一種通用變流器柜的強(qiáng)度分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)

何 峋

通用變流器柜是用于光伏發(fā)電的電力設(shè)備，里面裝有4個(gè)電抗器和4個(gè)發(fā)電模組，每個(gè)電抗器的質(zhì)量約 250kg，4個(gè)共 1000kg，每個(gè)模組的重量為80kg，4個(gè)共320kg，都是并列布置，加上其他電氣元件和結(jié)構(gòu)件，總質(zhì)量將近1800kg。常規(guī)的布局是：電抗器重量比較重，將其固定在柜體的底部，發(fā)電模組比較輕，固定在上部，這樣整體柜子的重心可以穩(wěn)定一點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)雖有其利，但必有其弊。因?yàn)殡娍蛊魃岜容^大，熱流向上升，都傳遞給了上部的模組，模組本身也在發(fā)熱，本身熱值小于電抗器。所有的熱量綜合在模組上，然后再上升，往頂部的通風(fēng)孔流出，這時(shí)的模組已吸收了更多的外界熱量后，不能快速發(fā)散熱量，影響功效和壽命，并且散熱慢，使得整個(gè)柜子溫升在加劇，不利于電器柜的運(yùn)行。

本案例改進(jìn)思路，翻新了柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了散熱更良好，有意將4個(gè)電抗器安裝在柜體的上部，直接將熱量散發(fā)到柜子頂部，模組安裝在柜子的底部，避免模組吸收大量的熱值。這樣散熱效果是改善了，但是結(jié)構(gòu)上變得頭重腳輕，重心顯得非常不穩(wěn)定。新產(chǎn)品的特點(diǎn)是載荷大，跨度大，重心高，運(yùn)輸穩(wěn)定性也會(huì)有點(diǎn)困難（如圖1通用變流器柜設(shè)計(jì)雛形）。

設(shè)計(jì)和制造這個(gè)產(chǎn)品的過(guò)程需要解決的新問(wèn)題是，跨度大、載荷大，如何使得柜體強(qiáng)度能承受更苛刻的挑戰(zhàn)，尤其是橫梁和立柱，因?yàn)殡娍蛊髻|(zhì)量大，如何保證在1400mm的跨度上，1600mm的高度上，使1000kg的載荷得到可靠的固定支撐，讓運(yùn)輸過(guò)程的重心穩(wěn)定。

1 分析受力

本文重點(diǎn)闡述翻新設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度解決方案和改進(jìn)過(guò)程，運(yùn)輸穩(wěn)定性將會(huì)有其他措施解決，不在此贅述。

初始設(shè)計(jì)方案：材料選用截面為63mm規(guī)格的槽鋼，作為橫梁（如圖1所示，序2）；160mm規(guī)格的槽鋼作為側(cè)面梁（如圖1所示，序3）。從采購(gòu)便利上考慮，都屬標(biāo)準(zhǔn)型材。

圖1 通用變流器柜設(shè)計(jì)雛形

裝配工藝為：160號(hào)槽鋼做的側(cè)梁先固定在立柱上，63號(hào)槽鋼做的橫梁和4個(gè)電抗器同時(shí)固定后，寬度尺寸為 1150mm，柜體立柱間內(nèi)尺寸為1230mm，尺寸 1150＜1230，所以 4個(gè)電抗器可以用叉車一起推進(jìn)入柜內(nèi)，加載到側(cè)梁上，然后固定。

安裝后在力學(xué)結(jié)構(gòu)上預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生以下效果。載荷示意如圖2所示。

圖2 載荷示意

1）63號(hào)槽鋼承受重力載荷和引起的彎矩。

2）側(cè)梁承受壓應(yīng)力F1、F2，因?yàn)檫€有懸臂結(jié)構(gòu)的存在，造成的彎矩M，這是很差的受力狀態(tài)。因?yàn)榭缍却?，轉(zhuǎn)接點(diǎn)多，總的變形量更容易被放大。

3）立柱承受重力載荷的傳遞，引起的不僅是壓力，更有忌諱的彎矩M，因?yàn)橹匦母撸⒅€(wěn)定性受彎矩危害很大。

進(jìn)一步論證，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，很明顯，63號(hào)槽鋼無(wú)法承受如此大的載荷而嚴(yán)重彎曲。同時(shí)立柱和側(cè)梁受彎矩后，工作狀態(tài)相當(dāng)差，造成潛在失效模式，立柱扭曲。其仿真分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真分析結(jié)果

按照此方案，在實(shí)物制造后，實(shí)際驗(yàn)證中也確實(shí)發(fā)生了明顯的變形，這確實(shí)是不可靠的設(shè)計(jì)。

2 改進(jìn)方案

為此改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，從3個(gè)薄弱點(diǎn)找出解決思路。

1）放棄使用槽鋼，槽鋼顯得粗糙笨重。本案中采用的材料是2mm的覆鋁鋅板，設(shè)計(jì)成封閉形，加大橫梁高度尺寸，增加慣性矩和抗彎性能，同時(shí)兼顧工藝性和美觀。覆鋁鋅板作為免處理板材，不需要額外的外協(xié)噴涂工序，節(jié)省了制造周期；它的鈑金加工工藝性比較好，外觀精致，與柜體風(fēng)格協(xié)調(diào)統(tǒng)一；綜合計(jì)算材料成本和加工成本也比槽鋼低，尤其在批量生產(chǎn)中，數(shù)控鈑金設(shè)備加工的工藝優(yōu)勢(shì)更明顯，質(zhì)量也更穩(wěn)定。而且，設(shè)計(jì)成U形折彎強(qiáng)度要明顯高于L形折彎，封閉形則更佳，但操作工藝會(huì)很有限制。圖4為橫梁3D設(shè)計(jì)圖。圖5為橫梁加強(qiáng)梁3D設(shè)計(jì)圖。

圖4 橫梁3D設(shè)計(jì)圖

圖5 橫梁加強(qiáng)梁3D設(shè)計(jì)圖

將上述2種梁組合裝配，其設(shè)計(jì)目的是，封閉后可增加截面穩(wěn)定性和慣性矩。沒(méi)有直接設(shè)計(jì)成一體的形狀，是因?yàn)檎蹚澒に嚨牟僮餍允艿较拗疲圆捎煤线m的工藝，先分體折彎，再用鉚釘連接組合的方式。為了現(xiàn)場(chǎng)裝配更高效，有意在橫梁的 2端設(shè)計(jì)了輔助的掛鉤，這樣不僅增加了連接可靠性，而且裝配工藝變得輕松簡(jiǎn)單。操作工只要把橫梁往側(cè)梁上一掛即可解脫雙手，然后舒適地操作緊固件，不需要額外的人輔助托著沉重的橫梁進(jìn)行安裝。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程不僅要解決產(chǎn)品的功能性問(wèn)題，更要同時(shí)兼顧工藝性，一個(gè)小小的工藝改進(jìn)，往往在生產(chǎn)和維護(hù)上會(huì)帶來(lái)很大的便利和經(jīng)濟(jì)性。橫梁組合后的3D剖視圖如圖6所示。

圖6 橫梁組合后的3D剖視圖

2）把160號(hào)槽鋼取消，新橫梁直接與新的側(cè)梁對(duì)接，沒(méi)有懸臂結(jié)構(gòu)，所以側(cè)梁上的彎矩為零，使橫梁兩端側(cè)面和側(cè)梁都直接承受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。連接螺釘強(qiáng)度為 4.8級(jí)，即使彎鉤的拉應(yīng)力承載時(shí)效，螺釘強(qiáng)度經(jīng)過(guò)載荷計(jì)算，也足以滿足剪切力的要求。橫梁組合后的安裝如圖7所示。

圖7 橫梁組合后的安裝

3）削弱載荷對(duì)立柱的彎矩影響，使立柱100%只承受垂直方向的力。

立柱材料同樣是 2mm的覆鋁鋅板，截面是 8折型材兼有雙重折邊工藝，這種源于國(guó)外開(kāi)關(guān)柜廠家的鈑金工藝為：先將板材折彎后壓平，再將上下層一起折彎成 90°，這種工藝使得 2mm的鋼板具備了4mm鋼板的抗彎強(qiáng)度，在垂直方向上它的強(qiáng)度和穩(wěn)定性足以抗衡載荷的重力。而且適合后續(xù)的拉鉚工藝，壓鉚工藝操作，工序操作機(jī)動(dòng)靈活，鈑金件外觀整潔平整，雙重折邊在高壓開(kāi)關(guān)柜中已普及，是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證的成功案例。

裝配工藝為：橫梁先固定在側(cè)梁上，因?yàn)樾碌臋M梁長(zhǎng)度已超過(guò)柜體立柱的內(nèi)尺寸空間，所以電抗器逐一安裝在橫梁上，不再與橫梁整體進(jìn)入柜內(nèi)，經(jīng)論證分析，這在裝配工藝上是簡(jiǎn)單可行的。

3 方案可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的可靠性，需要做梁的強(qiáng)度計(jì)算和分析。載荷示意如圖8所示。

圖8 載荷示意圖

轉(zhuǎn)化為單跨度簡(jiǎn)支架力學(xué)模型圖。力學(xué)模型圖如圖9所示。

圖9 學(xué)模型圖

先計(jì)算最大變形量，以獲得直觀的判斷。在水平位移l1＜x＜l1+l3的最薄弱的中點(diǎn)處，計(jì)算最大撓度y：

質(zhì)量 1000kg，載荷約為 10000N，因?yàn)橛?2根橫梁承擔(dān)載荷，所以單根載荷為q=5000N。

其中彈性模量E查閱機(jī)械手冊(cè)得出，彈性模量E=206GPa。

慣性矩I：因?yàn)槠浣孛媸欠菢?biāo)幾何尺寸，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)無(wú)法查閱，可用 3D軟件模擬其截面形狀，自動(dòng)計(jì)算得出，設(shè)定慣性軸在截面居中位置，慣性矩I=2.38×106mm4。慣性矩截圖如圖10所示。

圖10 慣性矩截圖

上述參數(shù)和結(jié)構(gòu)是改進(jìn)設(shè)計(jì)后的方案，將上述參數(shù)調(diào)入公式中，計(jì)算撓度 y，最大為 y=0.32mm,這個(gè)形變量在1400mm的跨度上，是個(gè)微小的彈性變形值，可忽略。再根據(jù)仿真軟件同步分析驗(yàn)算，得到變形量為0.4mm，這與理論計(jì)算結(jié)果非常接近。仿真結(jié)果分析如圖11所示。

再來(lái)驗(yàn)證該梁的屈服強(qiáng)度。

計(jì)算后在663mm處最大彎矩M=1066Nm。

計(jì)算后的截面受力為F=M/h=6346N。

截面應(yīng)力為F/S=7.8MPa。

圖11 仿真結(jié)果分析

材料選用的是 Q235-A類鋼，許用應(yīng)力大于實(shí)際屈服強(qiáng)度，因此，該結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)意圖，能滿足實(shí)際使用要求。附改進(jìn)設(shè)計(jì)方案后的實(shí)物結(jié)構(gòu)，如圖12所示。

圖12 實(shí)物結(jié)構(gòu)

4 模擬運(yùn)輸時(shí)的動(dòng)態(tài)沖擊分析

為進(jìn)一步論證在動(dòng)態(tài)條件下的柜體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性，模擬在公路上長(zhǎng)途運(yùn)輸，將柜體固定在CNAS認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)上進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 4857.23—2000（包裝運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方法）執(zhí)行。在垂直方向上振動(dòng)3h，水平振動(dòng)方向上振動(dòng)3h，掃頻共振條件下振動(dòng)3h，加速度和頻率一直在隨機(jī)變換。

其中掃頻振動(dòng)的破壞性是最大的，設(shè)備初始運(yùn)行階段在逐步變化各種頻率，以掃描到試驗(yàn)樣品的共振頻率，隨后在合適的頻率進(jìn)行共振。這也是放在最后做的原因。實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸振動(dòng)應(yīng)力曲線如圖13所示。

圖13 CNAS實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸振動(dòng)應(yīng)力曲線

試驗(yàn)后，包裝結(jié)構(gòu)完好無(wú)損，電氣部分一次回路，二次回路接線可靠，元件正確牢固、電阻、耐壓，絕緣性能均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降。結(jié)構(gòu)件不松脫，機(jī)構(gòu)各活動(dòng)部分運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常。表明柜體結(jié)構(gòu)可以承受劇烈顛簸的公路運(yùn)輸條件而完好無(wú)損。

5 結(jié)論

在電氣柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，所用的材料為90%以上薄板材料，考慮的是經(jīng)濟(jì)性和良好的工藝性，而鈑金結(jié)構(gòu)和材料的機(jī)械性能中，拉伸強(qiáng)度要強(qiáng)于抗壓強(qiáng)度，過(guò)大的壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致截面變形失效，或者不穩(wěn)定。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間受到限制時(shí)，不妨分析一下力系分布，轉(zhuǎn)換受力方式，改壓應(yīng)力為拉應(yīng)力，或?qū)⒓休d荷改為均布載荷，或增加折彎邊數(shù)，或改截面形狀，都可以取得簡(jiǎn)潔明快的結(jié)構(gòu)，良好穩(wěn)定的效果。而且充分、綜合地利用計(jì)算機(jī)有限元自動(dòng)分析軟件，能提高產(chǎn)品可靠性，加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。

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