引言

新一代悬挂式空轨车辆由于采用大视野设计,增加车内乘客空间,同时车下无法安装设备,因此只能将控制设备元器件集成于电气箱内,安装于车顶。一方面需保证电气箱密封等级满足要求,另一方面车顶电气箱暴露在车外,常年受阳光直射和风雨沙尘等恶劣天气影响,若电气箱散热性能不好,箱内温度过高,将直接影响电气设备元器件工作的稳定性和可靠性。鉴于此,本文提出了一种用于空轨车辆车顶电气箱的优化结构设计,并对其进行了散热仿真分析。

1基本结构

电气箱由箱体和箱盖组成。箱盖通过压力锁与箱体连接,方便打开以维护内部设备:电气箱通过4个吊耳安装在车顶C型槽,箱体对外设置防水连接器作为电气接口。箱体安装与电气连接简单易操作,同时符合模块化要求。

2具体结构设计

2.1箱体设计

箱体结构如图1所示,箱体主要由焊接框架和蒙皮组成,其中焊接框架以两个主横梁作为主要承载结构,主横梁突出箱体蒙皮形成安装吊耳,在主横梁上焊接二次框架用于设备、支架等结构安装,保证了箱体结构的可靠性。由于只有箱体顶面一个维护面,因此主机等设备采用立式安装,可直接从顶部抽出,方便操作维护:箱体蒙皮采用整体饭金,折弯后焊接而成,密封性能好。

图1电气箱内部结构与布置

2.2防尘防水设计

电气箱蒙皮采用整体饭金折弯焊接结构,箱体的防尘防水主要在于箱体与盖板的密封。在箱体顶部四周(箱体蒙皮）设置向内的Z字型翻边,箱体盖板四周设置向下的1型翻边,并焊接挡板形成凹槽,在凹槽内粘接密封胶条,箱体和盖板贴合后形成良好的防水密封结构,如图2所示。对电气箱按照IEC60529标准规定进行试验,试验结果表明电气箱密封等级可达到IP66。

图2盖板与箱体的密封结构

2.3散热结构的优化设计

电气箱的主要热量来源于箱体盖板上的阳光照射和设备元器件的发热,因此,本文采用复合盖板结构的优化设计,如图3所示,在盖板顶面通过六角隔离柱,再安装一个隔热板,从而在盖板与隔热板之间形成一个20mm的隔热层,避免阳光直接照射箱体盖板,减小阳光照射的影响。

图3复合盖板结构

同时在箱体前后面上下对角各设置一个散热风扇(一抽一吸）,加强空气对流,带走热量。为保证良好的防水防尘效果,电气箱在散热风扇外部加装带防尘过滤网的防雨罩。

3散热分析

本文通过流体仿真分析软件对箱体进行散热分析,分别计算盖板无隔热板和增加隔热板两种情况下电气箱持续工作1h的散热情况。计算考虑极端工况,即箱体顶面受到阳光辐射,阳光辐射考虑夏至日12:00的辐射强度:箱体四周及地面被其他设备或结构遮蔽,因空隙较小,设置为绝热面:考虑设备元器件发热,按其实际功率计算:计算中考虑风扇故障,即风扇不工作:认为车辆静止,即不考虑车辆运动带走箱体周围的热空气。

3.1无隔热板计算结果

图4和图5为箱体盖板没有隔热板情况下,不同时刻箱体温度的分布云图及曲线图。

图4不同时刻箱体温度分布云图

图5最高温度、箱内空气域平均温度—时间曲线图

由图4和图5可以看出,整个箱体随着阳光的持续照射,温度逐渐升高。盖板作为阳光直射的区域,温度升高非常明显,其温度为箱体的最高温度。盖板温度2min升高了17℃,10min升高了50℃,30min之后温度升高速率降低,之后虽仍在缓慢升温,但基本趋于稳定值110℃左右。

提取1h时刻箱体内各元件和结构的温度,其中箱内空气域温度为68.7℃,箱体平均温度为59.2℃,主要发热设备最高温度为67.2℃,且位于箱体内靠上位置。对比各设备的温度和位置可发现,设备安装位置越低,温度越低。这

一方面是因为热空气集中在箱内上部,另一方面也由此验证了电气箱的主要热量来源于盖板上的阳光照射。因此,对盖板结构进行优化设计可减小阳光照射的影响。

3.2增加隔热板计算结果

采用第2章节所述的优化结构进行计算,其温度变化趋势与无隔热板的情况相同,即30min后盖板最高温度和箱内平均温度趋于稳定,因此提取1h时刻的计算结果,如图6所示。

由图6可知,隔热板位置最高温度121.37℃,通过隔热板作用后盖板最高温度86.584℃,远低于无隔热板时的110℃,可见增加隔热板大大减小了阳光照射的影响。

工作1h后,箱内空气域温度为60.1℃,箱体平均温度为51.6℃,主要发热设备最高温度为58.06℃,温度相对没有隔热板的结构均明显下降,满足设备工作的温度要求(不高于70℃）。

4结语

本文根据模块化设计原则,提出了一种适用于空轨车辆、满足防尘防水要求的车顶电气箱结构,并针对散热问题进行了结构优化和仿真分析,仿真结果表明,箱体的结构优化对于降低箱体温度效果明显。

关键词： 最高温度 阳光照射 仿真分析