基于TRIZ理論的防爆電動叉車電源箱的設計研究

趙榮尊　趙大旅

摘? 要：防爆電動叉車被廣泛應用于石油、化工、醫藥等帶有一定危險性行業的物資裝卸運輸活動當中，電源箱作為防爆電動叉車動力系統的重要構成，其設計關系到叉車的使用性能及安全。文章引入TRIZ理論，對TRIZ理論下防爆電動叉車電源箱的設計進行研究，找出一種可有效提升叉車動力系統性能的設計方案，為特殊行業的物資裝運活動提供更高質量的防爆工具。

關鍵詞：TRIZ理論;防爆電動叉車;電源箱

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：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

石化等行業是我國國民經濟的支柱型產業，其生產活動存在較高的安全風險，其中，生產區域的60%以上被認定為危險區域，在這些區域應用的各類工具、設備必須具備優良的防爆性能，其中，防爆電動叉車是主要的輔助生產工具之一。在防爆電動叉車的研發生產過程中，電源箱設計既是重點也是難點。隨著相關技術的發展，傳統設備中柴油發動機造價高、污染大的現象將被有效解決，帶來新的電源箱設計方向。

1 相關概念簡介

1.1 防爆電源箱

防爆電動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計是基礎，包括單體電池和連接零件。傳統防爆電動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較高、體型較大，使用壽命有限，且隨著工業生產活動對環保性的要求逐漸提高，鉛酸蓄電池應用所帶來的污染問題也導致其無法與目前防爆電動叉車的性能要求相適應[1]。為此，行業提出采取鋰電池來取代鉛酸蓄電池，本文設計的防爆電動叉車電源箱系統即采用鋰離子電池。

1.2 TRIZ理論

TRIZ理論指的是發明問題解決理論，該理論來自蘇聯，其實質為挖掘問題然后再創造性的解決問題，是目前人們解決發明、研究過程中問題的主要理論依據和方法。在新產品、系統的設計研發過程中，常伴隨大量問題出現，這些問題中不乏很多解決困難程度較大的難點。依靠設計研發人員自身的學識、行業間交流、經驗分享等，大部分問題都可被有效解決，而對于那些困難的部分，即可借助TRIZ理論進行輔助分析。

2 基于TRIZ理論的防爆電動叉車電源箱設計

2.1 防爆電源箱技術

防爆電源箱技術包括單體蓄電池防爆、連接件防爆和箱體防爆三部分，本文重點關注單體蓄電池防爆和箱體防爆，對相關技術的應用進行介紹。

2.1.1 單體蓄電池防爆

對于3G級別的防爆電動叉車，要求在防爆電源箱單體電池結構中設置電解質液面指示裝置，在單體電源內預留足夠的空間，以免做功過程中，電解質本身因膨脹導致溢流。對于2G級別的防爆電動叉車，要求在單體電池內設置排氣裝置，避免電池內部氫氣過度集中。在安裝之前，對排氣裝置進行防爆性能檢驗，確保其能夠承受較大的沖擊，當出現異常時，電池內電解質不會溢出。選擇不易粘黏粉塵、液態物質的材料制作電池上蓋，保證上極柱絕緣凸臺在10mm以上，且每個極柱均可承受相應的電流。

2.1.2 箱體防爆

3G級別的防爆電動叉車電池箱箱體及蓋結構必須能承受其在工作過程中可能遭受的最大負荷，若箱體及蓋的內表面選用金屬材質，這種材質必須均勻覆蓋絕緣層。箱體內的絕緣隔板應選取恰當的位置進行安裝，主要用途是避免箱體局部產生高于40V的電壓，要求絕緣隔板的高度大于2/3單體電池高度。箱蓋應采取一定的固定措施，防止其輕易被打開或移動。在2G級別的防爆電動叉車中，要求電源箱箱體蓋可承重至少75J的垂直沖擊力[2]。在箱體設置通風孔，通風孔孔徑的大小結合蓄電池的容量，依照40cm2/kWh進行計算。在箱體底部設置排液孔，用以排出多余液體雜質，要求排液孔的強度在IP23以上。

2.2 TRIZ理論的應用

2.2.1 電源箱設計問題的提出

為使防爆電動叉車電源箱滿足日常運行過程中對荷載、強度、安全性、防爆性等指標的要求，電源箱常需要安裝大量蓄電池，采用串聯的方式，為防爆電動叉車運行提供穩定、充足的電壓。因此在設計過程中，不可避免會出現電源箱體積過大的問題。此外，行業標準要求，防爆電動叉車電源箱的箱體必須達到一定的防爆強度才能被應用到危險區域的實際生產活動當中，也就是多對箱體的結構、主體材料強度、厚度等均提出嚴格的要求，導致電源箱的體積和重量進一步提高。在電源箱功率相同時，自重上升必然導致叉車整體重量上升，影響運行過程中的荷載能力及續航。

2.2.2 TRIZ理論分析

將上述問題引入到TRIZ理論模型中，對其進行分析。分析過程采用的主要工具為TRIZ沖突矩陣。該矩陣為40×40方陣，其中含有39個通用工程參數以及40個發明原理，矩陣的第1行或第1列各項元素表示39個通用工程參數的序號，除此之外的行和列的元素表示40個發明原理的推薦原理序號。呈現在行中的工程參數描述沖突改善方向，呈現在列中的工程參數描述沖突惡化方向。在防爆電動叉車電源箱設計的TRIZ理論分析中，矛盾雙方為電池箱的強度和自重，且強度為改善工程參數、自重為惡化工程參數。

通過查表分析，可有效平衡電源箱強度與自重之間矛盾關系的發明原理為第1序號和第40序號，即進行分割或選用復合材料，以第1序號代表的分割原理平衡效果更佳。

2.3 防爆電源箱設計方案

2.3.1 蓄電池設計

（1）位置選擇。電源箱存在較高的自重，為保證防爆電動叉車運行過程穩定，需要合理選擇電眼想位置，采用分布式安裝進行配重。例如，傳統叉車設備中采用的鉛酸型蓄電池，通常以左右位置關系存在，確保叉車運行平衡。因此在新的設計方案中，該位置選擇原則依然被沿用。為保證電源箱的靈活性，選擇將其設計為模塊形式，準確與叉車接口相對應。

（2）蓄電池選擇。本設計方案選用鋰電池中的磷酸鐵鋰型作為防爆電動叉車的核心動力元件。磷酸鐵鋰電池自重較輕，但供電性能強大，外形尺寸有限，且具備耐高溫、輸出功率高、不易燃燒等優點，使用壽命明顯延長。依照行業相關標準，對選用的蓄電池進行過流、過壓、外力傷害、短路等極端測試，確保其在特殊環境下的運行穩定性，不發生高溫、燃燒、爆炸等問題。

（3）蓄電池管理系統設計。磷酸鐵鋰電池存在的最大缺陷在于，其本身不存在過充保護，當出現過充問題時，很可能導致正極鋰材料脫落、負極鋰元素析出，導致電池結構出現不可逆轉的變化，使用壽命大大降低。防爆電動叉車電源箱中需要多個鋰電池串聯，由于安裝誤差、老化速度不一的影響，導致整個電源箱安全系數降低。為此，需要借助蓄電池管理系統，對鋰電池的過充、過放等問題進行控制。

（4）整體構成。防爆電動叉車電源箱中蓄電池系統包括磷酸鐵鋰電池、電池組管理系統電路、開關零件、終端傳感器、接線口等。其中，總開關控制鋰電池管理系統的供電活動，系統電路板檢測溫度、電壓、電流等參數并依照檢測結果控制相關元件的狀態。

2.3.2 箱體分割設計

相較于蓄電池的選擇，電源箱的設計更為關鍵。在防爆電動叉車運行過程中，使用者要求其能夠連續、高效的運轉，防爆電源箱的設計需同時考慮蓄電池的容量、續航性能、自重等參數。通過實驗總結，在工作路況及行駛速度相同時，蓄電池的容量與叉車自重呈線性相關關系。若想要在叉車自重不變的前提下，達到標準里程，對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，對蓄電池的容量需求也隨之提高。防爆電動叉車作業于危險區域，要求設計防爆蓄電池，該種設計會降低既定容量下電池的續航。

結合防爆電動叉車的日常作業環境，需要將磷酸鐵鋰電源箱體設計為隔爆型。箱體的主體材料為鋼板，采用焊接的方式打造整體結構。由于叉車電源箱內安裝多個磷酸鐵鋰電池組，體積相對較大，為達到足夠的防爆、隔爆指標，選擇將箱體鋼板厚度設計為18mm，并加設加強鋼筋，適當增加加強鋼筋排布密度，降低箱體在受到嚴重外力干擾時的變形程度[3]。由于電源箱箱體的選材對叉車自重并不產生過高的影響，在實際工作中一般使用碳鋼材料，調節鋼板厚度及結構來達到強度及自重的平衡。

但電源箱的自重過高會對蓄電池的續航能力造成一定影響，因此結合TRIZ理論的分析結果，對電源箱箱體進行分割處理。本方案采用性能更佳的316L材料代替傳統碳鋼，在不影響自重的情況下提升箱體強度。依照分割發明原理將大面積箱體板面的厚度設計為10mm，將隔板的厚度設計為8mm。

3 結論

本文以TRIZ理論為模型，對防爆電動叉車的電源箱優化設計方案進行分析，重點研究了電源箱中蓄電池的選擇以及箱體設計。隨著相關行業的發展，會帶來更大的危險區域物質運輸需求，對防爆電動叉車的強度、續航、自重、防爆能力等要求不斷提升。借助TRIZ理論優勢，輔助分析防爆電動叉車電源箱設計過程中的顯著難題，優化工具設備性能的同時，進一步推動TRIZ理論的實踐應用。

參考文獻：

[1]孟雪.基于TRIZ理論的防爆電動叉車電源箱的設計[J].防爆電機，2019（01）：21-23.

[2]孫慧，王春利，高耀南.鉛酸蓄電池電動叉車電池改造技術的研究[J].科技通報，2017（12）：96-98+174.

[3]柯研，王新華.蓄電池防爆叉車電源裝置防爆技術及安全檢驗[J].電氣防爆，2015（04）：32-33.