防爆蓄電池鏟車電池快換機構(gòu)的設(shè)計分析

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

防爆蓄電池鏟車是連續(xù)采煤機后配套主要設(shè)備之一，能夠清理短壁掘進工作面巷道中的浮煤，搬運機電設(shè)備和物料，拖拽機車等設(shè)備，具有通過性能好、運轉(zhuǎn)靈活、可靠性高和污染小等特點，適用于掘進工作面、短壁回采工作面等短距離輔助運輸，可較大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動強度。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。

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

為了使電池快換機構(gòu)能夠滿足防爆蓄電池鏟車的多種工況，基于動力學(xué)和有限元分析軟件對電池快換機構(gòu)進行仿真分析，驗證機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 總體布置

電池快換機構(gòu)布置在蓄電池鏟車的尾部，由 2 根提升液壓缸、1 個托架主體和 2 個托架組成，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 個限位塊，當(dāng)電池安裝后，其重心在左托架和右托架安裝銷軸的后側(cè)，在電池重力的作用下，左右托架會順時針旋轉(zhuǎn)，直到與限位塊接觸，保持靜止?fàn)顟B(tài)。

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

電池快換機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。更換電池時，先將鏟車駕駛到需要更換的電池附近，操作提升液壓缸延伸，電池隨快換機構(gòu)繞O點旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電池尾部接觸地面時，地面反作用力會驅(qū)使電池隨托架繞P點旋轉(zhuǎn)，快換機構(gòu)繼續(xù)繞O點旋轉(zhuǎn)，直到電池底面完全著地。接著，扳動電池上的插銷向外旋轉(zhuǎn)然后向后滑移，使電池與左右托架分離，此時動力電纜快換插頭不動，利用剩余電量將鏟車駕駛到充電完成的電池前，調(diào)整鏟車位置，使電池托架與電池平行。然后，操縱鏟車后退，將電池完全放入電池托架內(nèi)，調(diào)整鏟車前后移動，將托架上凸出的插銷槽對準(zhǔn)電池腹板上的缺口，扳動電池上的插銷向外旋轉(zhuǎn)然后向前滑移，鎖住電池，操作提升液壓缸延伸，電池隨快換機構(gòu)繞O點旋轉(zhuǎn)，將電池舉升到極限位置，更換動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，托架一端用插銷與電池連接，托架另一端的掛鉤掛住電池腹板，形成支撐點。繼續(xù)操作提升液壓缸延伸，托架主體通過對P點反作用力，將鏟車后輪胎抬起離開地面。可見電池快換機構(gòu)還有另外一個作用，就是充當(dāng)鏟車的后穩(wěn)定靴，協(xié)助整車的日常檢修以及輪胎和車橋的檢修更換。

2 仿真分析

筆者運用機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對電池快換機構(gòu)進行仿真分析。將 SolidWorks 幾何模型以 Parasolid 格式導(dǎo)入 ADAMS 中，利用 ADAMS 的求解器，建立動力學(xué)模型[1]。模型銷接處采用 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)定義運動，由圖 3 所示位置開始模擬實際工況，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)過虛擬機械系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)的仿真分析，求得Q點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，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，電池對地面產(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行求解[3]。運用 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，屈服強度σa=345 MPa，抗拉強度σb=470～630 MPa[4]。網(wǎng)格劃分后對模型進行約束和添加載荷，將O點和Q點添加圓柱副進行約束，載荷大小為電池重力。電池快換機構(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)通過動力學(xué)分析，驗證了電池托架接地過程運動的準(zhǔn)確性，電池著地后對地面形成支撐，起到后穩(wěn)定靴的作用，完整的運動過程與預(yù)期一致。

(2)通過靜力學(xué)分析，得出電池快換機構(gòu)托架的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計滿足實際需要，驗證了托架的可靠性。