引言

新一代懸掛式空軌車輛由于采用大視野設(shè)計,增加車內(nèi)乘客空間,同時車下無法安裝設(shè)備,因此只能將控制設(shè)備元器件集成于電氣箱內(nèi),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(nèi)溫度過高,將直接影響電氣設(shè)備元器件工作的穩(wěn)定性和可靠性。鑒于此,本文提出了一種用于空軌車輛車頂電氣箱的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,并對其進行了散熱仿真分析。

1基本結(jié)構(gòu)

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(nèi)部設(shè)備:電氣箱通過4個吊耳安裝在車頂C型槽,箱體對外設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1箱體設(shè)計

箱體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(shè)備、支架等結(jié)構(gòu)安裝,保證了箱體結(jié)構(gòu)的可靠性。由于只有箱體頂面一個維護面,因此主機等設(shè)備采用立式安裝,可直接從頂部抽出,方便操作維護:箱體蒙皮采用整體飯金,折彎后焊接而成,密封性能好。

圖1電氣箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)與布置

2.2防塵防水設(shè)計

電氣箱蒙皮采用整體飯金折彎焊接結(jié)構(gòu),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(shè)置向內(nèi)的Z字型翻邊,箱體蓋板四周設(shè)置向下的1型翻邊,并焊接擋板形成凹槽,在凹槽內(nèi)粘接密封膠條,箱體和蓋板貼合后形成良好的防水密封結(jié)構(gòu),如圖2所示。對電氣箱按照IEC60529標準規(guī)定進行試驗,試驗結(jié)果表明電氣箱密封等級可達到IP66。

圖2蓋板與箱體的密封結(jié)構(gòu)

2.3散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

電氣箱的主要熱量來源于箱體蓋板上的陽光照射和設(shè)備元器件的發(fā)熱,因此,本文采用復(fù)合蓋板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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20mm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。

圖3復(fù)合蓋板結(jié)構(gòu)

同時在箱體前后面上下對角各設(shè)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(wǎng)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(xù)工作1h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(shè)備或結(jié)構(gòu)遮蔽,因空隙較小,設(shè)置為絕熱面:考慮設(shè)備元器件發(fā)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。

3.1無隔熱板計算結(jié)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。

圖4不同時刻箱體溫度分布云圖

圖5最高溫度、箱內(nèi)空氣域平均溫度—時間曲線圖

由圖4和圖5可以看出,整個箱體隨著陽光的持續(xù)照射,溫度逐漸升高。蓋板作為陽光直射的區(qū)域,溫度升高非常明顯,其溫度為箱體的最高溫度。蓋板溫度2min升高了17℃,10min升高了50℃,30min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(wěn)定值110℃左右。

提取1h時刻箱體內(nèi)各元件和結(jié)構(gòu)的溫度,其中箱內(nèi)空氣域溫度為68.7℃,箱體平均溫度為59.2℃,主要發(fā)熱設(shè)備最高溫度為67.2℃,且位于箱體內(nèi)靠上位置。對比各設(shè)備的溫度和位置可發(fā)現(xiàn),設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計可減小陽光照射的影響。

3.2增加隔熱板計算結(jié)果

采用第2章節(jié)所述的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行計算,其溫度變化趨勢與無隔熱板的情況相同,即30min后蓋板最高溫度和箱內(nèi)平均溫度趨于穩(wěn)定,因此提取1h時刻的計算結(jié)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1h后,箱內(nèi)空氣域溫度為60.1℃,箱體平均溫度為51.6℃,主要發(fā)熱設(shè)備最高溫度為58.06℃,溫度相對沒有隔熱板的結(jié)構(gòu)均明顯下降,滿足設(shè)備工作的溫度要求(不高于70℃）。

4結(jié)語

本文根據(jù)模塊化設(shè)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(jié)構(gòu),并針對散熱問題進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真分析,仿真結(jié)果表明,箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于降低箱體溫度效果明顯。