电气柜疲劳强度校核及结构优化

吴剑锋

摘要：伴随着科学技术的快速发展，各行各业都有了长足的进步。电气柜是一种运用极为广泛的结构部件，其在化工行业、环保行业、电力系统、冶金系统、工业、交通行业等等领域都有应用。其主要的制作材料是钢材质，经过相应的加工之后制作成可以保护元器件正常工作的柜子，它的制作材料通常的来说有两种，一种是热轧钢板，另一种是冷轧钢板，冷轧钢板相较于热轧钢板来说，质地比较的柔软，更加的适合运用在电气柜制作的材质上。对于一些型号的电气柜来说，进行振动耐久试验的时候，会有裂纹的出现，使用有效的方法对于电气柜进行随机的振动分析和强度校核，发现问题原因并进行结构的优化。对于电气柜的疲劳强度校核及结构优化，可以为电气柜部件的质量进步发展提供一些经验。

关键词：电气柜；疲劳强度校核；结构优化

电气柜在多种行业的广泛应用，使得对于其相应质量的要求不断提高，而随着技术水平的持续提升，电气柜的制作工艺也在不断的发展之中。在一些行业之中对于电气柜的结构稳定性有着较高的要求，在进行具体的应用之前必须要有振动耐久性的试验，如果出现了影响电气柜性能的结构变形与损伤的问题，就应该对于结构进行优化设计。运用适当的方法进行电气柜振动特性和结构疲劳强度的分析，并且对于减振器和其支座结构进行优化，最终完成电气柜疲劳强度校核及结构的优化任务^[1]。

1. 关于电气柜存在问题的概述

通过对于电气柜的结构分析来说，电气柜主要的承载部件结构是冷轧钢板，冷轧钢板彼此之间通过一定的焊接连接在一起，电子部件则通过螺栓被连接到承载结构上。电气柜在安装到支座上之前，还要有减振器的安装，组合安装之后安装到支座上，支座就能够通过螺栓安装到具体的结构之上了。最后是把封盖与门利用螺栓和轴承安装到承载结构之上。在进行振动耐久性试验的时候，电气柜出现的两个方面的问题是：第一，减振器安装孔附件结构出现疲劳断裂；第二，某些设备的振动量级非常的大，并且直接的影响到了设备的使用^[2]。

2. 对于电气柜疲劳强度校核的有限元分析方法

1. 关于有限元模型的建立

对于有限元模型来说，其相应的模型的简化、网格划分方式、边界条件等等都会有对于分析结果的准确性的影响。依据以往的进行仿真模拟的经验来说，对于电气柜之类的结构进行仿真模拟，其具体的结构不仅仅的有起着主要承载作用的支撑框架，还会涉及到很多的电气设备。在电气柜之中的电气设备和支撑结构之间的连接是使用螺栓实现的，这会使得其具有较大的刚度，并有一个附加质量的作用。所以在力学分析之中，会把电气功能设备作为一个质量点来进行处理。在有限元模型之下，使用壳单元模拟支撑结构和柜门结构，电气设备则运用质量单元来进行模拟，减振器利用弹簧-阻尼单元进行模拟，焊接使用共节点的方式进行模拟。对于电气设备和减振器与支撑结构的连接则需要利用刚性连接的方式。有限元模型一共具有单元数大致在八十万左右，节点数同样的在八十万左右。在进行模态及随机振动的计算时，要约束底座安装孔处所有的自由度^[3]。

2. 关于电气柜各类信息的汇总

首先的来说就是关于材料的参数，电气柜主要的承载结构是冷轧钢板，冷轧钢板的材料类型是Q235，功能类结构是镀铝锌板，其弹性模量是210GPa，泊松比是0.27，屈服强度是235MPa，密度是7800kg/m³，抗拉强度是428MPa。其减振器的参数分别的是：垂向，刚度是6.0×10³，阻尼是0.08；横向，刚度是3.5×10³，阻尼是0.08；纵向，刚度是3.5×10³，阻尼是0.08。最后应该选择50%概率进行寿命的评估。其次的是约束信息，电气柜经过螺栓安装到工装之上，螺栓安装的位置应该依据规范的要求。进行模拟计算与随机振动分析时，螺栓安装孔附件所有的自由度全部的要约束。最后的是荷载的信息，电气柜安装在工装上，工装安装在振动台上，加速度均方根等于57.9m/s²，整体的结构阻尼比选取0.02^[4]。

3. 对于电气柜疲劳强度试验结果的分析

在模态结果之中，电气柜前三阶是整体性的振动，第一阶模态振型垂向振动之时，中间的两个减振器和安装支座都发生了明显的振动。在振动传递的结果之中，垂向振动之时，中部减振器减振的效果较为的差，角点减振器的低频区域放大的作用较为的明显；横向振动的时候，中部减振器与角点处减振器的共振频率不一致，这是因为两个减振器底部约束不一样导致的。从另一个方面来说，还应该注意减振器和电气柜组成的系统，其固有频率在激励频率范围内，这一点与以往减振器使用的经验是不一样的^[5]。

4. 对于电气柜进行疲劳强度校核结果

通过模拟仿真试验获取的数据信息可知，在垂向随机载荷下减振器安装座的1σ应力云图中，电气柜四个角点的减振器安装座应力较大，中间两个减振器安装座应力相对的来说较为的小。减振器安装座的1σ最大的应力是81.9MPa，相应的2σ应力是163.8MPa，3σ的应力则是245.7MPa。依据高斯分区法，3σ应力对应的循环次数是4.33%。试验之中电气柜经历的循环次数接近于1.152×10

⁸，则3σ应力应该经历5×10⁶。垂向振动3σ应力大于材料的疲劳极限，对应的循环次数是2×10⁵，小于试验经历的疲劳循环次数。所以，该方向上的结构疲劳强度很难满足要求。在纵向随机荷载下减振器安装座的1σ应力云图中，电气柜六个减振器安装座应力较为是均匀，这与模态分析的结果是相同的。减振器安装座的1σ最大的应力是28MPa，则相应的2σ应力是56MPa,3σ应力是84MPa。垂向振动3σ应力小于材料的疲劳极限，对应的循环次数是无限大，所以在这个方向上的结构疲劳强度是满足需要的。在横向随机荷载下减振器安装座的1σ应力云图中，电气柜六个减振器安装座应力同样的较为的均匀，这和模态分析的结果相同。减振器安装座的1σ最大应力是18.5MPa，则相应的2σ应力是37MPa，3σ应力是55.5MPa^[6]。

3. 关于电气柜的结构优化设计

因为电气柜的结构设计经过模拟仿真试验，可以知道存在不合理的状况，所以对于其存在应力较大的情况，做出结构上的优化设计，从三个方面来进行优化。第一个方面是更换新型的减振器，来保障激励频率范围能够对应于减振器振动衰减频率的范围；第二个方面是对于减振器安装支座的刚度的增强，减少其对减振器低频性能的影响；第三个方面是对于减振器安装支座进行整体的加工，来避免不连续、不光滑的结构设计造成对于电气柜结构的影响。经过相应的结构方案优化之后，在垂向随机载荷下减振器安装座的1σ应力云图中，减振器安装座的应力比较大。对比相关的信息数据可以知道，垂向振动3σ应力小于材料的疲劳极限，对应的循环次数是无限，大于试验经历的疲劳循环次数，所以，该方向上的结构疲劳强度能够满足要求。

4. 结语

总的来说，对于电气柜疲劳强度校核及结构优化的分析，使得电气柜的质量获得了提高，有极大的应用价值。

参考文献

[1]朱大巍,崔修斌,李杰.电气柜疲劳强度校核及结构优化[J].环境技术,2020,38(2):82-86,104.

[2]王超,许平,黄明高.基于ANSYS的电气柜体强度与模态分析[J].机电工程,2007,24(7):26-28.

[3]孙贺.高速轨道客车车载电气柜被动隔振方法的研究[D].吉林:长春工业大学,2015.

[4]杜晓阳,季海波,杜飞, 等.电气柜的故障防护方法研究[J].机械工程师,2018,(4):66-68.

[5]赵磊.外围控制电路设计——电气柜的设计[J].科技风,2018,(4):1.

[6]赵一茏.一种安全电气柜装置及其使用方法[J].电子世界,2016,(20):97,99.