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机柜标准化结构设计研究
辛晓璞 朱乐宁 张继雄 2023/9/16 18:52:04
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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（未完，下一页）
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