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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[3]劉衍平，張劉斗，等.電子設(shè)備機柜結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析[C].張家界：第26屆中國控制會議，2007：464-467.

[4]陳酋.電子機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案優(yōu)化[J].東南大學，2003：6-24.

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