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摘要：文章以出口哈萨克斯坦的KZ4AC型电力机车安全信号柜的设计为例，主要从柜体结构设计和柜内布置设计两个大方面对安全信号柜的设计方法和设计原则进行了介绍和分析。
关键词：安全信号柜；结构设计；电磁兼容
中图分类号：P624.8
1 引言
KZ4AC型机车是南车株洲电力机车有限公司为出口哈萨克斯坦而研制的200km/h客运电力机车，在原哈萨克斯坦KZ4A型客运电力机车技术的基础上，借鉴了HXD1型和HXD1B型机车技术设计而成。KZ4AC型机车运行条件恶劣，一年中环境温度最低可达-50℃，最高温度可达45℃，昼夜温差（最大）可达40℃，为保证柜体结构的强度和设备的正常运行，必须采用耐低温钢材和电加热装置。其安全信号系统设备采用的是原苏联铁路专用的信号系统设备。
2 柜体结构设计
柜体结构设计的总体原则是保证产品技术指标的实现，首先必须考虑设备内部单元、器件相互间的电磁干扰和热的影响，以提高电性能参数的稳定性；必须注意机柜的强度、刚度等问题，以免产生变形，引起电气接触不良，甚至受到振动后产生破坏；必须按实际工作环境和使用条件，采取相应的措施以提高设备的可靠性和使用寿命，保证产品技术指标的实现。同时，为了能有效地操作和使用设备，必须是设备的结构设计符合人的心理和生理特点，同时要求结构简单，拆装方便。此外，面板上的控制器、显示装置必须进行合理选择与布置，以及考虑保护操作人员的安全等等。
安全信号柜采用外部骨架组焊，内部设备安装板组装的组合式结构形式，考虑耐低温的能力和总体对安全信号柜有重量控制要求，柜体材料采用了厚度为2mm的耐候钢板Q345GNHL和低温容器板，結构分为底架、顶架、左右侧板、中间立柱以及U型导轨和设备安装板组成，柜体右上部设置了一个相对独立的封闭空间，采用了电磁兼容的设计，防止外界的电磁干扰。柜体骨架主体部分采用了先进的焊接工艺进行连结，焊接质量执行EN15085《铁道车辆及其零部件的焊接》的规定，以满足柜体骨架的刚度和强度要求。U型导轨与柜体之间采用螺栓连接，方便调整和安装；设备安装板可像抽屉一样推入U行导轨，在去除螺栓固定和线缆连接的情况下，可以方便地将设备取出进行维修或更换。柜顶布置了4个吊环，用来吊装安全信号柜。柜子的安装采用2个长螺杆和2个短螺杆将柜体与车体相连接。
3 柜内布置设计
3.1 电气设备布置
3.2 线缆敷设
安全信号柜的线束敷设以《机车车辆布线规则》为依据， 对安装在安全信号柜内部的线束进行敷设设计。在进行线缆敷设设计时，要保证干扰电路和感受电路之间的充分分离。首先要将电缆进行分类，把可兼容的线缆归在一起进行敷设。
根据安全信号柜的设计要求，线缆敷设方式采用沿柜体两侧捆扎敷设，信号系统自带线属于C类线，线径较粗，可以将其捆扎固定在柜体左侧板的扎线杆上，而其他低压控制线缆属于B类线，则捆扎固定在柜体右侧板的扎线杆上，距离远大于最小间距0.1米的要求。
3.3 接地设计
电器柜接地是整车接地技术的一个组成部分。接地不但关系到安全，而且是电磁兼容设计的一部分。安全信号柜内每个设备安装板上焊接了接地螺栓，通过16mm2软铜绞线连接与柜体上的接地螺栓相连，电气设备外壳通过黄绿接地电缆连接到设备安装板或柜体的接地螺栓上。柜体上焊接了一个接地座，通过50mm2软铜绞线连接到车体的接地铜排上。
安全信号柜中还使用了单芯和多芯屏蔽电缆，其屏蔽层也需要接地。将线缆的金属屏蔽层用弹簧夹卡在端子排的接地母排上，再将母排接地，可达到良好的屏蔽效果。
3.4 热环境设计
由于KZ4AC型机车工作环境温度变化大，因此既要保证高温环境下的散热，也要考虑在极端低温情况下进行加温。
根据总体要求，安全信号柜的防护等级是IP20的，所以采用自然冷却的方式散热。柜内的电磁屏蔽区域也采用了部分冲孔板来屏蔽，达到良好的散热效果。
Sibas KLIP 输入输出模块不能在-50℃的极端低温下工作，所以在其工作区域安装了功率为200W的电加热器，当温度低于-40℃时开启加热，同时设置了在10℃时温控器控制电路断开，电加热器停止工作。
3.5 防火设计
防火设计主要考虑两个方面：一是采用阻燃、耐高温材料；二是设置烟火报警系统，进行主动监测。安全信号柜所使用的电缆都采用耐火、无卤素材料；柜内还设置了烟火报警装置，包含烟火报警控制箱和烟火报警探头，探头安装在柜子上部，当探头检测到烟火信号时，烟火报警控制箱会发出报警信号。
4 结束语
KZ4AC型机车安全信号柜的设计吸收了其他类型机车机柜设计的成功经验，其主要具有如下特点：
1） 柜体结构设计紧凑，结构通用性强，可适合不同设备的布置安装。
2） 电气设备布置和线缆敷设合理，充分考虑了设备间和线缆间的电磁兼容性。
3） 电气设备的安装主要安装在设备安装板上，可以采用抽屉式的推入抽出方式，便于安装与维护。
参考文献：
[1] TB/T3153-2007，机车车辆布线规则[S]
[2] 张树勋，黄学君，丁伟民.电力机车新型电器屏柜设计分析[J].电力机车与城轨车辆，2008
[3] 邱成悌，赵惇殳，等.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2005
关键词：安全信号柜；结构设计；电磁兼容
中图分类号：P624.8
1 引言
KZ4AC型机车是南车株洲电力机车有限公司为出口哈萨克斯坦而研制的200km/h客运电力机车，在原哈萨克斯坦KZ4A型客运电力机车技术的基础上，借鉴了HXD1型和HXD1B型机车技术设计而成。KZ4AC型机车运行条件恶劣，一年中环境温度最低可达-50℃，最高温度可达45℃，昼夜温差（最大）可达40℃，为保证柜体结构的强度和设备的正常运行，必须采用耐低温钢材和电加热装置。其安全信号系统设备采用的是原苏联铁路专用的信号系统设备。
2 柜体结构设计
柜体结构设计的总体原则是保证产品技术指标的实现，首先必须考虑设备内部单元、器件相互间的电磁干扰和热的影响，以提高电性能参数的稳定性；必须注意机柜的强度、刚度等问题，以免产生变形，引起电气接触不良，甚至受到振动后产生破坏；必须按实际工作环境和使用条件，采取相应的措施以提高设备的可靠性和使用寿命，保证产品技术指标的实现。同时，为了能有效地操作和使用设备，必须是设备的结构设计符合人的心理和生理特点，同时要求结构简单，拆装方便。此外，面板上的控制器、显示装置必须进行合理选择与布置，以及考虑保护操作人员的安全等等。
安全信号柜采用外部骨架组焊，内部设备安装板组装的组合式结构形式，考虑耐低温的能力和总体对安全信号柜有重量控制要求，柜体材料采用了厚度为2mm的耐候钢板Q345GNHL和低温容器板，結构分为底架、顶架、左右侧板、中间立柱以及U型导轨和设备安装板组成，柜体右上部设置了一个相对独立的封闭空间，采用了电磁兼容的设计，防止外界的电磁干扰。柜体骨架主体部分采用了先进的焊接工艺进行连结，焊接质量执行EN15085《铁道车辆及其零部件的焊接》的规定，以满足柜体骨架的刚度和强度要求。U型导轨与柜体之间采用螺栓连接，方便调整和安装；设备安装板可像抽屉一样推入U行导轨，在去除螺栓固定和线缆连接的情况下，可以方便地将设备取出进行维修或更换。柜顶布置了4个吊环，用来吊装安全信号柜。柜子的安装采用2个长螺杆和2个短螺杆将柜体与车体相连接。
3 柜内布置设计
3.1 电气设备布置
3.2 线缆敷设
安全信号柜的线束敷设以《机车车辆布线规则》为依据， 对安装在安全信号柜内部的线束进行敷设设计。在进行线缆敷设设计时，要保证干扰电路和感受电路之间的充分分离。首先要将电缆进行分类，把可兼容的线缆归在一起进行敷设。
根据安全信号柜的设计要求，线缆敷设方式采用沿柜体两侧捆扎敷设，信号系统自带线属于C类线，线径较粗，可以将其捆扎固定在柜体左侧板的扎线杆上，而其他低压控制线缆属于B类线，则捆扎固定在柜体右侧板的扎线杆上，距离远大于最小间距0.1米的要求。
3.3 接地设计
电器柜接地是整车接地技术的一个组成部分。接地不但关系到安全，而且是电磁兼容设计的一部分。安全信号柜内每个设备安装板上焊接了接地螺栓，通过16mm2软铜绞线连接与柜体上的接地螺栓相连，电气设备外壳通过黄绿接地电缆连接到设备安装板或柜体的接地螺栓上。柜体上焊接了一个接地座，通过50mm2软铜绞线连接到车体的接地铜排上。
安全信号柜中还使用了单芯和多芯屏蔽电缆，其屏蔽层也需要接地。将线缆的金属屏蔽层用弹簧夹卡在端子排的接地母排上，再将母排接地，可达到良好的屏蔽效果。
3.4 热环境设计
由于KZ4AC型机车工作环境温度变化大，因此既要保证高温环境下的散热，也要考虑在极端低温情况下进行加温。
根据总体要求，安全信号柜的防护等级是IP20的，所以采用自然冷却的方式散热。柜内的电磁屏蔽区域也采用了部分冲孔板来屏蔽，达到良好的散热效果。
Sibas KLIP 输入输出模块不能在-50℃的极端低温下工作，所以在其工作区域安装了功率为200W的电加热器，当温度低于-40℃时开启加热，同时设置了在10℃时温控器控制电路断开，电加热器停止工作。
3.5 防火设计
防火设计主要考虑两个方面：一是采用阻燃、耐高温材料；二是设置烟火报警系统，进行主动监测。安全信号柜所使用的电缆都采用耐火、无卤素材料；柜内还设置了烟火报警装置，包含烟火报警控制箱和烟火报警探头，探头安装在柜子上部，当探头检测到烟火信号时，烟火报警控制箱会发出报警信号。
4 结束语
KZ4AC型机车安全信号柜的设计吸收了其他类型机车机柜设计的成功经验，其主要具有如下特点：
1） 柜体结构设计紧凑，结构通用性强，可适合不同设备的布置安装。
2） 电气设备布置和线缆敷设合理，充分考虑了设备间和线缆间的电磁兼容性。
3） 电气设备的安装主要安装在设备安装板上，可以采用抽屉式的推入抽出方式，便于安装与维护。
参考文献：
[1] TB/T3153-2007，机车车辆布线规则[S]
[2] 张树勋，黄学君，丁伟民.电力机车新型电器屏柜设计分析[J].电力机车与城轨车辆，2008
[3] 邱成悌，赵惇殳，等.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2005