機柜結(jié)構(gòu)及工藝

1、機柜結(jié)構(gòu)及工藝機柜工藝之一河北工業(yè)大學(xué)（300130） 孟慶龍，2008-3-22高低壓成套開關(guān)設(shè)備的在輸配電系統(tǒng)中起著電能的控制、保護、測量、轉(zhuǎn)換和分配的作用.隨著輸配電技術(shù)、高低壓元器件、技術(shù)自動化技術(shù)以及計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展,成套開關(guān)設(shè)備也從傳統(tǒng)的向數(shù)字化方向發(fā)展。由于我國電力工業(yè)的飛速發(fā)展，2000年以后年平均新增裝機容量為3693萬kW；2006年的總裝機容量達(dá)到：6.1400億kW，年增加裝機容量為11000萬kW，年增加率為：19.6%；2007年增加裝機容量為12991.0萬kW，年增加率為11.1%， 全國裝機總?cè)萘恳堰_(dá)到：7.3391億kW。 同時也促進(jìn)了我國的輸配電

2、制造行業(yè)的發(fā)展，經(jīng)過50年,特別是近20年得到了巨大的發(fā)展,無論是生產(chǎn)廠家的數(shù)量,還有設(shè)計與制造技術(shù)水平都有了較大的提高。在制造技術(shù)方面，引進(jìn)了國外先進(jìn)數(shù)控板金加工設(shè)備，有些工廠還具備了柔性加工線，其板金加工工藝已達(dá)到國際先進(jìn)水平。并向?qū)I(yè)化生產(chǎn)方向發(fā)展，行業(yè)中還出現(xiàn)了一批型材和柜體的專業(yè)生產(chǎn)廠和電器輔件生產(chǎn)廠，如張家港的三家板金加工廠,GCS的型材占了國內(nèi)70%的市場。我國制造業(yè)迅速推廣應(yīng)用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)的過程中，在成套裝置的設(shè)計中，泛采用三維CAD/CAM設(shè)計軟件,將設(shè)計、計算分析以及加工等有機的結(jié)合起來,大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度,降低了技術(shù)人員的勞動強度。在柜體的制造工藝方面,普

3、遍采用無螺母連接,即所有連接都采用自攻螺釘或普通螺釘,在承重部位采用鉚螺母，使用自攻螺釘,除了加工方便、提高加工速度外，對靠墻安裝的柜體還可實現(xiàn)正面裝配和維修。如CUBIC開關(guān)柜就非常典型,可靠墻安裝且無須維護。在板材加工方面，除使用異型骨架之外,許多公司采用整體板材成形,這樣不僅減少了許多過渡件,還提高了柜體強度。機柜是高低壓電氣成套開關(guān)設(shè)備不可缺少的組成部分，它為成套電器產(chǎn)品提供安裝、支撐、連接、傳動、連鎖、鎖緊、防護和裝飾等功能，為機械零部件、電氣連接和元器件的兼容提高保障?？傊?，機柜是高低壓成套開關(guān)電器產(chǎn)品的“載體”。機柜的結(jié)構(gòu)要素如圖1所。 圖1 典型機柜的結(jié)構(gòu)要素（無法顯示）傳統(tǒng)的

4、機柜制造工藝包括板材剪切、沖孔、折彎、焊接、涂覆等，如圖2所示。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)的以數(shù)控技術(shù)為原理的單機設(shè)備（如數(shù)控剪床、數(shù)控沖床、數(shù)控折彎機）等引入機柜加工中，隨后以加工中心、柔性鈑金加工生產(chǎn)線等為代表的先進(jìn)的制造工藝技術(shù)和設(shè)備在機柜制造中廣泛采用。因此，加工質(zhì)量、自動化水平和生產(chǎn)效率有了更進(jìn)一步的提高。圖2 機柜制造的典型工藝路線（無法顯示） 機柜設(shè)計應(yīng)在滿足成套電器產(chǎn)品使用功能要求的前提下，同時滿足結(jié)構(gòu)工藝性要求，即機柜的總體及其零部件制造的可行性及經(jīng)濟性要求，以及滿足電器裝配的工藝性和運行中的可維修性要求，具體內(nèi)容如下：（1）：材料選擇的合理性和經(jīng)濟性。（2）：工藝要

5、素和尺寸鏈的合理性，設(shè)計基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)的正確性與合理性。（3）：加工和裝配過程中所采用的各種典型工藝的可行性和經(jīng)濟性。（4）：裝配過程中應(yīng)避免切削加工。（5）：采用新工藝、新技術(shù)、新材料的可行性，是否有助于提高工藝水平和推動工藝技術(shù)進(jìn)步。（6）：外購件采購的難易程度和外協(xié)加工的可行性。（7）：機柜結(jié)構(gòu)的繼承性，即盡量與已有的結(jié)構(gòu)在風(fēng)格上、尺寸上協(xié)調(diào)一致，并最大限度地選用公用件、借用件和標(biāo)準(zhǔn)件。（8）：機柜裝配、調(diào)整和維修的可行性。（9）：提高機柜的通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化水平。一：  我國機柜結(jié)構(gòu)和工藝的現(xiàn)狀近年來,我國機柜結(jié)構(gòu)和工藝有了很大改進(jìn)和提高,表現(xiàn)在以下幾

6、個方面：1）熱軋角鋼、型鋼整體焊接結(jié)構(gòu)已基本淘汰,冷軋鋼板彎曲成形和冷滾彎成型的組裝式結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸普及。新型組合式機柜也在不同的領(lǐng)域不斷開發(fā)并得到應(yīng)用。組合式機柜逐漸得到推廣。組合式機柜有組裝靈活、便于擴展，易組織專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和生產(chǎn)的優(yōu)點，但需要有較高的加工精度和組裝要求。在當(dāng)今工藝和裝備技術(shù)發(fā)展的前提下，組裝式機柜已成為發(fā)展趨勢。2）  有色金屬及其合金在機柜中的應(yīng)用比例有所提高。由于組合式機柜的普及，有色金屬及其合金（例如鋁及其合金、鋅合金）以其成型容易、可制造復(fù)雜形狀及結(jié)構(gòu)、精度高的優(yōu)點，作為連接件、裝飾件，甚至主要支撐骨架，已廣泛應(yīng)用于機柜結(jié)構(gòu)中。3）  對機

7、柜電磁屏蔽和靜電放電防護水平的要求大大提高。由于電子技術(shù)和計算機技術(shù)在電氣領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為電氣產(chǎn)品與外界電磁環(huán)境的一個端口（port，即外殼端口enclosure port），機柜的電磁屏蔽和靜電放電防護已構(gòu)成產(chǎn)品電磁兼容要求的一個組成部分。由此，機柜已不僅僅作為機械結(jié)構(gòu)和電氣電子設(shè)備的一個載體，而成為產(chǎn)品的機電接口及產(chǎn)品的重要組成部分。4）:隨著國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn),先進(jìn)的機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計思想也隨之引入,機柜的人機學(xué)設(shè)計、模數(shù)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等已在我國機柜設(shè)計中開始采用,這對我國機柜的發(fā)展將會起極大的促進(jìn)作用.5）我國機柜標(biāo)準(zhǔn)的制定已與IEC標(biāo)準(zhǔn)全面接軌，使過去僅靠定性描述的要求完全量化（見G

8、B/T 18663.1-2002和GB/T 19183.5-2003），使機柜的設(shè)計和生產(chǎn)有章可循,機柜的氣候試驗、工業(yè)大氣試驗、機械靜載荷和動載荷試驗、安全試驗、電磁屏蔽試驗、地震試驗等型式試驗項目也已經(jīng)規(guī)范。6）我國的機柜生產(chǎn)企業(yè)幾乎都引進(jìn)了國外先進(jìn)的機柜生產(chǎn)設(shè)備,如數(shù)控式剪板機、數(shù)控多工位沖床、數(shù)控折彎機或鈑金柔性加工生產(chǎn)線等,一些企業(yè)還安裝了涂覆前處理及靜電噴涂生產(chǎn)線,使機柜的加工水平有了明顯的提高.7）許多新的工藝技術(shù)例如鋼型材冷滾彎成形、連續(xù)閃光對焊、氣體保護焊、螺釘儲能焊接、步進(jìn)孔精密加工、高壓靜電粉末噴涂等技術(shù)在機柜生產(chǎn)中的使用和推廣,使我國的機柜工藝水平和加工能力有了很大提高

9、.二 ： 國內(nèi)外機柜結(jié)構(gòu)水平對比雖然，我國機柜設(shè)計和加工水平有了很大提高,但從總體水平上看,與發(fā)達(dá)國家相比尚有一定差距.國內(nèi)外機柜結(jié)構(gòu)主要項目的水平對比情況見表1。表1  國內(nèi)外機柜結(jié)構(gòu)水平對比對比項目名稱發(fā)達(dá)國家九十年代水平我國現(xiàn)有水平1.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)國外各大公司均有獨立的從元件到裝置的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),適應(yīng)不同的電控設(shè)備國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)有自己的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),且不完善2.結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)化程度有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)或采用IEC標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)化程度較高有部分結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，部分企業(yè)的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化意識不強3.通用化程度大部分電器公司或結(jié)構(gòu)專業(yè)廠的結(jié)構(gòu)適用于不同的電控設(shè)備,專業(yè)化、通用化程度高大部分機柜是針

10、對具體電氣產(chǎn)品設(shè)計的,通用化程度低4.模數(shù)化設(shè)計機柜設(shè)計從系統(tǒng)上考慮了電氣安裝的模數(shù)化布置,機柜設(shè)有模數(shù)化步進(jìn)安裝孔及安裝件機柜設(shè)計已考慮模數(shù)化安裝和布置,但有待進(jìn)一步普及5.人機學(xué)設(shè)計按人機試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行機柜總體布局、色彩設(shè)計等已引入人機學(xué)概念,但缺乏試驗手段和有效的設(shè)計效果6.機柜型式基本為組合式、系列化,便于專業(yè)化生產(chǎn)組合式機柜正在普及，但專業(yè)化程度有待提高7.防護等級可按需要提供,一般為IP20,最高可達(dá)IP55一般為IP20,少數(shù)可達(dá)IP54,由于大尺寸的加工精度較低，高防護等級難以達(dá)到8.通風(fēng)散熱除強制通風(fēng)外，密封機柜按功率大小選用專用換熱器，已提出一整套散熱理論目前已研制出熱管散熱

11、器用于密封機柜,但大功率散熱困難依然存在9 安全接地是機柜必須考慮的問題，并有有效措施已經(jīng)考慮，但配套的附件不齊全10 機柜屏蔽根據(jù)需要，可提供數(shù)據(jù)傳輸用屏蔽機柜，并有試驗數(shù)據(jù)作為保證已具有屏蔽機柜，但試驗手段不健全，可靠性有待提高11.結(jié)構(gòu)輔件作為機柜的整體，有完備、可靠的結(jié)構(gòu)輔件,以確保機柜整機效果配套的結(jié)構(gòu)輔件相對薄弱，主要靠外供   三 ： 國內(nèi)外機柜加工工藝水平對比我國機柜加工的總體工藝水平與發(fā)達(dá)國家相比存在一些差距，關(guān)鍵工藝項目處于發(fā)達(dá)國家上一世紀(jì)九十年代中期水平，具體對比情況見表2。表2   國內(nèi)外機柜加工工藝水平對比項目名稱發(fā)達(dá)

12、國家上世紀(jì)九十年代水平我國現(xiàn)有水平1.鈑金加工技術(shù)1.1:剪板  1.2:沖孔  1.3:彎板 1.4 柔性加工線高精度數(shù)顯剪鈑,精度誤差達(dá)0.1mm  普通采用數(shù)控沖技術(shù),精度等級在0.050.1之間,沖程次數(shù)達(dá)400次/min高精度自動定位,精度0.1mm,可彎曲任意形狀專業(yè)化生產(chǎn)采用柔性生產(chǎn)線普通精度剪鈑機，精度誤差達(dá)0.5mm左右,大尺寸甚至超過0.5mm,數(shù)控設(shè)備可達(dá)0.1mm數(shù)控式設(shè)備精度可達(dá)0.1mm；深喉頸沖床精度為0.51mm，工效僅為數(shù)控設(shè)備的1/5，但已較少采用數(shù)控設(shè)備可達(dá)0.1mm；普通折彎機精度約0

13、.5mm，彎曲形狀受模具限制已有多條柔性生產(chǎn)線投入使用2:焊接技術(shù)2.1 保護焊 2.2 特種焊接廣泛采用CO2、Ar2保護焊,并用于有色金屬結(jié)構(gòu)焊接特種點焊、閃光對焊等普遍采用機柜焊接也采用保護焊，仍為傳統(tǒng)的手工電弧焊采用不普遍 3:表面處理及被覆技術(shù)3.1 前處理  3.2 水性涂:涂裝工藝3.3 高壓靜電噴涂 3.4 油性涂料多半為自動生產(chǎn)線,溶液自動調(diào)整并已采用先進(jìn)的汽相清洗技術(shù) 已近半數(shù)企業(yè)采用 廣泛采用并建有自動線,膜厚為5070m,高絕緣性耐沖擊 極少采用,已逐漸為水性涂料和靜電噴涂技術(shù)取代少數(shù)大型企

14、業(yè)建有生產(chǎn)線，但自動化程度低，多數(shù)仍為傳統(tǒng)的單元操作尚 采用少 有些企業(yè)采用,自動化程度不高，生產(chǎn)不穩(wěn)定,膜厚達(dá)0.1mm，死區(qū)多，落粉量大小企業(yè)采用手工操作多 4:裝配工藝技術(shù)以手工裝配為主，但都有相應(yīng)工裝、工具。由于加工精度高,裝配時無需調(diào)整手工裝配，通用工具，裝配時多半需調(diào)整，甚至采用修配方法 5:模具設(shè)計制造水平5.1:設(shè)計、生產(chǎn)方式5.2:標(biāo)準(zhǔn)化程度5.3:品種和結(jié)構(gòu)5.4:精度與壽命CAD/CAM已商品化 沖模標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)70%以上 向大型、復(fù)雜、精密、高效、柔性化方向發(fā)展精度已達(dá)m級,向無公差等級發(fā)展,最高壽命達(dá)500800

15、萬次廣泛采用CAD，有些企業(yè)采用CAD/CAM沖模標(biāo)準(zhǔn)化約50% 小企業(yè)沖模多為單工位 精度比國外較低，最高壽命約100多萬次5.5沖模種類硬質(zhì)合金膜、多工位多型腔膜、沖壓單元、沖壓中心已廣泛采用開始采用硬質(zhì)合金膜,組合模具少,多為單向成型6:工藝裝備水平6.1:鈑金加工設(shè)備精度水平 6.2:役齡及精度保持性 6.3構(gòu)成比例:6.4配套能力: 6.5專用設(shè)備5m0.1mm              

16、0;         役齡15年以下,精度保持性10年多數(shù)為數(shù)控機床高精度設(shè)備配套,并向聯(lián)機和柔性化發(fā)展批量生產(chǎn)均有專用設(shè)備一般為0.5mm，數(shù)控設(shè)備可達(dá)0.1mm平均役齡25年以上,精度保持在大約5年左右數(shù)控機床約20%通用型單機,聯(lián)機性差 多為通用設(shè)備，專用設(shè)備少7:工藝過程自動化7.1柔性化水平 7.2自動化生產(chǎn)線 7.3.CAD/CAM有柔性線用于生產(chǎn) 由微機控制專用生產(chǎn)線 廣泛用于設(shè)計生產(chǎn)已有數(shù)條鈑金柔性生產(chǎn)線.有少數(shù)先進(jìn)的單機，較少聯(lián)成自動生產(chǎn)線CAD已

17、普遍采用，引進(jìn)設(shè)備采用CAM，系統(tǒng)連接不足8:工藝材料系列化標(biāo)準(zhǔn)化及商品化程度 工藝材料與高效工藝、工藝方法、工藝設(shè)備同步發(fā)展并實現(xiàn)商品化分散經(jīng)營，品種少，不配套，質(zhì)量差 9:工藝過程檢測水平各環(huán)節(jié)均設(shè)專門檢驗，精加工100%檢驗，測試手段齊全 手段落后，水平低，靠經(jīng)驗檢查，已有光柵、磁柵測量系統(tǒng)用于實踐，但未推廣普及 四  我國機柜結(jié)構(gòu)和制造工藝水平的總體評價通過上述的機柜結(jié)構(gòu)和制造工藝水平的對比,對我國機柜水平可作出如下總體評價:1）我國機柜的設(shè)計和制造水平自改革開放以來有了長足的進(jìn)步，縮小了與發(fā)達(dá)國家的差距。但從宏觀上和綜合水平來看,我國

18、機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計水平仍落后,特別是大、中、小型企業(yè)之間的水平相差大。2）我國機柜在外觀、整體布局、色彩、加工精度及互換性、配套性等方面與發(fā)達(dá)國家有一定的差距，這是由于長期以來缺乏系統(tǒng)設(shè)計、人機學(xué)設(shè)計思想，重電氣設(shè)計忽視結(jié)構(gòu)設(shè)計、重主機輕視附件的結(jié)果.3）目前我國機柜的總體制造工藝水平與跨國企業(yè)相比差距大，僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家二十世紀(jì)九十年中期代水平。盡管許多企業(yè)引進(jìn)了先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，但由于配套性差、管理不善等原因，仍存在精度不高的問題。典型常規(guī)工藝仍較落后，新的工藝技術(shù)推廣慢，企業(yè)之間存在較大的不平衡，這將會導(dǎo)致已經(jīng)縮小了的工藝差距會再次拉大.4）工藝材料、工藝裝備與工藝方法這三項緊密相聯(lián)的問題在我國始

19、終脫節(jié)，阻礙了新工藝技術(shù)的開展及推廣。5）微電子技術(shù)、計算機技術(shù)已經(jīng)滲透到工藝技術(shù)乃至國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，而這些在我國的機柜制造業(yè)尚存在較大的差距。五  對我國機柜結(jié)構(gòu)及工藝發(fā)展的建議為了徹底改變我國機柜結(jié)構(gòu)和工藝的落后面貌,必須在“瞄準(zhǔn)方向、打好基礎(chǔ)、狠抓薄弱環(huán)節(jié)”這三個方面,扎扎實實的作好以下工作:1) 機柜作為電器產(chǎn)品的一個組成部分，機柜結(jié)構(gòu)與工藝的落后往往帶來“產(chǎn)品落后”的惡果。因而，從提高產(chǎn)品附加價值的角度講,應(yīng)著力提高機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造水平。2) 重視機柜的成套性和系統(tǒng)性設(shè)計，從主體框架到機柜附件，均應(yīng)從整體設(shè)計上作系統(tǒng)考慮。3) 加強技術(shù)立法,即加強機柜結(jié)構(gòu)和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化工作，把有關(guān)理論、經(jīng)驗及一些行之有效的方法等這樣一些零散的資料、信息，上升為技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)今后的實踐。4) 引進(jìn)國外先進(jìn)單機的基礎(chǔ)上,應(yīng)集中行業(yè)力量搞好設(shè)備配套和聯(lián)機，以形成自動化的或柔性化的生產(chǎn)線。對于中小型企業(yè)，其重點應(yīng)放在對于傳統(tǒng)落后的工藝方法的改造上。所有機柜生產(chǎn)企業(yè)均應(yīng)把推廣