机车主变流器用铝合金箱体设计简介

机车主变流器用铝合金箱体设计简介
摘要：本文介绍机车主变流器用箱体的功能和分类，铝合金箱体的材料选择、结构设计、连接形式、接地设计以及强度要求等。

关键词：机车主变流器；减重；铝合金箱体；铆焊结合；强度
一、引子
为适应目前铁路机车轻量化设计要求，对机车内部的主变流器等大部件做出了减重设计的要求，将主变流器用箱体框架由传统的钢板设计优化为采用铝材质为主材，局部采用不锈钢材料，是实现减重设计的一个很好的途径。

二、主变流器箱体的主要功能
1.支撑并包容主变流器的各种电器部件，如功率模块、电容、电阻、控制单元、水冷单元等，使它们能够正常的工作。

2.安全保护和密封作用，使箱体内的电气部件不受外界环境的影响，又通过接地处理及绝缘距离设计、安全警示设计保护司机等操作人员的人身安全。

3.对主变流器内进行区域布局划分，如将高压电气和低压电气进行分区域布置。

三、主变流器箱体的分类
目前常用的主变流器箱体，按箱体的连接结构，可以分为焊接箱体、铆接箱体、螺栓连接箱体；按箱体的材料可以分为钢材箱体和铝材箱体。

四、主变流器基本要求
为了满足动力集中型动车组机车的轻量化要求，配属该车的变流器体积为3280×1000×2050 (L×W×H)，功能上要求包括两个牵引变流器、辅助变流器、列车供电单元及冷却单元四大部分。

涉及的电器部件及冷却用部件重量相当大，为了满足变流器的整体强度的同时达到减重的要求，变流器箱体重量必须限制在
700kg以下。

采用铝材作为变流器箱体的主材料，必要的区域采用钢板材料，替代传统的钢板作为箱体主框架设计的结构，可以实现箱体减重的目的。

五、铝箱体设计的设计要求及方法
箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外零部件的接口关系，这就决定了箱体的结构和尺寸，当然还应考虑外部有关零件对箱体的形状和尺寸的限制。

5.1 材料的选择
由于内部部件数量多，重量大，对受力很大的箱体来说，满足强度是一个重要问题。

由于铝材的总体强度会低于钢材，针对该变流器的体积大，相对较高的特点，为保证变流器箱体的整体结构强度，需要对铝合金材料的性能进行分析研究，作为选择材料的主要依据。

箱体的壁厚设计多采用类比法，对同类产品进行比较，参照设计者的经验或设计手册等资料提供经验数据，确定壁厚、筋板和凸台等的布置和结构参数。

对于重要箱体，可用计算机的有限元分析计算箱体的刚度和强度，或用模型和实物进行应力或应变的测定，直接取得数据或作为计算结果的校核手段。

采用铝材料进行箱体设计，会受相关材料特性的制约。

例如，机车主变流器常用的箱体框架采用的碳钢板Q345的屈服强度为345MPa, Q235的屈服强度为235MPa。

而常用的铝板5083 H111的屈服强度为125MPa, 6082 T6的屈服强度为260MPa。

铝材的牌号不同，屈服强度也不同，虽然6系列的铝材比5系列的强度相对会好一些，但是强度大的铝材折弯性能会也差一些，即同样厚度的铝板材强
度大的对应折弯半径要更大,如果折弯半径不能保证，则容易出现折弯裂纹现象，
影响整体强度。

我们常用的钢板折弯内角基本与板厚相同即可，但是3—6mm厚
的5083 H111铝板材折弯半径理论上要满足1.5倍板厚，而3—6mm厚的6082的
铝板材料折弯半径理论上要满足4.5倍板厚。

由此可见，高强度的铝合金板材的
折弯半径对结构设计是一个很大的限制。

在保证强度的前提下，为了避免折弯半径大带来的设计尺寸上的限制，综合
强度和折弯性能考虑，本项目主变流器的箱体采用6082方管铝型材与5083H111
的铝板配合使用进行总体结构设计，必要时局部采用不锈钢板进行设计。

5.2 满足强度和刚度要求
保证主变流器箱体结构设计的合理性。

如主框架的设计、横梁和竖梁的布置、开孔位置和连接结构的设计均要有利于提高箱体的强度和刚度。

箱体的主要承重支撑框架采用5mm厚方管铝型材A6082-T6，连接处采用焊
接结构，可以满足整体的强度和刚度要求。

通过竖梁搭建竖直方向的支撑框架，
将变流器分为多个功能区域，减小横梁的跨度；通过横梁的设计，在满足部件安
装的同时，使箱体的区域进行更进一步的划分。

箱体主框架的竖梁和横梁组成了
一个相当稳固的箱体主框架。

为了保证变流器箱体能承受铁路机车运行过程中的
振动和冲击，在箱体主框架承重较大的区域设计斜支撑梁，借助三角形的稳定性，增加箱体的整体强度和刚度。

箱体外围的蒙皮板采用2mm厚的铝板A5083-H111；通过强度计算内部承重
要求不高的部分采用3mm至 5mm厚不等的铝板A5083-H111，该种铝板材料具
有较好的折弯性能，不会因为折弯圆角过大而影响部件的安装面设计；针对局部
要求强度较高或特殊设计要求的部分采用不锈钢板设计。

5.3 箱体连接方式选择
铝合金箱体结构设计，选择方管铝型材，在结构上限制主框架采用铆接的可
能性，柜体主框架采用焊接结构较适宜；箱体内承重的3mm至 5mm厚的铝板与
主框架之间采用焊接方式；针对箱体外围的蒙皮板采用2mm厚的铝板，为了避
免薄铝板的焊接变形而影响变流器的外观，设计时将蒙皮板与主框架之间采用了
铆接结构，不仅使工艺上易于实现，而且表面平整度很高。

这种铆焊结合的连接
方式既保证了整体的强度要求，同时也保证产品的美观性。

由于铝板和钢板无法焊接在一起，铝材和钢板连接处需要采用铆接或螺栓连
接的结构。

5.4 箱体内连接件选择
铝箱体内的铆螺母和铆钉等连接件均需要采用不锈钢材质，可以有效避免材
料之间的电化学腐蚀，焊接也需要采用专用的铝焊丝。

对于主变流器内部的电器
部件安装紧固，尽量采用箱体上备螺母的方式，便于安装和维修拆卸。

铆螺母常
见的有圆头滚花型和六方头的，因为铝基材硬度较低，如果螺栓上紧力矩较大，
可能会导致圆头铆铆螺母松动；而六方头的铆螺母相对稳固，但在方管铝型材上
打六方孔需要专用工具。

也可以选择采用钢丝螺套的形式，即在箱体上焊接带有
钢丝螺套的铝支座，采用钢丝螺套的工艺相对铆螺母要复杂一些。

设计时可根据
实际情况进行连接件的选择。

5.5 接地处理
主变流器的箱体接地和电器部件及屏蔽线的接地，对于人身安全、变流器内
的电器部件使用安全及避免信号干扰是尤为重要的。

一种适合铝箱体的专用接地
座采用铝基材，内部嵌入钢基材螺纹或钢丝螺套，表面覆铜的结构，方便焊接，
也可保证可靠接地。

对于接地线比较集中的区域，可以采用通过接地座安装接地支架的方式进行过渡，增加接地点位。

5.6 安装固定及吊装设计
针对铝合金箱体基材硬度较低的特点，主变流器的安装接口及吊装接口的设计需要进行强度的分析计算，必要的时候采用钢板进行加强的结构。

5.7 主变流器箱体强度验证
主变流器体积大，内部部件多且重量大，箱体设计的关键点是保证强度和刚度要求。

变流器箱体设计完成后应通过有限元分析等软件进行箱体的总体强度及长寿命仿真分析确保结构设计的合理性。

在变流器样机试制完成后应按照相关标准进行振动和冲击试验，验证箱体的强度满设计要求。

六、结束语
大功率变流器用高强度铝合金箱体在设计中针对不同承重要求采用不同材料的思路，铆接和焊接结合的设计方法，综合考虑了总体强度、轻量化的要求，也兼顾了整体的美观性。