基于TRIZ理論的防爆電動叉車電源箱的設計

(中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131)

0 引言

作為我國國民經濟支柱產業的石化行業中，生產現場60～80%屬于爆炸性危險場所，為了防止設備部件在通斷、負載以及故障狀態下產生的危險火花或危險能量，爆炸危險區域內均必須使用防爆設備。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計一直是研究的重點和難點，防爆叉車傳統的動力源大多數采用柴油發動機，柴油發動機的防爆處理價格昂貴，同時還加重了環境的污染。隨著電池技術的發展，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計為應用點，介紹采用TRIZ理論如何實現電源箱的設計。

1 TRIZ理論

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

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

2 國家標準要求

目前，我國對防爆產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等均為防爆產品的制造標準，GB 19854—2005為防爆工業車輛的制造標準。防爆車輛制造商按照防爆標準設計的防爆設備，均須送國家授權的質量監督檢驗機構依據相應標準進行檢驗，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 防爆電源箱設計

防爆電動叉車在工業現場應用的過程中，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計過程中需要重點考慮，更需要考慮優化電池容量、續航能力、整車重量之間的關系。研究表明，整車質量和蓄電池容量的關系在路面參數和速度一定情況下基本為線性關系。在整車自重一定時，如果達到設計的里程數，所需要的電池容量是一定的，自重和設計載重越大所需要的電池容量也就越大，另一方面，電池部分如果設計為隔爆型，在電池容量一定的情況下降低了電車的續航能力，因此，在防爆電動叉車的設計中，電池箱的設計是電車關鍵設計之一。電池箱安裝位置圖如圖1所示。

圖1 防爆電動叉車

3.1 電源箱設計

由于鉛酸電池十分笨重，電解液對環境腐蝕性強，循環使用壽命短，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。我們的設計采用一種體積小、重量輕，循環壽命長，高溫性能較穩定，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。按照已發布的鋰電池的國家標準要求設計磷酸鐵鋰電池，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生高溫和爆炸，在此基礎上再依據GB 3836.1—2010、GB 3836.2—2010標準進行防爆箱體設計，解決整體電源的安全性問題。

3.2 問題提出

為達到所設計要求，電池箱內部需要布置大量的蓄電池串聯才能達到需要電壓，這樣必然增加了電源箱體積和重量。依據GB 3836.2—2010《爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d” 保護的設備》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。這對箱體結構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個通用工程參數和40個發明原理所建立。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，或有幾個數字，這些數字表示40條發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為沖突中改善的一方，列所描述的工程參數是惡化的一方。該技術問題的沖突電池箱體的強度和質量，轉化為技術沖突就是強度和靜止物體質量，應實際需要，強度作為一個改善的工程參數，而箱體的質量為一個惡化的技術參數。在沖突矩陣中查詢，這一組技術沖突，得到的創新原理如表1所示。

表1 沖突矩陣

根據沖突矩陣，發明原理如表2所示。實際問題表現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中的發明原理，發現其中1、40發明原理可以有效地處理該問題，尤其是1分割原理。

表2 發明原理

3.4 原理應用

根據爆炸危險的要求，鋰電池電源箱設計成隔爆型才能應用于爆炸性氣體環境1區。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，這種思路設計出來的電源箱，其自身重量對設備性能影響不大，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航能力，需優化電源箱的設計。將材料更換為強度更高的316L作為主設計材料，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 結語

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