一種空軌車(chē)輛車(chē)頂電氣箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱分析

引言

新一代懸掛式空軌車(chē)輛由于采用大視野設(shè)計(jì),增加車(chē)內(nèi)乘客空間,同時(shí)車(chē)下無(wú)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(chē)頂。一方面需保證電氣箱密封等級(jí)滿足要求,另一方面車(chē)頂電氣箱暴露在車(chē)外,常年受陽(yáng)光直射和風(fēng)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(guò)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(chē)輛車(chē)頂電氣箱的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)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(guò)壓力鎖與箱體連接,方便打開(kāi)以維護(hù)內(nèi)部設(shè)備:電氣箱通過(guò)4個(gè)吊耳安裝在車(chē)頂C型槽,箱體對(duì)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(jiǎn)單易操作,同時(shí)符合模塊化要求。

2具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1箱體設(shè)計(jì)

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?xún)蓚€(gè)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(gè)維護(hù)面,因此主機(jī)等設(shè)備采用立式安裝,可直接從頂部抽出,方便操作維護(hù):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(jì)

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(duì)電氣箱按照IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明電氣箱密封等級(jí)可達(dá)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(jì)

電氣箱的主要熱量來(lái)源于箱體蓋板上的陽(yáng)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(jì),如圖3所示,在蓋板頂面通過(guò)六角隔離柱,再安裝一個(gè)隔熱板,從而在蓋板與隔熱板之間形成一個(gè)20mm的隔熱層,避免陽(yáng)光直接照射箱體蓋板,減小陽(yáng)光照射的影響。

圖3復(fù)合蓋板結(jié)構(gòu)

同時(shí)在箱體前后面上下對(duì)角各設(shè)置一個(gè)散熱風(fēng)扇(一抽一吸）,加強(qiáng)空氣對(duì)流,帶走熱量。為保證良好的防水防塵效果,電氣箱在散熱風(fēng)扇外部加裝帶防塵過(guò)濾網(wǎng)的防雨罩。

3散熱分析

本文通過(guò)流體仿真分析軟件對(duì)箱體進(jìn)行散熱分析,分別計(jì)算蓋板無(wú)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(jì)算考慮極端工況,即箱體頂面受到陽(yáng)光輻射,陽(yáng)光輻射考慮夏至日12:00的輻射強(qiáng)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(shí)際功率計(jì)算:計(jì)算中考慮風(fēng)扇故障,即風(fēng)扇不工作:認(rèn)為車(chē)輛靜止,即不考慮車(chē)輛運(yùn)動(dòng)帶走箱體周?chē)臒峥諝狻?

3.1無(wú)隔熱板計(jì)算結(jié)果

圖4和圖5為箱體蓋板沒(méi)有隔熱板情況下,不同時(shí)刻箱體溫度的分布云圖及曲線圖。

圖4不同時(shí)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(shí)間曲線圖

由圖4和圖5可以看出,整個(gè)箱體隨著陽(yáng)光的持續(xù)照射,溫度逐漸升高。蓋板作為陽(yáng)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(shí)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(duì)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?yàn)闊峥諝饧性谙鋬?nèi)上部,另一方面也由此驗(yàn)證了電氣箱的主要熱量來(lái)源于蓋板上的陽(yáng)光照射。因此,對(duì)蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可減小陽(yáng)光照射的影響。

3.2增加隔熱板計(jì)算結(jié)果

采用第2章節(jié)所述的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,其溫度變化趨勢(shì)與無(wú)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(shí)刻的計(jì)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(guò)隔熱板作用后蓋板最高溫度86.584℃,遠(yuǎn)低于無(wú)隔熱板時(shí)的110℃,可見(jiàn)增加隔熱板大大減小了陽(yáng)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(duì)沒(méi)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(yǔ)

本文根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則,提出了一種適用于空軌車(chē)輛、滿足防塵防水要求的車(chē)頂電氣箱結(jié)構(gòu),并針對(duì)散熱問(wèn)題進(jìn)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(duì)于降低箱體溫度效果明顯。