矿用电机车蓄电池电源箱有限元分析

程奉玉

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

矿用电机车蓄电池电源箱有限元分析

程奉玉

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

因工作条件和使用环境的苛刻性，对矿用电机车蓄电池电源箱的密封性能和应力分布进行了有限元分析。基于ANSYS，讨论了预紧变形对电源箱内应力分布以及电源箱箱体与盖板之间缝隙量的影响规律。计算结果表明：随着预紧变形量的变大，电源箱连接螺栓处的内应力明显增加；而箱体和盖板之间内侧的缝隙量也得到了降低。

防爆电源箱；密封性；强度；有限元分析

0 引言

蓄电池电源箱结构设计是否合理是隔爆型电机车的关键所在［1］。周伟锋［2］针对蓄电池充放电有氢气析出情况，从煤矿用隔爆型电机车蓄电池电源箱的结构设计入手，提出了解决问题的方案。蓄电池电源箱不仅需要隔爆性能，能够有效阻止内部的爆破压力向壳体外部爆炸性混合物传播，设计的壳体能够承受1 MPa的试验压力，还要具有耐爆性能，即使内腔发生爆炸，壳体也不会发生明显的变形或破裂。研究蓄电池电源箱应力强度分布和箱体与盖板之间的密封性能，具有重要的工程意义。巩利萍等［3］将弹塑性力学理论应用到矿用隔爆型圆筒外壳的设计。有限元分析中，将圆筒外壳作为一个整体来研究，未考虑壳体和壳盖的配合联接，计算结果与实际情形有所出入。本文以某研发电源箱为例，对组成蓄电池电源箱的箱体、盖板和螺栓螺母分别建模，考虑三者之间的配合关系，研究预紧变形对箱体与盖板之间缝隙量和电源箱强度的影响规律，以期对蓄电池电源箱的结构设计提出有益建议。本文的主要技术要点包括模型装配技术、接触问题、预紧单元创建和预紧变形量的施加等问题。

1 电源箱结构分析与建模

电源箱为长方体结构，由箱体、盖板和螺栓螺母三部分组成，箱体和盖板之间的密封由施加在螺栓上的预紧作用来实现。考虑其结构的对称性，有限元分析时只需建立电源箱的1/4模型即可。箱体、盖板和螺栓螺母分别建模和划分网格，利用Write命令生成*.cdb文件和*.iges文件，然后通过Read命令组装成分析模型，如图1所示，图中A点是箱体与盖板接触面长边外侧点，B点是箱体与盖板接触面长边内侧点，C点是箱体底部中心点，D点是箱体与盖板接触面短边内侧点。

2 载荷施加及边界条件处理

爆破试验电源箱壳体要承受1 MPa的试验压力，所以在箱体内部表面施加1 MPa的分布压力。箱体与螺栓头、箱体与盖板、盖板与螺母之间存在接触，建立它们之间的接触对。在箱体与盖板接触处的螺栓上创建预紧单元并通过Sload命令施加预紧位移。在模型的对称边界施加对称约束，在坐标原点即图1中的C点施加全约束，如图2所示。

图1 蓄电池电源箱分析模型

图2 电源箱受力和约束图

3 分析结果与讨论

蓄电池电源箱最大应力出现在螺栓处，达到443MPa，采用高强度螺栓可以满足强度要求。箱体和盖板的最大应力分别为181 MPa和147 MPa，普通碳素结构钢完全可以胜任。对于接触表面摩擦因数为0.15、预紧变形量为0.1 mm的电源箱应力云图如图3～图5所示。

图3 螺栓螺母应力云图

图4 箱体应力云图

图5 盖板应力云图

电源箱最大缝隙出现在长边内侧（即坐标y= 0.408 m的边）的B点和短边内侧（即坐标x=0.79 m的边）的D点，A、B点附近的局部变形情况如图6所示。

图6 变形局部放大图

为了定量分析箱体与盖板接合面的密封性，研究了长边外侧（即坐标y=0.508m的边）、短边外侧（即坐标x=0.89 m的边）和长边内侧（即坐标y=0.408 m的边）所有结点的缝隙量，如图7～图9所示。需要说明的是，缝隙量等于箱体与盖板对应的重合结点的z向位移之差值。

由图7和图8可以看出，外边界所有结点的缝隙量为负值，变形产生了渗透现象，外边界被完全密封住，蓄电池电源箱的使用安全性是有保障的。图9揭示了电源箱内边界缝隙量在中间最大，在边缘最小。

电源箱内侧缝隙量是电源箱正常使用的重要参数。以长边内侧最大缝隙点B点为例，研究了预紧变形量对缝隙量的影响，影响规律如图10所示。

图7 电源箱长边外侧结点缝隙量

图8 电源箱短边外侧结点缝隙量

图9 电源箱长边内侧结点缝隙量

图10 缝隙量随预紧变形量的变化规律

对于图10，预紧变形量取0.05、0.1、0.2、0.3和0.4，单位为mm。随着预紧作用的加强，B点缝隙量得到了快速降低。但是，在实际的计算中，预紧位移也不宜取得过大，否则可能会导致计算结果不收敛。

除了研究预紧变形量对缝隙量的影响之外，本文还研究其对电源箱强度的影响，计算结果见表1。

表1 预紧变形量对电源箱强度的影响

增大预紧变形会不同程度地提高电源箱的最大应力值，螺栓处应力值提高最为显著，这一点从表1可以清楚地反映出来。

4 结语

对于确定的电源箱结构，通过在螺栓施加一定的预紧作用，可以保证箱体和盖板之间的密封性。随着预紧变形量的增加，电源箱内侧的缝隙量得到了降低。预紧变形量的增大会显著提高电源箱的最大应力值，尤其是螺栓处的应力值。因此，电源箱结构设计中，不能为提高密封性而增大预紧作用。

［1］ 荣道勤.CDXB-8矿用隔爆型蓄电池式电机车的研制［J］.煤矿机械，1992（4）：3-4.

［2］ 周伟锋.煤矿用隔爆型电机车蓄电池电源箱防爆结构设计［J］.防爆电机，2010，45（2）：12-14.

［3］ 巩利萍，宋志安，刘泽勇.矿用隔爆型圆筒外壳的设计方法［J］.煤矿机械，2009，30（1）：30-33.

（编辑昊 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，硕士研究生，研究方向为振动与噪声控制。

2014-02-26

煤炭工业协会指导性计划项目（MTKJ2011-365）；泰安市科技计划项目（20112001）；山东省高等学校科技计划项目（J11LD21）