机柜结构及工艺.docx
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机柜结构及工艺
机柜结构及工艺
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河北工业大学（300130）孟庆龙，
2008-3-22
高低压成套开关设备的在输配电系统中起着电能的控制、保护、测量、转换和分配的作用.随着输配电技术`、高低压元器件、技术自动化技术以及计算机软硬件技术的不断发展,成套开关设备也从传统的向数字化方向发展。
由于我国电力工业的飞速发展，2000年以后年平均新增装机容量为3693万kW；2006年的总装机容量达到：
6.1400亿kW，年增加装机容量为11000万kW，年增加率为：
19.6%；2007年增加装机容量为12991.0万kW，年增加率为11.1%，全国装机总容量已达到：
7.3391亿kW。
同时也促进了我国的输配电制造行业的发展，经过50年,特别是近20年得到了巨大的发展,无论是生产厂家的数量,还有设计与制造技术水平都有了较大的提高。
在制造技术方面，引进了国外先进数控板金加工设备，有些工厂还具备了柔性加工线，其板金加工工艺已达到国际先进水平。
并向专业化生产方向发展，行业中还出现了一批型材和柜体的专业生产厂和电器辅件生产厂，如张家港的三家板金加工厂,GCS的型材占了国内70%的市场。
我国制造业迅速推广应用信息技术改造传统制造业的过程中，在成套装置的设计中，泛采用三维CAD/CAM设计软件,将设计、计算分析以及加工等有机的结合起来,大大加快了产品的开发速度,降低了技术人员的劳动强度。
在柜体的制造工艺方面,普遍采用无螺母连接,即所有连接都采用自攻螺钉或普通螺钉,在承重部位采用铆螺母，使用自攻螺钉,除了加工方便、提高加工速度外，对靠墙安装的柜体还可实现正面装配和维修。
如CUBIC开关柜就非常典型,可靠墙安装且无须维护。
在板材加工方面，除使用异型骨架之外,许多公司采用整体板材成形,这样不仅减少了许多过渡件,还提高了柜体强度。
机柜是高低压电气成套开关设备不可缺少的组成部分，它为成套电器产品提供安装、支撑、连接、传动、连锁、锁紧、防护和装饰等功能，为机械零部件、电气连接和元器件的兼容提高保障。
总之，机柜是高低压成套开关电器产品的“载体”。
机柜的结构要素如图1所。
图1典型机柜的结构要素
（无法显示）
传统的机柜制造工艺包括板材剪切、冲孔、折弯、焊接、涂覆等，如图2所示。
随着工艺技术的进步，先进的以数控技术为原理的单机设备（如数控剪床、数控冲床、数控折弯机）等引入机柜加工中，随后以加工中心、柔性钣金加工生产线等为代表的先进的制造工艺技术和设备在机柜制造中广泛采用。
因此，加工质量、自动化水平和生产效率有了更进一步的提高。
图2机柜制造的典型工艺路线
（无法显示）
机柜设计应在满足成套电器产品使用功能要求的前提下，同时满足结构工艺性要求，即机柜的总体及其零部件制造的可行性及经济性要求，以及满足电器装配的工艺性和运行中的可维修性要求，具体内容如下：
（1）：
材料选择的合理性和经济性。
（2）：
工艺要素和尺寸链的合理性，设计基准、定位基准、测量基准和装配基准的正确性与合理性。
（3）：
加工和装配过程中所采用的各种典型工艺的可行性和经济性。
（4）：
装配过程中应避免切削加工。
（5）：
采用新工艺、新技术、新材料的可行性，是否有助于提高工艺水平和推动工艺技术进步。
（6）：
外购件采购的难易程度和外协加工的可行性。
（7）：
机柜结构的继承性，即尽量与已有的结构在风格上、尺寸上协调一致，并最大限度地选用公用件、借用件和标准件。
（8）：
机柜装配、调整和维修的可行性。
（9）：
提高机柜的通用化、系列化、标准化水平。
一：
我国机柜结构和工艺的现状
近年来,我国机柜结构和工艺有了很大改进和提高,表现在以下几个方面：
1）热轧角钢、型钢整体焊接结构已基本淘汰,冷轧钢板弯曲成形和冷滚弯成型的组装式结构已经逐渐普及。
新型组合式机柜也在不同的领域不断开发并得到应用。
组合式机柜逐渐得到推广。
组合式机柜有组装灵活、便于扩展，易组织专业化、标准化设计和生产的优点，但需要有较高的加工精度和组装要求。
在当今工艺和装备技术发展的前提下，组装式机柜已成为发展趋势。
2） 有色金属及其合金在机柜中的应用比例有所提高。
由于组合式机柜的普及，有色金
属及其合金（例如铝及其合金、锌合金）以其成型容易、可制造复杂形状及结构、精度高的优点，作为连接件、装饰件，甚至主要支撑骨架，已广泛应用于机柜结构中。
3） 对机柜电磁屏蔽和静电放电防护水平的要求大大提高。
由于电子技术和计算机技术
在电气领域的广泛应用，作为电气产品与外界电磁环境的一个端口（port，即外壳端口enclosureport），机柜的电磁屏蔽和静电放电防护已构成产品电磁兼容要求的一个组成部分。
由此，机柜已不仅仅作为机械结构和电气电子设备的一个载体，而成为产品的机电接口及产品的重要组成部分。
4）:
随着国外先进技术的引进,先进的机柜结构设计思想也随之引入,机柜的人机学设计、模数化设计、系统设计等已在我国机柜设计中开始采用,这对我国机柜的发展将会起极大的促进作用.
5）我国机柜标准的制定已与IEC标准全面接轨，使过去仅靠定性描述的要求完全量化（见GB/T18663.1-2002和GB/T19183.5-2003），使机柜的设计和生产有章可循,机柜的气候试验、工业大气试验、机械静载荷和动载荷试验、安全试验、电磁屏蔽试验、地震试验等型式试验项目也已经规范。
6）我国的机柜生产企业几乎都引进了国外先进的机柜生产设备,如数控式剪板机、数控多工位冲床、数控折弯机或钣金柔性加工生产线等,一些企业还安装了涂覆前处理及静电喷涂生产线,使机柜的加工水平有了明显的提高.
7）许多新的工艺技术例如钢型材冷滚弯成形、连续闪光对焊、气体保护焊、螺钉储能焊接、步进孔精密加工、高压静电粉末喷涂等技术在机柜生产中的使用和推广,使我国的机柜工艺水平和加工能力有了很大提高.
二：
国内外机柜结构水平对比
虽然，我国机柜设计和加工水平有了很大提高,但从总体水平上看,与发达国家相比尚有一定差距.国内外机柜结构主要项目的水平对比情况见表1。
表1 国内外机柜结构水平对比
对比项目名称
发达国家九十年代水平
我国现有水平
1.结构系统
国外各大公司均有独立的从元件到装置的结构系统,适应不同的电控设备
国内只有少数企业有自己的结构系统,且不完善
2.结构标准及标准化程度
有相应的结构标准或采用IEC标准,标准化程度较高
有部分结构标准,标准化程度不高，部分企业的结构标准化意识不强
3.通用化程度
大部分电器公司或结构专业厂的结构适用于不同的电控设备,专业化、通用化程度高
大部分机柜是针对具体电气产品设计的,通用化程度低
4.模数化设计
机柜设计从系统上考虑了电气安装的模数化布置,机柜设有模数化步进安装孔及安装件
机柜设计已考虑模数化安装和布置,但有待进一步普及
5.人机学设计
按人机试验数据进行机柜总体布局、色彩设计等
已引入人机学概念,但缺乏试验手段和有效的设计效果
6.机柜型式
基本为组合式、系列化,便于专业化生产
组合式机柜正在普及，但专业化程度有待提高
7.防护等级
可按需要提供,一般为IP20,最高可达IP55
一般为IP20,少数可达IP54,由于大尺寸的加工精度较低，高防护等级难以达到
8.通风散热
除强制通风外，密封机柜按功率大小选用专用换热器，已提出一整套散热理论
目前已研制出热管散热器用于密封机柜,但大功率散热困难依然存在
9安全接地
是机柜必须考虑的问题，并有有效措施
已经考虑，但配套的附件不齐全
10机柜屏蔽
根据需要，可提供数据传输用屏蔽机柜，并有试验数据作为保证
已具有屏蔽机柜，但试验手段不健全，可靠性有待提高
11.结构辅件
作为机柜的整体，有完备、可靠的结构辅件,以确保机柜整机效果
配套的结构辅件相对薄弱，主要靠外供
三：
国内外机柜加工工艺水平对比
我国机柜加工的总体工艺水平与发达国家相比存在一些差距，关键工艺项目处于发达国家上一世纪九十年代中期水平，具体对比情况见表2。
表2 国内外机柜加工工艺水平对比
项目名称
发达国家上世纪九十年代水平
我国现有水平
1.钣金加工技术
1.1:
剪板
1.2:
冲孔
1.3:
弯板
1.4柔性加工线
高精度数显剪钣,精度误差达0.1mm
普通采用数控冲技术,精度等级在0.05~0.1㎜之间,冲程次数达400次/min
高精度自动定位,精度0.1mm,可弯曲任意形状
专业化生产采用柔性生产线
普通精度剪钣机，精度误差达0.5mm左右,大尺寸甚至超过0.5mm,数控设备可达0.1mm
数控式设备精度可达0.1mm；深喉颈冲床精度为0.5~1mm，工效仅为数控设备的1/5，但已较少采用
数控设备可达0.1mm；普通折弯机精度约0.5mm，弯曲形状受模具限制
已有多条柔性生产线投入使用
2:
焊接技术
2.1保护焊
2.2特种焊接
广泛采用CO2、Ar2保护焊,并用于有色金属结构焊接
特种点焊、闪光对焊等普遍采用
机柜焊接也采用保护焊，仍为传统的手工电弧焊
采用不普遍
3:
表面处理及被覆技术
3.1前处理
3.2水性涂:
涂装工艺
3.3高压静电喷涂
3.4油性涂料
多半为自动生产线,溶液自动调整并
已采用先进的汽相清洗技术
已近半数企业采用
广泛采用并建有自动线,膜厚为50~70μm,高绝缘性耐冲击
极少采用,已逐渐为水性涂料和静电喷涂技术取代
少数大型企业建有生产线，但自动化程度低，多数仍为传统的单元操作尚
采用少
有些企业采用,自动化程度不高，生产不稳定,膜厚达0.1mm，死区多，落粉量大
小企业采用手工操作多
4:
装配工艺技术
以手工装配为主，但都有相应工装、工具。
由于加工精度高,装配时无需调整
手工装配，通用工具，装配时多半需调整，甚至采用修配方法
5:
模具设计制造水平
5.1:
设计、生产方式
5.2:
标准化程度
5.3:
品种和结构
5.4:
精度与寿命
CAD/CAM已商品化
冲模标准化达70%以上
向大型、复杂、精密、高效、柔性化方向发展
精度已达μm级,向无公差等级发展,最高寿命达500~800万次
广泛采用CAD，有些企业采用CAD/CAM
冲模标准化约50%
小企业冲模多为单工位
精度比国外较低，最高寿命约100多万次
5.5冲模种类
硬质合金膜、多工位多型腔膜、冲压单元、冲压中心已广泛采用
开始采用硬质合金膜,组合模具少,多为单向成型
6:
工艺装备水平
6.1:
钣金加工设备精度水平
6.2:
役龄及精度保持性
6.3构成比例:
6.4配套能力:
6.5专用设备
5μm~0.1mm
役龄15年以下,精度保持性10年
多数为数控机床
高精度设备配套,并向联机和柔性化发展
批量生产均有专用设备
一般为0.5mm，数控设备可达0.1mm
平均役龄25年以上,精度保持在大约5年左右
数控机床约20%
通用型单机,联机性差
多为通用设备，专用设备少
7:
工艺过程自动化
7.1柔性化水平
7.2自动化生产线
7.3.CAD/CAM
有柔性线用于生产
由微机控制专用生产线
广泛用于设计生产
已有数条钣金柔性生产线
.
有少数先进的单机，较少联成自动生产线
CAD已普遍采用，引进设备采用CAM，系统连接不足
8:
工艺材料系列化标准化及商品化程度
工艺材料与高效工艺、工艺方法、工艺设备同步发展并实现商品化
分散经营，品种少，不配套，质量差
9:
工艺过程检测水平
各环节均设专门检验，精加工100%检验，测试手段齐全
手段落后，水平低，靠经验检查，已有光栅、磁栅测量系统用于实践，但未推广普及
四 我国机柜结构和制造工艺水平的总体评价
通过上述的机柜结构和制造工艺水平的对比,对我国机柜水平可作出如下总体评价:
1）我国机柜的设计和制造水平自改革开放以来有了长足的进步，缩小了与发达国家的差距。
但从宏观上和综合水平来看,我国机柜结构设计水平仍落后,特别是大、中、小型企业之间的水平相差大。
2）我国机柜在外观、整体布局、色彩、加工精度及互换性、配套性等方面与发达国家有一定的差距，这是由于长期以来缺乏系统设计、人机学设计思想，重电气设计忽视结构设计、重主机轻视附件的结果.
3）目前我国机柜的总体制造工艺水平与跨国企业相比差距大，仅相当于发达国家二十世纪九十年中期代水平。
尽管许多企业引进了先进生产设备，但由于配套性差、管理不善等原因，仍存在精度不高的问题。
典型常规工艺仍较落后，新的工艺技术推广慢，企业之间存在较大的不平衡，这将会导致已经缩小了的工艺差距会再次拉大.
4）工艺材料、工艺装备与工艺方法这三项紧密相联的问题在我国始终脱节，阻碍了新工艺技术的开展及推广。
5）微电子技术、计算机技术已经渗透到工艺技术乃至国民经济的各个领域，而这些在我国的机柜制造业尚存在较大的差距。
五 对我国机柜结构及工艺发展的建议
为了彻底改变我国机柜结构和工艺的落后面貌,必须在“瞄准方向、打好基础、狠抓薄弱环节”这三个方面,扎扎实实的作好以下工作:
1）机柜作为电器产品的一个组成部分，机柜结构与工艺的落后往往带来“产品落后”的恶果。
因而，从提高产品附加价值的角度讲,应着力提高机柜结构设计和制造水平。
2）重视机柜的成套性和系统性设计，从主体框架到机柜附件，均应从整体设计上作系统考虑。
3）加强技术立法,即加强机柜结构和工艺的标准化工作，把有关理论、经验及一些行之有效的方法等这样一些零散的资料、信息，上升为技术规范和标准，以指导今后的实践。
4）引进国外先进单机的基础上,应集中行业力量搞好设备配套和联机，以形成自动化的或柔性化的生产线。
对于中小型企业，其重点应放在对于传统落后的工艺方法的改造上。
所有机柜生产企业均应把推广普及新工艺、应用微电子技术和计算机技术进行技术改造,作为增强企业活力的手段。
5）加强试验设备的投入，以解决有效的验证手段不足的问题。
6）在搞好大中型企业的同时，应当增强中小型企业的活力，以解决大中小型企业发展不平衡的问题。
同时，应注意解决各技术环节之间的不平衡，从而才能使我国机柜设计和生产获得稳步协调的发展.
7）尽早组织机柜的专业化生产，以提高机柜质量和总体效益。
五：
结束语
综上所述，机柜是高低压电气成套开关设备不可缺少的组成部分，机柜是高低压成套开关电器产品的“载体”。
机柜设计应在满足成套电器产品使用功能要求的前提下，同时满足结构工艺性要求，即机柜的总体及其零部件制造的可行性及经济性要求，以及满足电器装配的工艺性和运行中的可维修性要求。
为此必须提高机柜结构设计和制造技术水平，我国电器制造业（包括机柜制造业）也不例外地要走向世界，成为电器制造的大国和强国，必须加快电器制造业的现代化、信息化、数字化，用先进的制造技术改造传统的电器制造业。
机柜制造也需要用先进的制造技术改造传统的机柜制造业。
该行业为了增强实力，提高研发能力，加快推出新品，创造自己的品牌和自主知识产权。
参考文献
1：
孟庆龙主编：
《精明电器工艺手册》北京机械工业出版社，2006年2月
2：
孟庆龙主编：
《电器制造技术手册》北京机械工业出版社，2000年2月
3：
孟庆龙，金克奎主编：
《电器结构、工艺及计算机辅助工艺规程设计》北京机械工业出版社，1994年
4：
王辉:
《简述低压成套开关设备的现状与发展》科必电器（上海）有限公司
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