跨座式單軌低壓箱的設計

□ 王海英

通號軌道車輛有限公司 長沙 410217

1 結構

跨座式單軌低壓箱安裝于車體底部,主要為車輛提供低壓電源,低壓箱接線盒部分還集成了輔助電源的分線功能。跨座式單軌低壓箱的結構分為主柜和接線盒兩部分,主柜包含蓄電池模組、熔斷器,接線盒包含隔離開關、繼電器、端子排、防水接頭等。跨座式單軌低壓箱主柜如圖1所示,接線盒如圖2所示。

▲圖1 跨座式單軌低壓箱主柜

2 設計過程

(1) 根據車輛電量需求,確定蓄電池模組容量及模組組成方式。

(2) 根據蓄電池模組分配主柜空間,初步確定主柜外形尺寸和結構形式。

▲圖2 跨座式單軌低壓箱接線盒

(3) 根據電氣接線圖統計電氣元件數量,初步完成布置方案及接線盒外形尺寸計算。

(4) 結構強度仿真分析。

(5) 內部布置細化及走線布置。

3 技術要點

3.1 防火等級要求

根據標準EN 45545-1—2013《鐵路應用設施 軌道車輛防火 第1部分:總則》的設計類別,跨座式單軌車輛為中低運量軌道車輛(N),運行類別為城郊高架行駛,原地火警疏散通道撤離(OC2),危害等級為中低風險(HL2)。因此,按照標準中HL2等級的相關要求進行設計。

跨座式單軌低壓箱外殼為金屬材料,滿足中高風險(HL3)等級要求,選用電纜符合標準EN 50306—2002《薄壁型鐵道機車車輛阻燃電纜》要求,端子排滿足標準IEC 60998-2-2—2002《家用和類似用途低壓電路連接器件 第2-2部分:作為單獨分立件的帶無螺紋型夾緊裝置的連接器件的特殊要求》要求。其它非金屬物料均要求通過測試,滿足標準EN 45545-1—2013中的HL2等級要求[1-2]。

3.2 防水等級要求

跨座式單軌低壓箱安裝在車底,在車體外部滿足標準IEC 60529—2001《機殼提供的防護等級(IP代碼)》IP65等級的防護要求。考慮產品結構特點和維護便利性,箱蓋選擇鉸鏈旋轉式開閉。箱體采用收縮口,通過密封條壓緊密封,可以有效防水侵入。拉緊鎖采用防水鎖芯,配備防塵蓋[3]。跨座式單軌低壓箱防水設計如圖3所示。

▲圖3 跨座式單軌低壓箱防水設計

3.3 安全可靠性

跨座式單軌低壓箱主柜主要布置蓄電池模組,屬于低壓電源,電池供應商在分組布置時已考慮最小電氣間隙及散熱問題[4]。

接線盒中有380 V輔助交流電源,根據標準IEC 62497-1—2013《鐵路應用 絕緣配合 第1部分:基本要求 所有電氣和電子設備的間隙及爬電距離》要求及跨座式主電路電纜與接觸網連接的方式,接線盒過電壓等級按標準采用2類過電壓(OV2),使用環境污染等級為PD3,電路額定絕緣電壓不低于0.72 kV,額定耐受沖擊電壓為5 kV,高壓跨接箱內部最小電氣間隙為4 mm[5]。在實際設計中,380 V交流電源端子排有安全隔板等,與其它電氣元件最小間隙不小于20 mm,滿足最小電氣間隙要求[6]。

4 空間尺寸計算

根據標準IEC 60571—2006《鐵路機車車輛電子裝置》要求,跨座式單軌低壓箱蓄電池模組選用80個單體1.2 V鎳鎘電池串聯,標稱電壓為96 V。單體電池終止放電電壓為1.0 V,總電壓為80 V,最低電壓不低于110 V直流電源的70%,符合110 V直流電源電壓波動范圍要求,適合為110 V直流電源電子設備供電。

單體電池尺寸為122 mm×115 mm×321 mm。低壓箱處于跨座式單軌車輛底部軌道梁一側,限制尺寸為680 mm×1 600 mm×1 200 mm。經過多種方案比較,選擇單模組四行五列、共四組的方式布置。單模組電池尺寸為488 mm×575 mm×321 mm,增加隔板后修正尺寸為503 mm×593 mm×321 mm。單模組電池外形尺寸如圖4所示。

▲圖4 單模組電池外形尺寸

考慮最小電氣間隙、散熱及走線等因素,最終主柜設計尺寸長為1 470 mm,寬為643 mm，高為1 134 mm。接線盒尺寸按不同電壓等級元件間距20 mm的要求進行布置,最終設計尺寸長為550 mm,寬為306 mm，高為446 mm。

5 強度仿真分析

采用Hypermesh軟件進行強度分析[7-8],設定跨座式單軌低壓箱邊界約束,如圖5所示。根據標準IEC 61373—2010《鐵路設施 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》要求施加載荷,仿真結果如圖6所示。由圖6可以看出,跨座式單軌低壓箱最大應力為189 MPa,小于箱體材料Q355GNHE耐候鋼板屈服強度(355 MPa);跨座式單軌低壓箱最大變形為2.3 mm,小于變形預設量(5 mm)。可見,跨座式單軌低壓箱的強度滿足使用要求。

▲圖5 跨座式單軌低壓箱邊界約束

▲圖6 跨座式單軌低壓箱仿真結果

6 布線模擬

采用CREO 4.0軟件有纜模塊,用于三維走線模擬。設置線軸相關參數,如最小折彎半徑等,然后選擇起止點,還可以自行選擇經過點對走線路徑進行定義。經過多次調整和優化,獲得跨座式單軌低壓箱內部布線[9-10],如圖7所示。

▲圖7 跨座式單軌低壓箱內部布線

7 結束語

筆者設計了跨座式單軌低壓箱,通過技術分析和計算仿真,驗證了這一低壓箱滿足跨座式單軌車輛的技術要求。跨座式單軌低壓箱已試制成功,進行樣車測試,目前運行良好。