門檻可拆卸式機柜車載運輸工況的仿真分析

王樹勛 殷帥兵

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)，是國家發(fā)展戰(zhàn)略的重點和先行行業(yè)。隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，清潔能源的開發(fā)利用必將加快。電力機柜產(chǎn)品作為變電站建設(shè)必不可少的重要設(shè)備，其市場需求量也會出現(xiàn)快速的增長。

近年來越來越多的變電站項目后期需要進行二次改造，需要將機柜后門下門檻由焊接式優(yōu)化為可裝配式門檻，以方便后期改造時進行操作。針對此項需求設(shè)計的門檻可拆卸式機柜能夠很好地滿足客戶需求，現(xiàn)需要對機柜改造方案的結(jié)構(gòu)性能進行驗證。

機柜產(chǎn)品一般固定于預(yù)制艙內(nèi)部，其整個生命流程中的最惡劣工況是車載運輸工況，本文基于ANSYS Workbench仿真設(shè)計軟件，結(jié)合門檻可拆卸式機柜實際情況，對其結(jié)構(gòu)強度進行了研究。

1 門檻可拆卸式機柜介紹

傳統(tǒng)的電力機柜如圖1所示，其已經(jīng)過多年的工程應(yīng)用，各個性能指標(biāo)已經(jīng)相當(dāng)成熟。其進線方式是外部電纜從框架后下部進入，二次改造時需要先將框架割斷，原先外部電纜拆卸，同時新增外部電纜。更換新的單面機柜比較煩瑣，從底部抽拉也比較困難，耽誤較多工作時間。

圖1 傳統(tǒng)機柜

門檻可拆卸式柜體如圖2所示，將機柜后門檻由焊接框架設(shè)計為安裝式門檻。此設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，外形美觀、大方，且機柜更換簡便、快捷，效率得到提高。適用于二次改造更換機柜的變電站，可以在變電站、發(fā)電廠等現(xiàn)場實現(xiàn)快捷方便更換機柜。

圖2 門檻可拆卸式機柜

2 仿真計算

2.1 模型簡化和網(wǎng)格劃分

根據(jù)機柜實際工作情況及仿真分析的需求，對門檻可拆卸式機柜模型進行簡化處理，保留了機柜焊接骨架等承重結(jié)構(gòu)，得到如圖3所示的機柜簡化模型。根據(jù)機柜內(nèi)部設(shè)備的不同，機柜重量有所不同，但其極限重量不超過250kg。簡化后模型重37kg，簡化掉的部分重213kg。

圖3 機柜簡化模型

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。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。因此，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4所示。其共有1 059 829個有限元網(wǎng)格單元，有533 913個有限元節(jié)點。

圖4 網(wǎng)格劃分效果圖

2.2 有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析

模態(tài)分析是分析物體在激勵狀態(tài)下的動力響應(yīng)，是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。在機柜底部固定螺栓安裝孔處添加固定約束，將簡化掉部分的等效重量添加在其實際作用的相應(yīng)部位，并且施加簡化模型自重。對機柜進行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。經(jīng)過受力分析得到機柜前六階振型的固有頻率及振型如表1所示，結(jié)構(gòu)固有振型如圖5所示。

圖5 機柜振型圖

表1 機柜前六階固有頻率和振型

2.3 車載運輸工況仿真分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對門檻可拆卸式機柜進行車載運輸工況的分析。機柜大多采用的是公路運輸?shù)姆绞?，因此仿真分析采用?biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.23—2021《包裝運輸包裝件基本試驗第23部分：垂直隨機振動試驗方法》中鋼簧減振卡車中國部分公路運輸隨機振動功率譜密度曲線，并且采用其中的推薦嚴(yán)酷水平Ⅱ進行。

根據(jù)實際情況，機柜車載運輸工況下的振動主要發(fā)生在豎直方向上，因此對機柜的豎直方向施加上述激勵。經(jīng)過仿真分析得到其應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 機柜應(yīng)力云

圖7 機柜變形云

機柜采用的材料的屈服極限為195MPa，從圖6可以看出，機柜在車載運輸工況下的最大應(yīng)力為0.36MPa，遠小于195MPa的屈服強度，說明運輸工況下機柜不會發(fā)生屈服破壞。從圖7可以看出，機柜在車載運輸工況下沿X、Y和Z三個方向的最大變形量均小于0.1mm，變形量很小，滿足運輸工況要求。

3 結(jié)語

本文對門檻可拆卸式機柜的結(jié)構(gòu)特點進行了介紹，對機柜模型進行了簡化處理并對簡化模型進行了網(wǎng)格劃分。結(jié)合ANSYS Workbench仿真分析軟件，根據(jù)門檻可拆卸式機柜的實際工作情況，對簡化模型進行了模態(tài)分析和車載運輸工況的隨機振動分析。結(jié)果表明，門檻可拆卸式機柜在車載運輸工況下變形較小，最大應(yīng)力遠小于材料的屈服應(yīng)力，不會發(fā)生屈服破壞。分析結(jié)果表明，將機柜改造為門檻可拆卸式結(jié)構(gòu)的方案是可行的，為門檻可拆卸式機柜的設(shè)計和驗證提供了理論依據(jù)。