变频柜产品机柜型材结构与性能及钢材质探析_王声铖.pdf
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1、变频柜产品机柜型材结构与性能及钢材质探析王声铖,苗杰(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452)摘要:海洋平台一般采用电潜泵进行采油,电潜泵一般采用变频柜进行驱动,变频柜不光要满足设备成套的需求,在容纳各个电气元件的基础上,还要保证其强度稳固可靠。机柜的典型结构一般可以分为满焊式结构、型材式结构,其中型材结构可以分为 C 型梁、九折型材、十六折型材、二十四折型材等。机柜设计时,需要根据机柜的特点,优选相应的型材和材质。鉴于此,重点探讨各个变频柜产品机柜型材的强度和特点,并且对常用的型材材质进行分析。关键词:变频柜;型材;钢材质中图分类号:TN957.8+3;TG142.4文献
2、标识码:A文章编号:1672-1152(2023)05-0082-020引言海洋平台一般采用电潜泵进行采油,变频柜作为电潜泵的常用驱动设备,不光要满足设备成套的需求,在容纳各个电气元件的基础上,还要保证其强度稳固可靠。各个电气部件在变频柜内部进行成套后,需要实现的功能有:符合电气安全规范;便于设备的生产与现场检修;电气部件的安装样式要尽量统一;要划分各个安装部件的功能区块;设备外形要尽量美观、规整。变频柜的整体外观和框架型材需要满足结构工艺性能的要求,其主体框架需要便于加工制造,标准性好,经济性好,便于电气部件的装配,便于运行过程中进行器件更换和设备的运维;同时,机柜的零部件应当有较好的精度和
3、可互换性、配套性,相同系列或相似功能领域的机柜配件应当可以互相更换1。1地面变频控制系统基本样式与框架分型地面变频控制系统主要的基本结构样式有机柜、电气机箱、设备控制台与电气机盒四种。其中,机柜主要为容纳电气设备的单独个体或能够实现自我强度支撑的钣金、机加工壳体,机柜一般前方为对开门,侧板可为可拆卸式,也可为固定式,地面变频控制系统的机柜一般安置在地面或者坐落在工作台面上。电气机箱的体积和机柜相比较小,安装位置一般为地面、工作台面、挂装在墙壁或者设备内部的空腔中,是能够容纳电气设备或实现自我强度支撑的体积较小的壳体。控制台一般安置在地面或者工作台面上,其操作面板一般为水平或者竖直式放置,在控制
4、台上可以安置控制设备、信息化设备、监控设备等2。机柜的典型结构一般可以分为满焊式结构、型材式结构,其中型材结构可以分为 C 型梁、九折型材、十六折型材、二十四折型材等。满焊式结构的特点为能够保持较好的设备接地连续性,强度稳固可靠;缺点在于不能实现快速拆装,其结构需要改动,或难以进行优化调整。型材式结构的特点在于便于拆装,其结构需要改动,若电气柜的功能需要进行扩充时能够快速进行调整;其缺点在于接地连续性差,需要设置数个接地点,并采用爪垫或者打磨掉涂层的方式提高其接地性能,在装配工艺不到位的时候,存在安装边角强度失效的风险。2框架强度分析以 C 型梁、九折型材、十六折型材、二十四折型材为例,分析其
5、强度的区别,C 型梁、九折型材、十六折型材、二十四折型材的型材截面如图 1 所示。分析工具采用 Solidworks 有限元分析模块,通过将型材划分为有限个计算单元,分析型材的强度情况,分别截取 1 000 mm 长的 C 型梁、九折型材、十六折型材和二十四折型材,固定两个端点后,加载 1 000 N的力,并进行网格划分与应力分析,其分析结果如图收稿日期:2022-12-06基金项目:中海油能源发展股份有限公司海上油田潜油电泵专用中压变频远程控制系统技术研究及产品开发(HFZXKT-GJ2022-02-02)第一作者简介:王声铖(1984),男,天津人,毕业于中国石油大学(北京)自动化专业,仪
6、表专业工程师,主要从事油气田人工举升开发、生产应用及成果转化推广相关工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.031图 1不同型材结构1-1C 型梁1-2九折型材1-3十六折型材1-4二十四折型材行业纵横2023 年第 5 期图 2不同型材网格划分及应力(Pa)分析结果2 所示。由图 2 分析结果可以看出,增加型材的折弯数可以显著提高型材的强度。在同样 1 000 N 载荷的作用下,其产生的应力分别为 C 型材 620 MPa、九折型材252MPa、十
7、六折型材 154MPa、二十四折型材 127MPa。在设计不同承重强度的机柜时,根据承担重量的不同,优选合适的型材,有助于设计符合现场使用强度需求的机柜。3变频柜钢材质分析常用的变频柜钢材质可分为冷轧钢板、304 不锈钢、316 不锈钢、槽钢等,常用的安装螺栓材质可分为碳钢螺栓、不锈钢螺栓、达克罗螺栓等。3.1冷轧钢板冷轧钢板的原料为热轧钢板,将热轧钢板在常温环境下进行二次处理,将处理的工作温度调整至热轧钢板的再结晶温度,通过冷轧工序进行生产,常规的冷轧钢板的厚度可以选取 1 mm、1.75 mm、2.25 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm 等,冷轧钢板越厚,
8、越不便于加工,越薄的钢板虽易于加工,但是其强度会变差。冷轧钢板的原料热轧钢板在连续的冷温度下发生变形,通过利用冷作硬化的原理,使热轧钢板的强度上升,硬度增强,塑性指标变差,可以进行简单的机柜零部件的加工,一般不对冷轧钢板做退火处理,由于其强度大、硬度大、可塑性差,其硬度(HBR)一般在90 以上,因为机械加工的性能较差,在二次加工成机柜零部件时,可以在垂直于板材的方向进行方向性小于 90的折弯加工。材料可以选取 Q235 钢及 Q345钢,屈服强度分别为 235 MPa 和 345 MPa。3.2304 不锈钢304 不锈钢为常规不锈钢的一种,广泛应用在工业、家居、餐饮餐具等领域,不锈钢的生产
9、一般采用在钢材内混入不同含量的 Cr 和 Ni,304 不锈钢在工程应用中也被称作为 18/8 不锈钢,具体表示其材质组成成分中 w(Cr)=18%以上,而 w(Ni)则一般在 8%以上,食品级不锈钢除了对钢材质中 Cr 和 Ni 有限制外,同时限制了钢材中其余重金属元素的含量,因此,常规 304 不锈钢(工业用)和食品级 304 不锈钢也存在差异。不锈钢的屈服强度一般为 205 MPa,这就决定了采用不锈钢虽然能够实现较好的防腐等级,但是强度不如冷轧钢板。户外环境下,常规户外腐蚀环境可以采用 304 不锈钢,在腐蚀严重的化工厂、存在腐蚀性气体的环境、海洋盐雾腐蚀环境下,则最好采用 316不锈
10、钢。3.3316 不锈钢316 不锈钢为常规不锈钢的一种,和 304 不锈钢相比,其成分中增加了 Mo 元素,其耐腐蚀性、耐高温性大大提高,除了 304 不锈钢的应用场景之外,316不锈钢还可以广泛应用在海水中运行的设备、海洋盐雾环境及化工、染料、造纸、肥料等化工产品的生产作业中。316 不锈钢屈服强度一般为 170 MPa,和 304 比更差,远低于冷轧钢板(采用 Q345 钢)。3.4槽钢槽钢与工字钢也是机柜设计及机柜结构搭建时常用的原材料,槽钢截面一般为凹槽型,槽钢的尺寸一般以国标尺寸为准,槽钢除了应用在机柜、电气设备上以外,还可以广泛应用在建筑、幕墙、车辆设计上,槽钢在固定方法上一般采
11、用铆接、焊接等方式,槽钢尺寸和标识方式一般以国标为准,举例来说,规格为 50 mm25 mm4.8 mm,一般指腰高 50 mm,腿宽25 mm,腰厚度为 4.8 mm,此外,也可以通过槽钢的牌号来进行限制,槽钢的材质可以选用 Q235 或 Q345材质,也可根据实际项目的需求进行优选。3.5变频柜钢材质选取以上分析的四种材料为常规机柜采用的工程材料,变频柜产品的 C 型梁、九折型材、十六折型材、二十四折型材,一般采用冷轧钢板、304 不锈钢、316 不锈钢进行设计加工,针对变频柜内部重量较大的器件,比如滤波器等,可采用槽钢或者工字钢进行固定,对各个部件的钢材质、型材类型进行把控,2-1C 型
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