应变电测技术在聚光型光伏 &光热一体机强度测试中的应用

任永臻,许志龙,陈茶花 (集美大学机械工程学院,福建厦门361 021)

聚光型光伏 &光热一体机 (简称聚光器)在高度角和方位角跟踪机构的驱动下,二维跟踪太阳,使得太阳光线始终与聚光器的平面镜保持一定角度,确保经平面镜反射的光线均匀地汇聚到太阳能电池片上。由于聚光器的力学计算建立在诸多假设之上,因此其准确性有待于实验的验证,并且聚光器在实际运行中会遇到许多不可预测的问题,其强度也有待于现场实测结果的检验[1～3]。由于应变电测技术广泛应用于机械、汽车、内燃机、桥梁、水坝、框架结构等的强度测试,既经济又方便快捷。因此,笔者确定采用应变电测法对聚光器进行强度测试。

1 测试系统的建立

应变电测法的测试系统包括应变计、应变仪等。根据应变计的选用原则[4],选用浙江黄岩测试仪器厂生产的三轴60°的电阻应变计 (BX120-3CC)。该应变计的电阻值为119.9±0.3Ω,灵敏系数为2.08%±1%,栅长3mm,栅宽2mm。应变仪采用鞍山泰施科技开发有限公司研制的DY-8-16型高级动态信号采集分析系统,主要包括高级数采系统及DASYLAB软件等,采集器将模拟信号进行数字化转换,并通过以太网/USB(universal serial bus)接口把采集来的电压数据直接上传给软件处理,以完成对采集来的物理量信号的数字化转换、分析处理及存盘等。

应变计与应变仪的连接采用半桥接法和公共温度补偿接线方法。初始设置应变仪与应变计的灵敏系数一致,屏蔽线长度小于10m,电阻可以忽略不计,所以实际采集到的应变值即是应变计感受到的测点对应方向的应变值[4,5],即:

式中,ε读为从应变仪上读取的应变值;ε真为待测点对应方向的真实应变值。

2 测点选择

结合理论计算结果及实际传动特点,测试选点位置如图1所示,具体分布如下:左侧立柱下部前、侧、后分别选取A、B、C点,立柱中部左侧选取D点;支撑横梁由左至右分别选取E、F、G、H、I、J、K、L、M点,其中,F和G、I和J、L和M分别为同一横截面的上、前方取的点;镜架主梁下侧取N、O、P、Q、R点,其中P点位于中间,O和N、Q和R分别位于横梁与镜架主梁的连接点内外侧;镜架主梁与镜架的连接件上取S、T点;镜架等强度梁上取W、X、Y点,电池板支撑架的中部位置取U、V点。

图1 聚光型光伏&光热一体机选点位置图

3 测试过程

聚光器强度测试分2步进行。第1步测试聚光器自动运行时各点的应变变化情况,此时应变变化缓慢,主频很小,接近于静态测试;第2步测试聚光器自动运行过程中外加干扰时各点的应变变化情况,以模拟大风等天气对聚光器的影响。每次测试均以聚光器的蝶翼处于水平位置时为0°起点,方位角与高度角驱动装置同时启动,蝶翼从水平位置开始,到达最大方位角与高度角的位置后再回到水平位置,然后再反向运行至最大方位角与高度角的位置,最后再回到水平位置,从而完成1次测试过程。如果以水平位置为0°,最大方位角与高度角的位置为90°(或-90°),那么一次测试过程可以描述为 :0°-90°-0°-90°-0°, 蝶翼处于初始 0°时调零。实测现场如图2所示。

对测试数据进行回放,借助补充软件,观察各方向的应变变化情况,找到各测点各个方向应变比较大 (或比较小)的数据,然后导出,进行后续分析。

图2 实测现场

4 数据处理及分析

实测采用三轴60°的电阻应变计,其主应力与各方向应变的关系如下:

聚光器的立柱、支撑横梁及镜架主梁等均采用45#钢管,其他连接件均采用6.3热轧等边角钢,碳钢的弹性模量为196～216GPa,泊松比为0.24～0.28,计算时统一取E=210GPa,μ=0.26。根据式(2)可计算出各测点的主应力大小。

要对所测数据进行对比分析,必须将其转化成等效应力。塑性材料在任意应力状态下,都适用于第三强度理论 (即最大切应力理论)[6]。其等效应力公式为:

根据式 (2)、式 (3)计算出各测点的等效应力,对数据进行统计分析及筛选,剔除可疑数据,选取各点的最大等效应力进行分析,如表1及表2所示,钢的许用应力一般取[σ]=160MPa。从表1及表2数据可以看出:①静、动态测试得到的应力分布规律是一致的,而且等效应力都小于许用应力。最大等效应力在支撑横梁的中部位置;其次在镜架主梁的中部位置应力也较大,镜架主梁与镜架的连接件上应力较大,镜架等强度梁的应力分布合理。②动态测试数据比静态测试数据有不同程度的增大。③由于支撑立柱底部及支撑横梁中部位置的动态数据比静态数据大,因而设计聚光器时应充分考虑支撑立柱的稳定性,可以将支撑立柱改用三角架的形式,支撑横梁的受力点尽量往两端靠拢,从而增加聚光器的稳定性。

表1 聚光器上部分点的最大(或最小)静态测试应变及应力

表2 聚光器上部分点的最大(或最小)动态测试应变及应力

采用等效应力分布图的方法,可以进一步了解同一构件上不同测点之间的等效应力分布情况,图3所示为支撑横梁及等强度梁上各点的等效应力分布图。从图3可以看出,各点的动态等效应力均大于静态等效应力,而且同一构件上的静动态等效应力分布规律是一致的。

5 结 语

应用应变电测技术,可以方便地测出聚光器运行时的实时静、动态应变,进而得出聚光钢结构在实际运行时各种工况下的应力应变分布规律。样机已正常运转一年多,其间经历了大风等各种恶劣天气的考验,实际运行情况良好,从总体上看,钢结构的强度符合要求。由于应变电测技术耗费小,仪器操作简单,应力较大点的位置、应力分布状况数据可信,因此,该技术可以指导聚光器的结构优化设计。

图3 部分点的等效应力分布图

[1]卢耀祖,常晓清,喻艳,等.应用虚拟样机技术进行岸边集装箱起重机结构强度破坏原因分析 [J].机械强度,2009,31(1):73～77.

[2]朱英敏,蓝军,张殿昌,等.应力应变电测技术在内燃机测量中的应用 [J].仪表技术与传感器,1997,(5):29～35.

[3]孙建军 ,岳澄 ,石九州,等.天津解放桥恢复开启工程应力监测 [J].实验力学,2009,24(3):239～243.

[4]计欣华,邓宗白,鲁 阳.工程实验力学[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5]刘鸿文,吕荣坤.材料力学实验 [M].北京:高等教育出版社,2006.

[6]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004.