淺談蓄電池叉車的防爆改裝及防爆性能檢驗(yàn)

馬婉玉,楊德雙,路 領(lǐng),王琪超

(上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所有限公司，上海 200233)

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，叉車的應(yīng)用領(lǐng)域得到極大的擴(kuò)展。普通叉車不能在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所作業(yè)，否則可能會(huì)引發(fā)爆炸事故，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。防爆蓄電池叉車使用蓄電池供電、液壓傳動(dòng),可以滿足爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的使用需求。

國(guó)外蓄電池防爆叉車產(chǎn)品有兩種類型。一種是叉車主機(jī)廠專門開發(fā)的防爆產(chǎn)品，主要生產(chǎn)商為德國(guó)Sichelschmidt公司、林德公司等。另一種為專業(yè)防爆技術(shù)改造的公司進(jìn)行的防爆改造，像英國(guó)PYROBAN公司為各叉車生產(chǎn)廠商提供防爆解決方案與防爆改裝[2]。國(guó)內(nèi)防爆叉車改造維修單位技術(shù)能力良莠不齊，需加強(qiáng)準(zhǔn)入引導(dǎo)。《場(chǎng)(廠)內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG N0001—2017將叉車的防爆改造歸屬到改造的范疇，并要求從事叉車改造的單位應(yīng)具有相應(yīng)的制造能力[3]。

基于此，本文通過對(duì)蓄電池叉車的防爆改裝內(nèi)容進(jìn)行深入、全面的分析，并依據(jù)GB/T 19854—2018對(duì)叉車的防爆型式試驗(yàn)過程進(jìn)行說明，使改裝的防爆叉車既能滿足裝卸搬運(yùn)作業(yè)時(shí)的防爆安全要求，又具有良好的操控性。本文闡述的防爆叉車的防爆等級(jí)為Ex db ec ib mb ⅡA/ⅡB T4 Gc。

1 叉車主要部件防爆改裝措施

1.1 Ex d主防爆控制箱

工廠在改裝叉車時(shí)，須將接觸器、保險(xiǎn)絲、繼電器、直流-直流(direct current to direct current,DC-DC)電壓轉(zhuǎn)換器等會(huì)產(chǎn)生放電、點(diǎn)火現(xiàn)象的元件，移位到防爆控制箱內(nèi)。防爆控制箱能夠承受爆炸壓力并將火焰通過設(shè)計(jì)的火焰通路，熄滅后進(jìn)入大氣。

主防爆控制箱的設(shè)計(jì)應(yīng)主要遵循標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.1—2021、GB 3836.2—2021?？刂葡涞母舯鎱?shù)和結(jié)構(gòu)必須符合防爆標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)要使控制箱滿足隔爆要求(即箱內(nèi)如果發(fā)生爆炸，不會(huì)通過任何通道傳到外殼外部)，從而確保整臺(tái)叉車不會(huì)被引燃或發(fā)生爆炸[4]。防爆控制箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是隔爆接合面。在GB 3836.2—2021中，隔爆接合面的平均粗糙度最大不得超過6.3 μm。

隔爆接合面最大間隙要求如表1所示。

表1 隔爆接合面最大間隙要求Tab.1 Maximum clearance requirement of flameproof joint surface

表1中:L為接合面寬度,mm；V為防爆箱容積,cm3。

如果隔爆接合面上有孔，則到孔邊沿的距離l應(yīng)滿足下列要求。

①當(dāng)L<12.5 mm時(shí)，l≥6 mm。

②當(dāng)12.5 mm≤L<25 mm時(shí)，l≥8 mm。

③當(dāng)L≥25 mm時(shí)，l≥9 mm。

依據(jù)GB 3836.2—2021對(duì)防爆設(shè)備的要求，隔爆控制箱的緊固件只允許用工具才能松開或拆卸。一種情況是隔爆外殼上的緊固件不穿透外殼壁，且剩余厚度應(yīng)不小于螺栓直徑的三分之一，最短為3 mm。另一種情況是隔爆外殼上的緊固件穿透外殼壁。這種情況下，緊固件應(yīng)與外殼壁構(gòu)成隔爆面，且緊固件須使用焊接、鉚牢等方法連接到外殼上，與外殼構(gòu)成不可分開的整體。當(dāng)螺釘或螺栓沒有配套使用墊圈而完全擰入孔內(nèi)時(shí)，螺釘或螺栓尾部與螺孔的底部之間應(yīng)留有螺紋裕量[5]。緊固件孔允許螺紋嚙合的螺紋深度應(yīng)至少等于緊固件螺紋的外徑[6]。

1.2 Ex d 輔助防爆控制箱

為滿足防爆要求，車輛控制器須安裝在輔助隔爆控制箱內(nèi)部。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參見1.1節(jié)。

1.3 Ex d防爆顯示箱

防爆顯示箱內(nèi)裝有發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)指示燈、顯示器。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參見1.1節(jié)。

改裝后的防爆叉車應(yīng)盡可能保留原裝叉車儀表。所有儀表均安裝在防爆顯示箱內(nèi)。除了原裝儀表之外，叉車還會(huì)配置一些警示和狀態(tài)指示器。這些指示器的安裝位置取決于叉車自身儀表的具體改裝要求，既可能與原裝叉車儀表在同一個(gè)防爆顯示箱內(nèi)，又可能安裝在一個(gè)獨(dú)立的防爆顯示箱內(nèi)。

1.4 Ex d 隔爆型電纜引入裝置

電氣設(shè)備通常都和其他設(shè)備的線路連接，以實(shí)現(xiàn)供電、控制、通信等功能。防爆電氣設(shè)備采用電纜實(shí)現(xiàn)這些功能。然而，由于電纜采用有彈性的橡膠制成，無(wú)法像金屬或塑料那樣加工成外尺寸固定的圓柱形，并且電纜在安裝后的位置也應(yīng)當(dāng)有足夠的穩(wěn)定性，防止在使用過程中被拉扯而導(dǎo)致線路故障?；陔娎|材料和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員一般采用將帶孔的圓柱形密封圈套固定在電纜外部的方式，將電纜、密封圈與金屬墊圈一起安裝在格蘭外殼內(nèi)。

設(shè)計(jì)人員可采用各種方式的壓緊裝置軸向壓縮密封圈，使密封圈徑向膨脹。由于密封圈外側(cè)裝有格蘭外殼，密封圈只能向內(nèi)側(cè)膨脹，從而與電纜緊密結(jié)合，以達(dá)到夾緊電纜的作用。這個(gè)結(jié)構(gòu)被稱為電纜引入裝置。對(duì)于隔爆外殼使用的引入裝置，除了需要夾緊電纜，還應(yīng)當(dāng)防止內(nèi)部的火焰通過密封圈與電纜、格蘭外殼之間的間隙傳播到環(huán)境中。因此，應(yīng)額外進(jìn)行GB3836.2—2021第C.3.1條規(guī)定的密封試驗(yàn)，確認(rèn)其具有防止火焰?zhèn)鞑サ哪芰Α?/p>

主防爆控制箱、防爆顯示箱等部件電源出線須使用防爆電纜引入裝置。為防止主防爆控制箱、防爆顯示箱內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)破壞電纜內(nèi)墊層和絕緣層，從而引燃外部的可燃介質(zhì)，電纜引入裝置應(yīng)選用隔爆型。

1.5 Ex e增安型電纜引入裝置

增安型防爆塑料電纜密封套(即增安型電纜引入裝置)的原理是通過螺紋壓縮內(nèi)部塑料密封套來(lái)緊固電纜。增安型防爆塑料電纜密封套一般用于電機(jī)、增安型接線盒等增安型塑料外殼電源出線。

一般情況下，防爆塑料電纜密封套只需要外觀檢查即可，基本不需要維護(hù)。除非防爆電纜引入裝置損壞或者更換經(jīng)過電纜引入裝置的電纜時(shí)，才需要重新安裝。

1.6 Ex e 增安型防爆塑料接線盒

增安型電氣設(shè)備在正常運(yùn)行或規(guī)定的異常條件下不產(chǎn)生危險(xiǎn)溫度、電弧和火花，并且其外殼必須符合GB/T 4208—2017外殼防護(hù)等級(jí)的要求，以防止外部異物進(jìn)入電氣設(shè)備內(nèi)。增安型防爆塑料接線盒用于電源或本質(zhì)安全電路的端子連接。增安型防爆塑料接線盒電纜出線使用增安型塑料電纜密封套。增安型防爆接線盒一般情況下很少損壞，只需每年檢查損壞情況以及接頭和端子緊固情況。

1.7 Ex e 防爆電源裝置

本文闡述的是增安型防爆電源裝置，適用于Gc級(jí)車輛，可用區(qū)域?yàn)楸ㄐ詺怏w環(huán)境2 區(qū)。

蓄電池電源電解質(zhì)應(yīng)能保證處在最低和最高允許液位之間。蓄電池電源應(yīng)有足夠空間，以防止電解質(zhì)溢出。蓄電池電源的箱體和箱蓋一般采用金屬結(jié)構(gòu)，以具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。綜合考慮叉車的使用環(huán)境，為保證防爆性能，電源外殼內(nèi)部必須無(wú)裸露帶電零件，且至少具有IP23的防護(hù)等級(jí)。蓄電池箱的通風(fēng)試驗(yàn)氫氣析出濃度不能超過2%[7]。

Gc級(jí)車輛在使用過程中，相鄰單體電池間的連接件不得是剛性的，并且應(yīng)能夠承受一定程度的相對(duì)位移以及額定工作狀態(tài)下的電流。在工作過程中可能承受電解液腐蝕的所有導(dǎo)線應(yīng)采取保護(hù)措施。防爆電源裝置上的等電位連接線須有效連接。此外，設(shè)計(jì)須保證防爆電源裝置箱蓋的有效固定，且防爆電源裝置的通風(fēng)孔處不得堵塞。

1.8 Ex d 防爆燈具

防爆工作大燈、剎車燈和轉(zhuǎn)向燈為隔爆型。應(yīng)根據(jù)隔爆型防爆標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

1.8.1 Ex d 燈具外殼的要求

燈具外殼應(yīng)為隔爆外殼，按照GB 3836.2—2021所規(guī)定的外殼耐壓試驗(yàn)[8]進(jìn)行測(cè)試后，燈具外殼不應(yīng)有裂痕、損傷，或隔爆接合面間隙增大。

1.8.2 燈具透明件要求

GB 3836.1—2021和GB 3836.2—2021中，對(duì)于燈具透明件的要求如下。

①須能夠承受沖擊、熱劇變?cè)囼?yàn)。透明材料及膠粘材料的連續(xù)運(yùn)行溫度需高于整臺(tái)設(shè)備在額定使用條件下能達(dá)到的最高溫度的20 ℃以上。

②須滿足GB 3836.2—2021規(guī)定的爆炸試驗(yàn)，且不發(fā)生損壞。

1.9 Ex nA 無(wú)火花小功率電氣部件

無(wú)火花小功率電氣部件的功率均小于20 W，電壓小于275 V交流 (alternating current，AC)或390 V直流(direct current,DC)。如加速霍爾傳感器、轉(zhuǎn)向傳感器、轉(zhuǎn)向輪角度傳感器、液壓提升傳感器、驅(qū)動(dòng)/液壓泵電機(jī)速度傳感器等均符合增安型ec要求：設(shè)備外殼的防護(hù)等級(jí)不低于IP54，應(yīng)符合GB 3836.3—2021附錄H規(guī)定的爬電距離和電氣間隙，應(yīng)在設(shè)備內(nèi)部或外部提供瞬態(tài)保護(hù)裝置[7]。

1.10 Ex ec驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓泵電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓泵電機(jī)可采用的防爆類型為增安型、正壓型或隔爆型。增安型防爆電機(jī)對(duì)外殼強(qiáng)度和密封性的要求較小，制造成本較低。因此，防爆電機(jī)一般采用增安型。一個(gè)完整的叉車改裝可以使用一個(gè)或多個(gè)增安型的防爆電機(jī)。由于叉車的多樣性，所以車輛上的電機(jī)也有很多形式。無(wú)論哪種形式的電機(jī)，在將其改裝為增安型防爆電機(jī)時(shí)，都要遵循以下要求和原則。

①電機(jī)的內(nèi)部線圈繞組內(nèi)部必須實(shí)行溫度監(jiān)控，從而保證使用場(chǎng)所的溫度等級(jí)。

②增安型防爆電機(jī)防護(hù)等級(jí)至少滿足IP54。

③增安型防爆電機(jī)電源端子出線防護(hù)等級(jí)必須滿足IP54。

④增安型防爆電機(jī)爬電距離和電氣間隙必須滿足GB 3836.3—2021的要求。

⑤電機(jī)內(nèi)溫度傳感器和速度傳感器必須滿足相關(guān)保護(hù)和防護(hù)要求。

1.11 Ex ib 本安設(shè)備

本安型傳感器等其他低能量元件與主防爆控制箱內(nèi)安全柵組成了本質(zhì)安全型電路。這類設(shè)備一般都配合使用合適的隔離式安全柵進(jìn)行本安處理。

1.12 機(jī)械火花和機(jī)械間隙

由于貨叉與地面及搬運(yùn)物品之間摩擦頻繁，為防止產(chǎn)生機(jī)械火花，車輛卸載裝置(貨叉)必須包覆不銹鋼[9]。

防爆叉車在結(jié)構(gòu)上應(yīng)確保其相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間，如旋轉(zhuǎn)部件與其他部件之間要有足夠的間隙，使各部件運(yùn)行中不因摩擦而產(chǎn)生火花。在設(shè)計(jì)時(shí)，在易產(chǎn)生摩擦部位也可以考慮采用特殊材料包覆，從而防止機(jī)械火花的產(chǎn)生[10]。

1.13 靜電

1.13.1 電位平衡

車輛上所有大于100 cm2的金屬部件都與車架相連，從而保證整車的電位平衡，防止靜電火花。

1.13.2 接地

為了防止靜電電荷積累產(chǎn)生的靜電火花，依據(jù)GB/T 19854—2018第5.3條試驗(yàn)方法測(cè)得車輛上所有金屬部件的對(duì)地電阻應(yīng)不超過106Ω[11]。此要求可采用導(dǎo)電輪胎實(shí)現(xiàn)，也可采用接地帶實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)電輪胎或接地帶將可能產(chǎn)生的靜電電荷與大地電荷中和。此時(shí)，車輛的電勢(shì)為零，避免了靜電火花的產(chǎn)生。

1.13.3 表面電阻

為防止由靜電集聚引起的火花點(diǎn)燃危險(xiǎn)，方向盤、座椅等非金屬部件的表面電阻應(yīng)符合GB 3836.1—2021第7.4.2條要求:在相對(duì)濕度為50%時(shí)電阻不得超過109Ω。此外，生產(chǎn)企業(yè)要限制整車的噴漆厚度不得超過2 mm[6]。

1.14 剎車片

剎車是潛在的點(diǎn)燃源，啟用剎車功能時(shí)移動(dòng)元件和固定元件的摩擦?xí)a(chǎn)生高溫和火花。剎車片的改裝和安裝將遵循以下原理。

①剎車襯料必須粘結(jié)，不允許采用鉚釘。

②剎車材料金屬含量不得超過40%。

③剎車表面溫度不得超過規(guī)定的溫度等級(jí)。須通過安裝在剎車上的溫度開關(guān)監(jiān)控剎車溫度。

④剎車材料兩側(cè)的溫差不得超過5 ℃。

⑤剎車包覆材料磨損不得超過1 mm。貨叉底部應(yīng)配置有磨損測(cè)量孔。

2 防爆安全檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 19854—2018的要求，防爆安全檢驗(yàn)包括結(jié)構(gòu)安全檢查、溫度測(cè)量、車輛接地測(cè)試。

2.1 結(jié)構(gòu)安全檢查

防爆車輛電氣部件的防爆等級(jí)不得低于整機(jī)防爆等級(jí)。

防爆車輛零部件合格證不得超出有效期，部件銘牌信息應(yīng)清晰、準(zhǔn)確、完整，并且應(yīng)標(biāo)明產(chǎn)品名稱、型號(hào)、防爆標(biāo)志、防爆合格證號(hào)、制造商等參數(shù)。防爆電氣部件外殼應(yīng)完整無(wú)裂紋，燈罩等透明件應(yīng)無(wú)損傷。隔爆接合面不得有生銹、損傷，不得涂油漆或噴塑，隔爆接合面寬度、表面粗糙度、間隙應(yīng)符合防爆要求。隔爆型電氣部件應(yīng)設(shè)置安全聯(lián)鎖或嚴(yán)禁帶電開蓋警告標(biāo)志。相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙應(yīng)符合GB/T 19854—2018第4.1.2條要求。金屬部件應(yīng)連接牢固。

2.2 溫度測(cè)量

檢測(cè)工程師要對(duì)叉車中防爆制動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電源裝置、主泵電機(jī)等的表面溫度進(jìn)行測(cè)量。為便于觀察溫度的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將熱敏元件通過散熱性良好的膠水粘接在上述零部件的表面上。測(cè)量應(yīng)在叉車完成5個(gè)試驗(yàn)循環(huán)之后進(jìn)行。其中，試驗(yàn)循環(huán)的步驟參考GB/T 19854—2018第5.2條要求。防爆叉車的最高表面溫度不得超過相應(yīng)的防爆溫度組別，從而保證不會(huì)引燃車輛工作環(huán)境的爆炸性氣體。

對(duì)于某一臺(tái)型號(hào)規(guī)格為2.0 T、經(jīng)防爆改裝的蓄電池叉車，測(cè)試結(jié)果如下。

通過無(wú)紙記錄儀記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)、泵電機(jī)、制動(dòng)器、電源等部件的溫度及試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度。在23 ℃的測(cè)試環(huán)境溫度下，實(shí)測(cè)最高溫度為73 ℃，測(cè)出最高溫度的點(diǎn)位為驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈。最高表面溫度計(jì)算式為：

Tms=Tmax-Tamb+Tpma

(1)

式中：Tms為最高表面溫度；Tmax為實(shí)測(cè)最高溫度；Tamb為測(cè)試環(huán)境溫度；Tpma為最高使用環(huán)境溫度。

根據(jù)式(1)修正到最高使用環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)的值，得出最高表面溫度為90 ℃，符合T4要求。

2.3 叉車接地測(cè)試

叉車接地測(cè)試如圖1所示。

圖1 叉車接地測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of forklift grounding test

叉車接地測(cè)試使用兆歐表進(jìn)行試驗(yàn)。在地面放置一塊絕緣板。為減少試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差，絕緣板電阻應(yīng)大于1012Ω。絕緣板上放置鋼板。絕緣板應(yīng)超出鋼板邊緣至少50 mm[11]。車輛停放在鋼板上。測(cè)量時(shí)將兆歐表L端依次與車輛的不同金屬部件相連，如與車架及輪胎上的螺釘相連接等。檢驗(yàn)人員要對(duì)防爆叉車的不同金屬部件與鋼板之間的絕緣電阻進(jìn)行多次測(cè)量，以確保車輛上所有的金屬部件對(duì)地電阻均不得超過106Ω。

3 防爆叉車的使用注意事項(xiàng)

防爆叉車的使用注意事項(xiàng)如下。

①叉車不得進(jìn)入危險(xiǎn)程度不明確的作業(yè)環(huán)境。

②叉車在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所作業(yè)時(shí)，必須謹(jǐn)慎駕駛，嚴(yán)禁碰撞、沖擊。

③叉車不得在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所進(jìn)行維修作業(yè)，不得在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所打開電氣裝置蓋或拆裝其他隔爆元件。

④蓄電池不得在有可燃可爆氣體等危險(xiǎn)區(qū)域充電，不得在危險(xiǎn)場(chǎng)所作為它用電源。

⑤當(dāng)遇到可燃性物質(zhì)嚴(yán)重泄漏或叉車在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所中運(yùn)行作業(yè)發(fā)生失控時(shí)，應(yīng)立即按下急停開關(guān)、切斷叉車的主電源，然后關(guān)斷電源鑰匙開關(guān)。

⑥在試圖對(duì)叉車防爆系統(tǒng)進(jìn)行任何修理和更改之前，必須征得制造商或授權(quán)機(jī)構(gòu)的同意，不得擅自改動(dòng)，以確保整車的作業(yè)安全性和其他性能。

⑦車輛存在靜電點(diǎn)燃潛在風(fēng)險(xiǎn)，僅可使用濕布擦拭車輛。

4 結(jié)論

隨著國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的持續(xù)推進(jìn)，叉車的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，很多時(shí)候需要在爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域中使用。而普通叉車不能滿足此類使用場(chǎng)景的安全要求。防爆叉車改裝工廠應(yīng)運(yùn)而生。本文針對(duì)特定防爆型式，首先論述了對(duì)蓄電池叉車的主要部件，如控制箱、顯示箱、電纜引入裝置、電源等進(jìn)行防爆改裝的方法；然后舉例說明了防爆叉車的結(jié)構(gòu)檢查要點(diǎn)和防爆安全檢測(cè)的方法；最后進(jìn)一步說明了使用時(shí)的注意事項(xiàng)。該研究可確保生產(chǎn)企業(yè)對(duì)叉車進(jìn)行有效的防爆改裝，提高防爆叉車使用時(shí)的安全性。