基于TRIZ理论的防爆电动叉车电源箱的设计

(中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131)

0 引言

作为我国国民经济支柱产业的石化行业中，生产现场60～80%属于爆炸性危险场所，为了防止设备部件在通断、负载以及故障状态下产生的危险火花或危险能量，爆炸危险区域内均必须使用防爆设备。防爆电动叉车是用于石油化工场所最重要的运输工具，其动力源部分的防爆设计一直是研究的重点和难点，防爆叉车传统的动力源大多数采用柴油发动机，柴油发动机的防爆处理价格昂贵，同时还加重了环境的污染。随着电池技术的发展，采用防爆电池作为动力源已成为了防爆叉车的重要研究方向。本文以防爆电动叉车的电源箱设计为应用点，介绍采用TRIZ理论如何实现电源箱的设计。

1 TRIZ理论

苏联的G.S.Altshuller及一批研究人员，经过多年的努力提出及创建了发明问题解决理论(TRIZ)，该理论是在分析研究世界上大量高水平专利的基础上提出的，其核心是回答发明问题解决的过程、支持工具等难题，使设计者或问题解决人员能运用前人在不同领域创新的知识和经验，快速、高效地解决自己的问题。TRIZ已被认为是一种世界级创新方法[1]。

产品设计的各个阶段会遇到很多问题，有些问题很简单，有些很复杂，研发人员依赖自身、企业的经验或与外界的交流，可以解决简单问题和一些复杂问题，但很难或不能解决所有复杂问题。而TRIZ理论是在世界各国大量高水平创新研究的基础上，提出的具有完整体系的发明问题解决理论。

2 国家标准要求

目前，我国对防爆产品实行强制认证和管理。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等均为防爆产品的制造标准，GB 19854—2005为防爆工业车辆的制造标准。防爆车辆制造商按照防爆标准设计的防爆设备，均须送国家授权的质量监督检验机构依据相应标准进行检验，检验合格后，取得防爆合格证。防爆合格证有效期为5年[2]。

3 防爆电源箱设计

防爆电动叉车在工业现场应用的过程中，客户往往希望叉车能够高效地运行，不能因为电源的问题造成叉车不能工作，这在防爆电动叉车电池箱的设计过程中需要重点考虑，更需要考虑优化电池容量、续航能力、整车重量之间的关系。研究表明，整车质量和蓄电池容量的关系在路面参数和速度一定情况下基本为线性关系。在整车自重一定时，如果达到设计的里程数，所需要的电池容量是一定的，自重和设计载重越大所需要的电池容量也就越大，另一方面，电池部分如果设计为隔爆型，在电池容量一定的情况下降低了电车的续航能力，因此，在防爆电动叉车的设计中，电池箱的设计是电车关键设计之一。电池箱安装位置图如图1所示。

图1 防爆电动叉车

3.1 电源箱设计

由于铅酸电池十分笨重，电解液对环境腐蚀性强，循环使用寿命短，且不易满足大量定制化防爆叉车空间有限的安装要求，目前急需被重量轻，大能量密度的锂电池取代。我们的设计采用一种体积小、重量轻，循环寿命长，高温性能较稳定，充电快，高效输出，受外力不易燃烧、安全性较好的电池—磷酸铁锂电池作为动力源。按照已发布的锂电池的国家标准要求设计磷酸铁锂电池，可充分保证电池过充电、过放电、穿刺、跌落、挤压、短路等极端情况不产生高温和爆炸，在此基础上再依据GB 3836.1—2010、GB 3836.2—2010标准进行防爆箱体设计，解决整体电源的安全性问题。

3.2 问题提出

为达到所设计要求，电池箱内部需要布置大量的蓄电池串联才能达到需要电压，这样必然增加了电源箱体积和重量。依据GB 3836.2—2010《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d” 保护的设备》隔爆箱壳体必须满足耐爆性能和隔爆性能才能用于爆炸危险场所。这对箱体结构上和强度上提出了更高的要求，必要时需增加钢板的厚度来增加强度。这些都造成电源箱体积及自重的增加。在电池功率一定时，电源箱重量增加了整车的重量，降低了其承载能力和续航能力。因而在电源箱容量一定时，在满足空间尺寸和强度情况下其质量越轻越好。

3.3 问题分析和定义冲突

冲突矩阵是TRIZ理论中最常用也是最有用的部分，由39个通用工程参数和40个发明原理所建立。冲突矩阵是40行40列的一个矩阵，其中第1行或第1列为按顺序排列的39个描述冲突的工程参数序号。除第1行与第1列以外，其余39行与39列形成一个矩阵，矩阵中或空，或有几个数字，这些数字表示40条发明原理中推荐采用的原理序号。矩阵中的行所描述的工程参数为冲突中改善的一方，列所描述的工程参数是恶化的一方。该技术问题的冲突电池箱体的强度和质量，转化为技术冲突就是强度和静止物体质量，应实际需要，强度作为一个改善的工程参数，而箱体的质量为一个恶化的技术参数。在冲突矩阵中查询，这一组技术冲突，得到的创新原理如表1所示。

表1 冲突矩阵

根据冲突矩阵，发明原理如表2所示。实际问题表现在保证安装尺寸和箱体强度的情况下将箱体重量降为最低，通过分析表2中的发明原理，发现其中1、40发明原理可以有效地处理该问题，尤其是1分割原理。

表2 发明原理

3.4 原理应用

根据爆炸危险的要求，锂电池电源箱设计成隔爆型才能应用于爆炸性气体环境1区。电源箱箱体采用钢板焊接组成。由于其单体电池多、体积大，为满足隔爆型的耐爆性能和隔爆性能，设计钢板厚度达到16 mm，并增加加强筋防止试验时变形，并且布置密度很高才满足其强度要求，如图2所示，这种思路设计出来的电源箱，其自身重量对设备性能影响不大，故多采用普通碳钢作为原料，通过增加钢板厚度满足设计要求。但以蓄电池为动力的电源箱电控箱重量太大会影响续航能力，需优化电源箱的设计。将材料更换为强度更高的316L作为主设计材料，运用采用1#分割原理将箱体的尺寸较大的面板厚度减少到10mm、隔板厚度减少到8mm。

图2 电源箱模型图

4 结语

本文运用TRIZ原理解决了防爆电动叉车关键部件之一的电源箱优化设计问题，提高车辆的整体性能，并为设计者提供一种解决问题的新思路与方法。TRIZ原理已经成为一套解决产品设计开发问题的比较成熟的理论，在设计者兼顾性能、创新解决矛盾提供有效思路和方法。因而结合石油化工特点与标准要求，将TRIZ原理应用在石油化工创新设计中具有重要意义。