桂峻浩

(貴州盤江精煤股份有限公司,貴州 盤江 553536)

0 引 言

2019年10月12日,山東省出臺《煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求(試行)》文件,要求精確定位系統(tǒng)巡檢周期不超過5s。隨著精確定位技術(shù)如ZigBee定位技術(shù)、UWB定位技術(shù)的應(yīng)用,以及巡檢周期的要求,標(biāo)識卡的功耗不斷增大,為了控制識別卡的結(jié)構(gòu)尺寸,有必要開發(fā)可充電式識別卡,克服電池尺寸過大的問題。識別卡的充電結(jié)構(gòu)除了要保證可靠充電,還需要達到GB/T 4208—2017中的IP65的要求?！睹旱V井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》要求,采用可充電電池的識別卡,每次充電應(yīng)能保證識別卡連續(xù)工作時間不小于7d。而與識別卡配套的充電座,充電頻繁,需要保證結(jié)構(gòu)可靠耐用。結(jié)合市場已有的充電結(jié)構(gòu),本研究分析了各充電形式的優(yōu)缺點,提出了一種新的適用于煤礦特殊環(huán)境的識別卡充電結(jié)構(gòu)形式。

1 常用充電類型

便攜式設(shè)備的充電結(jié)構(gòu)樣式,民用市場已經(jīng)有許多成熟的方案。結(jié)合煤礦的特殊環(huán)境(煤塵多、溫度高,工人操作幅度大等),市場上已開發(fā)出了幾種充電結(jié)構(gòu),如彈片式[1]、銅頂針式、磁吸式等[2],其優(yōu)缺點如表1所示。

表1 常用充電結(jié)構(gòu)形式

鑒于以上充電結(jié)構(gòu)形式在煤礦生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了許多不理想狀況,需要進行重新設(shè)計。由表1可知,要滿足煤礦的使用要求,充電結(jié)構(gòu)需具有一定的夾緊力、充電接觸面適中、充電接觸可靠等特點。

磁吸式充電方式,隨著時間增長,以及煤灰的影響,識別卡后續(xù)的充電有很大不確定性;而彈片式充電方式,由于彈片夾緊力小,充電可靠性不足。為提高充電可靠性,本文作者做如下三方面的優(yōu)化設(shè)計:

(1) 為保證夾緊力,采用比銅彈片夾緊力大的彈簧件;

(2) 增大充電觸點的尺寸,提高充電接觸面,防止充電錯位;

(3) 為減小充電觸點表面殘留煤灰的影響,采用大頂針(比磁吸式的銅頂針粗)設(shè)計,在識別卡放入充電座過程中,利用頂針針尖刮除充電觸點上的煤灰,從而使得頂針針尖與充電觸點表面金屬充分接觸,達到穩(wěn)定接觸和充電的目的。

2 充電觸頭結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計

2.1 頂針結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂針結(jié)構(gòu)如圖1所示,頂針前端帶有一定尖銳的弧度,以提高頂針前端與觸點端面接觸可靠性。充電觸點端面直徑約3～5mm,增大接觸面積。設(shè)計有彈簧,提高夾緊力,保證頂針與觸點時刻保持有效接觸。按Φ5mm尺寸設(shè)計充電觸點大小,相應(yīng)的頂針直徑大小也為5mm,彈簧外徑D0為5mm,彈簧的線徑d為0.5mm。根據(jù)GB/T 23935—2009計算充電觸點受到的壓力

1—頂針;2—彈簧;3—焊片;4—鎖緊螺釘;5—充電觸點;6—導(dǎo)線

f=-kx,

(1)

(2)

其中,k為彈性系數(shù);G為線材的剛性模數(shù),不銹鋼絲G=7300;Dm為彈簧中徑,Dm=D0-d;Nc為有效圈數(shù),Nc=總?cè)?shù)-2=5.5-2=3.5;x為彈簧形變量,本設(shè)計中,x=5mm。將參數(shù)代入式(1)和(2),得:

k=(7300×0.54)/(8×4.53×3.5)

=0.179(kgf/mm),

(3)

F=-0.179×5=-0.895(kgf)≈-8.8(N),

(4)

由式(4)可知,充電觸點受到約8.8N的壓力,為提高使用壽命,頂針、彈簧和充電觸點均采用304不銹鋼材質(zhì)進行加工。按照識別卡一周充一次電的設(shè)計要求,5年使用期中至少240次充電次數(shù)估算,采用304不銹鋼材質(zhì)生產(chǎn),使用壽命滿足設(shè)計使用要求。

2.2 充電總體設(shè)計

識別卡的充電總體形式是將頂針結(jié)構(gòu)安裝在充電座中,將充電觸點安裝在識別卡表面。充電時,識別卡從上往下插入充電座結(jié)構(gòu)中,在頂針前端接觸到充電觸點邊緣時,頂針結(jié)構(gòu)的彈簧受到壓縮,彈簧產(chǎn)生與壓縮方向相反的約8.8N的彈性力,擠壓識別卡表面的充電觸點。在頂針前端從充電觸點的邊緣向中心運動過程中,頂針前端與充電觸點表面發(fā)生摩擦,從而刮除煤灰等影響充電的物質(zhì),提高充電可靠性,如圖2所示。

1—識別卡框圖;2—充電座框圖

目前,市場上主要有臥式充電和立式充電2種方式,分別如圖3,4所示。對于采用哪一種充電方式,需要根據(jù)被充電產(chǎn)品的外殼形狀、使用環(huán)境、內(nèi)部電路布局等綜合考慮。從市場使用情況來看,立式充電方式的充電座比較小,受歡迎程度高。因此,本文作者采用立式充電方式設(shè)計整個充電結(jié)構(gòu)。

圖3 臥式充電方式示意圖

圖4 立式充電方式示意圖

2.3 識別卡充電形式設(shè)計

根據(jù)2.2確定的將充電觸點安裝在識別卡表面的方案,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,將2個觸點設(shè)計在識別卡的右側(cè),分為上觸點和下觸點,如圖5所示。在外殼上安裝觸點的位置設(shè)計有導(dǎo)引槽結(jié)構(gòu),觸點安裝在導(dǎo)引槽平面上,觸點的上表面與外殼的表面平齊,觸點在外殼注塑成型過程中與外殼融為一體,保證防護性。頂針先由導(dǎo)引槽引入,之后與觸點接觸。觸點在外殼內(nèi)部由導(dǎo)線接入PCB電路板正負極,實現(xiàn)電源輸入。

2.4 充電座結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證充電結(jié)構(gòu)不輕易傾覆,將充電座設(shè)計成上小下大的梯形結(jié)構(gòu)。為了能夠利用識別卡上已有的指示燈(如圖5),用于區(qū)分“正在充電”和“充滿”兩種狀態(tài),宜將充電座的高度限制在指示燈的下側(cè)。充電座的充電內(nèi)腔壁裹緊識別卡四周,設(shè)計充電座的充電內(nèi)腔尺寸時,宜設(shè)計偏小的尺寸公差,利用塑料的張力夾緊識別卡,防止識別卡脫落。充電座在使用過程中,為了防止出現(xiàn)識別卡插反和傾斜的情況,充電內(nèi)腔還需要設(shè)計有防插反結(jié)構(gòu)和防傾斜支撐,如圖6所示。

1—充電內(nèi)腔;2—防插反結(jié)構(gòu);3—防傾斜支撐

充電座的前后外表面設(shè)計有凹槽結(jié)構(gòu),用于手指發(fā)力表面,將識別卡從充電座中取出,如圖7所示。為提高美觀性,可將充電座的底面稍加修飾,設(shè)計出曲線造型。

1—前表面凹陷結(jié)構(gòu);2—后表面凹陷結(jié)構(gòu)

下一步是在充電座的基體上設(shè)計出安裝頂針的結(jié)構(gòu)部分,需保證頂針能夠在受擠壓后,具有回退空間。根據(jù)2.1計算得到的彈簧形變量(5mm),以及彈簧壓縮后的尺寸(約2mm),將頂針和彈簧安裝在7mm深的腔體中,如圖8所示。彈簧在被裝入安裝腔中時,預(yù)留約2mm的壓縮形變量,頂針約伸出端面3mm。

1—頂針;2—頂針安裝結(jié)構(gòu)

采用ABS塑料注塑成型[3],根據(jù)上下出模方向和曲面結(jié)構(gòu)特點,沿充電座的頂針安裝結(jié)構(gòu)的外輪廓線分為上盒體和下蓋板兩部分,如圖9所示。上盒體內(nèi)部挖空,用來安裝電路板。盒體設(shè)計壁厚為3mm。下蓋板設(shè)計有2種充電口形式,分別為TYPE-C和DC接口,方便煤礦企業(yè)選擇充電方式。

1—上盒體;2—下蓋板

3 結(jié)構(gòu)強度分析

由于是便攜式產(chǎn)品,在使用過程中有掉落的風(fēng)險,在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后,需要對產(chǎn)品進行強度驗證,避免出現(xiàn)設(shè)計缺陷。采用有限元分析法,應(yīng)用Solidworks Simulation軟件[4]對充電座結(jié)構(gòu)進行跌落模擬分析[5-6]。材質(zhì)為ABS塑料[7],其常溫下主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 ABS塑料在常溫下的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)充電座的重心位置,對充電座自由掉落的情況做了初步分析,主要有3個方向的跌落,分別是底著地、頂著地、左(右)著地,對3個方向進行模擬分析,跌落高度設(shè)為1m。對充電座進行網(wǎng)格劃分,共生成33790個節(jié)點和18189個單元,如圖10所示。

如圖11所示,底著地時,最大應(yīng)力為41MPa,出現(xiàn)在底部結(jié)構(gòu)尖角處。此處可以進行圓角處理、增大受力面積,避免應(yīng)力集中。

圖11 底著地跌落示意圖

如圖12所示,底著地時,最大應(yīng)力為15.307MPa,遠小于屈服應(yīng)力,頂面部位不需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理。

圖12 頂著地跌落示意圖

如圖13所示,左著地時,最大應(yīng)力為28MPa,小于屈服應(yīng)力,左右部位不需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理。

圖13 左著地跌落示意圖

從以上的設(shè)計和分析可知,所設(shè)計的充電座結(jié)構(gòu)合理,滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求,經(jīng)過圓角處理及對應(yīng)力過大的尖角進行優(yōu)化設(shè)計后,得到如圖14所示的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

圖14 充電座和識別卡實物示意圖

4 結(jié) 論

本文根據(jù)識別卡的外形結(jié)構(gòu),以及煤礦環(huán)境的特殊情況,從頂針設(shè)計、充電形式設(shè)計到充電座結(jié)構(gòu)設(shè)計等,提出了一種識別卡充電的新結(jié)構(gòu)形式。同時應(yīng)用Solidworks Simulation軟件對充電結(jié)構(gòu)強度進行了分析和驗證,得到了如圖15所示的識別卡充電結(jié)構(gòu)形式,目前已在各個煤礦企業(yè)大批量使用,反應(yīng)良好。

圖15 識別卡充電形式示意圖