機(jī)柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)淺析

張冰，張煥德

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

機(jī)柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)淺析

張冰，張煥德

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

目前，機(jī)柜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越被人們所重視，結(jié)構(gòu)質(zhì)量的好壞直接表現(xiàn)出產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，因此，在機(jī)柜設(shè)計(jì)中，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，采用起伏成形等工藝，對降低鋼材的消耗，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益及改善機(jī)柜的外觀質(zhì)量將起著明顯的作用。本文從設(shè)計(jì)要求切入，并且考慮強(qiáng)度和剛度及總體布局，從而設(shè)計(jì)出符合用戶要求的產(chǎn)品。

機(jī)柜結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；剛度；設(shè)計(jì)

對機(jī)柜及內(nèi)部器件的使用壽命和可靠性來說，機(jī)柜的強(qiáng)度和剛度性能質(zhì)量如何有著重要的作用。機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要確保整套裝置可以正常工作，在此基礎(chǔ)上，要最大限度的減少原材料的使用，在構(gòu)件種類的選擇上也要減少，同時(shí)，在對構(gòu)件進(jìn)行加工工藝時(shí)，盡量對其進(jìn)行簡化，以便更好的達(dá)到提高質(zhì)量、降低成本的作用。

1　影響機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素

對于電氣控制來說設(shè)備來說，機(jī)柜的作用是不可替代且不可或缺的，承擔(dān)著運(yùn)載所有服務(wù)器的重要作用，機(jī)柜要確保能夠達(dá)到各電器單元的操作要求，比如，要符合其檢修性能，確保其使用的安全性，同時(shí)達(dá)到外形統(tǒng)一，整體美觀的效果。

此外，對于機(jī)柜本身的設(shè)計(jì)要牢固可靠、外形美觀，方便各組件之間調(diào)整，符號規(guī)范，制造的適用性以及針對特殊場合的特殊設(shè)計(jì)等。在對機(jī)柜進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要滿足成套電氣產(chǎn)品使用的可靠性，然后再考慮要符合結(jié)構(gòu)工藝性要求，也就是在對機(jī)柜總體或是零部件進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，要充分考慮技術(shù)可行性和生產(chǎn)成本經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)要滿足電器裝配的工藝性和運(yùn)行中的可維修性要求。

一直以來，我國對機(jī)柜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都不夠重視，只重視電氣設(shè)計(jì)而不加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，偏重對主機(jī)的設(shè)計(jì)而疏忽附件，和西方發(fā)達(dá)國家相比，我國機(jī)柜在牢固性、審美性、經(jīng)濟(jì)性等方面都還落后很多，有很大的差距，需要進(jìn)一步加強(qiáng)引進(jìn)和學(xué)習(xí)，尤其在專利技術(shù)方面，我們?nèi)匀皇苤朴诠I(yè)發(fā)達(dá)國家，以至于外商企業(yè)占有了我國高端機(jī)柜市場的較大份額。機(jī)柜結(jié)構(gòu)本身發(fā)展形成的各種形式，不同的組件，不同電壓等級，不同使用場合，加工設(shè)備的發(fā)展，不同生產(chǎn)廠家的自身?xiàng)l件等都決定了控制柜的制造受到甚多因素影響。由于機(jī)柜結(jié)構(gòu)要求不一，對于各個(gè)企業(yè)來說，所采用的加工方法也不一樣，它們的生產(chǎn)制造工藝更是有所差別，但其關(guān)鍵部位的工藝確是異曲同工的。

2　機(jī)柜立柱截面的正交優(yōu)化

在對機(jī)柜著手設(shè)計(jì)時(shí)，首先要了解所占空間大小和安裝要求，以此來設(shè)計(jì)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)形式，其中，最關(guān)鍵的步驟就是對機(jī)柜立柱的設(shè)計(jì)，尤其要注意立柱折彎后有沒有裂紋的產(chǎn)生，以及抗扭剛度的強(qiáng)弱，同時(shí)要注意到動(dòng)態(tài)性能對機(jī)柜整體的影響，而對于鈑金結(jié)構(gòu)來說，其主要是利用彎曲工藝，將型材、板材經(jīng)過折彎成一定角度再進(jìn)行焊接或用螺釘組裝，即可構(gòu)成一幅機(jī)柜框架，并且具有眾多的優(yōu)點(diǎn)。需要注意的是為減少繁冗的計(jì)算，需選擇合理的設(shè)計(jì)方案，此時(shí)可選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

3　截面

不同的材質(zhì)和截面，對立柱的抗彎、抗扭剛度的結(jié)果也不一樣，在解決實(shí)際優(yōu)化問題時(shí)，要先明確設(shè)計(jì)變量的變化速度，同時(shí)最大限度的減少設(shè)計(jì)數(shù)量的多少，盡量將對設(shè)計(jì)指標(biāo)影響較小的參數(shù)作為給定參數(shù)，將對設(shè)計(jì)指標(biāo)影響比較明顯的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，這樣可以減少優(yōu)化過程，快速得到簡單的數(shù)學(xué)模型。

（1）截面變量的靈敏度分析。對結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)而言，動(dòng)態(tài)特征靈敏度可理解為結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變率。進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征靈敏度分析可以求出結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度及阻尼的變化對結(jié)構(gòu)特征值與特征向量改變的敏感程度，從而指示我們修改何處的結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征影響最大最為有效。

（2）截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通常情況下，人們在對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，會先將各種方案進(jìn)行類比選出初始方案，然后對其進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和各方面的檢查，對不合理之處再進(jìn)行修改，最終得到滿意的設(shè)計(jì)方案，但此方法時(shí)間長、成本高、效率低，而且最終方案也不一定就是最優(yōu)方案，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)集力學(xué)分析方法、數(shù)學(xué)規(guī)劃、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其它工程科學(xué)于一體，它使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由消極的校核設(shè)計(jì)變?yōu)橹鲃?dòng)的改善實(shí)際，在設(shè)計(jì)中具有很大的優(yōu)勢。

4　框架剛度提高過程

（1）模型簡化。①忽略框架上的螺釘、安裝固定等小尺寸開孔。②由于門板、后板、側(cè)板、頂板等板件只是起到密封作用，對結(jié)構(gòu)的受力幾乎不產(chǎn)生作用，對機(jī)柜的動(dòng)態(tài)特性也沒有什么影響。③將內(nèi)置通信單元簡化為均布質(zhì)量，均勻分布于內(nèi)部安裝框架上。④將螺栓連接簡化為等約束點(diǎn)。

（2）提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。①用構(gòu)件受拉、壓代替彎曲。

②合理布置受彎曲零件的支承，以防止對剛度產(chǎn)生不良影響。③加強(qiáng)對受彎曲零件的斷面形狀的設(shè)計(jì)，最大限度的增大斷面慣性矩。④用預(yù)變形抵消工作時(shí)的受載變形準(zhǔn)則。

5　優(yōu)化局部剛度

在具體的生產(chǎn)過程中，可以通過棒料的切割來得到立方體的角件，如果要得到三角通件，則需在預(yù)焊接形成的角件中定位。首先將圖1中的角件插入到圖2中的角點(diǎn)，并將其焊接牢固。

圖1　　方形加強(qiáng)焊件

圖2　立方焊件加強(qiáng)方式

然后將圖3中的角件焊接到圖4中每個(gè)角處，修改模型，將以上環(huán)節(jié)反復(fù)，可以發(fā)現(xiàn)其模型各方向上的一階固有頻率有所改善，此時(shí)三通焊接件的框架抗變形能力也有所增強(qiáng)。

圖3　　三通加強(qiáng)焊件

圖4　　三通焊件加強(qiáng)方式

6　結(jié)語

設(shè)計(jì)機(jī)柜時(shí)首先要滿足用戶的技術(shù)指標(biāo)，考慮加工成本決定采取何種加工方式，再進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中還要考慮機(jī)柜的承載能力，各設(shè)備單元安裝的方式等因素，使零件設(shè)計(jì)盡可能簡單、可靠。

[1] 張衛(wèi)芬.電子機(jī)柜分機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].中南大學(xué)，2006.

[2] 李西安.逆變器柜體靜強(qiáng)度、模態(tài)和疲勞強(qiáng)度的研究[D].大連交通大學(xué)，2013.

[3] 何基原.某地面雷達(dá)發(fā)射機(jī)通用機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].電子機(jī)械工程，2008.

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