一種空軌車輛車頂電氣箱結構設計與散熱分析

余凱 檀駿 周婷

摘 要：新一代懸掛式空軌不同于常規軌道交通車輛，車下無法安裝設備，車內封閉空間小，因此將控制設備元器件集成于電氣箱內，安裝于車頂。車頂電氣箱直接暴露在車外環境中，對箱體的散熱與密封要求高。現提出一種用于空軌車輛電氣箱的優化結構設計，并對其進行了散熱分析，結果表明，優化后的箱體結構有良好的密封及散熱降溫效果。

關鍵詞：空軌車輛;電氣箱;結構設計;散熱分析

0 ? ?引言

新一代懸掛式空軌車輛由于采用大視野設計，增加車內乘客空間，同時車下無法安裝設備，因此只能將控制設備元器件集成于電氣箱內，安裝于車頂。一方面需保證電氣箱密封等級滿足要求，另一方面車頂電氣箱暴露在車外，常年受陽光直射和風雨沙塵等惡劣天氣影響，若電氣箱散熱性能不好，箱內溫度過高，將直接影響電氣設備元器件工作的穩定性和可靠性[1]。鑒于此，本文提出了一種用于空軌車輛車頂電氣箱的優化結構設計，并對其進行了散熱仿真分析。

1 ? ?基本結構

電氣箱由箱體和箱蓋組成。箱蓋通過壓力鎖與箱體連接，方便打開以維護內部設備;電氣箱通過4個吊耳安裝在車頂C型槽，箱體對外設置防水連接器作為電氣接口。箱體安裝與電氣連接簡單易操作，同時符合模塊化要求。

2 ? ?具體結構設計

2.1 ? ?箱體設計

箱體結構如圖1所示，箱體主要由焊接框架和蒙皮組成，其中焊接框架以兩個主橫梁作為主要承載結構，主橫梁突出箱體蒙皮形成安裝吊耳，在主橫梁上焊接二次框架用于設備、支架等結構安裝，保證了箱體結構的可靠性。由于只有箱體頂面一個維護面，因此主機等設備采用立式安裝，可直接從頂部抽出，方便操作維護;箱體蒙皮采用整體鈑金，折彎后焊接而成，密封性能好。

2.2 ? ?防塵防水設計

電氣箱蒙皮采用整體鈑金折彎焊接結構，箱體的防塵防水主要在于箱體與蓋板的密封。在箱體頂部四周（箱體蒙皮）設置向內的Z字型翻邊，箱體蓋板四周設置向下的L型翻邊，并焊接擋板形成凹槽，在凹槽內粘接密封膠條，箱體和蓋板貼合后形成良好的防水密封結構，如圖2所示。對電氣箱按照IEC 60529標準規定進行試驗，試驗結果表明電氣箱密封等級可達到IP66。

2.3 ? ?散熱結構的優化設計

電氣箱的主要熱量來源于箱體蓋板上的陽光照射和設備元器件的發熱，因此，本文采用復合蓋板結構的優化設計，如圖3所示，在蓋板頂面通過六角隔離柱，再安裝一個隔熱板，從而在蓋板與隔熱板之間形成一個20 mm的隔熱層，避免陽光直接照射箱體蓋板，減小陽光照射的影響。

同時在箱體前后面上下對角各設置一個散熱風扇（一抽一吸），加強空氣對流，帶走熱量。為保證良好的防水防塵效果，電氣箱在散熱風扇外部加裝帶防塵過濾網的防雨罩。

3 ? ?散熱分析

本文通過流體仿真分析軟件對箱體進行散熱分析，分別計算蓋板無隔熱板和增加隔熱板兩種情況下電氣箱持續工作1 h的散熱情況。計算考慮極端工況，即箱體頂面受到陽光輻射，陽光輻射考慮夏至日12：00的輻射強度;箱體四周及地面被其他設備或結構遮蔽，因空隙較小，設置為絕熱面;考慮設備元器件發熱，按其實際功率計算;計算中考慮風扇故障，即風扇不工作;認為車輛靜止，即不考慮車輛運動帶走箱體周圍的熱空氣[2]。

3.1 ? ?無隔熱板計算結果

圖4和圖5為箱體蓋板沒有隔熱板情況下，不同時刻箱體溫度的分布云圖及曲線圖。

由圖4和圖5可以看出，整個箱體隨著陽光的持續照射，溫度逐漸升高。蓋板作為陽光直射的區域，溫度升高非常明顯，其溫度為箱體的最高溫度。蓋板溫度2 min升高了17 ℃，10 min升高了50 ℃，30 min之后溫度升高速率降低，之后雖仍在緩慢升溫，但基本趨于穩定值110 ℃左右。

提取1 h時刻箱體內各元件和結構的溫度，其中箱內空氣域溫度為68.7 ℃，箱體平均溫度為59.2 ℃，主要發熱設備最高溫度為67.2 ℃，且位于箱體內靠上位置。對比各設備的溫度和位置可發現，設備安裝位置越低，溫度越低。這一方面是因為熱空氣集中在箱內上部，另一方面也由此驗證了電氣箱的主要熱量來源于蓋板上的陽光照射。因此，對蓋板結構進行優化設計可減小陽光照射的影響。

3.2 ? ?增加隔熱板計算結果

采用第2章節所述的優化結構進行計算，其溫度變化趨勢與無隔熱板的情況相同，即30 min后蓋板最高溫度和箱內平均溫度趨于穩定，因此提取1 h時刻的計算結果，如圖6所示。

由圖6可知，隔熱板位置最高溫度121.37 ℃，通過隔熱板作用后蓋板最高溫度86.584 ℃，遠低于無隔熱板時的110 ℃，可見增加隔熱板大大減小了陽光照射的影響。

工作1 h后，箱內空氣域溫度為60.1 ℃，箱體平均溫度為51.6 ℃，主要發熱設備最高溫度為58.06 ℃，溫度相對沒有隔熱板的結構均明顯下降，滿足設備工作的溫度要求（不高于70 ℃）。

4 ? ?結語

本文根據模塊化設計原則，提出了一種適用于空軌車輛、滿足防塵防水要求的車頂電氣箱結構，并針對散熱問題進行了結構優化和仿真分析，仿真結果表明，箱體的結構優化對于降低箱體溫度效果明顯。

[參考文獻]

[1] 梁師嵩.地鐵車輛低壓箱的密封形式研究[J].電力機車與城軌車輛，2015，38（3）：86-88.

[2] 胡學永，許穎光，楊會鋒.軌道車輛密閉柜體的熱設計和仿真分析[J].機車電傳動，2020（5）：92-95.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：余凱（1990—），男，安徽桐城人，碩士研究生，工程師，研究方向：軌道交通車輛牽引輔助系統設計。