基于TRIZ理論的防爆電動(dòng)叉車電源箱的設(shè)計(jì)研究

趙榮尊　趙大旅

摘? 要：防爆電動(dòng)叉車被廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥等帶有一定危險(xiǎn)性行業(yè)的物資裝卸運(yùn)輸活動(dòng)當(dāng)中，電源箱作為防爆電動(dòng)叉車動(dòng)力系統(tǒng)的重要構(gòu)成，其設(shè)計(jì)關(guān)系到叉車的使用性能及安全。文章引入TRIZ理論，對(duì)TRIZ理論下防爆電動(dòng)叉車電源箱的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，找出一種可有效提升叉車動(dòng)力系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)方案，為特殊行業(yè)的物資裝運(yùn)活動(dòng)提供更高質(zhì)量的防爆工具。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論;防爆電動(dòng)叉車;電源箱

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）29-0094-02

Abstract： Explosion-proof electric forklift is widely used in material handling and transportation activities with certain dangerous industries， such as petroleum， chemical industry， medicine and so on. Power box is an important component of the power system of explosion-proof electric forklift. Its design is related to the performance and safety of forklift. This paper introduces TRIZ theory， studies the design of explosion-proof electric forklift power box under TRIZ theory， and finds out a design scheme which can effectively improve the performance of forklift power system， so as to provide higher quality explosion-proof tools for material shipment activities in special industry.

Keywords： TRIZ theory; explosion-proof electric forklift; power box

石化等行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)活動(dòng)存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，其中，生產(chǎn)區(qū)域的60%以上被認(rèn)定為危險(xiǎn)區(qū)域，在這些區(qū)域應(yīng)用的各類工具、設(shè)備必須具備優(yōu)良的防爆性能，其中，防爆電動(dòng)叉車是主要的輔助生產(chǎn)工具之一。在防爆電動(dòng)叉車的研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，電源箱設(shè)計(jì)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)備中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)造價(jià)高、污染大的現(xiàn)象將被有效解決，帶來(lái)新的電源箱設(shè)計(jì)方向。

1 相關(guān)概念簡(jiǎn)介

1.1 防爆電源箱

防爆電動(dòng)叉車電源箱主要包括三部分，即蓄電池、插接部件及箱體。其中蓄電池的選擇和設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，包括單體電池和連接零件。傳統(tǒng)防爆電動(dòng)叉車電源箱的蓄電池多為鉛酸型，該種類型的蓄電池防爆造價(jià)較高、體型較大，使用壽命有限，且隨著工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)環(huán)保性的要求逐漸提高，鉛酸蓄電池應(yīng)用所帶來(lái)的污染問(wèn)題也導(dǎo)致其無(wú)法與目前防爆電動(dòng)叉車的性能要求相適應(yīng)[1]。為此，行業(yè)提出采取鋰電池來(lái)取代鉛酸蓄電池，本文設(shè)計(jì)的防爆電動(dòng)叉車電源箱系統(tǒng)即采用鋰離子電池。

1.2 TRIZ理論

TRIZ理論指的是發(fā)明問(wèn)題解決理論，該理論來(lái)自蘇聯(lián)，其實(shí)質(zhì)為挖掘問(wèn)題然后再創(chuàng)造性的解決問(wèn)題，是目前人們解決發(fā)明、研究過(guò)程中問(wèn)題的主要理論依據(jù)和方法。在新產(chǎn)品、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，常伴隨大量問(wèn)題出現(xiàn)，這些問(wèn)題中不乏很多解決困難程度較大的難點(diǎn)。依靠設(shè)計(jì)研發(fā)人員自身的學(xué)識(shí)、行業(yè)間交流、經(jīng)驗(yàn)分享等，大部分問(wèn)題都可被有效解決，而對(duì)于那些困難的部分，即可借助TRIZ理論進(jìn)行輔助分析。

2 基于TRIZ理論的防爆電動(dòng)叉車電源箱設(shè)計(jì)

2.1 防爆電源箱技術(shù)

防爆電源箱技術(shù)包括單體蓄電池防爆、連接件防爆和箱體防爆三部分，本文重點(diǎn)關(guān)注單體蓄電池防爆和箱體防爆，對(duì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2.1.1 單體蓄電池防爆

對(duì)于3G級(jí)別的防爆電動(dòng)叉車，要求在防爆電源箱單體電池結(jié)構(gòu)中設(shè)置電解質(zhì)液面指示裝置，在單體電源內(nèi)預(yù)留足夠的空間，以免做功過(guò)程中，電解質(zhì)本身因膨脹導(dǎo)致溢流。對(duì)于2G級(jí)別的防爆電動(dòng)叉車，要求在單體電池內(nèi)設(shè)置排氣裝置，避免電池內(nèi)部氫氣過(guò)度集中。在安裝之前，對(duì)排氣裝置進(jìn)行防爆性能檢驗(yàn)，確保其能夠承受較大的沖擊，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，電池內(nèi)電解質(zhì)不會(huì)溢出。選擇不易粘黏粉塵、液態(tài)物質(zhì)的材料制作電池上蓋，保證上極柱絕緣凸臺(tái)在10mm以上，且每個(gè)極柱均可承受相應(yīng)的電流。

2.1.2 箱體防爆

3G級(jí)別的防爆電動(dòng)叉車電池箱箱體及蓋結(jié)構(gòu)必須能承受其在工作過(guò)程中可能遭受的最大負(fù)荷，若箱體及蓋的內(nèi)表面選用金屬材質(zhì)，這種材質(zhì)必須均勻覆蓋絕緣層。箱體內(nèi)的絕緣隔板應(yīng)選取恰當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行安裝，主要用途是避免箱體局部產(chǎn)生高于40V的電壓，要求絕緣隔板的高度大于2/3單體電池高度。箱蓋應(yīng)采取一定的固定措施，防止其輕易被打開(kāi)或移動(dòng)。在2G級(jí)別的防爆電動(dòng)叉車中，要求電源箱箱體蓋可承重至少75J的垂直沖擊力[2]。在箱體設(shè)置通風(fēng)孔，通風(fēng)孔孔徑的大小結(jié)合蓄電池的容量，依照40cm2/kWh進(jìn)行計(jì)算。在箱體底部設(shè)置排液孔，用以排出多余液體雜質(zhì)，要求排液孔的強(qiáng)度在IP23以上。

2.2 TRIZ理論的應(yīng)用

2.2.1 電源箱設(shè)計(jì)問(wèn)題的提出

為使防爆電動(dòng)叉車電源箱滿足日常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)荷載、強(qiáng)度、安全性、防爆性等指標(biāo)的要求，電源箱常需要安裝大量蓄電池，采用串聯(lián)的方式，為防爆電動(dòng)叉車運(yùn)行提供穩(wěn)定、充足的電壓。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)電源箱體積過(guò)大的問(wèn)題。此外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，防爆電動(dòng)叉車電源箱的箱體必須達(dá)到一定的防爆強(qiáng)度才能被應(yīng)用到危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中，也就是多對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)、主體材料強(qiáng)度、厚度等均提出嚴(yán)格的要求，導(dǎo)致電源箱的體積和重量進(jìn)一步提高。在電源箱功率相同時(shí)，自重上升必然導(dǎo)致叉車整體重量上升，影響運(yùn)行過(guò)程中的荷載能力及續(xù)航。

2.2.2 TRIZ理論分析

將上述問(wèn)題引入到TRIZ理論模型中，對(duì)其進(jìn)行分析。分析過(guò)程采用的主要工具為T(mén)RIZ沖突矩陣。該矩陣為40×40方陣，其中含有39個(gè)通用工程參數(shù)以及40個(gè)發(fā)明原理，矩陣的第1行或第1列各項(xiàng)元素表示39個(gè)通用工程參數(shù)的序號(hào)，除此之外的行和列的元素表示40個(gè)發(fā)明原理的推薦原理序號(hào)。呈現(xiàn)在行中的工程參數(shù)描述沖突改善方向，呈現(xiàn)在列中的工程參數(shù)描述沖突惡化方向。在防爆電動(dòng)叉車電源箱設(shè)計(jì)的TRIZ理論分析中，矛盾雙方為電池箱的強(qiáng)度和自重，且強(qiáng)度為改善工程參數(shù)、自重為惡化工程參數(shù)。

通過(guò)查表分析，可有效平衡電源箱強(qiáng)度與自重之間矛盾關(guān)系的發(fā)明原理為第1序號(hào)和第40序號(hào)，即進(jìn)行分割或選用復(fù)合材料，以第1序號(hào)代表的分割原理平衡效果更佳。

2.3 防爆電源箱設(shè)計(jì)方案

2.3.1 蓄電池設(shè)計(jì)

（1）位置選擇。電源箱存在較高的自重，為保證防爆電動(dòng)叉車運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，需要合理選擇電眼想位置，采用分布式安裝進(jìn)行配重。例如，傳統(tǒng)叉車設(shè)備中采用的鉛酸型蓄電池，通常以左右位置關(guān)系存在，確保叉車運(yùn)行平衡。因此在新的設(shè)計(jì)方案中，該位置選擇原則依然被沿用。為保證電源箱的靈活性，選擇將其設(shè)計(jì)為模塊形式，準(zhǔn)確與叉車接口相對(duì)應(yīng)。

（2）蓄電池選擇。本設(shè)計(jì)方案選用鋰電池中的磷酸鐵鋰型作為防爆電動(dòng)叉車的核心動(dòng)力元件。磷酸鐵鋰電池自重較輕，但供電性能強(qiáng)大，外形尺寸有限，且具備耐高溫、輸出功率高、不易燃燒等優(yōu)點(diǎn)，使用壽命明顯延長(zhǎng)。依照行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選用的蓄電池進(jìn)行過(guò)流、過(guò)壓、外力傷害、短路等極端測(cè)試，確保其在特殊環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性，不發(fā)生高溫、燃燒、爆炸等問(wèn)題。

（3）蓄電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。磷酸鐵鋰電池存在的最大缺陷在于，其本身不存在過(guò)充保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充問(wèn)題時(shí)，很可能導(dǎo)致正極鋰材料脫落、負(fù)極鋰元素析出，導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的變化，使用壽命大大降低。防爆電動(dòng)叉車電源箱中需要多個(gè)鋰電池串聯(lián)，由于安裝誤差、老化速度不一的影響，導(dǎo)致整個(gè)電源箱安全系數(shù)降低。為此，需要借助蓄電池管理系統(tǒng)，對(duì)鋰電池的過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題進(jìn)行控制。

（4）整體構(gòu)成。防爆電動(dòng)叉車電源箱中蓄電池系統(tǒng)包括磷酸鐵鋰電池、電池組管理系統(tǒng)電路、開(kāi)關(guān)零件、終端傳感器、接線口等。其中，總開(kāi)關(guān)控制鋰電池管理系統(tǒng)的供電活動(dòng)，系統(tǒng)電路板檢測(cè)溫度、電壓、電流等參數(shù)并依照檢測(cè)結(jié)果控制相關(guān)元件的狀態(tài)。

2.3.2 箱體分割設(shè)計(jì)

相較于蓄電池的選擇，電源箱的設(shè)計(jì)更為關(guān)鍵。在防爆電動(dòng)叉車運(yùn)行過(guò)程中，使用者要求其能夠連續(xù)、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，防爆電源箱的設(shè)計(jì)需同時(shí)考慮蓄電池的容量、續(xù)航性能、自重等參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)，在工作路況及行駛速度相同時(shí)，蓄電池的容量與叉車自重呈線性相關(guān)關(guān)系。若想要在叉車自重不變的前提下，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)里程，對(duì)蓄電池容量的需求固定。若叉車自重上升、工作荷載要求上升，對(duì)蓄電池的容量需求也隨之提高。防爆電動(dòng)叉車作業(yè)于危險(xiǎn)區(qū)域，要求設(shè)計(jì)防爆蓄電池，該種設(shè)計(jì)會(huì)降低既定容量下電池的續(xù)航。

結(jié)合防爆電動(dòng)叉車的日常作業(yè)環(huán)境，需要將磷酸鐵鋰電源箱體設(shè)計(jì)為隔爆型。箱體的主體材料為鋼板，采用焊接的方式打造整體結(jié)構(gòu)。由于叉車電源箱內(nèi)安裝多個(gè)磷酸鐵鋰電池組，體積相對(duì)較大，為達(dá)到足夠的防爆、隔爆指標(biāo)，選擇將箱體鋼板厚度設(shè)計(jì)為18mm，并加設(shè)加強(qiáng)鋼筋，適當(dāng)增加加強(qiáng)鋼筋排布密度，降低箱體在受到嚴(yán)重外力干擾時(shí)的變形程度[3]。由于電源箱箱體的選材對(duì)叉車自重并不產(chǎn)生過(guò)高的影響，在實(shí)際工作中一般使用碳鋼材料，調(diào)節(jié)鋼板厚度及結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到強(qiáng)度及自重的平衡。

但電源箱的自重過(guò)高會(huì)對(duì)蓄電池的續(xù)航能力造成一定影響，因此結(jié)合TRIZ理論的分析結(jié)果，對(duì)電源箱箱體進(jìn)行分割處理。本方案采用性能更佳的316L材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳鋼，在不影響自重的情況下提升箱體強(qiáng)度。依照分割發(fā)明原理將大面積箱體板面的厚度設(shè)計(jì)為10mm，將隔板的厚度設(shè)計(jì)為8mm。

3 結(jié)論

本文以TRIZ理論為模型，對(duì)防爆電動(dòng)叉車的電源箱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了電源箱中蓄電池的選擇以及箱體設(shè)計(jì)。隨著相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，會(huì)帶來(lái)更大的危險(xiǎn)區(qū)域物質(zhì)運(yùn)輸需求，對(duì)防爆電動(dòng)叉車的強(qiáng)度、續(xù)航、自重、防爆能力等要求不斷提升。借助TRIZ理論優(yōu)勢(shì)，輔助分析防爆電動(dòng)叉車電源箱設(shè)計(jì)過(guò)程中的顯著難題，優(yōu)化工具設(shè)備性能的同時(shí)，進(jìn)一步推動(dòng)TRIZ理論的實(shí)踐應(yīng)用。

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