铁路机车电气屏柜可维修性设计研究

铁路机车电气屏柜可维修性设计研究

白晨

中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116022

摘要：铁路为我国运输业做出了巨大贡献，在铁路机车运行中涉及到的电气也非常多，电气屏柜就是其中一部分，做好维修工作十分重要。为了提高铁路机车电气屏柜的可维修性，在电气屏柜设计时，引入可维修性设计理念。分别从区域化设计、模块化设计、线缆查找的快速化设计、基于可维修性预计的可达性设计、人机要素工程设计等方面，开展可维修性设计，为电气屏柜维修作业时快速识别和定位故障点，及时修复和排除故障，减少电气屏柜的维修作业时间，保障设备功能的快速恢复，提高机车的可用性奠定技术基础。

关键词：铁路；机车；电气屏柜；可维修性；设计研究

引言

随着轨道交通行业的快速发展，电力机车需求的不断变化和客户定制化的要求增多，新型电力机车的研发项目越来越多。由于每一种新型号电力机车都针对不同的客户需求进行研发，各型号电力机车功能也不尽相同，所以电力机车电气屏柜的结构和功能也各不相同，每种新车型的研发，都需要对电气屏柜重新设计。

为满足客户需求，新车型从研发至生产的周期都必须尽可能短，以及市场竞争的要求，导致电气屏柜的设计周期要求更为苛刻，这就迫切要求电气屏柜具有简统化、通用化，以缩短设计周期。

1可维修性理念

根据GB/T21562.2—2015《轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例第2部分：安全性的应用指南》的规定，可维修性定义为：“在规定的条件下，使用规定的程序和资源进行维修时，对于给定使用条件下的产品在规定的时间内，能完成规定的实际维修工作的能力。”可维修性是产品的一种固有质量特性。产品能否完成维修和维修的难易程度，取决于产品设计。例如，维修应简便、迅速、经济，要求部件拆装应尽可能容易、换修件应尽可能为标准件或通用件、维修时应尽可能减少使用专业工具等。这就要求在产品设计过程中，采取一系列有效且合理的措施，保证产品的技术状态满足上述可维修性的要求，这个贯彻可维修性要求的过程称为可维修性设计。

电气屏柜是机车的重要组成部分。机车内部空间狭窄，设备布置紧凑，电气屏柜的维修难度较大。因此，在电气屏柜设计中，引入可维修性理念。在设计初期，重视可维修性分析工作，分析产品的使用功能和维修功能，得出维修需要的资源和要求，并以此为依据通过可维修性设计，预防和改善影响维修的薄弱环节，从而改善电气屏柜的可维修性，降低因新产品研制带来的维修费用增加，节约电气屏柜全寿命周期成本，进而提升整个机车产品的附加价值，使机车产品在市场竞争中具备一定优势。

2电气屏柜可维修性设计方法

2.1新型继电保护装置二次屏柜的实际应用

首先在打开屏柜外门时，可以借助防风杆来稳定和控制门的开合程度，这样维修人员就可以根据活动需要自行控制门的开合程度。而且，因为创新了设计，在柜门与防风杆的焦点处设有卡槽，这样维修人员在打开柜门时，可以对其进行固定，从而防止柜门随意关开影响工作。

当继电工作人员进行电流调试时，为了使用继电测试仪更方便，看数值更清晰可观，大多数会选择将测试仪固定在屏前，而新型装置设置可移动档板，所以这样就能将所连线路移至屏后，在与其相对应的端子排连接，而且挡板的开合程度可以随需要而进行调节，不但可以方便线路的连接，还节约了空间。实验员工在挡板后装卸螺丝、连线以及维修时，其使用的扳手、胶带等工具就放置于柜门上的工具架里，而且所有工具都是特制的，上面都装有小吸铁石，交换使用工具时可以随手贴在门上，在所有工作完成后在将其全部收纳到工具架里，方便了工具的使用，提高了效率。

假如必需要将电缆从底部穿过时，就可以通过屏底的孔洞把电缆穿过，而且在孔洞下方的标签里标明电缆走向，以此方便检修人员明确电缆分类和走向，从而避免工作中的失误。

针对有需要端子排的工作，检修人员可将收纳起来的折叠台阶打开，调整其高度，这样就形成了简易的辅助工具，既保证了工作人员在进行屏顶顶工作时的安全性，也减轻了工作难度，使屏柜功能更加人性化。

2.2强度仿真计算

模块化电气屏柜作为一个平台产品，将在城轨车辆上广泛应用，因此需要对其进行结构强度仿真计算与验证。

依据EN12663-1-2010《铁路应用铁路车身的结构要求》，利用HyperMesh软件进行建模与模型处理，并对其强度进行计算分析和结果后处理。标准的规定：在超常载荷工况下要求柜体能够分别承受纵向±3g、横向±1g、垂向±cg，同时考虑柜体自重载荷，在惯性力的冲击下不出现塑性变形。其中g为重力加速度，电气屏柜在车体中部时c取0.5，电气屏柜在车体端部时c取2。由于模块化电气屏柜一般安装在车体端部，在运用载荷工况下要求柜体能够分别承受相当于纵向±0.15g、横向±0.15g、垂向（1±0.15）g的惯性力冲击而不出现疲劳破坏。

模块化电气屏柜骨架强度仿真计算结果如图10所示，骨架最大应力为107.4MPa，发生在继电器安装板与竖梁连接的螺栓孔位置母材的Top面。材料许用应力为125MPa，计算表明其安全系数为1.17，因此柜体骨架静强度符合要求。

铝合金母材的材料最大利用度为0.33，出现在竖梁与端子排4的连接螺栓孔处Top面；焊缝材料最大利用度为0.2，出现在底部安装板与框架梁的焊缝处Bottom面，因此模块化电气屏柜骨架疲劳强度满足要求。

2.3区域化设计

分析电气屏柜内的零部件功能及作用，根据功能或布置结构实施区域或块划分。区域化设计可简化屏柜结构层次，降低维修操作的复杂性。例如，低压电器柜根据其功能实施区域化设计，分为辅助电源输出控制、辅助负载保护和库内动车3块功能区，每个区域预留适当的工作空间和维修通道，每个功能区的零部件合理布置，形成独立的功能模块。每个功能模块可独立拆除、装配，在需要局部更换或修复时，可以快速、无差错地更换部件，简化后期维修。

2.4电器屏柜的走线及出线

电器屏柜常用的走线方式：捆扎走线和线槽走线。

捆扎走线是将导线成束捆扎于柜内的走线架上的方式，特点是可以充分利用柜内的空间，但对工艺及施工要求较高。

线槽走线是将导线布于柜内设置的线槽内的方式，优点是施工容易且维护方便，但对柜内空间占用较大。

随着轨道交通车辆功能不断完善，电器屏柜内的器件也在不断增加，为了节省空间，本文的电器屏柜采用捆扎走线为主，电器屏柜与车辆其他系统的设备电气连接是通过接线端子来实现的，进出线端子一般安装在柜内顶部和底部。

柜内控制器件一般按功能集中布置，其中需要经常操作、监视的器件，如指示灯、显示元件及断路器、按钮、转换开关等控制元件在安装布置时主要从操作方便、易于观察、排列整齐等方面考虑。根据人机工程学理论，其布置高度—般为距车辆地板面1.4～1.85m，这样人在操作、观测时较为舒适。

同时，兼顾电器屏柜的安装：重心应偏于下部，小而轻的元件布置于柜内中上部，大而重的设备布置于柜内下部，操作和维护频率低的器件布置于柜内顶部。

结语

以低压电器柜和高压网侧柜设计为实例，探讨将可维修性概念引入机车电气屏柜设计中，提出上述几种提高电气屏柜可维修性设计方法。在实际机车屏柜设计工作中，还需要根据具体情况，考虑需要改善的维修性环节，以确定可维修性设计思路和具体实施步骤。

参考文献

［1］IEC61375－1—2012，铁路电子设备列车通信网络(TCN)第一部分:通用架构［S］．

［2］倪文波，王雪梅．高速列车网络与控制技术(第2版)［M］．成都:西南交通大学出版社，2010．

［3］张元林．列车网络控制技术的现状与发展趋势［J］．电力机车与城轨车辆，2006，29(4):1—4．