機柜結構及工藝

1、機柜結構及工藝機柜工藝之一河北工業(yè)大學（300130） 孟慶龍，2008-3-22高低壓成套開關設備的在輸配電系統(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、高低壓元器件、技術自動化技術以及計算機軟硬件技術的不斷發(fā)展,成套開關設備也從傳統(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_到：7.3391億kW。 同時也促進了我國的輸配電

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,還有設計與制造技術水平都有了較大的提高。在制造技術方面，引進了國外先進數(shù)控板金加工設備，有些工廠還具備了柔性加工線，其板金加工工藝已達到國際先進水平。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)迅速推廣應用信息技術改造傳統(tǒng)制造業(yè)的過程中，在成套裝置的設計中，泛采用三維CAD/CAM設計軟件,將設計、計算分析以及加工等有機的結合起來,大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度,降低了技術人員的勞動強度。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設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電器產(chǎn)品的“載體”。機柜的結構要素如圖1所。 圖1 典型機柜的結構要素（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。隨著工藝技術的進步，先進的以數(shù)控技術為原理的單機設備（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)線等為代表的先進的制造工藝技術和設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） 機柜設計應在滿足成套電器產(chǎn)品使用功能要求的前提下，同時滿足結構工藝性要求，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，設計基準、定位基準、測量基準和裝配基準的正確性與合理性。（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）：裝配過程中應避免切削加工。（5）：采用新工藝、新技術、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進步。（6）：外購件采購的難易程度和外協(xié)加工的可行性。（7）：機柜結構的繼承性，即盡量與已有的結構在風格上、尺寸上協(xié)調(diào)一致，并最大限度地選用公用件、借用件和標準件。（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、標準化水平。一：  我國機柜結構和工藝的現(xiàn)狀近年來,我國機柜結構和工藝有了很大改進和提高,表現(xiàn)在以下幾

6、個方面：1）熱軋角鋼、型鋼整體焊接結構已基本淘汰,冷軋鋼板彎曲成形和冷滾彎成型的組裝式結構已經(jīng)逐漸普及。新型組合式機柜也在不同的領域不斷開發(fā)并得到應用。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、標準化設計和生產(chǎn)的優(yōu)點，但需要有較高的加工精度和組裝要求。在當今工藝和裝備技術發(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、可制造復雜形狀及結構、精度高的優(yōu)點，作為連接件、裝飾件，甚至主要支撐骨架，已廣泛應用于機柜結構中。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。由于電子技術和計算機技術在電氣領域的廣泛應用，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構和電氣電子設備的一個載體，而成為產(chǎn)品的機電接口及產(chǎn)品的重要組成部分。4）:隨著國外先進技術的引進,先進的機柜結構設計思想也隨之引入,機柜的人機學設計、模數(shù)化設計、系統(tǒng)設計等已在我國機柜設計中開始采用,這對我國機柜的發(fā)展將會起極大的促進作用.5）我國機柜標準的制定已與IEC標準全面接軌，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)幾乎都引進了國外先進的機柜生產(chǎn)設備,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、步進孔精密加工、高壓靜電粉末噴涂等技術在機柜生產(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)外機柜結構水平對比雖然，我國機柜設計和加工水平有了很大提高,但從總體水平上看,與發(fā)達國家相比尚有一定差距.國內(nèi)外機柜結構主要項目的水平對比情況見表1。表1  國內(nèi)外機柜結構水平對比對比項目名稱發(fā)達國家九十年代水平我國現(xiàn)有水平1.結構系統(tǒng)國外各大公司均有獨立的從元件到裝置的結構系統(tǒng),適應不同的電控設備國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)有自己的結構系統(tǒng),且不完善2.結構標準及標準化程度有相應的結構標準或采用IEC標準,標準化程度較高有部分結構標準,標準化程度不高，部分企業(yè)的結構標準化意識不強3.通用化程度大部分電器公司或結構專業(yè)廠的結構適用于不同的電控設備,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)品設計的,通用化程度低4.模數(shù)化設計機柜設計從系統(tǒng)上考慮了電氣安裝的模數(shù)化布置,機柜設有模數(shù)化步進安裝孔及安裝件機柜設計已考慮模數(shù)化安裝和布置,但有待進一步普及5.人機學設計按人機試驗數(shù)據(jù)進行機柜總體布局、色彩設計等已引入人機學概念,但缺乏試驗手段和有效的設計效果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IP55一般為IP20,少數(shù)可達IP54,由于大尺寸的加工精度較低，高防護等級難以達到8.通風散熱除強制通風外，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.結構輔件作為機柜的整體，有完備、可靠的結構輔件,以確保機柜整機效果配套的結構輔件相對薄弱，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)達國家相比存在一些差距，關鍵工藝項目處于發(fā)達國家上一世紀九十年代中期水平，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

12、國家上世紀九十年代水平我國現(xiàn)有水平1.鈑金加工技術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0.1mm  普通采用數(shù)控沖技術,精度等級在0.050.1之間,沖程次數(shù)達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0.5mm左右,大尺寸甚至超過0.5mm,數(shù)控設備可達0.1mm數(shù)控式設備精度可達0.1mm；深喉頸沖床精度為0.51mm，工效僅為數(shù)控設備的1/5，但已較少采用數(shù)控設備可達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,并用于有色金屬結構焊接特種點焊、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)整并已采用先進的汽相清洗技術 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:裝配工藝技術以手工裝配為主，但都有相應工裝、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:模具設計制造水平5.1:設計、生產(chǎn)方式5.2:標準化程度5.3:品種和結構5.4:精度與壽命CAD/CAM已商品化 沖模標準化達70%以上 向大型、復雜、精密、高效、柔性化方向發(fā)展精度已達m級,向無公差等級發(fā)展,最高壽命達500800

15、萬次廣泛采用CAD，有些企業(yè)采用CAD/CAM沖模標準化約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:鈑金加工設備精度水平 6.2:役齡及精度保持性 6.3構成比例:6.4配套能力: 6.5專用設備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)均有專用設備一般為0.5mm，數(shù)控設備可達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 多為通用設備，專用設備少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 廣泛用于設計生產(chǎn)已有數(shù)條鈑金柔性生產(chǎn)線.有少數(shù)先進的單機，較少聯(lián)成自動生產(chǎn)線CAD已

17、普遍采用，引進設備采用CAM，系統(tǒng)連接不足8:工藝材料系列化標準化及商品化程度 工藝材料與高效工藝、工藝方法、工藝設備同步發(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  我國機柜結構和制造工藝水平的總體評價通過上述的機柜結構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）我國機柜的設計和制造水平自改革開放以來有了長足的進步，縮小了與發(fā)達國家的差距。但從宏觀上和綜合水平來看,我國

18、機柜結構設計水平仍落后,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)達國家有一定的差距，這是由于長期以來缺乏系統(tǒng)設計、人機學設計思想，重電氣設計忽視結構設計、重主機輕視附件的結果.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，僅相當于發(fā)達國家二十世紀九十年中期代水平。盡管許多企業(yè)引進了先進生產(chǎn)設備，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，新的工藝技術推廣慢，企業(yè)之間存在較大的不平衡，這將會導致已經(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)，阻礙了新工藝技術的開展及推廣。5）微電子技術、計算機技術已經(jīng)滲透到工藝技術乃至國民經(jīng)濟的各個領域，而這些在我國的機柜制造業(yè)尚存在較大的差距。五  對我國機柜結構及工藝發(fā)展的建議為了徹底改變我國機柜結構和工藝的落后面貌,必須在“瞄準方向、打好基礎、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，機柜結構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,應著力提高機柜結構設計和制造水平。2) 重視機柜的成套性和系統(tǒng)性設計，從主體框架到機柜附件，均應從整體設計上作系統(tǒng)考慮。3) 加強技術立法,即加強機柜結構和工藝的標準化工作，把有關理論、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，上升為技術規(guī)范和標準，以指導今后的實踐。4) 引進國外先進單機的基礎上,應集中行業(yè)力量搞好設備配套和聯(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)均應把推廣