a=0.0195mm，isk=17300A，F=212N

根據設計經驗扎帶的有效系數為10%，所以在計算扎帶數量時，每根扎帶的有效力為785x10%=78.5N，所以可得：

X1-Q1的扎帶數量為：：426÷78.5≈5.4

Q1-L1的扎帶數量為：212÷78.5≈2.7

考慮線纜兩端有力支撐，且公式中L與a的關系：

對于X1-Q1扎帶之間的距離已經足夠小（趨近于線徑，當L距離縮小為零時，同①，扎帶數量為5347÷785=6.811，且扎帶寬度w=8，總包裹長度為7x8=56mm），若取扎帶數量為6，此時L=22mm;若取扎帶數量為5，此時L=18mm;因此綜合考慮以上分析，取扎帶數量為6，且需要在中部位置捆綁，兩兩之間距離約為20mm左右。

對于Q1-L1的捆綁，若取扎帶數量為2時，對應的L=60mm;若取扎帶數量為3時，L=90mm;因此綜合考慮以上分析，取扎帶數為2，且需要在中部捆綁，兩扎帶之間距離最大為60mm。

由上訴分析可知：Q1-L1的線纜可在中部位置用兩根扎帶綁定，且兩根扎帶時，它們之間的距離最大為60mm。X1-Q1處于電網進線端，為保證綁扎緊實安全，需要在中部位置應用6個扎帶綁捆，且倆倆之間的距離約為20mm左右（最大22mm）。

通過規范工人的配線工藝方法，大線成型線束的長度即可統一給出，由以往的工人現場手測后再有大線組裁線制作，變為由研發直接給出定長的線纜列表制作大線，提高效率和減少因人為手配造成的線纜浪費。

3 線束的標準化和數字化管理

對于SINAMICS V50動力電纜的線束標準化和版本管理，主要通過NX輸出的線纜長度與物料清單，抽象成具體產線使用的工藝指導文檔及標準線纜預裝單來控制，如圖4所示，這些工藝文檔及標準線纜預裝單上傳至Teamcenter產品周期管理系統中對應的層級結構中，一方面設計人員可以及時進行修改，添加及替換最新的變更;另一方面產線工人隨時都能進行訪問，查看并下載到本地，指導其現場制作線束和裝配大線。

本文以SINAMICS V50動力電纜的線束設計與工藝標準化為案例，總結歸納了NX線束模塊應用中須考慮的關鍵步驟和線束布置的基本原則，并對其設計輸出進行了一定程度的共享管理方法的引入。在快速產品開發流程中，技術人員可以靈活的引入其中的部分方法與原則，生成適合項目階段所需的技術文檔，指導和規范機械及電氣設計的相關問題，并及時的整理與修正，從而保證產品設計的順利完成，更重要的是在于線束設計的平臺化，可視化，是大數據時代和工業4.0的必然趨勢。

參考文獻

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