基于TRIZ理論的防爆電動叉車電源箱的設(shè)計

(中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司，天津 300131)

0 引言

作為我國國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的石化行業(yè)中，生產(chǎn)現(xiàn)場60～80%屬于爆炸性危險場所，為了防止設(shè)備部件在通斷、負載以及故障狀態(tài)下產(chǎn)生的危險火花或危險能量，爆炸危險區(qū)域內(nèi)均必須使用防爆設(shè)備。防爆電動叉車是用于石油化工場所最重要的運輸工具，其動力源部分的防爆設(shè)計一直是研究的重點和難點，防爆叉車傳統(tǒng)的動力源大多數(shù)采用柴油發(fā)動機，柴油發(fā)動機的防爆處理價格昂貴，同時還加重了環(huán)境的污染。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，采用防爆電池作為動力源已成為了防爆叉車的重要研究方向。本文以防爆電動叉車的電源箱設(shè)計為應(yīng)用點，介紹采用TRIZ理論如何實現(xiàn)電源箱的設(shè)計。

1 TRIZ理論

蘇聯(lián)的G.S.Altshuller及一批研究人員，經(jīng)過多年的努力提出及創(chuàng)建了發(fā)明問題解決理論(TRIZ)，該理論是在分析研究世界上大量高水平專利的基礎(chǔ)上提出的，其核心是回答發(fā)明問題解決的過程、支持工具等難題，使設(shè)計者或問題解決人員能運用前人在不同領(lǐng)域創(chuàng)新的知識和經(jīng)驗，快速、高效地解決自己的問題。TRIZ已被認為是一種世界級創(chuàng)新方法[1]。

產(chǎn)品設(shè)計的各個階段會遇到很多問題，有些問題很簡單，有些很復(fù)雜，研發(fā)人員依賴自身、企業(yè)的經(jīng)驗或與外界的交流，可以解決簡單問題和一些復(fù)雜問題，但很難或不能解決所有復(fù)雜問題。而TRIZ理論是在世界各國大量高水平創(chuàng)新研究的基礎(chǔ)上，提出的具有完整體系的發(fā)明問題解決理論。

2 國家標準要求

目前，我國對防爆產(chǎn)品實行強制認證和管理。GB 3836.1—2010、GB 3836.2—2010、GB 3836.3—2010、GB 3836.4—2010、GB/T 3836.5—2017、GB 3836.6—2004、GB 3836.7—2004、GB 3836.8—2014、GB 3836.9—2014、GB 3836.17—2007、GB 3836.18—2010、GB 3836.19—2010、GB 3836.20—2010、GB 19518.1—2004等均為防爆產(chǎn)品的制造標準，GB 19854—2005為防爆工業(yè)車輛的制造標準。防爆車輛制造商按照防爆標準設(shè)計的防爆設(shè)備，均須送國家授權(quán)的質(zhì)量監(jiān)督檢驗機構(gòu)依據(jù)相應(yīng)標準進行檢驗，檢驗合格后，取得防爆合格證。防爆合格證有效期為5年[2]。

3 防爆電源箱設(shè)計

防爆電動叉車在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的過程中，客戶往往希望叉車能夠高效地運行，不能因為電源的問題造成叉車不能工作，這在防爆電動叉車電池箱的設(shè)計過程中需要重點考慮，更需要考慮優(yōu)化電池容量、續(xù)航能力、整車重量之間的關(guān)系。研究表明，整車質(zhì)量和蓄電池容量的關(guān)系在路面參數(shù)和速度一定情況下基本為線性關(guān)系。在整車自重一定時，如果達到設(shè)計的里程數(shù)，所需要的電池容量是一定的，自重和設(shè)計載重越大所需要的電池容量也就越大，另一方面，電池部分如果設(shè)計為隔爆型，在電池容量一定的情況下降低了電車的續(xù)航能力，因此，在防爆電動叉車的設(shè)計中，電池箱的設(shè)計是電車關(guān)鍵設(shè)計之一。電池箱安裝位置圖如圖1所示。

圖1 防爆電動叉車

3.1 電源箱設(shè)計

由于鉛酸電池十分笨重，電解液對環(huán)境腐蝕性強，循環(huán)使用壽命短，且不易滿足大量定制化防爆叉車空間有限的安裝要求，目前急需被重量輕，大能量密度的鋰電池取代。我們的設(shè)計采用一種體積小、重量輕，循環(huán)壽命長，高溫性能較穩(wěn)定，充電快，高效輸出，受外力不易燃燒、安全性較好的電池—磷酸鐵鋰電池作為動力源。按照已發(fā)布的鋰電池的國家標準要求設(shè)計磷酸鐵鋰電池，可充分保證電池過充電、過放電、穿刺、跌落、擠壓、短路等極端情況不產(chǎn)生高溫和爆炸，在此基礎(chǔ)上再依據(jù)GB 3836.1—2010、GB 3836.2—2010標準進行防爆箱體設(shè)計，解決整體電源的安全性問題。

3.2 問題提出

為達到所設(shè)計要求，電池箱內(nèi)部需要布置大量的蓄電池串聯(lián)才能達到需要電壓，這樣必然增加了電源箱體積和重量。依據(jù)GB 3836.2—2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d” 保護的設(shè)備》隔爆箱殼體必須滿足耐爆性能和隔爆性能才能用于爆炸危險場所。這對箱體結(jié)構(gòu)上和強度上提出了更高的要求，必要時需增加鋼板的厚度來增加強度。這些都造成電源箱體積及自重的增加。在電池功率一定時，電源箱重量增加了整車的重量，降低了其承載能力和續(xù)航能力。因而在電源箱容量一定時，在滿足空間尺寸和強度情況下其質(zhì)量越輕越好。

3.3 問題分析和定義沖突

沖突矩陣是TRIZ理論中最常用也是最有用的部分，由39個通用工程參數(shù)和40個發(fā)明原理所建立。沖突矩陣是40行40列的一個矩陣，其中第1行或第1列為按順序排列的39個描述沖突的工程參數(shù)序號。除第1行與第1列以外，其余39行與39列形成一個矩陣，矩陣中或空，或有幾個數(shù)字，這些數(shù)字表示40條發(fā)明原理中推薦采用的原理序號。矩陣中的行所描述的工程參數(shù)為沖突中改善的一方，列所描述的工程參數(shù)是惡化的一方。該技術(shù)問題的沖突電池箱體的強度和質(zhì)量，轉(zhuǎn)化為技術(shù)沖突就是強度和靜止物體質(zhì)量，應(yīng)實際需要，強度作為一個改善的工程參數(shù)，而箱體的質(zhì)量為一個惡化的技術(shù)參數(shù)。在沖突矩陣中查詢，這一組技術(shù)沖突，得到的創(chuàng)新原理如表1所示。

表1 沖突矩陣

根據(jù)沖突矩陣，發(fā)明原理如表2所示。實際問題表現(xiàn)在保證安裝尺寸和箱體強度的情況下將箱體重量降為最低，通過分析表2中的發(fā)明原理，發(fā)現(xiàn)其中1、40發(fā)明原理可以有效地處理該問題，尤其是1分割原理。

表2 發(fā)明原理

3.4 原理應(yīng)用

根據(jù)爆炸危險的要求，鋰電池電源箱設(shè)計成隔爆型才能應(yīng)用于爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)。電源箱箱體采用鋼板焊接組成。由于其單體電池多、體積大，為滿足隔爆型的耐爆性能和隔爆性能，設(shè)計鋼板厚度達到16 mm，并增加加強筋防止試驗時變形，并且布置密度很高才滿足其強度要求，如圖2所示，這種思路設(shè)計出來的電源箱，其自身重量對設(shè)備性能影響不大，故多采用普通碳鋼作為原料，通過增加鋼板厚度滿足設(shè)計要求。但以蓄電池為動力的電源箱電控箱重量太大會影響續(xù)航能力，需優(yōu)化電源箱的設(shè)計。將材料更換為強度更高的316L作為主設(shè)計材料，運用采用1#分割原理將箱體的尺寸較大的面板厚度減少到10mm、隔板厚度減少到8mm。

圖2 電源箱模型圖

4 結(jié)語

本文運用TRIZ原理解決了防爆電動叉車關(guān)鍵部件之一的電源箱優(yōu)化設(shè)計問題，提高車輛的整體性能，并為設(shè)計者提供一種解決問題的新思路與方法。TRIZ原理已經(jīng)成為一套解決產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)問題的比較成熟的理論，在設(shè)計者兼顧性能、創(chuàng)新解決矛盾提供有效思路和方法。因而結(jié)合石油化工特點與標準要求，將TRIZ原理應(yīng)用在石油化工創(chuàng)新設(shè)計中具有重要意義。