龍門充電樁設計與研究

王樹勛，方春陽，殷帥兵

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000）

0 引 言

近年來，憑借著清潔、環保和經濟的特點，電動汽車行業快速發展，各地的燃油公交車也逐步被電動公交車取代。作為電動汽車的專門充電設備，充電樁的市場需求量也在逐年增大[1-2]。與普通的小型汽車充電樁不同，由于電動公交車高度更高、蓄電量更大，因此需要采用專用的充電弓和充電樁對其進行充電。電動公交車充電樁是充電弓的安裝載體，目前常用的結構形式有“Γ”形充電樁和“T”形充電樁。

濟南東站公交站充電樁項目道路跨度大，由于充電地點下面為地下室，地基達不到要求的厚度，若采用傳統的“Γ”形充電樁可能導致地基破壞，因此項目要求采用龍門式結構的充電樁。充電樁骨架對整體的承重和抗彎性能起著關鍵作用，在充電樁設計時需要對其進行強度校核計算以確保結構承重安全。本文以濟南東站龍門充電樁骨架為研究對象，對其進行結構設計，采用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析和模態分析。

1 龍門充電樁模型建立

濟南東站龍門充電樁骨架如圖1所示，跨度為14.11 m。豎直部分分為下部骨架和上部骨架，豎直下部骨架采用4 mm厚的SPHC鈑金件和20 mm厚的法蘭板焊接組成，既能增大內部空間放置電氣設備，也能夠提高整體的強度。豎直上部骨架采用矩形管200 mm×100 mm×6 mm兩端焊接20 mm厚的法蘭板組成。水平骨架采用的是100 mm×50 mm×5 mm的矩形管中間夾層瓦楞板組成的類桁架結構，可以顯著提升水平部分的抗彎性能，減小變形量。水平部分共分為3段，長度分別為4225 mm、5005 mm、4225 mm。水平骨架分為3段進行對接更有利于運輸，并且現場安裝過程中可以進行細微的調整。水平段各部分間通過20 mm厚的法蘭板對接，并由M24的螺栓進行緊固。

龍門充電樁的總質量約為3.72 t（包含骨架和封裝），其中豎直下部分質量約為636 kg，豎直上部分質量約為404 kg，水平端部質量約為725 kg，水平中間部分質量約為710 kg，電氣元器件（包含電氣設備及電纜和銅排）質量約為300 kg，下壓弓質量為220 kg。

圖1 龍門充電樁骨架圖

2 龍門充電樁的靜力學分析

2.1 有限元模型的建立

基于Creo軟件建立龍門式充電樁的詳細骨架模型，將模型導入ANSYS Workbench軟件進行處理和網格劃分，建立龍門充電樁的有限元模型。網格劃分采用協調分片算法對有限元模型進行網格劃分，該算法采用自下而上的求解方法，網格劃分先從邊、再到面、再到體劃分，考慮結構所有的面及其邊界[3]。龍門充電樁骨架材料的物理特性如表1所示。

表1 龍門充電樁材料的特性參數

2.2 靜力學分析結果

基于ANSYS Workbench軟件，對龍門充電樁的有限元模型進行靜力學仿真分析[4-5]，得到龍門充電樁骨架的變形云圖如圖2所示，應力云圖如圖3所示。

如圖2 所示，龍門充電樁的最大變形為20 mm，發生在水平部分中間段，最大變形滿足GB 50017 -2003《鋼結構設計規范》規定的受彎構件變形容許值l/400=36 mm，結構變形量滿足規范要求。

如圖3所示，龍門充電樁最大應力為225 MPa，最大應力小于材料235 MPa的屈服應力。塑性材料安全系數一般可取1.2～2.5[6]，這里取安全系數為2.0，因此得到最大許用應力為235÷2=118 MPa，將應力云圖中最低值調為118 MPa，得到圖3中應力云圖，可以看出，只在個別處存在局部的應力集中，整體應力較小，滿足材料的強度要求。

圖2 龍門充電樁骨架的變形云圖

3 龍門充電樁的模態分析

模態分析（Modal Analysis）是分析物體在激勵狀態下的動力響應，是動力分析的一種。我們之所以關注模態，是因為每一個物體都有其固有的自然頻率，當外部激勵作用于物體且頻率接近自然頻率時將發生共振使物體受到破壞。比如建筑物在設計時為了抗震，就要避開地震的振動頻率，橋梁在設計時要考慮風力或者車輛行駛時的共振頻率。物體受到不同的激勵頻率，就會有不同的振動形式，叫做物體的不同模態。

圖3 龍門充電樁骨架的應力云圖

無阻尼模態分析是經典的特征值問題，動力學問題的運動方程為

式中：M為質量矩陣；K為剛度矩陣；x"為計算速度矢量；x為位移矢量。

龍門充電樁的豎直下部骨架固定在地基上，為固定約束，對龍門充電樁骨架進行模態分析。經過計算，得到龍門充電樁的前6階振型圖如圖4所示。

龍門充電樁前6階振型的固有頻率和其對應的最大變形量如表2所示。

從表2可以看出，龍門充電樁的固有頻率集中在低頻段，應避免充電樁在固有頻率附近的工況下工作。在前6階振型下對應的最大變形量較小，充電樁的安全系數較高。

4 樣機驗證

通過加工樣機，并且安裝調試后測量龍門充電弓水平部分中間段實際下垂量大約25 mm，與仿真分析得到的最大變形量20 mm 接近。通過在水平端部骨架和水平中間骨架對接法蘭板處的上排螺栓處增加預制的調整墊片（增加墊片厚度共4 mm），龍門充電樁水平部分下垂情況基本消失，最終安裝調試效果如圖5所示。

圖4 龍門充電樁模態振型圖

表2 龍門充電樁各階振型固有頻率和最大變形量

5 結 語

圖5 龍門充電樁實景圖

針對濟南東站道路跨度大、地基厚度小的問題，設計了龍門充電樁來避免由于充電樁自身產生彎矩引起的地基破壞。對龍門充電樁進行了靜力學分析，得到龍門充電樁的變形云圖和應力云圖，變形情況和應力均滿足安全要求；通過模態分析得到各階振型的固有頻率和最大變形量，固有頻率集中在低頻段，并且充電樁的抗震安全性較高。對樣機進行了安裝調試，實際變形量與仿真分析變形量接近，驗證了設計方案的可行性和設計方法的科學性，對龍門充電樁的設計和驗證具有一定的指導意義。采用墊片對龍門充電樁水平部分進行了調節，基本消除了水平部分的下垂量，達到了比較理想的效果。