(中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131)

0 引言

作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的石化行業(yè)中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)60～80%屬于爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所，為了防止設(shè)備部件在通斷、負(fù)載以及故障狀態(tài)下產(chǎn)生的危險(xiǎn)火花或危險(xiǎn)能量，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)均必須使用防爆設(shè)備。防爆電動(dòng)叉車(chē)是用于石油化工場(chǎng)所最重要的運(yùn)輸工具，其動(dòng)力源部分的防爆設(shè)計(jì)一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，防爆叉車(chē)傳統(tǒng)的動(dòng)力源大多數(shù)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的防爆處理價(jià)格昂貴，同時(shí)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(dòng)力源已成為了防爆叉車(chē)的重要研究方向。本文以防爆電動(dòng)叉車(chē)的電源箱設(shè)計(jì)為應(yīng)用點(diǎn)，介紹采用TRIZ理論如何實(shí)現(xiàn)電源箱的設(shè)計(jì)。

1 TRIZ理論

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

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段會(huì)遇到很多問(wèn)題，有些問(wèn)題很簡(jiǎn)單，有些很復(fù)雜，研發(fā)人員依賴(lài)自身、企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)或與外界的交流，可以解決簡(jiǎn)單問(wèn)題和一些復(fù)雜問(wèn)題，但很難或不能解決所有復(fù)雜問(wèn)題。而TRIZ理論是在世界各國(guó)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(wèn)題解決理論。

2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求

目前，我國(guó)對(duì)防爆產(chǎn)品實(shí)行強(qiáng)制認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)，GB 19854—2005為防爆工業(yè)車(chē)輛的制造標(biāo)準(zhǔn)。防爆車(chē)輛制造商按照防爆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的防爆設(shè)備，均須送國(guó)家授權(quán)的質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)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(jì)

防爆電動(dòng)叉車(chē)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的過(guò)程中，客戶(hù)往往希望叉車(chē)能夠高效地運(yùn)行，不能因?yàn)殡娫吹膯?wèn)題造成叉車(chē)不能工作，這在防爆電動(dòng)叉車(chē)電池箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮，更需要考慮優(yōu)化電池容量、續(xù)航能力、整車(chē)重量之間的關(guān)系。研究表明，整車(chē)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(chē)自重一定時(shí)，如果達(dá)到設(shè)計(jì)的里程數(shù)，所需要的電池容量是一定的，自重和設(shè)計(jì)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(jì)為隔爆型，在電池容量一定的情況下降低了電車(chē)的續(xù)航能力，因此，在防爆電動(dòng)叉車(chē)的設(shè)計(jì)中，電池箱的設(shè)計(jì)是電車(chē)關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一。電池箱安裝位置圖如圖1所示。

圖1 防爆電動(dòng)叉車(chē)

3.1 電源箱設(shè)計(jì)

由于鉛酸電池十分笨重，電解液對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)，循環(huán)使用壽命短，且不易滿(mǎn)足大量定制化防爆叉車(chē)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(jì)采用一種體積小、重量輕，循環(huán)壽命長(zhǎng)，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(dòng)力源。按照已發(fā)布的鋰電池的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰電池，可充分保證電池過(guò)充電、過(guò)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防爆箱體設(shè)計(jì)，解決整體電源的安全性問(wèn)題。

3.2 問(wèn)題提出

為達(dá)到所設(shè)計(jì)要求，電池箱內(nèi)部需要布置大量的蓄電池串聯(lián)才能達(dá)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(hù)的設(shè)備》隔爆箱殼體必須滿(mǎn)足耐爆性能和隔爆性能才能用于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所。這對(duì)箱體結(jié)構(gòu)上和強(qiáng)度上提出了更高的要求，必要時(shí)需增加鋼板的厚度來(lái)增加強(qiáng)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(shí)，電源箱重量增加了整車(chē)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(shí)，在滿(mǎn)足空間尺寸和強(qiáng)度情況下其質(zhì)量越輕越好。

3.3 問(wèn)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(gè)通用工程參數(shù)和40個(gè)發(fā)明原理所建立。沖突矩陣是40行40列的一個(gè)矩陣，其中第1行或第1列為按順序排列的39個(gè)描述沖突的工程參數(shù)序號(hào)。除第1行與第1列以外，其余39行與39列形成一個(gè)矩陣，矩陣中或空，或有幾個(gè)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(hào)。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(wèn)題的沖突電池箱體的強(qiáng)度和質(zhì)量，轉(zhuǎn)化為技術(shù)沖突就是強(qiáng)度和靜止物體質(zhì)量，應(yīng)實(shí)際需要，強(qiáng)度作為一個(gè)改善的工程參數(shù)，而箱體的質(zhì)量為一個(gè)惡化的技術(shù)參數(shù)。在沖突矩陣中查詢(xún)，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(shí)際問(wèn)題表現(xiàn)在保證安裝尺寸和箱體強(qiáng)度的情況下將箱體重量降為最低，通過(guò)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(wèn)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(xiǎn)的要求，鋰電池電源箱設(shè)計(jì)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(mǎn)足隔爆型的耐爆性能和隔爆性能，設(shè)計(jì)鋼板厚度達(dá)到16 mm，并增加加強(qiáng)筋防止試驗(yàn)時(shí)變形，并且布置密度很高才滿(mǎn)足其強(qiáng)度要求，如圖2所示，這種思路設(shè)計(jì)出來(lái)的電源箱，其自身重量對(duì)設(shè)備性能影響不大，故多采用普通碳鋼作為原料，通過(guò)增加鋼板厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。但以蓄電池為動(dòng)力的電源箱電控箱重量太大會(huì)影響續(xù)航能力，需優(yōu)化電源箱的設(shè)計(jì)。將材料更換為強(qiáng)度更高的316L作為主設(shè)計(jì)材料，運(yùn)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(yǔ)

本文運(yùn)用TRIZ原理解決了防爆電動(dòng)叉車(chē)關(guān)鍵部件之一的電源箱優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高車(chē)輛的整體性能，并為設(shè)計(jì)者提供一種解決問(wèn)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(jì)開(kāi)發(fā)問(wèn)題的比較成熟的理論，在設(shè)計(jì)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(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)要求，將TRIZ原理應(yīng)用在石油化工創(chuàng)新設(shè)計(jì)中具有重要意義。