李小平

（卡斯柯信號有限公司，北京 100160）

隨著我國鐵路運輸向高速、高密度和重載方向的飛速發(fā)展，鐵路信號系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的保障鐵路運輸安全的“眼睛”，變成了保障行車安全、集中調(diào)度管控、提高運能和運力并改善運輸勞動條件的鐵路“中樞神經(jīng)”[1]。電氣化鐵路線路周圍復(fù)雜的電磁、強振動環(huán)境會對鐵路信號設(shè)備的穩(wěn)定工作造成極大影響，作為容納鐵路信號電氣或電子設(shè)備的獨立載體，鐵路信號設(shè)備機柜為信號核心安全設(shè)備提供了防水、防塵和防電磁干擾等的安全運行環(huán)境，其設(shè)計的優(yōu)劣將直接影響鐵路信號設(shè)備工作的穩(wěn)定性[2]。部分企業(yè)標準已對信號設(shè)備的室內(nèi)外機柜外觀、結(jié)構(gòu)和防護等級等做了明確的規(guī)定，鐵路信號機柜均達到了技術(shù)規(guī)范和CRCC 要求，但機柜設(shè)計還是存在較多差異和不合理之處[3]。該文總結(jié)了現(xiàn)有機柜存在的關(guān)鍵問題，分析了影響設(shè)計的各類因素，結(jié)合工程經(jīng)驗，提出了信號設(shè)備機柜設(shè)計的改進原則和方法。

1 鐵路信號設(shè)備機柜現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)鐵路信號系統(tǒng)機柜存在如下問題[4]：1）機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計強度不夠或過強，影響設(shè)備安裝空間。2）機柜柜內(nèi)電氣設(shè)備布局差異較大，甚至布局不合理，造成不易操作、散熱不良等問題。3）集成度不高，空間資源利用不合理，侵占維護空間，導(dǎo)致維護困難。4）機柜內(nèi)部設(shè)備標識參差不齊，不易直觀區(qū)分設(shè)備名稱或板卡名稱。

2 鐵路信號機柜的設(shè)計

鐵路信號系統(tǒng)需要各子系統(tǒng)機柜內(nèi)的信號設(shè)備有序配合，才能實現(xiàn)其復(fù)雜的聯(lián)鎖、聯(lián)動功能，每個子系統(tǒng)獨立而不可或缺。鐵路信號設(shè)備按安裝位置分為3 類，即車載、室內(nèi)和軌旁。車載機柜主要安裝在機車上；室內(nèi)機柜主要安裝在線路的車站、中繼站或調(diào)度中心機房；軌旁機柜主要安裝在軌道附近且不影響列車運行的位置。因為機柜安裝、運行環(huán)境不同，所以對防護等級、尺寸和結(jié)構(gòu)等方面的要求也大不相同。

機柜安裝的環(huán)境決定了其性能需求、機柜型材選擇、散熱方式等整體方案。關(guān)于環(huán)境因素，需要明確其安裝方式、安裝位置和工作環(huán)境的溫度、濕度、沙塵防水等級、防雨以及防異物進入等因素，如安裝在沙漠中的軌旁機柜必須考慮防塵、冰雪和太陽輻射等因素。

機柜結(jié)構(gòu)布局和外觀是機柜整體形象的體現(xiàn)，不僅包括機柜的尺寸、整機顏色、表面處理和機柜涂層等方面的詳細要求，也包括柜體門鎖、鉸鏈等的形狀、大小，標識的安裝位置、尺寸機柜銘牌等要求，還需要關(guān)注客戶的特殊要求。機柜結(jié)構(gòu)主要根據(jù)工程現(xiàn)場環(huán)境、固定方式和柜內(nèi)設(shè)備，需要考慮柜體型材、安裝空間、柜內(nèi)配線、理線線槽、開門角度、柜門類型、出線方式、隔熱以及后期維護便利等方面的因素。

根據(jù)上述實際應(yīng)用分析，機柜的結(jié)構(gòu)布局和散熱是影響鐵路信號設(shè)備穩(wěn)定性的重要因素，因此該文對鐵路信號機柜的結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計方法進行了優(yōu)化，具體設(shè)計過程如下。

為了便于系統(tǒng)維護并減少機柜設(shè)計的復(fù)雜度，該文根據(jù)從上至下的原則，將鐵路信號柜內(nèi)完成同一功能的設(shè)備作為一個整體模塊。整個柜內(nèi)設(shè)備分為若干功能單元模塊，并明確各單元模塊間的聯(lián)系，再對其功能模塊進行布局和設(shè)計。鐵路信號機柜一般分為安全主機單元、通信接口單元、輔助維護單元、冗余電源單元和驅(qū)動采集單元等，一方面可減少模塊內(nèi)部的線纜長度和模塊間連接的復(fù)雜度，另一方面可使鐵路信號機柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰、空間布局合理。最后采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)布局設(shè)計過程還要考慮實際應(yīng)用，如應(yīng)將比較重的模塊布置在機柜底部，散熱量較大的設(shè)備布置在機柜頂部，系統(tǒng)維修輔助單元則需要設(shè)計在便于現(xiàn)場人員維護的位置，距機柜底部約23cm 的位置等，具體如圖1所示。

圖1 鐵路信號機柜的分層設(shè)計

在圖1 中，可以同時看到鐵路信號機柜的2 個面，即正面和左側(cè)面，粗實線代表鐵路信號機柜的框架，細線代表各功能模塊層次間隔布局。從圖1 的結(jié)構(gòu)可以看出，該文設(shè)計示例的鐵路信號機柜內(nèi)部共劃分為5 個不同的功能區(qū)域，每個功能區(qū)既相互聯(lián)系又獨立分布。對每個功能區(qū)的設(shè)備再進行詳細設(shè)計，從而可以確定每個功能區(qū)的占用機柜的容積、高度等參數(shù)，由此可以確定鐵路信號機柜的高度和個數(shù)。其計算如公式（1）所示。

式中：H代表鐵路信號機柜的總體高度；Hi代表鐵路信號機柜第i層的高度；HF代表鐵路信號機柜的總體高度中的輔助高度。

HF的計算如公式（2）所示。

式中：HF代表鐵路信號機柜的總體高度中的輔助高度；HU代表鐵路信號機柜頂部的輔助高度；HD代表鐵路信號機柜底部的輔助高度。

標準機柜的寬度有明確的規(guī)定，該系統(tǒng)機柜的數(shù)量N如公式（3）所示。

式中：N代表機柜的總數(shù)；HG代表標準機柜容納設(shè)備的最大高度。

對非標尺寸的機柜來說，不僅要考慮其總體高度，還要考慮內(nèi)容設(shè)備和線纜的體積需求、機柜的整體協(xié)調(diào)性，可以計算出鐵路信號機柜的總體體積和機柜數(shù)量，如公式（4）所示。

式中：V代表鐵路信號機柜的總體積；H代表鐵路信號機柜的總體高度；L代表鐵路信號機柜底面的總體長度；W代表鐵路信號機柜底面的總體寬度。

除基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計以外，鐵路信號機柜還需要設(shè)計立柱、支架、滑軌托盤等內(nèi)容裝配結(jié)構(gòu)，便于各種信號單元的安裝固定。

機柜散熱設(shè)計也是機柜設(shè)計的重點之一。據(jù)調(diào)查，機房內(nèi)機柜局部過熱的現(xiàn)象普遍存在，僅局部過熱問題引發(fā)的系統(tǒng)宕機現(xiàn)象就達到了32%。合理的布局和風(fēng)道設(shè)計是有效散熱的關(guān)鍵。進行產(chǎn)品熱設(shè)計時需要考慮環(huán)境溫度。先評估機柜內(nèi)設(shè)備的總熱功率P總，通過計算得出滿足熱交換所需的風(fēng)量，再設(shè)計機柜散熱方式，并選擇合適的風(fēng)扇。

設(shè)計機柜內(nèi)設(shè)備總熱功率如公式（5）所示。

式中：P總為機柜內(nèi)部所有設(shè)備的熱功率；Pi為單個設(shè)備的熱功率；Pr為柜內(nèi)電源線纜的熱功率。

無熱功率參數(shù)的設(shè)備如公式（6）所示。

式中：P為設(shè)備的額定功率為設(shè)備的輸出功率；Po設(shè)備的輸出功率。

散熱方式主要為自然對流散熱或強迫風(fēng)冷散熱方式。機柜默認是帶風(fēng)扇的強迫風(fēng)冷機柜，但產(chǎn)品設(shè)計要滿足機柜在無風(fēng)扇條件下正常工作的要求。3 種散熱方案是鐵路信號機柜常用的設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2 鐵路信號機柜散熱方案

方案1 適合自然對流散熱機柜，其對環(huán)境要求較高；方案3 適用于室外軌旁機柜；方案2 是基于方案1 優(yōu)化過的散熱方案，適用范圍比較廣，適用于室內(nèi)機柜和車載機柜。該文設(shè)計采用方案2，為強迫風(fēng)冷方式。為能夠形成有效風(fēng)路，托盤等設(shè)計需要采用網(wǎng)狀或開孔設(shè)計，防止柜內(nèi)熱聚集。在散熱比較差的地方需要單獨設(shè)計風(fēng)扇，進行助力散熱。同時，鐵路信號機柜的主立面補空應(yīng)為實性，便于機柜內(nèi)部形成有效散熱風(fēng)路。

強迫風(fēng)冷需要考慮傳導(dǎo)和對流。由于路徑復(fù)雜，精確評估傳熱能量不現(xiàn)實，針對鐵路信號機柜產(chǎn)品的特點，對機柜熱設(shè)計進行初步評估時，選擇采用質(zhì)量守恒的方式。質(zhì)量守恒公式如公式（7）所示。

式中：Q為風(fēng)扇風(fēng)量；p為空氣密度；Cp為空氣比熱容；ΔT為為機柜進出風(fēng)口的溫度差；t為時間，h。

機柜所選風(fēng)扇的最大風(fēng)量建議滿足Qmax=2×Q，其中Q是根據(jù)評估得到的風(fēng)扇實際風(fēng)量要求。除了需要設(shè)計風(fēng)扇的風(fēng)量，還需要注意風(fēng)扇的風(fēng)壓。風(fēng)壓主要和內(nèi)部設(shè)備的體積、擺放位置有關(guān)系，由于產(chǎn)品機柜內(nèi)的布局方式較多且結(jié)構(gòu)差異較大，因此可以通過熱仿真來驗證其有效性。

3 鐵路信號機柜的結(jié)構(gòu)性能仿真

完成鐵路信號機柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，需要對其力學(xué)性能進行仿真分析。尤其是車載機柜和軌旁機柜，由于二者安裝在振動強度較大的列車上和環(huán)境比較苛刻的軌旁，因此其在運行過程中的動態(tài)力學(xué)性能比靜態(tài)力學(xué)性能更值得關(guān)注。

和靜止擺放的室內(nèi)機柜相比，列車上的車載機柜和軌旁機柜的工作條件更復(fù)雜。尤其是在運動過程中，列車高速行駛會使車載無法避免地發(fā)生顛簸和振動，導(dǎo)致車載機柜也會受橫向和縱向振動載荷的影響。相對而言，車載和軌旁機柜所受的橫向振動載荷更大。在垂直方向上，機柜和鐵軌之間不會產(chǎn)生較大偏移，因此比較平穩(wěn)。在水平方向上，車載和軌旁機柜所受的橫向振動載荷就會比較明顯。最主要的原因是列車經(jīng)常受緊急制動和室外自然側(cè)風(fēng)的影響，產(chǎn)生強烈的加速和減速，從而引起鐵路信號機柜明顯的橫向振動。

據(jù)此，該文重點研究軌旁和車載機柜橫向的振動變化，體現(xiàn)為加速度層面的沖擊，因此對加速度進行譜密度觀測是進行橫向振動沖擊試驗的重要手段。對加速度譜密度前、后變化的計算如公式（8）所示。

式中：P1表示加速度突變前的加速度譜密度；P2表示加速度突變后的加速度譜密度；f1表示速度突變前的加速度變化頻率；f2表示速度突變后的加速度變化頻率；S表示斜率。

然后采用ANSYS 軟件進行有限元建模和仿真，可以看到整個鐵路信號機柜橫向應(yīng)變的變化，如圖3 所示。

圖3 鐵路信號機柜整體的橫向應(yīng)變分析結(jié)果

從圖3 可以看出，在模擬運動過程中，鐵路信號機柜整體的左、右兩側(cè)外壁所受的應(yīng)變變化均勻。從圖3 的區(qū)域劃分情況來看，其應(yīng)變大小主要集中在0.11mm～0.16mm。鐵路信號機柜產(chǎn)生的應(yīng)變最大值出現(xiàn)在0.25mm 左右，主要集中在正面頂部、側(cè)上中部的位置。從右側(cè)面的情況看，其中向上靠正面的位置產(chǎn)生的應(yīng)變也比較明顯。鐵路信號機柜整體偏下的位置產(chǎn)生的應(yīng)變則比較小。底部和后面的應(yīng)變基本接近于0mm，這與這些位置加固得比較牢靠有關(guān)。但從應(yīng)變的變化范圍來看，該文設(shè)計的鐵路信號機柜完全在安全范圍內(nèi)，不會影響內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)的使用。

鐵路信號機柜整體的橫向應(yīng)力分析結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，鐵路信號機柜整體所受的橫向應(yīng)力均處在比較低的水平，即≤110MPa，可保證設(shè)計的鐵路信號機柜在極端條件下能夠穩(wěn)定運行。

圖4 鐵路信號機柜整體的橫向應(yīng)力分析結(jié)果

4 鐵路信號機柜的熱性能仿真

鐵路信號機柜的設(shè)計效果是否理想，還有另外一個重要的考核因素——熱性能考核。鐵路信號機柜內(nèi)部承載了大部分電路板和電子器件，需要24h 不間斷運行，即使各電路板、電子器件都不是滿負荷工作狀態(tài)，也會產(chǎn)生大量熱量。如果機柜的散熱設(shè)計不理想，就會造成機柜內(nèi)局部溫度過高，進而導(dǎo)致電路板和電子器件失效——這是CPU 失效最常見的現(xiàn)象之一。因為在各種電子器件的工作過程中，CPU 計算量最大、處理速度最快，所以也會消耗更多的電功率、產(chǎn)生更高的工作溫度，超出其極限工作溫度就會導(dǎo)致宕機。

該文設(shè)計的鐵路信號機柜充分考慮了散熱功能的設(shè)置，具體的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5 所示。

圖5 鐵路信號機柜前、后面的散熱設(shè)計

鐵路信號機柜頂部是機柜整體散熱的主要區(qū)域。在機柜設(shè)計中，一方面，機柜后門下部設(shè)計了入風(fēng)口，頂部有強迫散熱風(fēng)扇，可保證機柜從底部到頂部形成一條有效風(fēng)路；另一方面，機柜前門設(shè)計為蜂窩孔狀（也為了滿足有效電磁兼容性能），并且柜內(nèi)每個設(shè)備間至少設(shè)計了1cm 間隔，在強迫散熱失效后可自然散熱。

為了驗證該文設(shè)計的散熱性能，使用ANSYS 軟件對機柜的熱力圖進行仿真，如圖6 所示。

圖6 鐵路信號執(zhí)行機柜熱力仿真（℃）

將自然對流和強迫風(fēng)冷設(shè)計進行對比，分別記錄機柜內(nèi)不同高度的5 組芯片（以VCU 為例）的最高溫度情況，如圖7 所示。

圖7 鐵路信號機柜內(nèi)5 組VCU 的溫度情況

圖7 中，橫坐標代表機柜內(nèi)不同高度的關(guān)鍵5 組VCU的序號，縱坐標代表VCU 表面溫度。實線代表自然對流散熱設(shè)計下VCU 的溫度變化，虛線代表強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計下5 組VCU 的表溫變化。對比2 組曲線的情況可以看出，優(yōu)化后的散熱性能有效提升約20%。這說明采用有效的方法設(shè)計機柜內(nèi)部的散熱風(fēng)路和選擇有效的散熱方式有助于提升機柜的整體散熱水平，確保柜內(nèi)板卡和設(shè)備能穩(wěn)定工作。

5 結(jié)論

鐵路信號設(shè)備機柜不僅為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的核心器件提供安裝支撐、電氣連接和狀態(tài)指示等功能，也為其內(nèi)部IT 設(shè)備提供可靠的電磁環(huán)境和外部防護。其設(shè)計的好壞將直接關(guān)系整個系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、設(shè)備開通運行后的可維護性以及柜內(nèi)IT 設(shè)備的運行壽命，還會直接影響鐵路信號產(chǎn)品日常維護的勞動強度。該文對鐵路信號機柜進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱設(shè)計的優(yōu)化，并通過試驗驗證了設(shè)計結(jié)果的有效性。結(jié)果表明：通過系統(tǒng)性設(shè)計，可提高鐵路信號機柜的結(jié)構(gòu)性能、散熱性能以及產(chǎn)品在復(fù)雜環(huán)境下的適用性，也可提升設(shè)備在后續(xù)運行中的可維護性。