CN111106737A - 复合材料变流器柜体及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料变流器柜体及其组装方法，涉及铁道车辆变流器技术领域，用于解决现有技术中变流器柜体的重量较大以及结构安全性不强的技术问题。本发明的复合材料变流器柜体，包括薄板构件，由于变流器中的薄板构件具有复合材料部，即采用复合材料制成，其密度远低于钢材和铝材等金属材料的密度，且具备远高于钢材和铝材等材料的强度和抗疲劳、抗腐蚀特性，因此使复合材料变流器柜体不仅比传统金属变流器柜体的重量更低，同时也解决了强度、疲劳和腐蚀等问题，从而达到提升柜体轻量化水平和结构安全性的目的。

Description

复合材料变流器柜体及其组装方法

技术领域

本发明涉及铁道车辆变流器技术领域，特别地涉及一种复合材料变流器柜体及其组装方法。

背景技术

变流器产品是能进行电能传递的列车动力设备，由变压器、模块等电气设备以及变流器柜体组成。变流器电气设备通过变流器柜体上的吊耳通过螺栓紧固到列车车底上，因此变流器柜体结构的轻量化和安全性对列车能耗和行车安全具有重要意义。变流器柜体目前主要是金属变流器柜体，一般由钢材(如碳钢、不锈钢等)或铝材(5系、6系及7系等)制作。金属变流器柜体有一些固有缺点：例如，在重量方面，重量占整柜比例较大，如铝合金柜体重量占整体的25％～30％，碳钢柜体可占30％～35％；在安全性方面，金属变流器柜体存在疲劳、腐蚀以及修复难度高等问题，而且柜体结构一旦出现开裂，其安全性评估难度高。

发明内容

本发明提供一种复合材料变流器柜体及其组装方法，用于解决现有技术中变流器柜体的重量较大以及结构安全性不强的技术问题。

本发明提供一种复合材料变流器柜体，包括包括薄板构件，所述薄板构件包括填充材料以及覆盖在所述填充材料上的复合材料部。

在一个实施方式中，所述复合材料部为碳纤维层合板或玻璃纤维层合板。

在一个实施方式中，所述碳纤维层合板由预浸料碳纤维布或者碳纤维布逐层铺设而成。

在一个实施方式中，所述预浸料碳纤维布或所述碳纤维布的数量均为4-60层。

在一个实施方式中，所述预浸料碳纤维布的铺层角度为0°、±30°、±45°、±60°或90°。

在一个实施方式中，所述碳纤维布的铺层角度为0°、±30°、±45°、±60°或90°。

在一个实施方式中，所述预浸料碳纤维布包括预浸料单向布和预浸料双向布；所述碳纤维布包括非预浸料单向布和非预浸料双向布。

在一个实施方式中，所述填充材料为蜂窝夹芯材料、泡沫夹芯材料或聚氨酯。

在一个实施方式中，所述薄板构件为柜体主箱体、长隔板、短隔板、风道组件、底盖板、柜门、电气部件安装梁和吊耳；

所述柜体主箱体、长隔板和短隔板中均铺设有铜网，所述电气部件安装梁中设置有预埋金属安装座。

本发明提供一种复合材料变流器柜体的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

将长隔板通过粘接安装到柜体主箱体中；

将各个短隔板分别通过粘接安装于柜体主箱体、长隔板和/或在先安装的短隔板上；

将风道组件通过粘接、螺栓连接或者铆接的方式安装到柜体主箱体中；

将电气部件安装梁通过粘贴、螺栓连接或者铆接的方式中的一种或几种与柜体主箱体、长隔板和短隔板形成固定连接；

将吊耳通过螺栓或铆接的方式安装于柜体主箱体上；

将底盖板和柜门通过螺栓、铆螺母和/或门锁连接的方式安装于柜体主箱体上；

将附属件用通过螺栓连接、铆接或粘贴的方式安装于柜体主箱体上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：由于变流器中的薄板构件具有复合材料部，即采用复合材料制成，其密度远低于钢材和铝材等金属材料的密度，且具备远高于钢材和铝材等材料的强度和抗疲劳、抗腐蚀特性，因此使复合材料变流器柜体不仅比传统金属变流器柜体的重量更低，同时也解决了强度、疲劳和腐蚀等问题，从而达到提升柜体轻量化水平和结构安全性的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的实施例中复合材料变流器柜体的立体结构示意图；

图2是图1所示的复合材料变流器柜体的***图；

图3是本发明的实施例中薄板构件的左视图；

图4是本发明的一个实施例中碳纤维层合板的***图；

图5是本发明的另一个实施例中碳纤维层合板的***图

图6是本发明的一个实施例中碳纤维布的结构示意图；

图7是本发明的另一个实施例中预浸料双向布或非预浸料双向布的结构示意图。

附图标记：

100-薄板构件；

101-复合材料部；102-填充材料；

111-碳纤维层合板；112-预浸料碳纤维布；113-碳纤维布；

1-柜体主箱体；2-长隔板；3-短隔板；4-风道组件；5-底盖板；6-柜门；8-吊耳；

7-电气部件安装梁。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，根据本发明的个方面，提供一种复合材料变流器柜体，其包括薄板构件100，薄板构件100如图3和4所示，薄板构件100包括填充材料102以及覆盖在填充材料102上的复合材料部101。例如复合材料部101分别设置在填充材料102的上表面和下表面，填充材料102能够增强薄板构件100的强度。

需要说明的是，本发明的薄板构件100包括板构件和梁构件，其中，板构件例如下文提到的柜体主箱体1，梁构件例如电气部件安装梁7。

进一步地，本发明所述的复合材料为玻璃纤维复合材料或碳纤维复合材料。

优选地，由于碳纤维复合材料的密度仅约1.8g/cm³，因此在轻量化方面具有无可比拟的优势。因此本发明的复合材料变流器柜体为碳纤维变流器柜体。由于采用碳纤维复合材料制成的变流器柜体，在相同产品情况下，可以比铝合金柜体减重25％以上，比碳钢、不锈钢柜体减重35％以上；从而达到提升柜体轻量化水平的目的。

具体地，复合材料部101为碳纤维层合板111或玻璃纤维层合板。

可选地，碳纤维层合板111由预浸料碳纤维布112逐层铺设而成，其中，预浸料碳纤维布的数量为4-60层。

根据薄板构件100的安装部位以及与其他部件的配合情况，可以计算获得该薄板构件100相应的受力情况，例如主要是受拉应力还是剪切力等。根据上述不同薄板构件100的不同受力情况，可以选择在不同方向上铺设预浸料碳纤维布112，不同的铺层角度不仅能够达到防止翘曲的目的，而且能够提高其抗剪切能力。

预浸料碳纤维布112的铺层具有多种方式可以选择，例如对称或者非对称的方式。一般而言，预浸料碳纤维布112的铺层角度为一些特殊的角度，例如0°、±30°、±45°、±60°或90°。上述铺设角度在工艺上较为容易施行，具有一定的工艺可行性。

优选地，对于相邻的预浸料碳纤维布112而言，其铺层角度不同。

下面对称铺设预浸料碳纤维布112的方式进行说明。

预浸料碳纤维布112的数量为单层的情况下，其具有一个中间层，在中间层以上的预浸料碳纤维布112和中间层以下的预浸料碳纤维布112的铺层角度关于中间层对称。例如预浸料碳纤维布112的数量为7，那么第4层即为中间层，第1、2、3层的铺层角度分别关于第4层与第7、6、5层的铺层角度对称。假设第1、2、3层的铺层角度分别为0°、30°、60°，第4层的铺层角度为90°，那么第5、6、7层的铺成角度则为60°、30°、0°。

预浸料碳纤维布112的数量为单层的情况下，其具有两个中间层，这两个中间层的铺层角度可以设置为相同。在这两个中间层以上的预浸料碳纤维布112和这两个中间层以下的预浸料碳纤维布112的铺层角度关于这两个中间层对称。例如预浸料碳纤维布112的数量为8，那么第4、5层即为中间层，第1、2、3层的铺层角度分别关于第4、5层与第8、7、6层的铺层角度对称。假设第1、2、3层的铺层角度分别为0°、30°、60°，第4层的铺层角度为90°，第5层的铺层角度为90°，那么第6、7、8层的铺成角度则为60°、30°、0°。

需要说明的是，上述第1层定义为最靠近填充材料102的那一层。

如图5所示，预浸料碳纤维布层111由5层预浸料碳纤维布112层叠铺设而成，其中，预浸料碳纤维布112的铺层角度从下而上为0°、45°、90°、45°和0°。

上述对称对称铺设预浸料碳纤维布112的方式能够防止形成的碳纤维层合板111产生翘曲和变形情况。

对于非对称铺设预浸料碳纤维布112的方式而言，相邻的预浸料碳纤维布112采用不同的铺层角度。如图4所示，预浸料碳纤维布层111由4层预浸料碳纤维布112层叠铺设而成，其中，预浸料碳纤维布112的铺层角度从下而上分别为0°、30°、60°和90°。

需要说明的是，图4和图5中的虚线为预浸料碳纤维布112的主要受力方向，即碳纤维所在的方向，铺层角度即为碳纤维所在方向与X轴正向方向之间的夹角。

换言之，本发明所述的预浸料碳纤维布112的铺层角度为每层预浸料碳纤维布112中的碳纤维所在的方向与X轴正向方向之间的夹角。

本发明中所述铺层角度所在直角坐标系定义如下：将梁构件的长度方向定义为X轴方向，将梁构件的宽度方向定义为Y轴方向，将梁构件的高度方向定义为Z轴方向。

另外，本发明所述的预浸料碳纤维布112是指由碳纤维纱、环氧树脂、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料。

其中，采用的树脂满足-45℃～80℃使用温度区间；例如环氧树脂。

可选地，碳纤维层合板111由碳纤维布113逐层铺设而成，其中，碳纤维布113的数量为4-60层。另外，碳纤维布113的铺设角度可采用与预浸料碳纤维布112相同的铺设角度，在此不再赘述。

碳纤维布113和预浸料碳纤维布112之间的区别在于，预浸料碳纤维布112中含有树脂，而碳纤维布113中没有树脂。

在一个实施例中，预浸料碳纤维布112为预浸料单向布。预浸料仅在一个方向有碳纤维，由于其本身含有树脂因此使碳纤维布不会散开。整块碳纤维布的强度，都集中在碳纤维的那一个方向，它的强度与自身的克重没有关系，只与碳丝有关。

在一个实施例中，预浸料碳纤维布112为预浸料双向布。纵向和横向交织的预浸料双向布，它的纵向和横向都有大量的无捻粗纱，这样布的受力方向有两个，特点是交织点多，质地坚牢、表面平整，耐磨性好，其综合受力的性能要明显优于单向碳纤维布。

同样地，碳纤维布113包括非预浸料单向布和非预浸料双向布，与预浸料单向布不同，非预浸料单向布由于不含有树脂，因此在一个方向有碳纤维，如图6所示，在与之垂直的方向上会有细纱(一般是很细的玻纤)进行固定。

非预浸料双向布在纵向和横向都有大量的无捻粗纱，其受力方向同样有两个。

对于上述的预浸料双向布和非预浸料双向布，采用传统的机织平纹布方法，即纵向碳纤维和横向碳纤维呈一上一下的规律交织。纵向、横向碳纤维每隔一根碳纤维就呈十字形交叉，如图7所示，纵向碳纤维为a、b、c、d在上，A、B、C、D在下；横向碳纤维为a、b、c、d在上，A、B、C、D在下。

进一步地，在相邻的碳纤维双向布的隔层间用碳纤维丝进行左右双向交织。碳纤维丝的交织角度为45°能够提高剪切性能。

需要说明的是，复合材料部101使复合材料变流器柜体具有良好的防雨、防尘、隔温和防霉菌、防盐雾和湿热的效果，具体来说，复合材料变流器柜体能够满足EN45545-2:2013规定的HL2、HL3火灾风险等级，无电化学腐蚀，能适应腐蚀性雨雪及清洗剂的作用；并且满足IEC 60068-2-1:2007、IEC 60068-2-2:2007、IEC 60068-2-30:2005、IEC 60068-2-11:1981规定的高低温和盐雾等试验要求。

在一个实施例中，填充材料102为蜂窝夹芯材料。此外，为了提高保温效果，填充材料102还可以是聚氨酯或泡沫夹芯材料。

因此，上述复合材料部101具有较高的耐腐蚀、强度和可设计性，能够彻底解决变流器柜体疲劳、腐蚀问题。同时碳纤维复合材料本身作为一种常用的修复材料，因此碳纤变流器柜体还具备优异的可修复性。此外，由于复合材料部101为多层网状结构，因此在极限情况下即使出现裂纹也不影响整体结构安全性，从而提高结构安全性。

如图2所示，板构件为柜体主箱体1、一个或多个长隔板2、一个或多个短隔板3、风道组件4、底盖板5、一个或多个柜门6和一个或多个吊耳8，梁构件为电气部件安装梁7；其中柜体主箱体1、长隔板2和短隔板3中均铺设有铜网，铜网能够提高柜体主箱体1的导电性能，其接地电阻不大于0.1Ω，并具有一定的电磁屏蔽功能，其能够满足标准EN50121-2015规定的EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)性能。

此外，电气部件安装梁7中设置有预埋金属安装座，通过金属安装座实现电气部件与柜体主箱体1的导通。

板构件还可以是柜体主箱体1的扎线杆、挂钩等承载较小的部件，上述部件可直接粘贴于柜体主箱体1上。

在一个实施例中，板构件或梁构件中的各个部件采用整体固化成型的方法获得，其制造变形量小，避免了大量紧固件的使用，装配和维护方便。

此外，薄板构件100中的各个部件成型时预留侧面门框、底部门框、进出风口和内部风道等较大的空洞，较小孔洞直接采用机加工形成。

根据本发明的第二个方面，提供一种碳纤维变流器的组装方法，包括以下步骤：

第一，将长隔板2通过粘接安装到柜体主箱体1中。

第二，将各个短隔板3分别通过粘接安装于柜体主箱体1、长隔板2和/或在先安装的短隔板3上。

第三，将风道组件4通过粘接、螺栓连接或铆接的方式安装到柜体主箱体1中。

第四，将电气部件安装梁7通过粘贴、螺栓连接和或铆接的方式中的一种或几种与柜体主箱体1、长隔板2和短隔板3形成固定连接；

第五，将吊耳8通过螺栓连接、铆接或铆接的方式安装于柜体主箱体1上；

第六，将底盖板5和柜门6通过螺栓、铆螺母和/或门锁连接的方式安装于柜体主箱体1上；

第七，将附属件用通过螺栓或粘贴的方式安装于柜体主箱体上。其中，附属件为扎线杆、挂钩和线缆夹。

在上述组装中，由于大部分部件采用一体成型或粘贴工艺，因此减少了紧固件数量，方便装配和维护。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种复合材料变流器柜体，其特征在于，包括薄板构件，所述薄板构件包括填充材料以及覆盖在所述填充材料上的复合材料部。

2.根据权利要求1所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述复合材料部为碳纤维层合板或玻璃纤维层合板。

3.根据权利要求2所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述碳纤维层合板由预浸料碳纤维布或者碳纤维布逐层铺设而成。

4.根据权利要求3所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述预浸料碳纤维布或所述碳纤维布的数量均为4-60层。

5.根据权利要求3或4所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述预浸料碳纤维布的铺层角度为0°、±30°、±45°、±60°或90°。

6.根据权利要求3或4所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述碳纤维布的铺层角度为0°、±30°、±45°、±60°或90°。

7.根据权利要求4所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述预浸料碳纤维布包括预浸料单向布和预浸料双向布；所述碳纤维布包括非预浸料单向布和非预浸料双向布。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述填充材料为蜂窝夹芯材料、泡沫夹芯材料或聚氨酯。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的复合材料变流器柜体，其特征在于，所述薄板构件为柜体主箱体、长隔板、短隔板、风道组件、底盖板、柜门、电气部件安装梁和吊耳；

所述柜体主箱体、长隔板和短隔板中均铺设有铜网，所述电气部件安装梁中设置有预埋金属安装座。

10.一种复合材料变流器柜体的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

将长隔板通过粘接安装到柜体主箱体中；

将各个短隔板分别通过粘接安装于柜体主箱体、长隔板和/或在先安装的短隔板上；

将风道组件通过粘接、螺栓连接或者铆接的方式安装到柜体主箱体中；

将电气部件安装梁通过粘贴、螺栓连接或者铆接的方式中的一种或几种与柜体主箱体、长隔板和短隔板形成固定连接；

将吊耳通过螺栓或铆接的方式安装于柜体主箱体上；

将底盖板和柜门通过螺栓、铆螺母和/或门锁连接的方式安装于柜体主箱体上；

将附属件用通过螺栓连接、铆接或粘贴的方式安装于柜体主箱体上。

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