應變電測技術在聚光型光伏 &光熱一體機強度測試中的應用

任永臻,許志龍,陳茶花 (集美大學機械工程學院,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的驅動下,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。由于聚光器的力學計算建立在諸多假設之上,因此其準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測的問題,其強度也有待于現場實測結果的檢驗[1～3]。由于應變電測技術廣泛應用于機械、汽車、內燃機、橋梁、水壩、框架結構等的強度測試,既經濟又方便快捷。因此,筆者確定采用應變電測法對聚光器進行強度測試。

1 測試系統的建立

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

應變計與應變儀的連接采用半橋接法和公共溫度補償接線方法。初始設置應變儀與應變計的靈敏系數一致,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變值即是應變計感受到的測點對應方向的應變值[4,5],即:

式中,ε讀為從應變儀上讀取的應變值;ε真為待測點對應方向的真實應變值。

2 測點選擇

結合理論計算結果及實際傳動特點,測試選點位置如圖1所示,具體分布如下:左側立柱下部前、側、后分別選取A、B、C點,立柱中部左側選取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外側;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步進行。第1步測試聚光器自動運行時各點的應變變化情況,此時應變變化緩慢,主頻很小,接近于靜態測試;第2步測試聚光器自動運行過程中外加干擾時各點的應變變化情況,以模擬大風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,方位角與高度角驅動裝置同時啟動,蝶翼從水平位置開始,到達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°時調零。實測現場如圖2所示。

對測試數據進行回放,借助補充軟件,觀察各方向的應變變化情況,找到各測點各個方向應變比較大 (或比較小)的數據,然后導出,進行后續分析。

圖2 實測現場

4 數據處理及分析

實測采用三軸60°的電阻應變計,其主應力與各方向應變的關系如下:

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,計算時統一取E=210GPa,μ=0.26。根據式(2)可計算出各測點的主應力大小。

要對所測數據進行對比分析,必須將其轉化成等效應力。塑性材料在任意應力狀態下,都適用于第三強度理論 (即最大切應力理論)[6]。其等效應力公式為:

根據式 (2)、式 (3)計算出各測點的等效應力,對數據進行統計分析及篩選,剔除可疑數據,選取各點的最大等效應力進行分析,如表1及表2所示,鋼的許用應力一般取[σ]=160MPa。從表1及表2數據可以看出:①靜、動態測試得到的應力分布規律是一致的,而且等效應力都小于許用應力。最大等效應力在支撐橫梁的中部位置;其次在鏡架主梁的中部位置應力也較大,鏡架主梁與鏡架的連接件上應力較大,鏡架等強度梁的應力分布合理。②動態測試數據比靜態測試數據有不同程度的增大。③由于支撐立柱底部及支撐橫梁中部位置的動態數據比靜態數據大,因而設計聚光器時應充分考慮支撐立柱的穩定性,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定性。

表1 聚光器上部分點的最大(或最小)靜態測試應變及應力

表2 聚光器上部分點的最大(或最小)動態測試應變及應力

采用等效應力分布圖的方法,可以進一步了解同一構件上不同測點之間的等效應力分布情況,圖3所示為支撐橫梁及等強度梁上各點的等效應力分布圖。從圖3可以看出,各點的動態等效應力均大于靜態等效應力,而且同一構件上的靜動態等效應力分布規律是一致的。

5 結 語

應用應變電測技術,可以方便地測出聚光器運行時的實時靜、動態應變,進而得出聚光鋼結構在實際運行時各種工況下的應力應變分布規律。樣機已正常運轉一年多,其間經歷了大風等各種惡劣天氣的考驗,實際運行情況良好,從總體上看,鋼結構的強度符合要求。由于應變電測技術耗費小,儀器操作簡單,應力較大點的位置、應力分布狀況數據可信,因此,該技術可以指導聚光器的結構優化設計。

圖3 部分點的等效應力分布圖

[1]盧耀祖,常曉清,喻艷,等.應用虛擬樣機技術進行岸邊集裝箱起重機結構強度破壞原因分析 [J].機械強度,2009,31(1):73～77.

[2]朱英敏,藍軍,張殿昌,等.應力應變電測技術在內燃機測量中的應用 [J].儀表技術與傳感器,1997,(5):29～35.

[3]孫建軍 ,岳澄 ,石九州,等.天津解放橋恢復開啟工程應力監測 [J].實驗力學,2009,24(3):239～243.

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

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

[6]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2004.