礦用電機車蓄電池電源箱有限元分析

程奉玉

（山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

礦用電機車蓄電池電源箱有限元分析

程奉玉

（山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

因工作條件和使用環(huán)境的苛刻性，對礦用電機車蓄電池電源箱的密封性能和應(yīng)力分布進行了有限元分析?；贏NSYS，討論了預(yù)緊變形對電源箱內(nèi)應(yīng)力分布以及電源箱箱體與蓋板之間縫隙量的影響規(guī)律。計算結(jié)果表明：隨著預(yù)緊變形量的變大，電源箱連接螺栓處的內(nèi)應(yīng)力明顯增加；而箱體和蓋板之間內(nèi)側(cè)的縫隙量也得到了降低。

防爆電源箱；密封性；強度；有限元分析

0 引言

蓄電池電源箱結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理是隔爆型電機車的關(guān)鍵所在［1］。周偉鋒［2］針對蓄電池充放電有氫氣析出情況，從煤礦用隔爆型電機車蓄電池電源箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，提出了解決問題的方案。蓄電池電源箱不僅需要隔爆性能，能夠有效阻止內(nèi)部的爆破壓力向殼體外部爆炸性混合物傳播，設(shè)計的殼體能夠承受1 MPa的試驗壓力，還要具有耐爆性能，即使內(nèi)腔發(fā)生爆炸，殼體也不會發(fā)生明顯的變形或破裂。研究蓄電池電源箱應(yīng)力強度分布和箱體與蓋板之間的密封性能，具有重要的工程意義。鞏利萍等［3］將彈塑性力學(xué)理論應(yīng)用到礦用隔爆型圓筒外殼的設(shè)計。有限元分析中，將圓筒外殼作為一個整體來研究，未考慮殼體和殼蓋的配合聯(lián)接，計算結(jié)果與實際情形有所出入。本文以某研發(fā)電源箱為例，對組成蓄電池電源箱的箱體、蓋板和螺栓螺母分別建模，考慮三者之間的配合關(guān)系，研究預(yù)緊變形對箱體與蓋板之間縫隙量和電源箱強度的影響規(guī)律，以期對蓄電池電源箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出有益建議。本文的主要技術(shù)要點包括模型裝配技術(shù)、接觸問題、預(yù)緊單元創(chuàng)建和預(yù)緊變形量的施加等問題。

1 電源箱結(jié)構(gòu)分析與建模

電源箱為長方體結(jié)構(gòu)，由箱體、蓋板和螺栓螺母三部分組成，箱體和蓋板之間的密封由施加在螺栓上的預(yù)緊作用來實現(xiàn)?？紤]其結(jié)構(gòu)的對稱性，有限元分析時只需建立電源箱的1/4模型即可。箱體、蓋板和螺栓螺母分別建模和劃分網(wǎng)格，利用Write命令生成*.cdb文件和*.iges文件，然后通過Read命令組裝成分析模型，如圖1所示，圖中A點是箱體與蓋板接觸面長邊外側(cè)點，B點是箱體與蓋板接觸面長邊內(nèi)側(cè)點，C點是箱體底部中心點，D點是箱體與蓋板接觸面短邊內(nèi)側(cè)點。

2 載荷施加及邊界條件處理

爆破試驗電源箱殼體要承受1 MPa的試驗壓力，所以在箱體內(nèi)部表面施加1 MPa的分布壓力。箱體與螺栓頭、箱體與蓋板、蓋板與螺母之間存在接觸，建立它們之間的接觸對。在箱體與蓋板接觸處的螺栓上創(chuàng)建預(yù)緊單元并通過Sload命令施加預(yù)緊位移。在模型的對稱邊界施加對稱約束，在坐標(biāo)原點即圖1中的C點施加全約束，如圖2所示。

圖1 蓄電池電源箱分析模型

圖2 電源箱受力和約束圖

3 分析結(jié)果與討論

蓄電池電源箱最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓處，達到443MPa，采用高強度螺栓可以滿足強度要求。箱體和蓋板的最大應(yīng)力分別為181 MPa和147 MPa，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼完全可以勝任。對于接觸表面摩擦因數(shù)為0.15、預(yù)緊變形量為0.1 mm的電源箱應(yīng)力云圖如圖3～圖5所示。

圖3 螺栓螺母應(yīng)力云圖

圖4 箱體應(yīng)力云圖

圖5 蓋板應(yīng)力云圖

電源箱最大縫隙出現(xiàn)在長邊內(nèi)側(cè)（即坐標(biāo)y= 0.408 m的邊）的B點和短邊內(nèi)側(cè)（即坐標(biāo)x=0.79 m的邊）的D點，A、B點附近的局部變形情況如圖6所示。

圖6 變形局部放大圖

為了定量分析箱體與蓋板接合面的密封性，研究了長邊外側(cè)（即坐標(biāo)y=0.508m的邊）、短邊外側(cè)（即坐標(biāo)x=0.89 m的邊）和長邊內(nèi)側(cè)（即坐標(biāo)y=0.408 m的邊）所有結(jié)點的縫隙量，如圖7～圖9所示。需要說明的是，縫隙量等于箱體與蓋板對應(yīng)的重合結(jié)點的z向位移之差值。

由圖7和圖8可以看出，外邊界所有結(jié)點的縫隙量為負(fù)值，變形產(chǎn)生了滲透現(xiàn)象，外邊界被完全密封住，蓄電池電源箱的使用安全性是有保障的。圖9揭示了電源箱內(nèi)邊界縫隙量在中間最大，在邊緣最小。

電源箱內(nèi)側(cè)縫隙量是電源箱正常使用的重要參數(shù)。以長邊內(nèi)側(cè)最大縫隙點B點為例，研究了預(yù)緊變形量對縫隙量的影響，影響規(guī)律如圖10所示。

圖7 電源箱長邊外側(cè)結(jié)點縫隙量

圖8 電源箱短邊外側(cè)結(jié)點縫隙量

圖9 電源箱長邊內(nèi)側(cè)結(jié)點縫隙量

圖10 縫隙量隨預(yù)緊變形量的變化規(guī)律

對于圖10，預(yù)緊變形量取0.05、0.1、0.2、0.3和0.4，單位為mm。隨著預(yù)緊作用的加強，B點縫隙量得到了快速降低。但是，在實際的計算中，預(yù)緊位移也不宜取得過大，否則可能會導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂。

除了研究預(yù)緊變形量對縫隙量的影響之外，本文還研究其對電源箱強度的影響，計算結(jié)果見表1。

表1 預(yù)緊變形量對電源箱強度的影響

增大預(yù)緊變形會不同程度地提高電源箱的最大應(yīng)力值，螺栓處應(yīng)力值提高最為顯著，這一點從表1可以清楚地反映出來。

4 結(jié)語

對于確定的電源箱結(jié)構(gòu)，通過在螺栓施加一定的預(yù)緊作用，可以保證箱體和蓋板之間的密封性。隨著預(yù)緊變形量的增加，電源箱內(nèi)側(cè)的縫隙量得到了降低。預(yù)緊變形量的增大會顯著提高電源箱的最大應(yīng)力值，尤其是螺栓處的應(yīng)力值。因此，電源箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不能為提高密封性而增大預(yù)緊作用。

［1］ 榮道勤.CDXB-8礦用隔爆型蓄電池式電機車的研制［J］.煤礦機械，1992（4）：3-4.

［2］ 周偉鋒.煤礦用隔爆型電機車蓄電池電源箱防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.防爆電機，2010，45（2）：12-14.

［3］ 鞏利萍，宋志安，劉澤勇.礦用隔爆型圓筒外殼的設(shè)計方法［J］.煤礦機械，2009，30（1）：30-33.

（編輯昊 天）

Finite Element Analysis of Storage Battery Power Box in Mining Electric Locomotive

CHENG Fengyu
（College of Mechanical and Electronic,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China）

As for the mining electric locomotive storage battery power box working in harsh environment,the sealing and stresses distribution of the storage battery power box are analyzed.Based on ANSYS,the influence on the gap between the box cover and the box body caused by the pre-displacement is discussed.Numerical results show that with the increasing of the pre-displacement,the inner stresses in the bolt increases obviously,and the gap decreases.

explosion-proof power box;sealing;strength;finite element analysis

TD 44

A

1002－2333（2014）05－0109-02

程奉玉（1970—），女，碩士研究生，研究方向為振動與噪聲控制。

2014-02-26

煤炭工業(yè)協(xié)會指導(dǎo)性計劃項目（MTKJ2011-365）；泰安市科技計劃項目（20112001）；山東省高等學(xué)校科技計劃項目（J11LD21）