防爆蓄電池鏟車(chē)電池快換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

防爆蓄電池鏟車(chē)是連續(xù)采煤機(jī)后配套主要設(shè)備之一，能夠清理短壁掘進(jìn)工作面巷道中的浮煤，搬運(yùn)機(jī)電設(shè)備和物料，拖拽機(jī)車(chē)等設(shè)備，具有通過(guò)性能好、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、可靠性高和污染小等特點(diǎn)，適用于掘進(jìn)工作面、短壁回采工作面等短距離輔助運(yùn)輸，可較大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。受到短壁工作面通風(fēng)條件差、底板破碎等的制約，加之部分巷道已布置短壁開(kāi)采所必需的工作設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備通道狹窄。

防爆蓄電池鏟車(chē)采用新能源蓄電池為動(dòng)力源，利用變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)對(duì)整車(chē)行走及液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，大大降低使用成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，但電池充電時(shí)間較長(zhǎng)。為此設(shè)計(jì)采用了雙電池加快換機(jī)構(gòu)的組合模式，即一塊電池在工作，另一塊電池在充電，利用電池快換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電池的快速拆裝。當(dāng)電量不能滿足工況要求時(shí)，及時(shí)更換電池，有效解決了電池充電影響的問(wèn)題。

為了使電池快換機(jī)構(gòu)能夠滿足防爆蓄電池鏟車(chē)的多種工況，基于動(dòng)力學(xué)和有限元分析軟件對(duì)電池快換機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 總體布置

電池快換機(jī)構(gòu)布置在蓄電池鏟車(chē)的尾部，由 2 根提升液壓缸、1 個(gè)托架主體和 2 個(gè)托架組成，如圖 1所示。托架主體采用 U 形框架結(jié)構(gòu)，在 U 形框架內(nèi)兩側(cè)各布置 1 個(gè)限位塊，當(dāng)電池安裝后，其重心在左托架和右托架安裝銷(xiāo)軸的后側(cè)，在電池重力的作用下，左右托架會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到與限位塊接觸，保持靜止?fàn)顟B(tài)。

圖1 電池快換機(jī)構(gòu)總體布置Fig.1 Overall layout of batter quick-changing mechanism

電池快換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。更換電池時(shí)，先將鏟車(chē)駕駛到需要更換的電池附近，操作提升液壓缸延伸，電池隨快換機(jī)構(gòu)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電池尾部接觸地面時(shí)，地面反作用力會(huì)驅(qū)使電池隨托架繞P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，快換機(jī)構(gòu)繼續(xù)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，直到電池底面完全著地。接著，扳動(dòng)電池上的插銷(xiāo)向外旋轉(zhuǎn)然后向后滑移，使電池與左右托架分離，此時(shí)動(dòng)力電纜快換插頭不動(dòng)，利用剩余電量將鏟車(chē)駕駛到充電完成的電池前，調(diào)整鏟車(chē)位置，使電池托架與電池平行。然后，操縱鏟車(chē)后退，將電池完全放入電池托架內(nèi)，調(diào)整鏟車(chē)前后移動(dòng)，將托架上凸出的插銷(xiāo)槽對(duì)準(zhǔn)電池腹板上的缺口，扳動(dòng)電池上的插銷(xiāo)向外旋轉(zhuǎn)然后向前滑移，鎖住電池，操作提升液壓缸延伸，電池隨快換機(jī)構(gòu)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，將電池舉升到極限位置，更換動(dòng)力電纜快換插頭至新更換的電池上，完成電池更換。

圖2 電池快換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of battery quick-changing mechanism

如上所述，當(dāng)放下電池至地面后不拆除電池插銷(xiāo)，托架一端用插銷(xiāo)與電池連接，托架另一端的掛鉤掛住電池腹板，形成支撐點(diǎn)。繼續(xù)操作提升液壓缸延伸，托架主體通過(guò)對(duì)P點(diǎn)反作用力，將鏟車(chē)后輪胎抬起離開(kāi)地面?？梢?jiàn)電池快換機(jī)構(gòu)還有另外一個(gè)作用，就是充當(dāng)鏟車(chē)的后穩(wěn)定靴，協(xié)助整車(chē)的日常檢修以及輪胎和車(chē)橋的檢修更換。

2 仿真分析

筆者運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對(duì)電池快換機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。將 SolidWorks 幾何模型以 Parasolid 格式導(dǎo)入 ADAMS 中，利用 ADAMS 的求解器，建立動(dòng)力學(xué)模型[1]。模型銷(xiāo)接處采用 bushing連接，液壓缸采用 cylinder，兩側(cè)限位塊處采用contact，電池到地面采用 contact，樣機(jī)模型如圖 3所示。添加 motion 至液壓缸圓柱副，使用 step 函數(shù)定義運(yùn)動(dòng)，由圖 3 所示位置開(kāi)始模擬實(shí)際工況，將電池由初始的水平狀態(tài)先向上傾斜到極限位置后，再將電池放到地面[2]。經(jīng)過(guò)虛擬機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的仿真分析，求得Q點(diǎn)提升液壓缸的合力以及接觸力的變化曲線，如圖 4～6 所示。

圖4 提升液壓缸合力的變化曲線Fig.4 Variation curve of resultant force of lifting hydraulic cylinder

圖5 兩側(cè)限位塊處接觸力的變化曲線Fig.5 Variation curve of contact force at two sides of limit block

圖6 電池與地面接觸力的變化曲線Fig.6 Variation curve of contact force between battery and ground

由圖 4 可以看出，電池水平放置時(shí)，需要的提升液壓缸合力最大。由圖 5、6 可以看出，電池與地面接觸時(shí)，電池對(duì)地面產(chǎn)生接觸力；兩側(cè)限位塊處接觸力迅速下降至零，此刻限位塊與托架尾部脫離；電池與地面接觸力迅速增大至兩側(cè)限位塊處接觸力的 2 倍左右。

3 靜力學(xué)分析

有限元模型是幾何模型創(chuàng)建完成后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)劃分后得到的離散化模型，幾何實(shí)體模型不參與有限元分析，所施加在幾何模型邊界上的載荷和約束最終必須傳遞到有限元模型上進(jìn)行求解[3]。運(yùn)用 SolidWorks 建模軟件繪制三維模型，另存 Parasolid(*.x-t)類型，導(dǎo)入 ANSYS 中，處理模型連接處后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)定材料屬性，彈性模量E=2.06 GPa，泊松比μ=0.3，材質(zhì)密度ρ=780 kg/m3，材質(zhì)采用 16Mn，屈服強(qiáng)度σa=345 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=470～630 MPa[4]。網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行約束和添加載荷，將O點(diǎn)和Q點(diǎn)添加圓柱副進(jìn)行約束，載荷大小為電池重力。電池快換機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，電池快換機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為 229.87 MPa，位于限位塊與托架接觸面處。這是由于一方面此處為連接處，存在應(yīng)力集中，另一方面加載的載荷為均布載荷，前端處于懸空狀態(tài)，此處所受彎矩較大，因此產(chǎn)生大的應(yīng)力。

圖7 電池快換機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress distribution contours of battery quick-changing mechanism

托架的應(yīng)力分布云圖如圖 8 所示[5]。由圖 8 可以看出，托架的最大應(yīng)力為 170.21 MPa，位于托架端部，這是由于托架與電池接觸擠壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

圖8 托架應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress distribution contours of bracket

4 結(jié)論

(1)通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了電池托架接地過(guò)程運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，電池著地后對(duì)地面形成支撐，起到后穩(wěn)定靴的作用，完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程與預(yù)期一致。

(2)通過(guò)靜力學(xué)分析，得出電池快換機(jī)構(gòu)托架的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需要，驗(yàn)證了托架的可靠性。