一種通用變流器柜的強度分析和改進設計

何 峋

通用變流器柜是用于光伏發電的電力設備，里面裝有4個電抗器和4個發電模組，每個電抗器的質量約 250kg，4個共 1000kg，每個模組的重量為80kg，4個共320kg，都是并列布置，加上其他電氣元件和結構件，總質量將近1800kg。常規的布局是：電抗器重量比較重，將其固定在柜體的底部，發電模組比較輕，固定在上部，這樣整體柜子的重心可以穩定一點。這種結構雖有其利，但必有其弊。因為電抗器散熱比較大，熱流向上升，都傳遞給了上部的模組，模組本身也在發熱，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，往頂部的通風孔流出，這時的模組已吸收了更多的外界熱量后，不能快速發散熱量，影響功效和壽命，并且散熱慢，使得整個柜子溫升在加劇，不利于電器柜的運行。

本案例改進思路，翻新了柜體結構設計。為了散熱更良好，有意將4個電抗器安裝在柜體的上部，直接將熱量散發到柜子頂部，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，但是結構上變得頭重腳輕，重心顯得非常不穩定。新產品的特點是載荷大，跨度大，重心高，運輸穩定性也會有點困難（如圖1通用變流器柜設計雛形）。

設計和制造這個產品的過程需要解決的新問題是，跨度大、載荷大，如何使得柜體強度能承受更苛刻的挑戰，尤其是橫梁和立柱，因為電抗器質量大，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，讓運輸過程的重心穩定。

1 分析受力

本文重點闡述翻新設計中的強度解決方案和改進過程，運輸穩定性將會有其他措施解決，不在此贅述。

初始設計方案：材料選用截面為63mm規格的槽鋼，作為橫梁（如圖1所示，序2）；160mm規格的槽鋼作為側面梁（如圖1所示，序3）。從采購便利上考慮，都屬標準型材。

圖1 通用變流器柜設計雛形

裝配工藝為：160號槽鋼做的側梁先固定在立柱上，63號槽鋼做的橫梁和4個電抗器同時固定后，寬度尺寸為 1150mm，柜體立柱間內尺寸為1230mm，尺寸 1150＜1230，所以 4個電抗器可以用叉車一起推進入柜內，加載到側梁上，然后固定。

安裝后在力學結構上預計會產生以下效果。載荷示意如圖2所示。

圖2 載荷示意

1）63號槽鋼承受重力載荷和引起的彎矩。

2）側梁承受壓應力F1、F2，因為還有懸臂結構的存在，造成的彎矩M，這是很差的受力狀態。因為跨度大，轉接點多，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，因為重心高，立柱穩定性受彎矩危害很大。

進一步論證，經過仿真計算，很明顯，63號槽鋼無法承受如此大的載荷而嚴重彎曲。同時立柱和側梁受彎矩后，工作狀態相當差，造成潛在失效模式，立柱扭曲。其仿真分析結果如圖3所示。

圖3 仿真分析結果

按照此方案，在實物制造后，實際驗證中也確實發生了明顯的變形，這確實是不可靠的設計。

2 改進方案

為此改進設計方案，從3個薄弱點找出解決思路。

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，設計成封閉形，加大橫梁高度尺寸，增加慣性矩和抗彎性能，同時兼顧工藝性和美觀。覆鋁鋅板作為免處理板材，不需要額外的外協噴涂工序，節省了制造周期；它的鈑金加工工藝性比較好，外觀精致，與柜體風格協調統一；綜合計算材料成本和加工成本也比槽鋼低，尤其在批量生產中，數控鈑金設備加工的工藝優勢更明顯，質量也更穩定。而且，設計成U形折彎強度要明顯高于L形折彎，封閉形則更佳，但操作工藝會很有限制。圖4為橫梁3D設計圖。圖5為橫梁加強梁3D設計圖。

圖4 橫梁3D設計圖

圖5 橫梁加強梁3D設計圖

將上述2種梁組合裝配，其設計目的是，封閉后可增加截面穩定性和慣性矩。沒有直接設計成一體的形狀，是因為折彎工藝的操作性受到限制，所以采用合適的工藝，先分體折彎，再用鉚釘連接組合的方式。為了現場裝配更高效，有意在橫梁的 2端設計了輔助的掛鉤，這樣不僅增加了連接可靠性，而且裝配工藝變得輕松簡單。操作工只要把橫梁往側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行安裝。所以在設計過程不僅要解決產品的功能性問題，更要同時兼顧工藝性，一個小小的工藝改進，往往在生產和維護上會帶來很大的便利和經濟性。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號槽鋼取消，新橫梁直接與新的側梁對接，沒有懸臂結構，所以側梁上的彎矩為零，使橫梁兩端側面和側梁都直接承受拉應力和剪應力。連接螺釘強度為 4.8級，即使彎鉤的拉應力承載時效，螺釘強度經過載荷計算，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，這種源于國外開關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鋼板的抗彎強度，在垂直方向上它的強度和穩定性足以抗衡載荷的重力。而且適合后續的拉鉚工藝，壓鉚工藝操作，工序操作機動靈活，鈑金件外觀整潔平整，雙重折邊在高壓開關柜中已普及，是經過長期驗證的成功案例。

裝配工藝為：橫梁先固定在側梁上，因為新的橫梁長度已超過柜體立柱的內尺寸空間，所以電抗器逐一安裝在橫梁上，不再與橫梁整體進入柜內，經論證分析，這在裝配工藝上是簡單可行的。

3 方案可靠性驗證

為驗證新結構的可靠性，需要做梁的強度計算和分析。載荷示意如圖8所示。

圖8 載荷示意圖

轉化為單跨度簡支架力學模型圖。力學模型圖如圖9所示。

圖9 學模型圖

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

質量 1000kg，載荷約為 10000N，因為有 2根橫梁承擔載荷，所以單根載荷為q=5000N。

其中彈性模量E查閱機械手冊得出，彈性模量E=206GPa。

慣性矩I：因為其截面是非標幾何尺寸，機械設計手冊無法查閱，可用 3D軟件模擬其截面形狀，自動計算得出，設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

上述參數和結構是改進設計后的方案，將上述參數調入公式中，計算撓度 y，最大為 y=0.32mm,這個形變量在1400mm的跨度上，是個微小的彈性變形值，可忽略。再根據仿真軟件同步分析驗算，得到變形量為0.4mm，這與理論計算結果非常接近。仿真結果分析如圖11所示。

再來驗證該梁的屈服強度。

計算后在663mm處最大彎矩M=1066Nm。

計算后的截面受力為F=M/h=6346N。

截面應力為F/S=7.8MPa。

圖11 仿真結果分析

材料選用的是 Q235-A類鋼，許用應力大于實際屈服強度，因此，該結構符合設計意圖，能滿足實際使用要求。附改進設計方案后的實物結構，如圖12所示。

圖12 實物結構

4 模擬運輸時的動態沖擊分析

為進一步論證在動態條件下的柜體結構強度可靠性，模擬在公路上長途運輸，將柜體固定在CNAS認可實驗室的平臺上進行破壞性試驗。試驗標準按照GB/T 4857.23—2000（包裝運輸隨機振動試驗方法）執行。在垂直方向上振動3h，水平振動方向上振動3h，掃頻共振條件下振動3h，加速度和頻率一直在隨機變換。

其中掃頻振動的破壞性是最大的，設備初始運行階段在逐步變化各種頻率，以掃描到試驗樣品的共振頻率，隨后在合適的頻率進行共振。這也是放在最后做的原因。實驗室運輸振動應力曲線如圖13所示。

圖13 CNAS實驗室運輸振動應力曲線

試驗后，包裝結構完好無損，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，絕緣性能均沒有出現明顯的下降。結構件不松脫，機構各活動部分運轉一切正常。表明柜體結構可以承受劇烈顛簸的公路運輸條件而完好無損。

5 結論

在電氣柜結構設計中，所用的材料為90%以上薄板材料，考慮的是經濟性和良好的工藝性，而鈑金結構和材料的機械性能中，拉伸強度要強于抗壓強度，過大的壓應力會導致截面變形失效，或者不穩定。在結構設計空間受到限制時，不妨分析一下力系分布，轉換受力方式，改壓應力為拉應力，或將集中載荷改為均布載荷，或增加折彎邊數，或改截面形狀，都可以取得簡潔明快的結構，良好穩定的效果。而且充分、綜合地利用計算機有限元自動分析軟件，能提高產品可靠性，加速產品開發過程。

[1] 聞邦椿. 機械設計手冊[M]. 5版. 北京： 機械工業出版社, 2010.

[2] 李建基. 新型高中壓開關設備選型及新技術手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2010.

[3] 魏國柱. 高壓電氣設備安裝[M]. 北京： 中國電力出版社, 2000.

[4] GB/T 14548—93. 船用半導體變流器通用技術條件[S].

[5] GB/T 4857.23—2000. 包裝運輸隨機振動試驗方法[S].

[6] 儲能光伏混合通用型變流器[Z]. 北京四方繼自動化股份有限公司, 2010.