铁路信号用机柜的工业设计及可靠性仿真探讨.pdf

29技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION铁路信号用机柜的工业设计及可靠性仿真探讨齐 含1，2（1北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）摘要：针对铁路信号系统的不断更新和功能复杂化，作为主要载体的信号机柜的外观和性能需要进一步提升。以铁路信号机柜的工业设计、正向结构仿真设计、系统热仿真设计为重点进行探讨和研究，对机柜的外观布局、模块化设计进行优化，通过结构和热仿真，机柜可靠性及热稳定性进行正向验证。关键词：铁路机柜；工业设计；结构仿真；热仿真中图分类号：U284 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)07-0029-05Discussion on Industrial Design and Reliability Simulation ofRailway Signal CabinetQi Han1,2(1.CRSC Research&Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)(2.Beijing Engineering Technology Research Center of Operation Control Systems for High Speed Railways,Beijing 100070,China)Abstract:The appearance and performance of the railway signal cabinet as the main carrier need to be further improved in view of the continuous updating and functional complexity of the railway signal system.This paper focuses on the industrial design,forward structure simulation design and system thermal simulation design of railway signal cabinet,optimizes the appearance layout and modular design of the cabinet,and forward verifi es the reliability and thermal stability of the cabinet through structure and thermal simulation.Keywords:railway cabinet;industrial design;structural simulation;thermal simulationDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.07.005收稿日期：2022-10-07；修回日期：2023-06-05基金项目：中国铁路通信信号股份有限公司重大科技专项（2300-K1200022.02）发明专利：2022 年国家发明专利（CN111372414A）;2021 年国家实用新型专利（CN213522626U）；2021 年国家实用新型专利（CN21363868U）；2021 年国家实用新型专利（CN214070416U）；2018 年国家外观专利（CN304899742S）作者简介：齐含（1989），男，工程师，硕士，主要研究方向：产品设计及信号系统整机设计，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月，第20卷第7期30T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION中国铁路不断快速发展，对铁路信号装备不论是性能层面还是外观造型都提出了更高要求。虽然产品设计占比总成本的比重不到%，但它却影响产品整体利润的%以上。铁路信号用机柜作为信号系统的重要载体，其造型设计应该是技术和艺术的结合，既要通过工业设计凸显产品的特点和品牌价值，又要兼顾机柜的结构工艺性、结构可靠性、可维护性、经济性和系统热力学稳定性。基于上述特定，本文从一种机柜的工业设计和可靠性仿真分析的角度进行探讨与研究。1机柜外观及布局设计铁路信号用机柜配置 Pantone C 主体颜色，室内机柜尺寸以 mm mm mm为标准，机柜前门采用网孔设计，配合竖线条和门锁结构，在整体造型设计方面，通过前门凹凸设计和形态拼合，突出机柜的立体感和层次感，从而获得机柜的稳定感。在细节设计上，合理规划铭牌、标识、装饰条等构件位置，凸显企业的品牌感。利用点、线、面造型要素进行有规律的疏密排列为机柜创造节奏感和秩序性。机柜通风孔的设计为“点”元素。零部件轮廓线、面板安装缝和内部的布线设计为“线”元素。面板安装缝起到功能分区的作用，使操作界面更加清晰，零部件整体协调，功能更加有序。布线设计则重点考虑线的走向，呈现横平竖直、整齐有序的视觉效果。机柜门板设计及并柜效果为“面”元素。立体门的设计配合柜门两侧的弧面，充分体现了视觉的节奏感和秩序性。通过并柜能够产生视觉的横向延伸感，具有平稳统一的视觉效果，形成功能强大的既视感。如图 所示。2布线及模块化接口设计2.1布线标准化原则考虑到现有信号系统用机柜生产布线作业区、现场施工作业区和使用操作作业区界限不清；柜内电源线、信号线和通信线布局没有统一的线槽布线规范；不合理的布线导致机柜空间利用率很低等问题。根据上述问题，进行了布线标准化，对铁路信号用机柜的作业区进行了划分，如图 所示。图铁路信号用机柜布线标准化Fig.2 Standardized wiring of railway signal cabinet使用操作作业区生产布线作业区现场施工作业区2.2模块化接口设计在铁路通信信号产品领域，PCB 的集成化和模块化已经十分完善，但是对于整机柜系统级别，系统的供电设计模块化不够成熟，方案有两种：一种是单纯将电源线连接到各个 PCB 模块上；另一种是单纯在一块钣金安装板上安装端子排，将外部线缆分流到各个 PCB 模块上。第一种对于现场安装维护不便，而且由于不同模块位置不同，需要提供的外部线缆长度不能统一；第二种解决了外部电源线长度统一化的问题，但是电源接口模块集成度不高，如整机 PCB 模块多，不能有效配置，需要配置的数量多，占用安装的空间大，增加了成本。如图 所示，采用通用电源接口层模块化设计，能够有效地提高产品的生产效率、可用性，提高机图铁路信号用机柜尺寸、颜色、布局Fig.1 Size,color and layout of railway signal cabinet网孔门颜色Black C主体颜色C顶盖logo前门装饰条门锁后柜门网孔前柜门网孔底座 mm mm mm铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月31技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION柜的利用空间，便于现场的操作和维护。机柜底部设置信号线缆接口层，实现柜内布线和柜外布线隔离，工厂生产施工布线和现场施工操作隔离，提高产品可靠性、可维护性和生产效率。3结构仿真分析考虑到车载机柜的工作环境相对于地面机柜恶劣，对车载机柜的振动可靠性要求更高，通过对车载机柜底部+背部此安装方式的预设条件下进行振动仿真分析，正向验证机柜的结构可靠性。根据轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验（GB/T-），车载机柜满足 类车体安装 A 级标准，对应的 ASD 频谱（加速度谱密度）如图 所示。图类A级车体安装ASD频谱Fig.4 ASD spectrum diagram for type 1 class A vehicle body InstallationASD/(m/s)/Hz(对数坐标)x dB/oct频率/Hz（对数坐标）ff-dB/oct上限标称值标称频谱的容差带 dB下限当 M（质量）kg 时，f Hz，f Hz。根据上述标准中 ASD 数值可以计算出 Hz 频率下的 ASD 数值，如公式（）所示。（）式中：P 是加速度谱密度，(mm/s)/Hz；f 是频率，Hz；S 是斜率，dB/oct。通过 ANSYS 进行车载机柜的建模仿真，通过横向 PSD 载荷曲线施加横向加速度谱，得到的应力和应变仿真结果，如图 所示。图机柜横向振动仿真Fig.5 Simulation diagram of lateral vibration of cabinet（a）横向PSD载荷（a）Lateral PSD load（b）最大主应变（b）Maximum principal strain（c）最大应力（c）Maximum stress图通用电源接口层及信号线缆接口层模块设计Fig.3 Module design ofgeneral power interface layer and signal cable interface layerNo.7齐含：铁路信号用机柜的工业设计及可靠性仿真探讨32T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION以此类推，同样得到纵向振动仿真和垂向振动仿真结果，对车载机柜的振动分析(sigma)得到的参数，如表 所示，结论如下：最大等效应力发生位置的材料为镀锌钢板，材料强度远大于最大应力，无破坏风险。表1振动仿真的应力和应变Tab.1 Stress and strain of vibration simulation方向最大主应变/mm最大应力/MPa横向振动0.25118.8纵向振动0.58113.85垂向振动0.2772.214热仿真分析铁路信号机柜内的各个模块采用 PCB 板卡，而电子设备失效中的%是由于温度过高，热故障已成为电子设备的主流故障。通过对铁路信号机柜系统进行热仿真，优化机柜的结构和布局，对增加系统的热可靠性至关重要。列控系统中板卡的 CPU 温度过高会导致信号系统故障，通过 Icepak 软件对列控系统进行建模和热分析，如图 所示。图机柜仿真建模及热分析Fig.6 Simulation modeling and thermal analysis diagram of cabinet由于列控系统机柜底部有电源模块和接口单元，温度沿着机柜高度方向升高，对逻辑部单元 I 系和II 系的 CPU 板的温度进行分析，对机柜的热设计做出了如下方案及热仿真分析对比，方式 采用上述既有布置；针对图 中的布置，方式 对逻辑单元 I 系和 II 系的插箱下方增加了斜挡板同时前补空板增加通风口；方式 对逻辑单元 II 系插箱底部增大 U 空间+斜挡板；方式 对逻辑单元 II 系插箱底部增大 U 空间；方式 对逻辑单元 II 系插箱底部增大 U 空间+斜挡板；方式 将底部电源模块放到机柜最上方，同时在逻辑电源 I 系和 II 系的插箱下方增加了斜挡板同时前补空板增加通风口；仿真结果如图 所示。图列控系统机柜的结构设计方案及热仿真Fig.7 Structural design scheme andthermal simulation diagram of train control system cabinet方式方式方式方式方式方式通过上述仿真结果分别得到了 CPU 的温度值，得到的曲线如表 2 所示。表2列控系统机柜不同内部结构下逻辑部CPU温度对比Tab.2 Comparison of CPU temperature of logic unit under diff erent internal structures of train control system cabinet结构I-CPU1/I-CPU2/II-CPU1/II-CPU2/方式 165.563.462.458.7方式 261.3656.8763.357.92方式 364.662.160.856.1方式 465.4663.261.958.18方式 564.361.860.856.1方式 659.954.764.456.1通过上述热仿真分析及温度参数对比，方式 和方式 下的列控系统机柜的热可靠性较高，宜采纳。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月33技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION5总结本文提出的铁路信号用机柜的工业设计方案，提升了产品的外观，凸显了产品的品牌。通过对机柜的布局优化和模块化设计使得操作界面、生产界面、维护界面的划分更清晰，提高了产品的可用性、可维护性以及生产效率。通过对机柜进行结构仿真和热仿真分析，增加了铁路信号用机柜的结构强度可靠性、热可靠性。在今后的铁路信号机柜实际应用中也要对工业设计及可靠性仿真方面进一步研究，使得结构仿真和热仿真作为机柜设计的必要中间环节，不断更新和优化铁路信号系统机柜。参考文献1 明方成.工业造型设计基础 M.北京:机械工业出版社，1988.2 陈少锋，薛澄岐.工业机柜设计案例库系统研究 J.电子机械工程，2009，25（5）：4-7.Chen Shaofeng,Xue Chengqi.A Study on Cases of Industrial Cabinet DesignJ.Electro-Mechanical Engineering,2009,25(5):4-7.3 丁文，韩德斌.浅谈形式美法则在电力机柜设计中的应用 J.工业设计，2021（4）：155-156.Ding Wen,Han Debin.Discussion on the Application of Principle of Form Beauty in the Design of Electric CabinetJ.Industrial Design,2021(4):155-156.4 张亚峰.车载电子设备的抗振设计 J.电子机械工程，2003，19（2）：6-8，33.Zhang Yafeng.Anti-Vibration Design of Vehicle-Borne Electronic EquipmentJ.Electro-Mechanical Engineering,2003,19(2):6-8,33.5 高学斌，代廷振.电子设备机柜模态分析研究及试验验证 J.电工技术，2020（23）：52-55，59.Gao Xuebin,Dai Tingzhen.Modal Analysis and Test Verification of Electronic Equipment CabinetJ.Electric Engineering,2020(23):52-55,59.6 王永康.ANSYS Icepak 电子散热基础教程 M.北京:国防工业出版社，2015.7 高飞，孟佳，施金奎，等.电力电子机柜内部温度优化分析 J.电工技术，2022（7）：100-102.Gao Fei,Meng Jia,Shi Jinkui,et al.Optimization Analysis of Internal Temperature of Power Electronic CabinetJ.Electric Engineering,2022(7):100-102.8 矫海.某型电子设备方舱散热分析及优化 J.电子机械工程，2020，36（6）：38-41.Jiao Hai.Analysis and Optimization of Heat Dissipation of an Electronic Equipment CabinJ.Electro-Mechanical Engineering,2020,36(6):38-41.No.7齐含：铁路信号用机柜的工业设计及可靠性仿真探讨北京全路通信信号研究设计院集团有限公司（详见封面）*本期广告企业简介C3 列控智能分析系统 监测数据/日志数据的自动采集和清洗 C3 无线超时故障的自动分析和诊断C3 关键信号设备间信息安全监督 C3 系统健康管理及预警 地址：北京市丰台科技园区汽车博物馆南路 1号院中国通号大厦，100070 E-mail: