陳進(jìn)輝　趙柏程　馮文明　溫?zé)橓i　羅彪

摘 要：為了解決光伏電站施工現(xiàn)場的材料轉(zhuǎn)運(yùn)問題，本文設(shè)計了一種新的多功能光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)承載平臺。該平臺采用模塊化設(shè)計，通過不同模塊的快速切換實(shí)現(xiàn)不同光伏材料的高效轉(zhuǎn)運(yùn)；同時為了保證光伏板等易碎件的安全運(yùn)輸，在相應(yīng)模塊中增加了減震和防傾覆等功能；最后利用有限元方法對平臺的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計 平穩(wěn)性 安全性 有限元分析

1 引言

在光伏電場建設(shè)時，光伏材料的轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)境都極其惡劣，為了保證光伏板等易碎材料的運(yùn)輸安全需要設(shè)計一款專用的運(yùn)輸承載平臺。近年來國內(nèi)對特種車輛的車廂模塊化設(shè)計做了大量的研究，李悅怡[1]結(jié)合模塊化設(shè)計與快速設(shè)計的相關(guān)理論，完成了車廂可卸式垃圾車快速設(shè)計系統(tǒng)的初步研發(fā)工作，提高了產(chǎn)品的研發(fā)效率和繼承性。汪松年[2]等人對現(xiàn)有車廂擴(kuò)展機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，闡述了擴(kuò)展機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計原理。王劍波[3]等人設(shè)計了一款整體式小型純電動物流車廂，提高了裝卸貨物的便捷性。Jian Zhang[4]等人針對輕型電動商用車的自重問題，提出了基于TC4鈦合金車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計思路。本文將考慮光伏轉(zhuǎn)運(yùn)車的實(shí)際工況，對承載平臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化及減振設(shè)計，擬解決光伏板轉(zhuǎn)運(yùn)時易碎問題，并實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料的多功能化。

2 承載平臺模塊化設(shè)計

光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車的承載平臺主要用于光伏板和配套架設(shè)材料的裝載。光伏板的箱體尺寸為2.5 m×1.4 m×2.0 m，重0.8 t；架設(shè)材料則成捆轉(zhuǎn)運(yùn)，其最大長度為8 m，重2.5t。由于光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車本身的裝載質(zhì)量為3.0 t，故每趟能夠轉(zhuǎn)運(yùn)三箱光伏板或者一捆架設(shè)材料，此外光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車具有很強(qiáng)的爬坡能力，能夠克服險峻地勢，故對承載平臺的設(shè)計提出了穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟(jì)性的要求。為了使承載平臺兼顧裝卸貨物時的便捷性和模塊切換的經(jīng)濟(jì)性，在承載平臺外部結(jié)構(gòu)及尺寸不變的情況下通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計實(shí)現(xiàn)平臺的多功能運(yùn)輸。

2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)光伏板的承載平臺結(jié)構(gòu)

考慮到每次轉(zhuǎn)運(yùn)的光伏板為三箱，結(jié)合光伏板和平臺的相關(guān)尺寸，采用如圖1所示的承載布置。光伏板材料具有易碎的特性，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不能發(fā)生磕碰、損耗。因此當(dāng)自動裝卸吊機(jī)將一箱光伏板裝入承載平臺時，需要插入相應(yīng)的固定模塊與減震保護(hù)模塊，再進(jìn)行下一箱光伏板的裝載，在光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車到達(dá)目的地后，也要分步進(jìn)行光伏板的卸載。

如圖1所示，每箱光伏板之間有減震隔板，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中可以減緩碰撞、吸收能量。此外，在裝載光伏板之前，承載平臺的底部需要鋪設(shè)一層箱底固定緩沖材料防止光伏板滑動與跳動。在轉(zhuǎn)運(yùn)光伏板時，只需要在裝載時將緩沖隔板插入對應(yīng)側(cè)板的槽鋼中。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，經(jīng)常會因路況惡劣而發(fā)生晃動，而承載平臺底部的緩沖材料能夠吸收車輛跳動產(chǎn)生的能量，配合光伏板箱體之間的減震隔板，可有效防止光伏板之間發(fā)生磕碰，避免光伏板的損耗。

2.2 轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料的承載平臺結(jié)構(gòu)

由于光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車裝載質(zhì)量的限制，每次轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料的數(shù)量為一捆，長度為8 m。但是整車長度不足8 m，故在轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料時需要超出承載平臺長度。在設(shè)計承載平臺時應(yīng)保證架設(shè)材料不發(fā)生滑動或滾動。同時應(yīng)設(shè)計保護(hù)機(jī)構(gòu)，防止車輛上、下坡時材料掉落。此外，架設(shè)材料質(zhì)量較重，故在轉(zhuǎn)運(yùn)時應(yīng)盡量靠近整車質(zhì)量中心，加裝側(cè)向防滑板塊，防止轉(zhuǎn)運(yùn)途中車輛失衡。轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料時的簡易模型如圖2所示。

如圖4所示，圖上所圈之處增加了后板固定模塊（常規(guī)情況下收縮至承載平臺底部），在轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料時，尾板可拆卸，并伸出后板固定模塊。在裝載架設(shè)材料時，先將對應(yīng)的基礎(chǔ)模塊安裝，再由自動裝卸裝置裝載，最后安裝轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的保護(hù)模塊。確保架設(shè)材料在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中固定承載，避免因?yàn)槁访娌黄蕉l(fā)生側(cè)滑，提高了整車抗傾覆能力。

由于光伏板和架設(shè)材料的轉(zhuǎn)運(yùn)要求不同，所用到的承載平臺模塊也有區(qū)別。故在轉(zhuǎn)運(yùn)完光伏材料之后，可將減震隔板從側(cè)板槽鋼中拔出，并伸出前固定板，在裝載完架設(shè)材料之后，伸出后固定側(cè)板，并使用輔助固定綁帶將架設(shè)材料固定，即可轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料。反之，若是轉(zhuǎn)運(yùn)完架設(shè)材料后，只需將前后側(cè)板收回，便可裝載光伏板及相關(guān)減震隔板。兩模塊切換操作簡便，工作可靠，省時省力，可大幅提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率。

3 工作原理

3.1 承載平臺主要參數(shù)如表1所示

3.2 主要結(jié)構(gòu)

光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車的承載平臺主要由承載底板、長側(cè)板、短側(cè)板、前后擋板、自動裝卸電動起吊機(jī)、減震隔板材料（用于轉(zhuǎn)運(yùn)光伏板）、固定支架（用于轉(zhuǎn)運(yùn)架設(shè)材料）及部分警示部件組成。

承載平臺與車架的連接方式采用一體化連接，與貨柜式商用車車廂與車架的連接有一定的共性，但又有別于常規(guī)的商用車，承載平臺的內(nèi)部模塊需要因轉(zhuǎn)運(yùn)的材料不同而運(yùn)用相對應(yīng)的模塊以保證轉(zhuǎn)運(yùn)途中光伏材料的完整性、運(yùn)輸環(huán)境的穩(wěn)定性以及運(yùn)輸過程中的安全性，并需要做到可運(yùn)輸不同材料。

3.3 主要特性

光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車及其承載平臺的設(shè)計符合GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值》的規(guī)定，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、輕量化等優(yōu)化設(shè)計，在滿足基本轉(zhuǎn)運(yùn)要求的同時提升轉(zhuǎn)運(yùn)效率。承載平臺可分為車廂總成、自動裝卸總成、轉(zhuǎn)運(yùn)輔助保障總成。

（1）車廂總成根據(jù)光伏材料的物理特性以及駕駛室布置進(jìn)行定制化設(shè)計，有別于常規(guī)貨物運(yùn)輸車廂。合理利用空間布局，保證轉(zhuǎn)運(yùn)過程的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

（2）自動裝卸總成主要由電動起吊機(jī)，滑動軌道等組成。

（3）轉(zhuǎn)運(yùn)輔助保障總成主要由各模塊固定板、安全警示部件以及液壓水平支腿組成。光伏材料需要裝卸時，液壓支腿張開使光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車水平，確保裝卸的平穩(wěn)。安全警示部件裝有相應(yīng)的提示燈以及蜂鳴裝置，確保作業(yè)安全。

4 分析與討論

4.1 光伏板承載平臺靜力學(xué)分析

本文基于ANSYS-Workbench對兩種承載平臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。對于光伏板承載平臺的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，將承載平臺的各邊板設(shè)置成結(jié)構(gòu)鋼材料，將隔板設(shè)置成緩沖板材料參數(shù)，導(dǎo)入簡易模型后，隱藏光伏板。采用正六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，架設(shè)材料模塊承載平臺同理。將承載平臺的底部添加固定約束。Z軸方向的載荷施加在如圖5所示的承載平臺底板上。同時考慮最大爬坡度的極限工況，設(shè)置Y軸方向的力，施加在三塊隔板上。其中，Z軸方向的載荷為24000N；Y軸方向的載荷為每個隔板8000N。在最大爬坡工況下的應(yīng)力云圖及總變形云圖如圖3-5所示。

由圖3的變形云圖可知，在最大爬坡度的極限工況下，隔板的最大變形在隔板頂部的中間位置，最大變形量為0.010308mm。在實(shí)際的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，其頂端位于光伏板箱體與隔板接觸面的中心位置，后續(xù)優(yōu)化思路便可以從隔板高度入手。承載平臺的底板強(qiáng)度足夠，但邊板由于受到隔板變形的影響，也相對發(fā)生一定變形，但考慮到邊板槽鋼（即插入隔板的凹槽）有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其變形可忽略不計。

圖4為光伏板承載平臺的等效彈性應(yīng)變，最大等效彈性應(yīng)變發(fā)生在隔板與承載平臺底板接觸處?？紤]到實(shí)際運(yùn)輸中存在跳動震動，以及隔板與承載平臺底板非強(qiáng)制性接觸，且隔板自身存在一定重量，在后續(xù)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，可以在承載平臺底板添加淺凹槽，當(dāng)隔板裝入承載平臺時，可通過插入凹槽加強(qiáng)隔板的固定關(guān)系，可以減少等效彈性形變。

圖5為光伏板承載平臺模塊在轉(zhuǎn)運(yùn)時的等效應(yīng)力。其最大等效應(yīng)力發(fā)生在隔板的最底側(cè)，吸收能量、減少碰撞力是隔板的固有屬性以及保證轉(zhuǎn)運(yùn)完整安全的基本要求，所以最大等效應(yīng)力是在隔板選材時必須考慮的因素。為保證極端環(huán)境下轉(zhuǎn)運(yùn)工況的正常運(yùn)行，隔板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也是在實(shí)際轉(zhuǎn)運(yùn)中必須要考慮的問題。

4.2 架設(shè)材料承載平臺靜力學(xué)分析

關(guān)于架設(shè)材料承載平臺模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，主要是前側(cè)板與后板固定模塊（圖6中省略了后板固定模塊，即收縮狀態(tài)）的強(qiáng)度。材料設(shè)置與邊板屬性一致，并與上文所述一樣，將架設(shè)材料隱藏，使用對應(yīng)的力代替。固定約束在承載平臺的最底側(cè)以及光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車行駛方向的邊板兩側(cè)，對于承載平臺，施加如圖中Z軸反方向的力25000N（即-25000N），同樣考慮最極端情況，對前側(cè)板施加Y軸方向的力25000N。求解結(jié)果如圖6所示（總變形：mm）。

云圖結(jié)果顯示最大變形處發(fā)生在前側(cè)板處，約為1.45mm，對此應(yīng)該加強(qiáng)前側(cè)板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在后板固定的設(shè)計也需要考慮同類問題，即便是收縮結(jié)構(gòu)也不能減少相應(yīng)的強(qiáng)度。架設(shè)材料其本身也是高強(qiáng)度材料，且長度較長，質(zhì)量較大，所以在裝載時需要保證固定模塊對其在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的約束。

架設(shè)材料承載平臺的等效彈性形變求解如圖7所示。其最大等效彈性形變發(fā)生在前側(cè)板的上下邊以及中間處，在后續(xù)的優(yōu)化中需要考慮在前側(cè)板添加相應(yīng)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，避免其等效彈性形變影響其總變形量。

架設(shè)材料承載平臺的等效應(yīng)力求解結(jié)果如圖8所示。其最大等效應(yīng)力與等效彈性形變發(fā)生的位置相似，且在前側(cè)板的兩側(cè)邊更為明顯。但是承載平臺的兩邊板可打開，故在收合時，兩邊板與前側(cè)板的固定部件需要提高強(qiáng)度，使轉(zhuǎn)運(yùn)過程中承載平臺各板的牢固，減少對前側(cè)板以及后板固定模塊的撞擊變形。在實(shí)際轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，完成了架設(shè)材料的裝載后，需要使用繩索配合該模塊中相應(yīng)的輔助固定板，防止架設(shè)材料在轉(zhuǎn)運(yùn)時發(fā)生滑動、跳動以及偏離整車質(zhì)心，既要保證轉(zhuǎn)運(yùn)的平穩(wěn)性與安全性，又要延長承載平臺各板材的使用壽命，避免不必要的維護(hù)開支，提高轉(zhuǎn)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

在光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車承載平臺的模塊化設(shè)計中，參考了某些特種作業(yè)車的承載車箱結(jié)構(gòu)以及工作原理，并根據(jù)光伏材料的相關(guān)特性，結(jié)合實(shí)際工況設(shè)計，建模，改進(jìn)優(yōu)化。通過建模與強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了光伏材料轉(zhuǎn)運(yùn)車承載平臺的結(jié)構(gòu)符合實(shí)際工程要求。同時模塊化及隔振設(shè)計可解決光伏板轉(zhuǎn)運(yùn)途中易碎問題，并實(shí)現(xiàn)承載平臺多功能的用途。此外，該承載平臺也適用于轉(zhuǎn)運(yùn)與光伏板具有相似特征的易碎材料，其架設(shè)材料轉(zhuǎn)運(yùn)承載平臺也可用于轉(zhuǎn)運(yùn)對貨物保護(hù)要求不高但長度尺寸較大的材料。

湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（No.2022X10555003）；衡陽市科技創(chuàng)新重大項(xiàng)目（202150013986）。

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