机柜标准化结构设计研究
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摘要：随着工业4.0的迅速发展，电控系统已经成为控制机械设备[1]的重要手段。为了实现节能减排，本文首先阐述了控制机柜标准化结构设计的目的，然后探讨如何将控制机柜结构设计的更加科学合理，并且根据行业相关标准，提出模块化的框架结构、系列化的尺寸规格、以及柜内外零件的标准化，以期为控制机柜的发展提供有益的建议。
关键词：控制机柜；标准化；结构设计；模块化
0引言
过去，中国凭借其庞大的人口基数以及低廉的劳动力成本，一举占据了国际市场制造业的主导地位。然而，如今这种局面已经不复存在，劳动力短缺已经变得普遍，导致生产的物料费用不断攀升。在这样的背景下，面向成本的产品设计是这一难题的解决方案。
在电力设备的电气控制系统中，控制机柜的设计和生产是一项重要而精细的工作，尤其是在工程规划阶段，由于控制机柜顺序排列的原因,设计员必须对机柜柜体的完整构造有更深刻的认识。而柜体框架结构设计的标准化不但可以显著提高工程设计与制造的质量、极大减少加工成本,而且也有利于电气控制系统的后期维修与工程改造[2]。
1机柜标准化结构设计的目的
“标准化设计”意味着，基于产品相同的特性,构建起共同的原则和技术,以适应不同的应用要求,尤其是一些具备完善的技术优势、合理的价格、可扩展范围的产品。由于采用标准化的产品设计技术,能够提高产品设计的质量,提高产品设计的效率,减少重复性的项目,同时能够大大减少产品设计的时间,进而减少设计的生产成本。而且,这些技术还能够使零部件的生产更加标准化,而且更加易于实现。
通过标准化结构设计，可以有效地减少零部件种类数量，消除非标结构，极大地提升了控制机柜的生产效率，有助于避免资源浪费与设计失误，最终实现了优良的产品质量与较低的生产成本。
通过标准化结构设计，可以有效地将控制机柜的接口与工程现场的接口进行有效的连接，从而避免由于接口不统一而导致的安装或调试困难，进而节省大量的经济成本和资源。
通过标准化结构设计，不仅有助于减少后期的维修费用，而且还有助于提高整体工程的稳定性，从而使得后期的扩展更加容易。
经过全面分析，可以明确地说，控制机柜标准化结构设计对于企业来说至关重要，并且应该持之以恒地推进。
2机柜标准化结构设计的思路
不同类型的机柜有着不同的特点，可以根据门板的安装方式将其分为内嵌门机柜和外贴门机柜。根据框架的结构，则可将其分为装配式、焊接式和装配与焊接混合式。根据使用场所的不同，控制机柜可以分为室内机柜（具有良好的气候防护功能）和室外机柜（不具备气候防护功能）[3]。
本文以生产结果为导向，主要探讨焊接式机柜的标准化结构设计，包括框架结构模块化设计、柜体尺寸系列化制定、柜内零件结构标准化、柜外零部件标准化等多个方面。
2.1框架结构模块化设计
柜体焊接框架是整个柜体的主要架构，是柜体完整设计的核心部分。柜体焊接框架的结构形式不仅影响整个柜体的强度及刚度，而且也影响柜体其它组件的结构设计。
柜体在生产过程中，焊接框架属于生产瓶颈工序。行业内传统机柜在焊接框架时采用片式组拼模式（图1），即将柜体从横向进行分型，分为前框、后框及横梁；为了解决拼接难度大、生产效率低等问题，借鉴柜体模块化生产的经验，对柜体框架结构进行调整，将机柜框架优化为顶底组拼模式（图2），即从纵向进行分型，分为顶框、底座及立柱。同步在设计时将柜体框架结构按顶框、底座及立柱组件进行模型树的搭建工作，确保模块化的设计及生产的一致性。该种模式更容易固化特征缩短设计周期，也更适合上产线实现自动化焊接。
图1 片式组拼模式 图2 顶底组拼模式
2.2柜体尺寸系列化制定
柜体受制于柜内元器件及工程现场外部环境等影响，在整体外形尺寸上无法统一。如150KW功能相同的户内柜，由于各种客观因素，在高度方向上存在1960、2060、2160等多种相差不大的尺寸，从个体设计上看可能都满足最优成本性原则，但是对于生产影响较大。当这些工程交叉生产时，不利于车间对物料进行管理，不利于生产计划的排布，不利于原材料最大化的利用等。为有效的增强柜体的实用性、专业性，将柜体外形的宽度、深度按100的整数倍进行分类制定系列，同时柜体的高度参考GB/T 3047.8-1996[4]按200的整数倍制定尺寸系列，形成选型手册。选型手册一旦确定，严禁私自更改，设计柜体结构时在满足功能的前提下，通过选取合适尺寸的框架，可以节省设计时间，生产也可以在工程紧急时提前预投，提高计划排产的灵活性。
2.3 柜内零件结构标准化
为了满足柜体的多样化需求，我们采用了ES（五折）结构设计[5]，其中包括横梁、立柱、元器件安装板等，如图3所示。其主要零件立柱、横梁、侧梁的截面结构及尺寸同样影响着柜内空间的尺寸大小，为了规范化零件结构，减少零部件种类，杜绝非标设计，对横梁、立柱等零件的截面（图4）尺寸进行分类梳理，固化板厚及材料，标准化截面，形成框架零件选型手册。通过标准化，不仅可以节省设计时间，也能减少设计错误，同时可以将钣金加工优化为型材加工，提升加工效率，降低原材料成本。
图3 框架五折结构 图4横梁、立柱截面图
2.4柜外零部件标准化
机柜外观零部件如门板、双侧板及后背板等统一采用2mm 厚优质冷轧钢板折弯后喷漆，柜体顶部由整块冷轧钢板加工而成。除柜体焊接框架、门板组件、侧板封板组件之外，其他所有附件都应按照行业标准进行选配安装，例如门楣、吊环螺钉、翻门锁锁板、并柜孔堵头等，这样不仅能够提升设计的效率，也能够减少生产成本，同时还能够更快的完工。另外，按照GB/T 13306-2011[6]的规定并结合当前市场的需求，应该精心挑选一种标准化尺寸的机柜铭牌和元器件标牌，以确保其符合行业的普遍需求并进行推广。
3结语
作为电力设备电气控制系统的核心组成部分，控制机柜的设计必须符合国家有关标准，并根据行业内通用要求，充分考虑生产难易程度，将机柜的结构形式等进行详细的、统一的标准化设计，形成可推广、可借鉴的标准化改造模式，以期为电力设备的科技创新和现代化发展提供有力的支撑。
本文所述的控制机柜标准化结构设计的思路，现已运用到企业实际的设计和生产过程中，取得了显著的效率提升和成本降低的成果。
参考文献
[1] 张好涛. 新形势背景下低压柜柜体模块的设计探讨[J]. 科技展望，2016,26(29) ：86.
[2] 齐彦军，范耀先，杨杨等.新形势背景下对低压控制机柜标准化结构设计的探讨[J].标准实践，2019,5（545）：112-114.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国国家标准化管理委员会. 电力综合控制机柜通用技术要求:GB/T 25294-2010[S]. 北京:中国标准出版社,2010:11.
[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国国家标准化管理委员会. 高度进制为44.45mm的窄柜基本尺寸系列：GB/T 3047.8-1996[S]. 北京：中国标准出版社，1996:11.
[5] 王金荣，潘毅，孟广松.一种控制柜柜体结构设计及优化[J].创新与实践，2022，29（1）：48-49.
[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国国家标准化管理委员会.标牌:GB/T 13306-2011[S].北京: 中国标准出版社,2011:5.
