夏新濤++李煒
摘 要 本文介紹了儲能機柜的基本特點和設(shè)計要求,并利用ANSYS軟件對機柜框架進行了力學分析,同時結(jié)合試驗進行驗證,并根據(jù)力學分析及試驗驗證的結(jié)果,對儲能機柜進行優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵詞 儲能機柜;力學分析;優(yōu)化設(shè)計
中圖分類號:TP3 文獻標識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)19-0023-03
隨著光伏和風電等新能源技術(shù)的推廣,配套的儲能設(shè)備也發(fā)展迅速。新能源一般都使用在邊遠地區(qū),或海島等環(huán)境復雜的地域,需要通過非常艱難的運輸過程,才能到達設(shè)備的安裝地。新能源儲能設(shè)備一般選擇機柜來進行安裝,設(shè)備的重量都比較大,有些儲能設(shè)備單臺的重量在1.5t左右。要求配套的機柜有非常好的靜載和動載承受能力。在吊裝、運輸、安裝、抗震等方面的要求非常高[1],機柜強度將直接影響設(shè)備的產(chǎn)品交付和使用安全。
目前,電力儲能設(shè)備在國內(nèi)的推廣處于示范階段,還沒有專門針對電力儲能機柜開發(fā)的重載、抗振型機柜。一般會選用電力行業(yè)常用的機柜類型,比如C型型材機柜、9折型材機柜、16折型材機柜等[1]。但這幾類電力行業(yè)常用的機柜的承載能力不大于1t,如果使用環(huán)境的抗振要求在烈度7級以上,此類機柜的抗振能力不夠。
1 分析優(yōu)化思路及步驟
本文從滿足新能源儲能機柜(下稱機柜)承載強度需要出發(fā),專門開發(fā)出一種專用的重載高強度機柜。該機柜規(guī)格尺寸為1300(長)×800(寬)×2300(高),高度不包含門楣,但包含底座100高),機柜總重量約1.5t,機柜共安裝12個電池單元模塊,每個電池單元模塊重量約100 kg。
針對機柜的強度進行分析,從機柜吊環(huán)的承載設(shè)計及機柜靜載強度出發(fā),針對幾種不同的吊裝工控進行有限元分析,計算出零部件的應力及位移分布圖,查找機柜結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)[2-3]。并通過實際的吊裝實現(xiàn)進行驗證,找出設(shè)計的不足,完成對機柜結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的優(yōu)化。
2 吊環(huán)拉伸強度分析
本文設(shè)計機柜采用吊環(huán)起吊,根據(jù)國標GB825-M12規(guī)定要求,初步選定M12吊環(huán)螺釘,單個吊環(huán)螺釘?shù)钠鸬踔亓坎怀^500 kg,4個M12吊環(huán)起吊重量應在1.6~2t之間,能滿足機柜的起吊需要。
首先,對選用的GB825-M12(4.8級,鍍白鋅,螺距1.5 mm)吊環(huán)進行拉伸強度校核,機柜重量按1.5噸計算。查閱機械設(shè)計相關(guān)規(guī)定,當?shù)醐h(huán)螺釘承受工作載荷時,吊環(huán)螺釘?shù)奈kU截面一般為螺紋牙根圓柱的橫截面,拉伸強度校核條件為:
1)兩點對角起吊:單個吊環(huán)的拉伸強度
2)四點起吊:單個吊環(huán)的拉伸強度
查閱機械設(shè)計手冊中螺紋連接的安全系數(shù)取5(M12、碳鋼、不控制預緊力、靜載荷),4.8級吊環(huán)的屈服極限為320 MPa,計算的需要拉伸應力為64 MPa。
從理論上考慮,現(xiàn)場吊裝機柜時,如果采用兩點對角吊裝形式,單個吊環(huán)螺釘承受的拉伸應力將超出其許用應力,吊環(huán)有發(fā)生屈服失效,發(fā)生斷裂和變形的潛在危險存在。
3 機柜強度分析和校核
首先對機柜進行網(wǎng)格劃分,再分幾種不同的工況進行強度分析和校核,分別為:吊環(huán)固定工況、兩點對角吊裝工況、四點對角吊裝工況、靜載工況。
3.1 網(wǎng)格劃分
細化網(wǎng)格可以使計算結(jié)果更精確,但是會增加CPU計算時間、需要更大的存儲空間。網(wǎng)格劃分時需要權(quán)衡計算成本和細化網(wǎng)格之間的矛盾。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。
圖1 機柜網(wǎng)格劃分
3.2 吊環(huán)固定工況分析
采用四點吊裝,載荷、位移約束條件如下。
1)位移約束條件:四個吊環(huán)的位移為固定約束(Fixed Support)。
2)機柜自重的加載:重力加速度g=9806.6 mm/s2;
3)單個電池模塊重量加載:按1.5倍的重量(約150 kg),通過施加重量模塊來模擬完成加載。
將計算的載荷和位移約束分別加載后,進行仿真計算,得到固定吊環(huán)工況下機柜的位移、應力云圖分別如圖2所示。
圖2 吊環(huán)固定工況下位移和應力分析圖
力學分析結(jié)果表明,吊環(huán)固定時,產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機柜的中間部位下端處,最大變形為0.791 mm,零部件所受最大應力240.15 MPa,最大應力發(fā)生在四個吊環(huán)處,吊環(huán)會發(fā)生屈服現(xiàn)象(斷裂)。
3.3 兩點對角吊裝工況分析
采用兩點對角吊裝,載荷、位移約束條件如下。
1)位移約束條件:機柜的底座位移為固定約束(Fixed Support)。
2)2個對角吊環(huán)施加載荷:起吊中心距機柜頂部高度為1500 mm,載荷大小為機柜的重量(2138.6 kg),轉(zhuǎn)換為分量施加到吊環(huán)上。
將計算的載荷和位移約束分別加載后,進行仿真計算,得到固定吊環(huán)工況下機柜的位移、應力云圖分別如圖3所示。
圖3 兩點對角起吊工況下位移和應力分析圖
力學分析結(jié)果表明,產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機柜的吊環(huán)處,最大變形為1.4786 mm,零部件所受最大應力598 MPa,最大應力發(fā)生在吊環(huán)螺釘處,吊環(huán)會發(fā)生屈服現(xiàn)象。
3.4 四點起吊吊裝工況分析
將計算的載荷和位移約束分別加載后,進行仿真計算,得到固定吊環(huán)工況下機柜的位移、應力云圖分別如圖4所示。
圖4 四點對角起吊工況下位移和應力分析圖
力學分析結(jié)果表明,產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機柜的兩側(cè)縱梁中間處,最大變形為0.6927 mm,零部件所受最大應力305.36 MPa,最大應力發(fā)生在吊環(huán)螺釘處,吊環(huán)會發(fā)生屈服現(xiàn)象。
3.5 靜載工況分析
將計算的載荷和位移約束分別加載后,進行仿真計算,得到固定吊環(huán)工況下儲能機柜的位移、應力云圖分別如圖5所示。endprint
圖5 靜載工況下位移和應力分析圖
力學分析結(jié)果表明,產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機柜的兩側(cè)縱梁中間處,最大變形為0.6927 mm,零部件所受最大應力305.36 MPa,最大應力發(fā)生在吊環(huán)螺釘處,吊環(huán)會發(fā)生屈服現(xiàn)象。
4 試驗驗證
通過對上面四種不同工況進行應力和位移的分析,機柜存在吊環(huán)斷裂和脫落的危險,機柜某些部位的強度也不夠,存在破裂的潛在危險。針對上面的分析情況,分別進行了靜載試驗和吊裝試驗,按照機柜的實際載重量加工了試驗配重,并將配重全部加載在機柜上,然后進行靜載和吊裝試驗。經(jīng)過試驗驗證,機柜在極端情況下出現(xiàn)了如圖6所示的破壞狀況。
采用四點起吊吊裝工況試驗時,機柜在靜載和吊裝試驗均沒有出現(xiàn)問題;采用兩點起吊吊裝工況試驗時,機柜有吊環(huán)出現(xiàn)了斷裂和脫落的現(xiàn)象,同時因為兩點起吊吊裝,機柜頂部的框架出現(xiàn)了脫焊的現(xiàn)象;機柜在正常四點吊裝的試驗下,吊裝10次以上不存在任何問題。
圖6 機柜吊環(huán)斷裂及破壞情況
5 結(jié)束語
通過ANSYS軟件對機柜進行不同工況下的有限元分析[4],并根據(jù)實際的使用情況進行了試驗驗證,找出了機柜的潛在危險。經(jīng)過分析試驗結(jié)果,擬采用下述措施對機柜的薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化和改進。
1)采用8.8級的高強度M12吊環(huán)螺釘,增強吊環(huán)螺釘?shù)那姸??;蛟龃蟮醐h(huán)螺釘?shù)囊?guī)格,將吊環(huán)螺釘增大到M20,即可同時滿足兩點或四點吊裝的要求。
2)由于機柜在安裝了所有電氣設(shè)備之后,重量過重(1.5T),因此可以放棄吊環(huán)螺釘?shù)跹b的方式,在機柜頂部安裝前后吊裝角鋼進行吊裝。
3)機柜框架的四角的應力較大,采用兩點吊裝方式時易加重應力集中而造成損壞。在框架焊接時,采用塞縫焊接方式并滿焊,提高柜體連接角的強度;亦可以根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,通過加強筋板加固四角。
利用ANSYS軟件進行有限元分析,獲取準確的機柜應力和應變模型,并根據(jù)實際工況進行試驗驗證,驗證ANSYS軟件的分析結(jié)果,找出機柜的薄弱環(huán)節(jié)和潛在危害,并根據(jù)結(jié)果進行設(shè)計優(yōu)化。通過有限元分析及樣柜的試驗驗證,提高了機柜設(shè)計的準確性,為機柜的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。
參考文獻
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作者簡介
夏新濤(1957-),男,教授,博士,河南科技大學機電程學院軸承研究所所長。endprint