電力二次設(shè)備用機(jī)柜框架的設(shè)計(jì)分析

1、電力二次設(shè)備用機(jī)柜框架的設(shè)計(jì)朱云霄，黃平，郭勝軍(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)摘要：本文介紹了電力二次設(shè)備機(jī)柜框架的開(kāi)發(fā)過(guò)程、框架結(jié)構(gòu)方案的選用及 型鋼截面和角接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并按 GB/T 19290.2-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 25mm 模數(shù) 的三維網(wǎng)格對(duì)機(jī)柜框架的外形尺寸和安裝尺寸進(jìn)行協(xié)調(diào)，最后應(yīng)用 Solidworks Simulation 軟件對(duì)機(jī)柜框架做了提吊和剛性實(shí)驗(yàn)的有限元分析，這就為設(shè)計(jì)提供 了理論支撐。關(guān)鍵詞： 機(jī)柜框架；型鋼；有限元分析Design of Cabinet Framework for secondary Equipments ofPower

2、SystemZhu Yunxiao,Huang ping,Guo Shengjun(XuJI Electric Co., Ltd. Xuchang Henan 461000)Abstract: This text introduces the developing process of Cabinet Framework for secondary Equipments of Power System, selection of the framework program and structural designs of section steel and fillet pieces; Co

3、ordinate the outer dimensions and installation dimensions of Cabinet frame according to 25mm modulus three-dimensional grid stipulated in GB/T 19290.2-2003 Norm; And finally makes finite element analysis of mention hanging and rigid experiment on cabinet frame with Solidworks Simulation software whi

4、ch provides theoretical support for design.Key words： Cabinet Framework ； section steel ； Finite Element Analysis1 引言機(jī)柜框架是整套機(jī)柜的機(jī)架， 為所有零部件提供支撐， 其性能直接影響機(jī)柜的整機(jī)性能， 其成本也是構(gòu)成機(jī)柜價(jià)格的重要因素。 因此可以說(shuō)框架開(kāi)發(fā)的成敗， 基本決定了一款機(jī)柜開(kāi) 發(fā)的成功與否。現(xiàn)就一款機(jī)柜框架的開(kāi)發(fā)做以介紹，希望能給同仁提供一些參考。2 設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)流程：產(chǎn)品調(diào)研T設(shè)計(jì)定位T外觀設(shè)計(jì)T結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)T有限元分析計(jì)算T樣機(jī)試制T 相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。3 設(shè)計(jì)過(guò)程3.1

5、調(diào)研分析3.1.1典型立柱型鋼的截面形狀及理論重量表1典型立柱型鋼的截面形狀及理論重量序號(hào)截面形狀材料截面積2 cm每米重量kg/m成型方法備注19$t1_ia_L冷軋帶鋼或冷軋板3.12.4冷彎或滾壓2冷軋板3.42.7冷彎或滾壓31冷軋帶鋼3.83.0滾壓4冷軋帶鋼3.12.4滾壓“ PS機(jī)柜型鋼1T15j r43.1.2機(jī)柜框架的組合方式機(jī)柜框架安組裝方式有以下三種：1. 全組合式：框架立柱、橫梁、縱梁全部采用組裝連接方式。此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于零部件 便于噴涂、轉(zhuǎn)運(yùn)、保管、占用場(chǎng)地面積小；缺點(diǎn)是組合部位剛性及強(qiáng)度不好保證。2. 焊接式：框架立柱、橫梁、縱梁全部采用焊接方式連接。此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在

6、于焊接部位剛性及強(qiáng)度便于保證；缺點(diǎn)是框架焊接后體積大， 對(duì)噴涂線的通過(guò)能力有要求，不便于轉(zhuǎn)運(yùn)、保管、占用場(chǎng)地面積大，生產(chǎn)受到一定條件限制。3. 焊接與組合混合式：目前此種結(jié)構(gòu)一般是側(cè)框采用組焊結(jié)構(gòu)，然后用螺釘把橫梁和側(cè)框連接成框架。此結(jié)構(gòu)因?yàn)閭?cè)框采用了焊接方式，框架前后方向剛性及強(qiáng)度得到了保證，對(duì)噴涂線通過(guò)能力的要求也較第二種大大降低，貯運(yùn)也很靈活方便。 但框架左右方向的剛性及強(qiáng)度因螺釘連接，得不到保證。整機(jī)容易出現(xiàn)門(mén)下墜現(xiàn)象。3.1.3同一框架使用型鋼的種類(lèi)不同廠家設(shè)計(jì)風(fēng)格不同，基本可以歸納為三種：1. 同一種型鋼組成：立柱、縱梁、橫梁截面形狀完全相同。2. 兩種型鋼組成：此結(jié)構(gòu)有兩種方式，

7、一種是立柱采用一種型鋼，縱梁及橫梁采用另 一種型鋼；另一種是立柱和縱梁采用同一型鋼，橫梁采用另一種型鋼。3. 三種型鋼組成：立柱、縱梁、橫梁截面形狀各異。3.2設(shè)計(jì)定位外觀及質(zhì)量保障一一造型美觀、大方、新穎；結(jié)構(gòu)要求適宜批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。性能指標(biāo)靜載荷：GB/T 18663.1中的SL6;動(dòng)載荷：GB/T 18663.1中的DL5,整體機(jī)柜達(dá)到IP54防護(hù)等級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)化一一符合 GB/T 7267-2003電力二次回路控制、保護(hù)屏及柜基本尺寸系列；IEC60297-3-100(48D_355e_CD)面板、插箱、機(jī)箱、機(jī)架和機(jī)柜的基本尺寸；GB/T 19290.2-2003發(fā)展中的電子設(shè)備構(gòu)體

8、機(jī)械結(jié)構(gòu)模數(shù)序列第二部分分規(guī)范25 mm設(shè)備構(gòu)體的設(shè)備接口協(xié)調(diào)尺寸；GB/T 18663.1-2002 電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)公制系列和英制系列的試驗(yàn)第一部分：機(jī)柜、機(jī)架、插箱和機(jī)箱的氣候、機(jī)械試驗(yàn)及安全要求等標(biāo)準(zhǔn)。3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1 外觀設(shè)計(jì)委托專(zhuān)業(yè)的工業(yè)造型設(shè)計(jì)單位對(duì)機(jī)柜整機(jī)進(jìn)行了工業(yè)造型設(shè)計(jì)，根據(jù)整機(jī)造型需要， 在框架立柱外側(cè)需設(shè)計(jì)一個(gè)30。的斜切角，與前后門(mén)斜切角呼應(yīng)，整體機(jī)柜成外八角造型。3.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1機(jī)柜框架的結(jié)構(gòu)型式：本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品定位是：造型美觀、大方、新穎；結(jié)構(gòu)要求 適宜批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。根據(jù)這一思想我們把框架的設(shè)計(jì)方案制定為：由滾壓型鋼做立柱的焊接式前后片的焊接與組

9、合混合結(jié)構(gòu)。首先：因全組焊結(jié)構(gòu)形式噴涂條件受限，現(xiàn)有焊接和組合式混合結(jié)構(gòu)左右方向剛性差，而機(jī)柜前、后門(mén)安裝后，此缺點(diǎn)集中表現(xiàn)為門(mén)下墜嚴(yán)重。經(jīng)認(rèn)真分析現(xiàn)有多家機(jī)柜結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，側(cè)片采用組合結(jié)構(gòu)，前后片采用焊接結(jié)構(gòu)可以比較理想的解決此問(wèn)題。原因是焊接式前后片，可以提高連接部位強(qiáng)度和剛性，從而可以有效控制前后門(mén)的下墜量。雖然焊接式前后片通過(guò)縱梁組合在一起時(shí)前后方向剛性較差，但一般成品機(jī)柜在前后方向都布置有 3-5根平行的安裝橫架板，用于安裝柜內(nèi)零部件，此安裝橫架板 可以有效補(bǔ)充前后方向的剛性。圖1機(jī)柜框架結(jié)構(gòu)示意圖2機(jī)柜框架模數(shù)序列孔的協(xié)調(diào)尺寸和格局：機(jī)柜框架的高度、深度、寬度尺寸和立柱、橫梁及安裝橫

10、架板上的安裝序列孔的協(xié)調(diào)尺寸均按GB/T 19290.2-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的25mm模數(shù)的三維網(wǎng)格布置。這就為零部件的制造和柜內(nèi)附件安裝提供了最佳條件。本次選用800mnX 600mnX 2200mm( W DX H柜型為基本柜型進(jìn)行設(shè)計(jì)。其格局如見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，安裝橫架板和立柱型鋼的序列孔在左右、前后、上下放下均落在了25mm網(wǎng)格線上，機(jī)柜的底座和框架的外型尺寸也均在網(wǎng)格線上，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。B-a圖2 三維網(wǎng)格布置示意圖3型鋼設(shè)計(jì)：由于滾壓型鋼剛性好、強(qiáng)度重量比高，制造精度及生產(chǎn)效率高，隨著近幾年來(lái)滾壓成型技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)成為機(jī)柜行業(yè)框架立柱用材的主流選擇。因本次機(jī)柜設(shè)計(jì)的定

11、位是高檔次、技術(shù)領(lǐng)先。所以對(duì)框架型鋼制定了采用滾壓成型工藝方案。為了更好的滿(mǎn)足GB/T 19290.2-2003 標(biāo)準(zhǔn)，把型鋼截面尺寸設(shè)計(jì)為50mnX 50mm為了增大機(jī)柜裝機(jī)容量，在型鋼內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有一個(gè)12.5m m的凹臺(tái)；為提高前后門(mén)及側(cè)板防護(hù)等級(jí)，在型鋼前面及側(cè)板安裝面各設(shè)計(jì)了一個(gè)18.5mm高門(mén)牙子，選用此高度的目的是保證前門(mén)外平面到框架前平面的距離為25mnfl寸，前門(mén)密封條有合理的壓縮量（前門(mén)門(mén)板厚2mm,20寬前門(mén)發(fā)泡密封 條高度為6.5mm, 25-2-6.5-18.5 = -2mm,即密封條的壓縮量為 2mm；同時(shí)為了便于防水及電 磁屏蔽（EMC防護(hù)設(shè)計(jì)，把型鋼前面門(mén)牙子設(shè)計(jì)成

12、19.5。的折彎形式；為便于柜內(nèi)零部件安裝，在型鋼內(nèi)測(cè)兩相互垂直面上，分別開(kāi)設(shè)有25mm間距的圓孔和12.5mm間距的圓孔和方孔交錯(cuò)的模數(shù)序列孔，孔中心均布置在25mm網(wǎng)格線上；為提高型鋼的力學(xué)性能，型鋼滾壓后的接頭采用了激光連續(xù)焊接工藝（目前為了避免焊接，大多采用包邊壓緊方式）；為了降低成本、提高外觀檔次，經(jīng)試驗(yàn)及理論計(jì)算，材料選用了1.2mm厚SPCC鋼帶（目前市場(chǎng)上滾壓封閉型鋼多為1.5mm,滾壓后外圓弧較大）；為提高零件通用性、減少型鋼生產(chǎn)線及設(shè)備 投入，框架立柱、橫梁、縱梁均采用一種型鋼，每根立柱上的鉸鏈安裝孔和鎖扣安裝孔開(kāi)孔方式一樣，孔距一樣，上下對(duì)稱(chēng)，這樣四根立柱為同一零件，橫梁

13、及縱梁也采用這一設(shè)計(jì)理念，所以整個(gè)框架只有 5種零件組成（立柱、橫梁、縱梁各1種，角接件左右對(duì)稱(chēng)為 2種如圖1）,提高了零件的通用率，便于生產(chǎn)管理及質(zhì)量控制。型鋼截面及安裝孔布局見(jiàn)圖3。1=3-口口口口口口口圖3 型鋼及截面示意圖2新設(shè)計(jì)型鋼經(jīng)計(jì)算截面積為：3.05 cm,每米重量為2.35KG/米，其截面積與重量均和表1中序4的“PS機(jī)柜型鋼相當(dāng)。4角接件設(shè)計(jì)：角接件作用是把立柱、橫梁、縱梁連接在一起，構(gòu)成整體框架。其強(qiáng)度 和剛性及結(jié)構(gòu)形式，直接影響框架的整體性能。我們本次框架設(shè)計(jì)采用的是焊接的前后片與 組合混合結(jié)構(gòu)，所以角接件的前后方向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)比左右和上下的要長(zhǎng)。為了減輕重量、降低成本及便

14、于安裝，在角接件上設(shè)計(jì)了較多的凹槽，在端部及棱角處設(shè)計(jì)了大倒角。為了排除頂部凹槽內(nèi)可能產(chǎn)生的積水，在側(cè)面設(shè)計(jì)有C6mm的排水孔。為提高其強(qiáng)度同時(shí)兼顧焊接性能，采用ZG35精密鑄造成型。見(jiàn)圖4。前后方向插入部分較長(zhǎng)排水孔左右方向插入部分最短上下方向插入部分較短凹槽設(shè)計(jì)圖4 連接角結(jié)構(gòu)示意圖4有限元分析為驗(yàn)證框架的強(qiáng)度及剛性，避免分析誤差，我們采用GB/T 18663.1-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，同時(shí)按SL6性能等級(jí)對(duì)新開(kāi)發(fā)機(jī)柜框架和目前使用較廣泛的“PS機(jī)柜框架(因其型鋼截面面積和每米重量均和新設(shè)計(jì)型鋼基本相當(dāng))進(jìn)行了提吊及剛性試驗(yàn)有限元分析。分析 時(shí)利用 Solidworks Simula

15、tion 軟件，網(wǎng)格單元大小均為8mm,框架大 小均 為 2125mm(H)*800mm(W)*600mm(D),約束及載荷的加載方式及大小均一致。為減少計(jì)算時(shí)間， 同時(shí)采用了對(duì)稱(chēng)關(guān)系分析，剛性試驗(yàn)中，也只計(jì)算了從側(cè)面方向加載的一種情況，分析情況見(jiàn)圖5及圖6及表2。4.1新設(shè)計(jì)框架與“ PS機(jī)柜框架提吊試驗(yàn)有限元模擬分析對(duì)比新框架提吊試驗(yàn)位移圖解 新框架提吊試驗(yàn)應(yīng)力圖解“PS，框架提吊試驗(yàn)位移圖解“PS框架提吊試驗(yàn)應(yīng)力圖解圖5提吊試驗(yàn)有限元分析位移及應(yīng)力圖解對(duì)比4.2新設(shè)計(jì)框架與“ PS機(jī)框架剛性試驗(yàn)有限元模擬分析對(duì)比新框架剛性試驗(yàn)位移圖解新框架剛性試驗(yàn)應(yīng)力圖解“PS，框架剛性試驗(yàn)位移圖解“P

16、S，框架提剛性試驗(yàn)應(yīng)力圖解圖6剛性試驗(yàn)有限元分析位移及應(yīng)力圖解對(duì)比表2分析結(jié)果匯總表SL6性能等級(jí)提吊試驗(yàn)剛性試驗(yàn)質(zhì)量分析對(duì)象最大靜態(tài)應(yīng)力(n/ 就)最大靜態(tài)位移(mm)最大靜態(tài)應(yīng)力(n/ 就)最大靜態(tài)位移(mm)KGPS機(jī)柜框架2.815E70.1276.220E818.86540.4新開(kāi)發(fā)機(jī)柜框架9.617 E60.0491.735E813.73542.7減小數(shù)量1.853E70.0754.485 E85.130-2.3從上表可以看出:1無(wú)論在提吊試驗(yàn)或剛性試驗(yàn)中，提吊試驗(yàn)中，最大靜態(tài)應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材的屈服應(yīng) 力2.8E8N/m2，而剛性試驗(yàn)中PS機(jī)柜框架局部應(yīng)力集中，以超過(guò)屈服應(yīng)力，新

17、開(kāi)發(fā)機(jī)柜框 架也和屈服應(yīng)力比較接近，因此應(yīng)重點(diǎn)考慮提高機(jī)柜框架的剛性。2新開(kāi)發(fā)框架的最大應(yīng)力和最大位移都得到了很大改善，而質(zhì)量只增加了2.3kg(5.7%)。5樣機(jī)試制經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)，框架型鋼截面設(shè)計(jì)適合滾壓成型加工，截面尺寸可以得到保證，質(zhì)量穩(wěn)定，1.2mm厚鋼板制做型鋼完全可以滿(mǎn)足本次設(shè)計(jì)需要，和分析結(jié)果相符。整機(jī)的外八角造型 美觀、大方、新穎，整機(jī)密封效果也完全達(dá)到了IP54防護(hù)等級(jí)要求。6結(jié)束語(yǔ)本案通過(guò)選用由滾壓型鋼做立柱的焊接式前后片的焊接與組合混合框架結(jié)構(gòu)方案，使機(jī)柜框架的生產(chǎn)工藝性得到了較大改善，立柱選用型鋼滾壓生產(chǎn)工藝，便于批量化生產(chǎn)和質(zhì)量控制。按GB/T 19290.2-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的25mm模數(shù)的三維網(wǎng)格對(duì)機(jī)柜框架的外形尺寸和安 裝尺寸進(jìn)行協(xié)調(diào)，使整個(gè)框架設(shè)計(jì)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，便于柜內(nèi)附件安裝和布局。通過(guò)和“PS機(jī)柜進(jìn)行有限元對(duì)比分析及樣機(jī)試驗(yàn)，整機(jī)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。有限元分析法可以直觀的顯示出各點(diǎn)的應(yīng)力大小及變形趨勢(shì)，是我們的新產(chǎn)品研發(fā)由經(jīng)驗(yàn)型向理論型轉(zhuǎn)變的有力工具。Solidworks Simulation 軟件還可