龙门充电桩设计与研究

王树勋，方春阳，殷帅兵

（许继电气股份有限公司，河南 许昌461000）

0 引 言

近年来，凭借着清洁、环保和经济的特点，电动汽车行业快速发展，各地的燃油公交车也逐步被电动公交车取代。作为电动汽车的专门充电设备，充电桩的市场需求量也在逐年增大[1-2]。与普通的小型汽车充电桩不同，由于电动公交车高度更高、蓄电量更大，因此需要采用专用的充电弓和充电桩对其进行充电。电动公交车充电桩是充电弓的安装载体，目前常用的结构形式有“Γ”形充电桩和“T”形充电桩。

济南东站公交站充电桩项目道路跨度大，由于充电地点下面为地下室，地基达不到要求的厚度，若采用传统的“Γ”形充电桩可能导致地基破坏，因此项目要求采用龙门式结构的充电桩。充电桩骨架对整体的承重和抗弯性能起着关键作用，在充电桩设计时需要对其进行强度校核计算以确保结构承重安全。本文以济南东站龙门充电桩骨架为研究对象，对其进行结构设计，采用ANSYS Workbench软件进行静力学分析和模态分析。

1 龙门充电桩模型建立

济南东站龙门充电桩骨架如图1所示，跨度为14.11 m。竖直部分分为下部骨架和上部骨架，竖直下部骨架采用4 mm厚的SPHC钣金件和20 mm厚的法兰板焊接组成，既能增大内部空间放置电气设备，也能够提高整体的强度。竖直上部骨架采用矩形管200 mm×100 mm×6 mm两端焊接20 mm厚的法兰板组成。水平骨架采用的是100 mm×50 mm×5 mm的矩形管中间夹层瓦楞板组成的类桁架结构，可以显著提升水平部分的抗弯性能，减小变形量。水平部分共分为3段，长度分别为4225 mm、5005 mm、4225 mm。水平骨架分为3段进行对接更有利于运输，并且现场安装过程中可以进行细微的调整。水平段各部分间通过20 mm厚的法兰板对接，并由M24的螺栓进行紧固。

龙门充电桩的总质量约为3.72 t（包含骨架和封装），其中竖直下部分质量约为636 kg，竖直上部分质量约为404 kg，水平端部质量约为725 kg，水平中间部分质量约为710 kg，电气元器件（包含电气设备及电缆和铜排）质量约为300 kg，下压弓质量为220 kg。

图1 龙门充电桩骨架图

2 龙门充电桩的静力学分析

2.1 有限元模型的建立

基于Creo软件建立龙门式充电桩的详细骨架模型，将模型导入ANSYS Workbench软件进行处理和网格划分，建立龙门充电桩的有限元模型。网格划分采用协调分片算法对有限元模型进行网格划分，该算法采用自下而上的求解方法，网格划分先从边、再到面、再到体划分，考虑结构所有的面及其边界[3]。龙门充电桩骨架材料的物理特性如表1所示。

表1 龙门充电桩材料的特性参数

2.2 静力学分析结果

基于ANSYS Workbench软件，对龙门充电桩的有限元模型进行静力学仿真分析[4-5]，得到龙门充电桩骨架的变形云图如图2所示，应力云图如图3所示。

如图2 所示，龙门充电桩的最大变形为20 mm，发生在水平部分中间段，最大变形满足GB 50017 -2003《钢结构设计规范》规定的受弯构件变形容许值l/400=36 mm，结构变形量满足规范要求。

如图3所示，龙门充电桩最大应力为225 MPa，最大应力小于材料235 MPa的屈服应力。塑性材料安全系数一般可取1.2～2.5[6]，这里取安全系数为2.0，因此得到最大许用应力为235÷2=118 MPa，将应力云图中最低值调为118 MPa，得到图3中应力云图，可以看出，只在个别处存在局部的应力集中，整体应力较小，满足材料的强度要求。

图2 龙门充电桩骨架的变形云图

3 龙门充电桩的模态分析

模态分析（Modal Analysis）是分析物体在激励状态下的动力响应，是动力分析的一种。我们之所以关注模态，是因为每一个物体都有其固有的自然频率，当外部激励作用于物体且频率接近自然频率时将发生共振使物体受到破坏。比如建筑物在设计时为了抗震，就要避开地震的振动频率，桥梁在设计时要考虑风力或者车辆行驶时的共振频率。物体受到不同的激励频率，就会有不同的振动形式，叫做物体的不同模态。

图3 龙门充电桩骨架的应力云图

无阻尼模态分析是经典的特征值问题，动力学问题的运动方程为

式中：M为质量矩阵；K为刚度矩阵；x"为计算速度矢量；x为位移矢量。

龙门充电桩的竖直下部骨架固定在地基上，为固定约束，对龙门充电桩骨架进行模态分析。经过计算，得到龙门充电桩的前6阶振型图如图4所示。

龙门充电桩前6阶振型的固有频率和其对应的最大变形量如表2所示。

从表2可以看出，龙门充电桩的固有频率集中在低频段，应避免充电桩在固有频率附近的工况下工作。在前6阶振型下对应的最大变形量较小，充电桩的安全系数较高。

4 样机验证

通过加工样机，并且安装调试后测量龙门充电弓水平部分中间段实际下垂量大约25 mm，与仿真分析得到的最大变形量20 mm 接近。通过在水平端部骨架和水平中间骨架对接法兰板处的上排螺栓处增加预制的调整垫片（增加垫片厚度共4 mm），龙门充电桩水平部分下垂情况基本消失，最终安装调试效果如图5所示。

图4 龙门充电桩模态振型图

表2 龙门充电桩各阶振型固有频率和最大变形量

5 结 语

图5 龙门充电桩实景图

针对济南东站道路跨度大、地基厚度小的问题，设计了龙门充电桩来避免由于充电桩自身产生弯矩引起的地基破坏。对龙门充电桩进行了静力学分析，得到龙门充电桩的变形云图和应力云图，变形情况和应力均满足安全要求；通过模态分析得到各阶振型的固有频率和最大变形量，固有频率集中在低频段，并且充电桩的抗震安全性较高。对样机进行了安装调试，实际变形量与仿真分析变形量接近，验证了设计方案的可行性和设计方法的科学性，对龙门充电桩的设计和验证具有一定的指导意义。采用垫片对龙门充电桩水平部分进行了调节，基本消除了水平部分的下垂量，达到了比较理想的效果。