城轨车辆电器柜模块化设计

连颖洁

摘 要 目前我国地铁线路日渐增加，城市轨道交通产业的先进程度代表了一个城市的发展水平。电器柜作为城轨车辆的重要组成部分，电器柜的模块化建设就显得尤为重要。电器柜的设计需要考虑车辆空间、业主需求、通风散热和设备维护等等。各方面充分考虑才能实现电器柜的模块化。

关键词 电器柜 模块化 设备 电器元件 结构设计

1. 前言

目前我国地铁线路日渐增加，城市轨道交通产业的先进程度代表了一个城市的发展水平。中国的各大中型城市都将城市轨道交通作为重点发展的产业。电器柜作为城轨车辆的关键组成部分，是城轨车辆电传动控制系统的基本元件。电器柜设计的合理性，直接影响到电器柜内设备和电气元件的可操作性和检修的便利性，进而影响整个城轨车辆的性能。因此，电器柜设计的优劣与城轨车辆的电气性能密切相关。近些年来，各中型城市开始大力发展城市轨道交通产业，它们的共同特点是，人口密集程度比较高，地上交通容易产生拥堵，所以大部分中型城市的地铁用户需求都是选择城轨的标准B型车。沈阳地铁10号线工程车辆为典型的B型车辆，具有代表性，本文以沈阳地铁10号线工程车辆作为依托，对电器柜模块化化建设进行研究。

2. 电器柜内设备及电器元件概述

城轨车辆的子系统大多数都有设备安装在车辆各电器柜内。司机室控制柜主要包含TCMS系统的主机设备、延伸功能区的操作按钮、断路器、接触器、连接器和接线端子排等。司机室综合柜主要包含PIS系统、信号系统的主机设备、连接器和接线端子排等。客室控制柜主要包含PIS系统、制动系统、牵引系统、TCMS系统的主机设备，断路器、接触器、继电器、连接器和接线端子排等。客室综合柜主要包含空调系统、火灾报警系统的控制设备，断路器、继电器、连接器和接线端子排等。示例图如下图图1所示。

图1

3. 电器柜模块化设计

电器柜整体设计主要包含两个方面，一是电器柜骨架结构设计，二是电气设备设计。这两个部分都需要根据业主需求、车辆空间、各电气设备走线及维护便利性和跨车连接的稳定性来考虑整体设计。这样一来，电器柜的平台化建设无疑是有很大必要的，但与此同时也是有很大难度的。

1. 1. 柜体设计

电器柜设计的首要条件是确定电器柜的整体大小。设计思路一般是，根据车辆提前规划的电器柜空间，来确定电器柜的整体尺寸。电器柜的长度和宽度，应充分考虑电器柜的走线与电器柜内装柜门之间的间隙，确保电器柜内设备走线不与柜门产生接磨，延长柜内设备线缆的使用寿命。而电器柜的高度则需根据车体的整体高度、车顶弧度与车辆侧墙状况进行综合考虑。

以沈阳10号线地铁工程车辆为例，10号线车辆的客室车门采用的是内藏门，这就带来一个问题，车辆在开门的状态下，车门的一部分门区域就会进入到电器柜的所在空间，并且门机构上方有车门电机、门控器以及拉丝等各种设备。这就要求电器柜的尺寸在设计时要充分考虑到车门机构对设计的影响。于是在设计客室电器柜时，我们在不影响电器柜内设备安装的前提下，采取降低司机室高度，整体框架与车门机构的限界重合的方法，进行设计。在保障车门安全性的同时，尽可能增大电器柜的框架。而在设计司机室的电器柜时，车门拉丝位置和电机位置与电器柜高度方向存在干涉的风险，而司机室电器柜内设备较多，整体降低高度存在一定困难，我们决定将司机室电器柜在靠近侧墙的一侧的顶部位置的框架做异形处理，去掉框架一角，采用折弯，具体样式如图2所示。这样一来，不仅解决了存在干涉的风险，同时也解决了电器柜无法降高的问题。

图2

在设备安置方面，根据各系统设备的尺寸，连接器和线缆折弯半径，以及各小型电器元件的分布情况，设计电器柜内部框架结构。

1. 2. 电器柜布局设计

目前城轨车辆板块迅速发展，城轨车辆的电器柜大批量、快节奏的生产形式给电器柜的批量化组装提出更高的要求。尤其是电器柜内的小型电器元件，它们的数量和种类都会随着各个车辆的不同情况而进行变化。这就要求电器柜的前期布局需要对这些小型元件进行空间预留。根据实际情况，我们对电器柜进行了区域划分，如下图图3所示。

图3

电器柜的中下部为设备布置区。该区域布置电器柜内需要安置的电气设备，设备布置在下部，一方面减轻了安装人员搬运设备的危险，另一方面方便后期维护人员对设备内部板卡或整机箱维护提供便利。与此同时，将较重的设备放在下部可以更好的保持电器柜的重心，避免出现头重脚轻的情况，减轻对顶部防转固定件的损耗。

电器柜的中上部为小型电气元件布置区，包括断路器、接触器、继电器等等。这部分主要的作用是保护整车电路安全，偶尔需要进行通断操作。所以，布置在中上部方便操作符合人体操作的舒适区域。

虽然城轨车辆根据车辆用户需求所进行的设计还是很多，但城轨车辆的设计也在一步一步的走向平台化、标准化、统一化和模块化。电器柜的布置也需要跟随这种趋势不断进行更新和改进。我们借沈阳10号线地铁工程车辆的平台，运用线束模块化的方式，用连接器接线的方式替代了传统端子排的接线方式。这样一来，我们可以在电器柜生产的同时，对车辆线进行预配线，加快车辆生产进度。并且按系统按功能进行连接器划分，可以在维护的时候对线束布局进行快速判断。根据走线区域，我们将连接器分别布置在车顶部及车底部位置，减少线束缠绕，并且在之后能够不通过线号，仅通过观察电器柜内的连接器位置判断线束为车上线还是车下线。

1. 3. 电器柜的安装与可靠性设计

在各个城市，环境温度和地理特性有很大差异，因此各城市轨道工程的路况各不相同，环境复杂程度直接影响着城轨车辆的设计。

车辆运行过程中的振动是不可避免的，遇到线路环境很差的条件下，车上设备受到的振动冲击会更为强烈。因此，电器柜作为车辆的一个重要组成部分，在安装时考虑的因素就会更多。

目前安装方式主为以底部与车体固定座螺栓连接，顶部与车体支撑钢角螺栓连接的方式。连接部分的开孔，通常采用长圆孔。这样的安装方式，一方面是为了固定电器柜，防止其在车辆运行过程中产生位移，并且防止电器柜发生转动，另一方面是为了生产过程中出现了不可避免的微小误差时可以对电器柜的位置进行适当调整，不影响车辆生产进度。在材质上我们采用铝合金型材，铝合金的质量较轻，强度较好，韧性较强。在减轻整体重量的同时，保证了柜体的可靠性。如图4所示。

图4

电器柜的电气性能是电器柜设计重要的一部分，它起着控制及过载和短路保护电路的作用电器柜的接地性能和各设备之间的是否可靠连接直接影响着整车的电气性能与系统控制能力。要提高电器柜内设备连接可靠性和电器柜本身的接地可靠性，就要求我们工作生产过程中更加细致认真。

4. 结论

在城市轨道交通日益发展的今天，电器柜模块化设计已经成为一种发展的必然趋势。电器柜模块化设计增强了电器柜的可靠性和维护性，简化了电器柜的组装工艺。提高了整车的生产进度，降低了生产难度，提升了产品的品质。电器柜的模块化更加细致的设计，还需要基于城轨车辆平台进行进一步研究。

参 考 文 献

1. 机车电器柜模块化设计与分析.资阳：资阳机车有限公司，2013

2. 城轨车辆Tc车继电器柜的设计.株洲：中车株洲电力机车有限公司，2016