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

電力工業是國民經濟的重要基礎，是國家發展戰略的重點和先行行業。隨著我國“雙碳”目標的提出，清潔能源的開發利用必將加快。電力機柜產品作為變電站建設必不可少的重要設備，其市場需求量也會出現快速的增長。

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。針對此項需求設計的門檻可拆卸式機柜能夠很好地滿足客戶需求，現需要對機柜改造方案的結構性能進行驗證。

機柜產品一般固定于預制艙內部，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仿真設計軟件，結合門檻可拆卸式機柜實際情況，對其結構強度進行了研究。

1 門檻可拆卸式機柜介紹

傳統的電力機柜如圖1所示，其已經過多年的工程應用，各個性能指標已經相當成熟。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計為安裝式門檻。此設計結構簡單，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、發電廠等現場實現快捷方便更換機柜。

圖2 門檻可拆卸式機柜

2 仿真計算

2.1 模型簡化和網格劃分

根據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構，得到如圖3所示的機柜簡化模型。根據機柜內部設備的不同，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

網格質量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。細化網格可以使計算結果更精確，但是會增加CPU計算時間、需要更大的存儲空間。因此，網格劃分時需要權衡計算成本和細化網格之間的矛盾。網格劃分結果如圖4所示。其共有1 059 829個有限元網格單元，有533 913個有限元節點。

圖4 網格劃分效果圖

2.2 有預應力的模態分析

模態分析是分析物體在激勵狀態下的動力響應，是其他動力學分析的基礎。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部位，并且施加簡化模型自重。對機柜進行有預應力的模態分析。經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，結構固有振型如圖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

在模態分析的基礎上，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的方式，因此仿真分析采用標準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酷水平Ⅱ進行。

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

圖6 機柜應力云

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 結語

本文對門檻可拆卸式機柜的結構特點進行了介紹，對機柜模型進行了簡化處理并對簡化模型進行了網格劃分。結合ANSYS Workbench仿真分析軟件，根據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分析和車載運輸工況的隨機振動分析。結果表明，門檻可拆卸式機柜在車載運輸工況下變形較小，最大應力遠小于材料的屈服應力，不會發生屈服破壞。分析結果表明，將機柜改造為門檻可拆卸式結構的方案是可行的，為門檻可拆卸式機柜的設計和驗證提供了理論依據。