一種控制柜柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

王金榮，潘 毅，孟廣松

(東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

風(fēng)機(jī)的控制是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中的核心內(nèi)容之一，風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部、輪轂內(nèi)部和塔筒底部都安裝有控制柜，以保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文闡述了一種安裝在塔筒底部的控制柜，根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及計算分析結(jié)果，對該控制柜進(jìn)行了小批量試制。作為風(fēng)電機(jī)組的通用設(shè)備，在進(jìn)行柜體設(shè)計時，首先要考慮柜體生產(chǎn)制造的通用性，同時要考慮柜體內(nèi)電器元件的布置及電源線進(jìn)線方式。由于整個柜體位于塔筒底部的密閉環(huán)境內(nèi)，需要考慮柜體的防護(hù)等級和通風(fēng)散熱條件。在柜體生產(chǎn)和安裝過程中，要考慮柜體轉(zhuǎn)運(yùn)和設(shè)備安裝在工程使用上的便捷性。

本文結(jié)合柜體的試制經(jīng)驗(yàn)，對上述幾個方面的設(shè)計分別進(jìn)行了說明，并給出優(yōu)化方案，為后續(xù)批量生產(chǎn)提出解決方案。

1 控制柜樣柜的整體設(shè)計

出于柜體制造的通用性考慮，柜體采用常見的ES(五折)結(jié)構(gòu)設(shè)計。門板、雙側(cè)板及后背板采用2 mm厚優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板折壓噴漆而成，柜體頂部為整塊冷軋鋼板。設(shè)備安裝后主要靠柜體底部承重，在柜體底部設(shè)計整體框型底座。為方便電器元件安裝，在柜體內(nèi)側(cè)底部2根橫梁上設(shè)計安裝支架，安裝支架通過螺栓把合在橫梁上，方便電器元件安裝位置的調(diào)整。為防止安裝支架兩端壓力過于集中，在橫梁兩端各加裝一塊小鋼塊，增加橫梁與柜體接觸面積，分散壓力。根據(jù)器件進(jìn)線方位，在柜體側(cè)面深度方向設(shè)計安裝橫梁，用于安裝輔助器件、進(jìn)線端子等，同時為保證柜內(nèi)走線美觀，將柜體進(jìn)出線綁扎于橫梁上，防止電器元件長期工作散熱影響柜體側(cè)邊橫梁上電器件使用壽命，電器元件應(yīng)盡可能靠近進(jìn)線口橫梁對側(cè)安裝。

2 樣柜柜體的散熱設(shè)計

控制柜不安裝風(fēng)扇，采用空氣自然冷卻散熱[1]。在柜體內(nèi)，電器元件為主要發(fā)熱部件，所以在柜體設(shè)計時要充分考慮電器元件的散熱。首先在柜體設(shè)計時要保證電器元件的散熱空間，根據(jù)電器元件的外形尺寸，柜體距主要發(fā)熱電器元件外形尺寸至少預(yù)留100 mm，保證電器元件發(fā)出的熱量能及時擴(kuò)散出去。同時柜體采用鏤空設(shè)計，柜體門板、左右側(cè)板及后背板均開通氣孔，保證電器元件發(fā)出的熱量可以通過通氣孔將熱量排出去。根據(jù)要求柜體防護(hù)等級[2]為IP21，所以通氣孔直徑一般設(shè)計為6 mm。

3 樣柜柜體進(jìn)線設(shè)計

考慮進(jìn)線的方便性，控制柜采用底部進(jìn)線方式。可在框形底座左右兩側(cè)的槽鋼上開長方形的進(jìn)線口。在柜體底板設(shè)計推拉式活動底板，可以左右活動，引線從進(jìn)線口穿入后通過推拉式活動底板進(jìn)入柜體內(nèi)部[3]，接在接線端子上。在活動底板和固定底板合縫處邊緣粘貼泡棉，引線穿入后將活動底板拉上。泡棉有很大的壓縮量，既能方便進(jìn)線，還能起到密封作用，防止灰塵進(jìn)入柜內(nèi)。引接線引入控制柜后，用扎帶綁于柜體側(cè)梁上，使引線與電器元件之間保持一定的距離，防止電器元件散發(fā)的熱量引起引接線表面絕緣的快速老化。

4 樣柜柜體底座設(shè)計及優(yōu)化

控制柜樣柜底部設(shè)有框型底座，高度100 mm，兩側(cè)開有長方形的進(jìn)線孔，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，底座選用10#槽鋼焊接而成，用于支撐整個設(shè)備的重量。樣柜底座設(shè)計證明槽鋼框型底座滿足設(shè)計需要，但成本偏高。

為降低后期控制柜底座批量生產(chǎn)成本，同時滿足使用性能要求，本文對柜體底座進(jìn)行了優(yōu)化，并用仿真分析軟件SolidWorks Simulation對2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm鋼板焊接的框形底座進(jìn)建模和仿真[4]，并與槽鋼焊接底座進(jìn)行對比，底座模型如圖1所示。

圖1 底座示意圖

控制柜中電器元件重量按500 kg考慮，柜體自身重量約150 kg左右，考慮一定的余量，設(shè)置底座受到向下壓力為7 600 N，根據(jù)軟件分析結(jié)果，底板的應(yīng)力、位移和應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表1 底座應(yīng)力、位移和應(yīng)變

從表1中數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)鋼板厚度2 mm時，底座的最大應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度值，會引起底座的塑性變形；采用3mm厚鋼板時，底座最大應(yīng)力和鋼板屈服強(qiáng)度數(shù)量級相同，底座承力余量較小，電器元件安裝梁與底座結(jié)合處受力變形量超過1 mm；當(dāng)材料厚度大于等于4 mm時，最大應(yīng)力數(shù)量級與槽鋼底座最大應(yīng)力數(shù)量級相同，底座的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度值，電器元件安裝梁與底座結(jié)合處受力最大，且變形量均小于1 mm，變形量較小，隨著鋼板厚度增加，應(yīng)力減小幅度不明顯。從材料成本和性能要求考慮，采用4 mm厚鋼板經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最好。

5 樣柜的起吊及優(yōu)化

為了通風(fēng)散熱的需要，樣柜柜體采用鏤空設(shè)計，柜體門板、左右側(cè)板及后背板均開有通氣孔，柜體鏤空設(shè)計滿足了散熱的要求，但也降低了柜體強(qiáng)度。當(dāng)柜體內(nèi)的電器元件設(shè)備沒有安裝時，可以在柜體頂部安裝吊裝螺栓采用頂部起吊的方式，方便柜體的起吊轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)電器元件安裝后，采用頂部起吊時柜體頂部受力，柜體強(qiáng)度不足以支撐變控制柜體和柜體內(nèi)電器元件的重量，柜體存在變形風(fēng)險，因此考慮在框形底座上設(shè)計吊攀，采用底部起吊的方式，同時配合頂部吊環(huán)控制吊帶方向。

常規(guī)做法是：底座前后共設(shè)計4個吊攀，吊攀不能伸出柜體太短，也不能伸出太長。伸出太短在起吊時吊繩會勒到柜體引起柜體變形，伸出太長需要大的安裝空間，同時也妨礙操作人員工作。因此在底板上焊接吊攀安裝支座，通過螺栓將吊攀把合，這樣在起吊時將吊攀把上，吊裝完成后可以把吊攀拆下來，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 把合式吊攀

通過吊攀把合的方式雖然可以滿足工程使用要求，但是存在不足之處。首先吊攀把合在安裝支座上，起吊前后須手工拆卸螺栓，增加了現(xiàn)場安裝人員工作量；其次，由于風(fēng)電現(xiàn)場情況較為復(fù)雜，拆掉的吊攀和螺栓不方便保存，容易遺失。因此，本文總結(jié)了樣柜底座吊攀設(shè)計的不足之處，提出后續(xù)批量生產(chǎn)吊攀設(shè)計改進(jìn)方案。

在框形底座的鋼板上設(shè)計吊點(diǎn)的位置焊4塊厚鋼板增加底板吊點(diǎn)處的厚度，然后在小鋼板和底座中間開圓通孔，在通孔插入抽拉式圓鋼，圓鋼的兩端焊接圓擋片。起吊時將圓鋼抽出，吊帶掛在圓鋼外側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。在吊裝完畢可將圓鋼縮回框形底板內(nèi)，不占用安裝空間，這樣既解決了吊攀長度不足的問題，也解決了吊攀的拆卸和保存問題。

圖3 推拉式吊攀

6 結(jié)語

本文通過小批量樣柜試制，對柜體散熱、進(jìn)線方式和柜體起吊等結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行闡述，總結(jié)控制柜試制經(jīng)驗(yàn)，并對柜體底座和吊攀進(jìn)行優(yōu)化，并給出設(shè)計方案，為后續(xù)大批量生產(chǎn)作準(zhǔn)備。在進(jìn)行批量生產(chǎn)時，要注意以下幾個方面的內(nèi)容。

1)通用性要求。控制柜作為風(fēng)電機(jī)組的通用設(shè)備，柜體采用ES(五折)結(jié)構(gòu)。

2)柜體散熱設(shè)計。為滿足電器元件散熱及防護(hù)要求，柜體采用鏤空設(shè)計，柜體門板、左右側(cè)板及后背板開直徑6 mm的通氣孔。

3)柜體進(jìn)線設(shè)計。控制柜采用底部進(jìn)線方式，在框型底板左右兩側(cè)開長方形的進(jìn)線孔，并在進(jìn)線位置粘貼泡棉進(jìn)行防護(hù)。

4)柜體底座設(shè)計。從成本和滿足使用性能要求綜合考慮，根據(jù)仿真計算結(jié)果，柜體底板采用4 mm鋼板折壓焊接的方式。

5)控制柜的起吊。柜體頂部設(shè)計吊環(huán)，方便柜體的起吊轉(zhuǎn)運(yùn)，底板上采用優(yōu)化過的推拉式吊攀結(jié)構(gòu)，用于安裝元器件后控制柜的起吊，同時也解決了柜體安裝空間布局及吊攀存放問題。