任永臻,許志龍,陳茶花 (集美大學(xué)機械工程學(xué)院,福建廈門361 021)

聚光型光伏 &光熱一體機 (簡稱聚光器)在高度角和方位角跟蹤機構(gòu)的驅(qū)動下,二維跟蹤太陽,使得太陽光線始終與聚光器的平面鏡保持一定角度,確保經(jīng)平面鏡反射的光線均勻地匯聚到太陽能電池片上。由于聚光器的力學(xué)計算建立在諸多假設(shè)之上,因此其準(zhǔn)確性有待于實驗的驗證,并且聚光器在實際運行中會遇到許多不可預(yù)測的問題,其強度也有待于現(xiàn)場實測結(jié)果的檢驗[1～3]。由于應(yīng)變電測技術(shù)廣泛應(yīng)用于機械、汽車、內(nèi)燃機、橋梁、水壩、框架結(jié)構(gòu)等的強度測試,既經(jīng)濟(jì)又方便快捷。因此,筆者確定采用應(yīng)變電測法對聚光器進(jìn)行強度測試。

1 測試系統(tǒng)的建立

應(yīng)變電測法的測試系統(tǒng)包括應(yīng)變計、應(yīng)變儀等。根據(jù)應(yīng)變計的選用原則[4],選用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的三軸60°的電阻應(yīng)變計 (BX120-3CC)。該應(yīng)變計的電阻值為119.9±0.3Ω,靈敏系數(shù)為2.08%±1%,柵長3mm,柵寬2mm。應(yīng)變儀采用鞍山泰施科技開發(fā)有限公司研制的DY-8-16型高級動態(tài)信號采集分析系統(tǒng),主要包括高級數(shù)采系統(tǒng)及DASYLAB軟件等,采集器將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換,并通過以太網(wǎng)/USB(universal serial bus)接口把采集來的電壓數(shù)據(jù)直接上傳給軟件處理,以完成對采集來的物理量信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換、分析處理及存盤等。

應(yīng)變計與應(yīng)變儀的連接采用半橋接法和公共溫度補償接線方法。初始設(shè)置應(yīng)變儀與應(yīng)變計的靈敏系數(shù)一致,屏蔽線長度小于10m,電阻可以忽略不計,所以實際采集到的應(yīng)變值即是應(yīng)變計感受到的測點對應(yīng)方向的應(yīng)變值[4,5],即:

式中,ε讀為從應(yīng)變儀上讀取的應(yīng)變值;ε真為待測點對應(yīng)方向的真實應(yīng)變值。

2 測點選擇

結(jié)合理論計算結(jié)果及實際傳動特點,測試選點位置如圖1所示,具體分布如下:左側(cè)立柱下部前、側(cè)、后分別選取A、B、C點,立柱中部左側(cè)選取D點;支撐橫梁由左至右分別選取E、F、G、H、I、J、K、L、M點,其中,F和G、I和J、L和M分別為同一橫截面的上、前方取的點;鏡架主梁下側(cè)取N、O、P、Q、R點,其中P點位于中間,O和N、Q和R分別位于橫梁與鏡架主梁的連接點內(nèi)外側(cè);鏡架主梁與鏡架的連接件上取S、T點;鏡架等強度梁上取W、X、Y點,電池板支撐架的中部位置取U、V點。

圖1 聚光型光伏&光熱一體機選點位置圖

3 測試過程

聚光器強度測試分2步進(jìn)行。第1步測試聚光器自動運行時各點的應(yīng)變變化情況,此時應(yīng)變變化緩慢,主頻很小,接近于靜態(tài)測試;第2步測試聚光器自動運行過程中外加干擾時各點的應(yīng)變變化情況,以模擬大風(fēng)等天氣對聚光器的影響。每次測試均以聚光器的蝶翼處于水平位置時為0°起點,方位角與高度角驅(qū)動裝置同時啟動,蝶翼從水平位置開始,到達(dá)最大方位角與高度角的位置后再回到水平位置,然后再反向運行至最大方位角與高度角的位置,最后再回到水平位置,從而完成1次測試過程。如果以水平位置為0°,最大方位角與高度角的位置為90°(或-90°),那么一次測試過程可以描述為 :0°-90°-0°-90°-0°, 蝶翼處于初始 0°時調(diào)零。實測現(xiàn)場如圖2所示。

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回放,借助補充軟件,觀察各方向的應(yīng)變變化情況,找到各測點各個方向應(yīng)變比較大 (或比較小)的數(shù)據(jù),然后導(dǎo)出,進(jìn)行后續(xù)分析。

圖2 實測現(xiàn)場

4 數(shù)據(jù)處理及分析

實測采用三軸60°的電阻應(yīng)變計,其主應(yīng)力與各方向應(yīng)變的關(guān)系如下:

聚光器的立柱、支撐橫梁及鏡架主梁等均采用45#鋼管,其他連接件均采用6.3熱軋等邊角鋼,碳鋼的彈性模量為196～216GPa,泊松比為0.24～0.28,計算時統(tǒng)一取E=210GPa,μ=0.26。根據(jù)式(2)可計算出各測點的主應(yīng)力大小。

要對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,必須將其轉(zhuǎn)化成等效應(yīng)力。塑性材料在任意應(yīng)力狀態(tài)下,都適用于第三強度理論 (即最大切應(yīng)力理論)[6]。其等效應(yīng)力公式為:

根據(jù)式 (2)、式 (3)計算出各測點的等效應(yīng)力,對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析及篩選,剔除可疑數(shù)據(jù),選取各點的最大等效應(yīng)力進(jìn)行分析,如表1及表2所示,鋼的許用應(yīng)力一般取[σ]=160MPa。從表1及表2數(shù)據(jù)可以看出:①靜、動態(tài)測試得到的應(yīng)力分布規(guī)律是一致的,而且等效應(yīng)力都小于許用應(yīng)力。最大等效應(yīng)力在支撐橫梁的中部位置;其次在鏡架主梁的中部位置應(yīng)力也較大,鏡架主梁與鏡架的連接件上應(yīng)力較大,鏡架等強度梁的應(yīng)力分布合理。②動態(tài)測試數(shù)據(jù)比靜態(tài)測試數(shù)據(jù)有不同程度的增大。③由于支撐立柱底部及支撐橫梁中部位置的動態(tài)數(shù)據(jù)比靜態(tài)數(shù)據(jù)大,因而設(shè)計聚光器時應(yīng)充分考慮支撐立柱的穩(wěn)定性,可以將支撐立柱改用三角架的形式,支撐橫梁的受力點盡量往兩端靠攏,從而增加聚光器的穩(wěn)定性。

表1 聚光器上部分點的最大(或最小)靜態(tài)測試應(yīng)變及應(yīng)力

表2 聚光器上部分點的最大(或最小)動態(tài)測試應(yīng)變及應(yīng)力

采用等效應(yīng)力分布圖的方法,可以進(jìn)一步了解同一構(gòu)件上不同測點之間的等效應(yīng)力分布情況,圖3所示為支撐橫梁及等強度梁上各點的等效應(yīng)力分布圖。從圖3可以看出,各點的動態(tài)等效應(yīng)力均大于靜態(tài)等效應(yīng)力,而且同一構(gòu)件上的靜動態(tài)等效應(yīng)力分布規(guī)律是一致的。

5 結(jié) 語

應(yīng)用應(yīng)變電測技術(shù),可以方便地測出聚光器運行時的實時靜、動態(tài)應(yīng)變,進(jìn)而得出聚光鋼結(jié)構(gòu)在實際運行時各種工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。樣機已正常運轉(zhuǎn)一年多,其間經(jīng)歷了大風(fēng)等各種惡劣天氣的考驗,實際運行情況良好,從總體上看,鋼結(jié)構(gòu)的強度符合要求。由于應(yīng)變電測技術(shù)耗費小,儀器操作簡單,應(yīng)力較大點的位置、應(yīng)力分布狀況數(shù)據(jù)可信,因此,該技術(shù)可以指導(dǎo)聚光器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

圖3 部分點的等效應(yīng)力分布圖

[1]盧耀祖,常曉清,喻艷,等.應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行岸邊集裝箱起重機結(jié)構(gòu)強度破壞原因分析 [J].機械強度,2009,31(1):73～77.

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[4]計欣華,鄧宗白,魯 陽.工程實驗力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[5]劉鴻文,呂榮坤.材料力學(xué)實驗 [M].北京:高等教育出版社,2006.

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