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(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:箱體蒙皮采用整體飯金,折彎后焊接而成,密封性能好。

圖1電氣箱內部結構與布置

2.2防塵防水設計

電氣箱蒙皮采用整體飯金折彎焊接結構,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1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IEC60529標準規(guī)定進行試驗,試驗結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構

2.3散熱結構的優(yōu)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(fā)熱,因此,本文采用復合蓋板結構的優(yōu)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復合蓋板結構

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(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(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(fā)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(fā)現(xiàn),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(yōu)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(jié)所述的優(yōu)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30min后蓋板最高溫度和箱內平均溫度趨于穩(wěn)定,因此提取1h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1h后,箱內空氣域溫度為60.1℃,箱體平均溫度為51.6℃,主要發(fā)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(yōu)化和仿真分析,仿真結果表明,箱體的結構優(yōu)化對于降低箱體溫度效果明顯。