Design guidelines and criteria for battery frame of battery powered mining machine

Abstract

The electrification of vehicles and machinery is creating new problems for the deployment of battery technology in the real world of product use. The underground mining environment is particularly challenging for battery technology, which is exposed to severe stress and harsh environmental conditions in mines. This work investigates and develops the battery frame of a Sandvik underground mining machine.

The work describes the mechanical design process and the choice of material for the steel structure. The aim is to increase the understanding of the actual design requirements for the battery frame of battery-powered mining machines and to collect information on the stresses that can be applied to the structure during operation. As a result of this work, the design of future products will be smoother and faster with uniform design requirements and guidelines.

The work involved designing different concepts for battery frame, of which the most promising concept was developed and further analysed using finite element simulations. For this concept, structural analyses were carried out and the selection of material for the steel structure was studied. Structural analyses were carried out with different material strengths and different steels to optimise the strength and mass of the structure. The findings proved that the use of higher strength steels in battery frame offers significant advantages over lower strength steels.

Ajoneuvojen ja työkoneiden sähköistyessä törmätään uusiin ongelmiin akkuteknologiaa käyttöön otettaessa tuotteiden todellisessa käyttöympäristössä. Maanalainen kaivosympäristö on erityisen haasteellinen akkuteknologialle, joka altistuu kaivoksissa ankaralle kuormitukselle ja hankalille ympäristöolosuhteille. Tässä työssä tutkitaan ja kehitetään Sandvikin maanalaisen kaivoskoneen akkurunkoa.

Työssä kuvataan mekaniikkasuunnittelu prosessia ja teräsrakenteen materiaalien valintaa. Tavoitteena on lisätä ymmärrystä akkukäyttöisten kaivoskoneiden akkurungon todellisista suunnitteluvaatimuksista sekä kerätä tietoa rakennetta käytön aikana rasittavista kuormitustapauksista. Työn lopputuloksena yhdenmukaisten suunnitteluvaatimusten ja ohjeistuksen avulla tulevien tuotteiden suunnittelu tulee olemaan sulavampaa ja nopeampaa.

Työssä suunniteltiin erilaisia konsepteja akkurungoille, joista lupaavinta konseptia kehitettiin ja analysoitiin pidemmälle. Kyseiselle konseptille tehtiin rakenteellisia analyyseja sekä tutkittiin teräsrakenteen materiaalivalintaa. Rakenneanalyysit tehtiin eri materiaali vahvuuksilla ja erilaisilla teräksillä, joilla pyrittiin optimoimaan rakenteen kestävyys ja massa. Tulokset osoittivat, että lujempien teräksien käytöllä akkurungossa saavutetaan merkittäviä etuja verraten alemman lujuusluokan teräksiin.