關(guān)于高低壓變電集裝箱箱體結(jié)構(gòu)研究

劉生江

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關(guān)于高低壓變電集裝箱箱體結(jié)構(gòu)研究

劉生江

（神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦，陜西榆林 719300）

主要介紹了變電站與標(biāo)準(zhǔn)20′GP海運(yùn)集裝箱集成后的一種新式的集裝箱結(jié)構(gòu)。對(duì)箱體的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，并對(duì)箱體側(cè)墻中部的框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過(guò)有限元軟件，對(duì)側(cè)墻中涉及到的桿系進(jìn)行了強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的分析研究。這種箱體是對(duì)目前市面上存在的變電站的一種升級(jí)，把過(guò)去不便于移動(dòng)的變電站與集裝箱集成后，不僅有變電站的所有功能，同時(shí)也具備了集裝箱便于運(yùn)輸?shù)男阅芴攸c(diǎn)。

變電站；集裝箱；有限元分析；ANSYS分析

21世紀(jì)，作為一個(gè)用電的時(shí)代，變電站已經(jīng)成為我們生活以及工業(yè)中必不可少的電氣設(shè)備。就目前而言，市面上的變電站基本是以固定式的箱式房為主，其在起吊、移動(dòng)和運(yùn)輸上都有很大的不便。然而，集裝箱作為一種成熟的物流設(shè)備，不僅在運(yùn)輸上具有很好的便捷性，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的箱體也具有一定的強(qiáng)度和剛度，可以有效地保護(hù)變電站中的弱電系統(tǒng)，也能將各個(gè)電氣設(shè)備可靠地集成在一起。

1 設(shè)計(jì)思路

本文研究的高低壓變電集裝箱與傳統(tǒng)的配電室不同。對(duì)不同的配電設(shè)備，做不同的設(shè)計(jì)。低壓室需要良好的密封性，對(duì)室內(nèi)粉塵要求較高，高壓室需要一定的通風(fēng)、避雨，而變壓器則對(duì)通風(fēng)更為注重。因此，對(duì)于不同的箱室，需要進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

本文研究的箱體，根據(jù)設(shè)備的需求，高、低壓室采用集裝箱化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四周及頂部采用集裝箱波紋板的形式，這樣既能保證箱體的密封性，同時(shí)使箱體也有一定的支撐強(qiáng)度。變壓器室采用開(kāi)放式的框架式結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)有頂板，防止太陽(yáng)直射造成的變壓器溫度過(guò)高，四周框架式結(jié)構(gòu)方便通風(fēng)，可以給變壓器提供良好的散熱空間。

本文研究的箱體也需要滿(mǎn)足集裝箱的標(biāo)準(zhǔn)，在外形尺寸上，根據(jù)集裝箱ISO 1496-1來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣也極大地方便了產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)和運(yùn)輸。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中研究的集裝箱箱體設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分，分別為兩端的低壓室、高壓室和中部的變壓器室。本框架式箱體外部尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的20′GP箱，長(zhǎng)、寬、高分別為6 058 mm、2 438 mm、2 591 mm，箱體質(zhì)量按照標(biāo)準(zhǔn)的30 480 kg來(lái)設(shè)計(jì)。其中，高、低壓部分頂板采用2 mm厚的壓型頂板，側(cè)板為2 mm的羅拉波紋板，門(mén)扇采用集裝箱門(mén)扇結(jié)構(gòu)，門(mén)扇上設(shè)有通風(fēng)百葉，滿(mǎn)足電器元件的要求。同時(shí)，低壓室側(cè)部開(kāi)設(shè)有一個(gè)設(shè)備進(jìn)出口，其結(jié)構(gòu)也采用集裝箱門(mén)端式結(jié)構(gòu)。變壓器室采用框架式結(jié)構(gòu)，側(cè)部方管采用60 mm×60 mm×3 mm的矩形管，在框架梁焊接處設(shè)有焊接搭接板，厚度8 mm，增加焊接面積，避免因應(yīng)力集中，引起焊縫開(kāi)裂，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1—低壓室；2—變壓器室；3—高壓室。

3 仿真分析

由于箱體作為一種設(shè)備箱，其在使用時(shí)有兩種狀態(tài)：①使用時(shí)，內(nèi)部裝有設(shè)備時(shí)是靜載狀態(tài)，維修人員在上面行走時(shí)使地架變形。②箱體由于外形尺寸與標(biāo)準(zhǔn)20′GP集裝箱相同。因此在運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)有起吊、堆碼等狀態(tài)。

本文分別對(duì)這兩種使用狀態(tài)時(shí)的集裝箱做了相應(yīng)的有限元分析，保證箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足正常的使用要求，同時(shí)也能滿(mǎn)足變壓器集裝箱的海運(yùn)要求。

箱體額定載荷為30 t，分析箱體靜載時(shí)的底架變形，由于箱體門(mén)扇為集裝箱門(mén)扇，其在靜載開(kāi)啟時(shí)不傳遞力。因此，建模時(shí)可將其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。為模型添加材料，箱體角件為鑄鋼材料，其余均為“CORTEN A”（許用應(yīng)力為345 MPa）。根據(jù)使用要求，為模型添加載荷，為30 t豎直向下。為模型添加邊界條件，根據(jù)不同的使用條件進(jìn)行添加。

3.1 靜載狀態(tài)中

靜載時(shí)，固定模型的4個(gè)底角件。運(yùn)行后，得到箱體變形圖，變形情況如圖2所示。

圖2 靜載時(shí)箱體變形圖

從圖2中可以看到，靜載時(shí)箱體底架最大變形為8.3 mm，沒(méi)有超出箱體的底角件，因此滿(mǎn)足了使用要求。模擬維修人員在箱體底架上行走的狀態(tài)，同樣需要固定集裝箱底角件，運(yùn)行后得到受力變形圖，變形情況如圖3所示。

圖3 箱體底架加載時(shí)的受力變形圖

從圖3中可以看到，人員在箱體上行走時(shí)，箱體底架最大的變形僅為1.92 mm，底架具有足夠的剛性，人員在上面行走不會(huì)有大的起伏感。

3.2 運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)

運(yùn)輸狀態(tài)涉及到的模擬實(shí)驗(yàn)比較多，因起吊和堆碼狀態(tài)為集裝箱使用過(guò)程中兩個(gè)主要的狀態(tài)。因此，本文中僅對(duì)起吊和堆碼這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)做了模擬分析，其余實(shí)驗(yàn)暫不在本文中說(shuō)明。起吊時(shí)，考慮到加速度因素。因此，為集裝箱施加2倍的額定載荷。固定模型的4個(gè)頂角件，添加重力環(huán)境，運(yùn)行后得到受力變形圖，變形情況如圖4所示。

圖4 起吊狀態(tài)下的受力變形圖

從圖4中可以看到，箱體最大的變形量為12.48 mm，未超出箱體的底角件，滿(mǎn)足集裝箱在海運(yùn)時(shí)的變形要求。

模擬箱體的堆碼狀態(tài)，分別固定模型的4個(gè)底角件，分別對(duì)4個(gè)頂角件施加載荷，得到箱體角柱的變形圖，變形情況如圖5所示。

圖5 堆碼狀態(tài)下的受力變形圖

從圖5中可以看到，箱體角柱上，最大應(yīng)力為256 MPa，小于材料的最大許用應(yīng)力值345 MPa。因此，可以滿(mǎn)足正常的集裝箱堆碼要求。

4 結(jié)論

本文基于20′GP集裝箱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種配電設(shè)備與集裝箱組合的集成設(shè)備，不僅可以很好地滿(mǎn)足電氣設(shè)備對(duì)環(huán)境的要求。同時(shí)，也極大地提高了設(shè)備的運(yùn)輸便捷性。文中對(duì)提出的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元分析軟件，對(duì)各種不同的使用工況做了模擬分析研究，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。本文的設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以更好地拓展集裝箱的使用范圍，對(duì)于全球的集裝箱化起到了積極的推動(dòng)作用。

［1］ 段方.《集裝箱標(biāo)準(zhǔn)匯編》［J］.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào)，2000（5）：42.

TM64

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.100

2095－6835（2018）22－0100－02

〔編輯：辛霞〕