徐輝，李煒

（1.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

0 引言

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)路技術(shù)的快速發(fā)展，基于智能控制的微電網(wǎng)電力控制技術(shù)的發(fā)展需求變得越來(lái)越迫切，而電力儲(chǔ)能技術(shù)是智能微電網(wǎng)技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)。電力儲(chǔ)能機(jī)柜作為電力儲(chǔ)能技術(shù)的核心，在智能微電網(wǎng)的建設(shè)中很關(guān)鍵，因?yàn)樵谙到y(tǒng)建設(shè)時(shí)，電力設(shè)施和裝備均通過(guò)電力儲(chǔ)能機(jī)柜進(jìn)行布置。電力儲(chǔ)能技術(shù)在智能微電網(wǎng)中的作用主要有3點(diǎn)：1）協(xié)調(diào)整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)荷水平，起到削峰填谷的作用；2）與無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備相結(jié)合，改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量；3）輔助可再生能源發(fā)電技術(shù)，獲得穩(wěn)定的電力輸出。特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)及孤立的海島等特殊地區(qū)，它們擁有獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)，不與整個(gè)電網(wǎng)連接，電力儲(chǔ)能設(shè)備是其正常使用的關(guān)鍵。

電力儲(chǔ)能設(shè)備一般是通過(guò)機(jī)柜來(lái)進(jìn)行安裝的，單臺(tái)儲(chǔ)能機(jī)柜的質(zhì)量為1.3 t左右。而電力儲(chǔ)能機(jī)柜的安裝地一般是在邊遠(yuǎn)地區(qū)或者海島地域，這些地域環(huán)境條件相對(duì)比較復(fù)雜，運(yùn)輸過(guò)程非常艱難。除此之外，還要考慮其使用地區(qū)的抗震等級(jí)（一般均要求抗震等級(jí)在7級(jí)烈度以上），避免出現(xiàn)因抗震等級(jí)不夠?qū)﹄娏?chǔ)能設(shè)備造成破壞。這就要求電力儲(chǔ)能機(jī)柜在提吊、運(yùn)輸、安裝、拆卸及抗震抗沖擊時(shí)，擁有足夠的靜載和動(dòng)載負(fù)荷下的承受能力，這將直接影響電力儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)品順利交付和隨后的安全使用。

1 現(xiàn)有機(jī)柜調(diào)研分析

當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)電力儲(chǔ)能機(jī)柜仍處于示范階段，尤其是專(zhuān)門(mén)針對(duì)重載、抗震型電力儲(chǔ)能機(jī)柜的開(kāi)發(fā)就更少了。通常情況下，一般選用電力行業(yè)中較為常用的機(jī)柜類(lèi)型：C形型材機(jī)柜、9折型材機(jī)柜和16折型材機(jī)柜等。但這幾類(lèi)儲(chǔ)能機(jī)柜的承載能力一般都不大于1 t，如果使用環(huán)境的抗震要求在8級(jí)烈度以上，那么這幾類(lèi)機(jī)柜的抗震能力就不夠[1]。表1所示是電力行業(yè)中常用的幾種機(jī)柜主型材的參數(shù)分析表，其中的15折型材為本文所采用的機(jī)柜主型材參數(shù)[2]。

表1 幾種機(jī)柜型材對(duì)比表

2 電力儲(chǔ)能機(jī)柜的固有特性分析

本文采用一種新研發(fā)的15折機(jī)柜立柱型材，部分折處為雙層結(jié)構(gòu)、兩邊拍平結(jié)構(gòu)和兩層折疊結(jié)構(gòu)。該立柱型材充分考慮了儲(chǔ)能機(jī)柜的承載要求、使用環(huán)境及運(yùn)輸條件，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足電力儲(chǔ)能設(shè)備要求的重載型機(jī)柜，其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、電氣安裝維修方便、使用范圍寬等特點(diǎn)。機(jī)柜尺寸為1200 mm×800 mm×2200 mm，機(jī)柜主立柱的截面形狀如圖1所示。

圖1 機(jī)柜主立柱型材截面形狀

側(cè)橫梁的主要作用是和4 根主立柱焊接在一起，從而形成儲(chǔ)能機(jī)柜的主框架，同時(shí)承受機(jī)柜起吊時(shí)的靜載荷。側(cè)橫梁采用如圖2所示的橫梁截面。

圖2 側(cè)橫梁截面示意圖

為使儲(chǔ)能機(jī)柜滿(mǎn)足實(shí)際的承載和抗震需要，機(jī)柜主框架采用全焊接的加工方式，將主立柱橫梁、側(cè)橫梁、前后豎支撐橫梁、前罩板等焊接成如圖3所示的機(jī)柜框架，然后在機(jī)柜框架上安裝支撐橫梁。機(jī)柜分為6層，每層排布2個(gè)儲(chǔ)能電池組單元，整個(gè)機(jī)柜共放置12個(gè)儲(chǔ)能電池組單元，每個(gè)儲(chǔ)能電池組單元的質(zhì)量在100 kg以上，整個(gè)機(jī)柜的承載質(zhì)量大于1.2 t。

以圖3所示的機(jī)柜為例，進(jìn)行機(jī)柜框架固有特性力學(xué)分析。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建機(jī)柜框架有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除多余的零部件，并調(diào)整機(jī)柜架中零件的尖角、倒角。通過(guò)對(duì)機(jī)柜框架的模態(tài)分析，研究整個(gè)機(jī)柜中儲(chǔ)能電池組單元的力學(xué)分布情況，為機(jī)柜框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)[3]。

圖3 機(jī)柜框架結(jié)構(gòu)模型

采用模態(tài)分析的方法來(lái)求證機(jī)柜框架的固有頻率，目的是在設(shè)計(jì)時(shí)將其作為約束條件，防止機(jī)柜在使用時(shí)發(fā)生共振。在設(shè)計(jì)階段將其作為設(shè)計(jì)輸入?yún)⒖?，?duì)機(jī)柜框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化和加強(qiáng)，避免機(jī)柜在使用過(guò)程中發(fā)生共振，避免對(duì)機(jī)柜設(shè)備造成破壞。

圖4所示為頻率比（ω/ωn）與振幅比（B/Bn）之間的關(guān)系。當(dāng)頻率比遠(yuǎn)小于1（即ω<<ωn）時(shí)，隨著阻尼比的增大，曲線趨于平緩，此時(shí)慣性力與阻尼力較小，動(dòng)載荷主要與彈性力平衡。當(dāng)頻率比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1（即ω>>ωn）時(shí)，此時(shí)振幅主要取決系統(tǒng)慣性，動(dòng)載荷主要與慣性力平衡。當(dāng)頻率比接近于1（即ω=ωn）時(shí)，振幅急劇增大，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)阻尼越大，振幅越大[4]。

圖4 頻率比與振幅比的關(guān)系

系統(tǒng)的固有頻率是固有特性，只與其剛度、質(zhì)量和阻尼有關(guān)，與外界的激勵(lì)無(wú)關(guān)。單自由度有阻尼系統(tǒng)的固有頻率計(jì)算公式[5]為

式中：m為系統(tǒng)的質(zhì)量；k為系統(tǒng)的剛度；c為系統(tǒng)的阻尼。

為使系統(tǒng)滿(mǎn)足以固有頻率為約束的優(yōu)化結(jié)果，可以通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的剛度、質(zhì)量和阻尼來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率。因此可以通過(guò)ANSYS軟件對(duì)機(jī)柜框架的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 電力儲(chǔ)能機(jī)柜的模態(tài)分析

3.1 建立有限元模型

為避免由于機(jī)柜框架有限元網(wǎng)格劃分過(guò)密，單元數(shù)量過(guò)多，從而造成計(jì)算分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或進(jìn)入死循環(huán)而中途死機(jī)，在進(jìn)行模態(tài)分析之前，需要建立合適的有限元簡(jiǎn)化模型。因此需要對(duì)電力儲(chǔ)能機(jī)柜的三維CAD模型進(jìn)行適度的簡(jiǎn)化，刪除機(jī)柜主立柱和橫梁上的減重孔，去除多余的零部件，對(duì)機(jī)柜中零件的尖角、倒角進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)柜框架的優(yōu)化，得到簡(jiǎn)化后的CAD模型，再通過(guò)有限元分析軟件ANSYS的無(wú)縫傳遞技術(shù)，將CAD模型導(dǎo)入到有限元軟件中。簡(jiǎn)化后的機(jī)柜模型和劃分的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 機(jī)柜框架有限元分析網(wǎng)格模型

3.2 機(jī)柜的模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。對(duì)機(jī)柜框架進(jìn)行模態(tài)分析，可提前避免機(jī)柜可能引起的共振，也有助于在其它動(dòng)力學(xué)分析中估算求解控制參數(shù)等。機(jī)柜的振動(dòng)特性決定了結(jié)構(gòu)對(duì)各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，進(jìn)行諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析等動(dòng)力學(xué)分析之前都要進(jìn)行模態(tài)分析[6]。機(jī)柜模型的頻率計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 模型頻率計(jì)算結(jié)果

在機(jī)柜框架網(wǎng)格模型的底部施加約束并求解，得到模型的固有頻率和振型，為進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析提供參考。經(jīng)過(guò)施加約束條件，對(duì)儲(chǔ)能機(jī)柜進(jìn)行帶約束的模態(tài)分析，在邊界條件設(shè)置完成后，對(duì)機(jī)柜模型進(jìn)行求解，前12階頻率及振型的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 前6階頻率及振型

地震的截止頻率為33 Hz，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，只有前3階模態(tài)小于地震截止頻率，第3階的模態(tài)頻率和地震截止頻率較為接近，在一定程度上容易發(fā)生共振。提取模態(tài)分析的前6階模態(tài)結(jié)果，機(jī)柜框架在不同模態(tài)下的形變?cè)茍D如圖7所示，變形量如圖8所示。

圖7 機(jī)柜前6階模態(tài)形變?cè)茍D

圖8 機(jī)柜框架變形量

結(jié)合變形量及形變?cè)茍D，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，模型的變形量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，第3、第4階模態(tài)下的變形量較大，因?yàn)檫@兩階的模態(tài)頻率和地震截止頻率較為接近，更容易產(chǎn)生共振。從第4階開(kāi)始模態(tài)頻率就高于地震的截止頻率，此后的計(jì)算結(jié)果參考意義不大。模型的前兩階模態(tài)為彎曲振型，其余模態(tài)為彎扭組合振型。

3.3 機(jī)柜框架水平及垂直方向隨機(jī)振動(dòng)分析

在進(jìn)行機(jī)柜模態(tài)分析后，將模態(tài)分析結(jié)果文件作為約束條件，施加在隨機(jī)振動(dòng)模擬中，分別設(shè)置水平加速度和垂直加速度為0.2g和0.1g。

經(jīng)過(guò)分析求解，得到機(jī)柜最大變形圖和等效應(yīng)力分布圖。在機(jī)柜等效應(yīng)力圖中，部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)由于分析中一些尖角和圓孔的存在，造成網(wǎng)格劃分中存在一定的網(wǎng)格畸變，分析結(jié)果有一定的偏差值，此部分可不計(jì)入分析結(jié)果，只需觀察等效應(yīng)力均勻分布的部位應(yīng)力值的大小，均勻分布的應(yīng)力值已標(biāo)示在結(jié)果中，如圖9、圖10所示。

圖9 機(jī)柜水平方向隨機(jī)振動(dòng)分析

圖10 機(jī)柜垂直方向隨機(jī)振動(dòng)分析

通過(guò)分析云圖可知，水平和垂直方向上的振動(dòng)變形量很小，均不超過(guò)1 mm，故此類(lèi)變形可忽略不計(jì)。從機(jī)柜框架水平方向振動(dòng)分析中可以看出，大部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和連接處的等效應(yīng)力都不超過(guò)100 MPa，圖中最大值處應(yīng)力值偏高，是由于框架上的圓孔圓角處網(wǎng)格畸變所造成的計(jì)算結(jié)果失真，可不予考慮。在垂直方向上，最大的等效應(yīng)力值為35.146 MPa。機(jī)柜選用的材料為Q235，材料的屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=375～500 MPa，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)值都高于模型分析的最大值，滿(mǎn)足水平和垂直方向振動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求。

參考GB/T 2424.25-2000和IEC 60060-2-57:1999中的規(guī)定，立柱彎曲、底座變形斷裂等為永久變形，根據(jù)分析結(jié)果加強(qiáng)電池柜后并未出現(xiàn)大的變形等情況；在上述標(biāo)準(zhǔn)中要求實(shí)驗(yàn)期間最大偏移量不應(yīng)超過(guò)50 mm，分析中機(jī)柜的最大變形遠(yuǎn)小于50 mm，完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 電力儲(chǔ)能機(jī)柜的試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成電力儲(chǔ)能機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化之后，按照優(yōu)化后的加工圖樣加工出機(jī)柜樣柜之后，進(jìn)行了振動(dòng)和抗震試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模態(tài)分析的結(jié)果。

4.1 振動(dòng)試驗(yàn)

在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，按照表3和表4數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)條件

表4 沖擊試驗(yàn)條件

機(jī)柜振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果：機(jī)柜樣品在整 個(gè) 振動(dòng)、沖擊過(guò)程中，內(nèi)部模擬的載荷和機(jī)柜實(shí)際安裝的載荷相同，機(jī)柜試驗(yàn)過(guò)程中，其X、Y、Z軸各個(gè)方向的受力情況分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 機(jī)柜在X軸向振動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖12 機(jī)柜在Y軸向振動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖13 機(jī)柜在Z軸向振動(dòng)試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)結(jié)論：機(jī)柜樣品在各個(gè)軸向試驗(yàn)結(jié)束后，均發(fā)現(xiàn)樣品柜門(mén)內(nèi)側(cè)的螺釘有脫落、松動(dòng)現(xiàn)象。樣品其他部位外觀、結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯變形、松動(dòng)及斷裂等異?，F(xiàn)象。樣品功能、性能也未出現(xiàn)較大的損傷和破壞。

4.2 抗震試驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)柜的抗震性能，參照YD 5083-2005電信設(shè)備抗地震性能檢測(cè)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，參照抗震等級(jí)為烈度7級(jí)?？沟卣鹦阅芸己酥校捎脝屋S正弦五拍波，每拍5周（如圖14）。

圖14 5周期的5個(gè)正弦共振拍波序列

固有頻率和反應(yīng)倍率如表5、表6所示，對(duì)設(shè)備進(jìn)行抗地震性能考核時(shí)，水平方向輸入波形加速度計(jì)算公式為

表5 水平方向固有頻率及反應(yīng)倍率

表6 垂直方向固有頻率及反應(yīng)倍率

式中：aH為水平方向輸入波形加速度；k1為設(shè)備重要度系數(shù)，該實(shí)驗(yàn)取1.0；k2為建筑物樓面加速度放大倍率，該實(shí)驗(yàn)取2；a1為地面加速度，按照7級(jí)烈度核算，正弦共振拍波水平取0.1，垂直取0.08。

試驗(yàn)結(jié)果：機(jī)柜外形結(jié)構(gòu)完整，主體結(jié)構(gòu)有輕微變形，機(jī)柜連接部分部位允許有損傷，但焊接部位完整，螺栓有脫出和脫落，總體符合YD 5083-2005抗震試驗(yàn)要求。

5 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)機(jī)柜框架進(jìn)行模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)柜在模態(tài)受力作用下，機(jī)柜主要發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)、彎曲變形，但變形量和扭轉(zhuǎn)量都處在允許的范圍內(nèi)。機(jī)柜的主要薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生在主立柱型材和橫梁的連接部位。因此可以在設(shè)計(jì)和加工時(shí)，對(duì)這些薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)予以改善。增加機(jī)柜的支撐梁，可以?xún)?yōu)化機(jī)柜框架的承載受力，改變系統(tǒng)的固有頻率。改變主立柱支撐梁的截面形狀，也可以改變系統(tǒng)的固有頻率。通過(guò)對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以查找出機(jī)柜框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，從而在設(shè)計(jì)階段予以規(guī)避或者改進(jìn)完善。通過(guò)機(jī)柜框架的模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變機(jī)柜框架質(zhì)量和剛度分布，可以改變固有頻率及振型，為機(jī)柜框架后期的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)環(huán)境試驗(yàn)的模擬提供可靠的數(shù)據(jù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況，加工出機(jī)柜框架的樣品，并對(duì)機(jī)柜框架樣品進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)柜框架僅出現(xiàn)了螺釘松動(dòng)和輕微變形的情況，均在標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍內(nèi)，機(jī)柜沒(méi)有傾倒、斷裂等破壞情況發(fā)生。