|CPDEx 系列蓄电池防爆叉车研发

叶国云张巍
摘要：针对普通叉车存在高温、电弧、电火花、静电等引燃源，当其浓度达到爆炸极限值，遇到足够的点火能量时，会引起燃烧或者爆炸的现象，通过运用防温升、防静电、防爆电路等电气控制设计及优化机械液压控制系统，使叉车具备节能、高效、防爆、无排放等特点，解决了在军工、石油、化工、制药等易燃、易爆领域进行搬运作业的问题。
0 引言发生在石油、化工、油漆、制药、军火、煤炭等行业的火灾及爆炸，其原因有些被确定为非防爆车辆的使用所致，搬运可燃性物质的柴油及电瓶车辆可能是爆炸的起因。未经改进的普通车辆会引起爆炸事故是屡见不鲜的事实，这就对特殊环境下工业车辆的安全使用提出了很高的要求。蓄电池防爆叉车是按照特定标准要求设计制造，是工程用的Ⅱ类防爆电器设备，防爆标志是Exsd Ⅱ BT4 ，为最高防爆安全级别。它是不会引起周围环境中可燃性混合物爆炸的特种设备，是叉车的一种特殊型式，能在普通车辆禁止使用的爆炸性危险环境中作业。由于受到生态环保压力和安全生产意识的增强，作为储运设备的叉车也必须具备安全防爆技术性能，欧美等发达国家的防爆叉车已进入快速发展阶段。国内防爆叉车的发展起步较晚，经过我国机械工程技术人员几十年的不懈努力，国产蓄电池防爆叉车的整机制造水平和国产配套件制造水平不同程度地得到了提高，相关技术形成了多样化、智能化，防爆技术也得到了提升。但现有防爆叉车的技术特征仍然存在系统运行电流较大、温升高的缺陷，而且使用制动蹄片式制动易产生火花和出现温升高现象。为解决上述问题，宁波如意依托宁波市先进装备制造业重点领域首台套项目（SN2012JG004）， 2012 年3 月成立项目组， 2012 年10 月成功应用于中国人民解放军后勤部队等用户。
1 CPDEx 系列蓄电池防爆叉车研究内容1.1 设计依据JB/T 2390—2005《平衡重式叉车基本参数》、JB/T 2391—2007《0.5-10 t 平衡重式叉车技术条件》、GB19854—2005《爆炸性环境用工业车辆防爆技术通则》、GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1 部分：设备通用要求》、GB 3836.2—2010《爆炸性环境第2 部分：由隔爆外壳d 保护的设备》。车辆能在Ⅱ类、Ⅱ A、Ⅱ B 级温度组别为T1 ～ T4的爆炸性气体环境的1 区和2 区危险场所以及存在可燃性粉尘环境的21 区和22 区危险场所中使用。车辆的防爆等级为Gb（爆炸性气体环境中）和Db（可燃性粉尘环境中）。
1.2 整机主要技术参数及结构图CPDEx 蓄电池防爆叉车示意图见图1 ，整机主要技术参数如下：型号 CPD35Ex防爆标志/ 车辆分级/ 危险场所区Ex Sd Ⅱ BT4/2G/1 区驾驶方式坐驾式额定载荷 3 500 kg载荷中心距 500 mm轮胎前轮28x9-15 Ex 防爆轮胎后轮6.50-10-8PREx 防爆轮胎起升高度 3 000 mm总高( 门架最高位置) 4 280 mm总长 3 755 mm总宽 1 220 mm门架底端离地高度( 满载) 110 mm车体离地高度 140 mm最小转弯半径 2 430 mm行驶速度( 满载) 11 km/h提升速度( 满载) 200 mm/s下降速度( 满载) ＜ 600 mm/s最大爬坡度（满载） 10%制动方式机械、液压蓄电池电压80 V、容量540 Ah

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1. 工作装置 2. 驱动桥 3. 防爆轮胎 4. 防爆电源装置接线盒 5. 车架 6. 电源装置 7. 防爆控制箱 8. 防爆轮胎 9. 转向桥 10. 防静电座椅 11. 护顶架 12. 防爆照明灯 13. 防爆转向灯 14. 转向系统 15. 防爆操纵箱 16. 液压操纵系统图1 防爆叉车整机结构示意图1.3 研究方法项目组通过对现有防爆叉车的防爆性能、通用性、使用效率、经济性及可靠性进行广泛的研究和归纳分类，结合对使用效果的深入了解，总结了国内外同类产品的优缺点，在此基础上，对作业条件及特点进行了进一步分析，提出了本防爆叉车的初步方案。再经过反复认证，结合多位专家及用户的意见和建议，最终确定了本产品的设计方案。进入设计阶段后，项目组对各个控制系统、结构进行了反复的优化、修改，最终形成设计图纸。在设计图纸完成后，又组织设计、制造、检验等方面的专家评审，以期使设计更加合理、工艺性强、防爆性能高、使用维护方便、成本合理。 1.4 试验方法在方案设计阶段，进行了动态及静态的计算机仿真及可靠性分析，利用分析结果，对整车结构进行了优化。样车试制完成后，委托国家工程机械质量监督检验中心依据TSGQ 7012—2008《轻小型起重设备型式试验细则》进行了特种设备型式试验，经200 h 可靠性强化试验，各项判定指标均符合标准规定要求，型式试验合格。委托国家防爆电气产品质量监督检验中心依据GB19854—2005《爆炸性环境用工业车辆防爆技术通则》、GB 3836—2006《爆炸性气体环境用电气设备第9 部分：浇封型m》、GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1 部分：设备通用要求》、GB 3836.2—2010《爆炸性环境第2 部分：由隔爆外壳d 保护的设备》、GB12476.1—2000《可燃性粉尘环境用电气设备第1 部分：用外壳和限制表面温度保护的电气设备第1 节：电气设备的技术要求》进行了防爆性能检验，检验项目主要有机械检查、电气安装、温度测量、绝缘电阻测量、出厂温度试验，所检验项目符合依据标准的规定，并给出防爆检验报告。分页标题
2 防爆电气控制系统防爆电气控制系统主要由电源、行驶控制、提升/转向控制、照明显示等部分组成。本产品电源为满足防爆安全性要求，防止因操作人员在驾驶时的误操作和防止因防爆电源装置在充电时的误操作造成的安全隐患，在充电回路上加接了机电互锁机构，确保叉车在运行时充电插头不带电和充电时不能启动车辆。
行驶控制采用交流变频调速控制。打开钥匙，拉出紧急隔离开关时，叉车处于待机状态。当前进开关或后退开关闭合时，由驱动控制器通过CAN 总线，将转向泵请求信号送入提升控制器，控制器驱动提升电机作低速运转，带动液压泵，提供转向液压助力。当拉动多路阀上的提升或倾斜操纵杆时，开关闭合，向提升控制器发出提升或倾斜请求，控制器驱动提升电机作高速运转，带动液压泵，提供提升或倾斜压力。加速器、控制器与驱动电机组成行驶驱动回路。在前进开关或后退开关闭合时踩加速器，加速器输出0~5 V 电压，电机的转速由低向高变化，车速也相应提高。考虑到驾驶安全，防爆叉车的转向助力除了由前进开关和后退开关控制外，还受叉车车轮的控制，只要车轮有转动，不管前进、后退，开关是闭合还是断开，转向助力都不会停止。在前进和后退开关断开，并且车轮无转动时，转向助力将延时工作10 s 而自动停止。车辆灯具是严格按照爆炸性环境用灯具技术条件设计制造的照明系统，包括前大灯和前左右转向灯，其工作电压为24 V ，形成独立回路。
3 机械液压控制系统本车辆液压控制系统（见图2）是以防爆电源装置为动力源，以隔爆型交流变频防爆电机为动力，驱动齿轮泵转动，实现由电传动到机械传动到液压传动的转变。该液压系统是由一个电机驱动一个液压泵供压力油，通过液压传动，实现车辆转向、起升、倾斜和侧移等功能的需要。该液压系统分成两部分：1）全液压转向部分主要实现对车辆的转向操纵和控制；车辆启动运行时，液压泵电机和液压泵在低速下运转，通过全液压转向器将压力油输入转向液压缸，使转向液压缸运动，当改变全液压转向器的转动方向时，压力油的进油口和出油口随着改变，转向液压缸的进油口和出油口也随着改变，从而实现车辆的左转和右转。 2）工作装置的液压操作和控制部分门架是叉车的工作装置，实现货叉的起升、下降和门架的前倾、后倾等动作。工作时，液压泵电机带动液压泵在额定转速下运转，为保证防爆叉车安全，要求起升时不行走不转向，所以压力油通过全液压转向器的进油口到出油口再进入多路换向阀的进油口，由多路换向阀进行操作控制，实现货叉的起升、下降和门架的前倾、后倾等动作。
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图2 车辆液压控制系统
4 防爆技术设计创新点1）采用防碰撞火花措施，货叉和车体两侧及尾部易碰撞处都包铜板，防止碰撞时产生火花。 2）采用防电气火花、防辐射措施，控制箱、操纵箱等电气元件均采取隔爆型防护措施，实现了火花与爆炸性气体的隔离，防止爆炸的发生或发生爆炸后将其控制在隔爆体内。 3）采用防温升措施，主要是控制电机的温度，一方面，整车重心低，实现了轻量化设计，且运行电流低；另一方面，在极端情况下电机温度超过规定值时会自动停止工作。多功能组合仪表还可对车辆实现精确控制，具有再生制动、坡道软起动、反向制动和各种保护功能。 4）采用无金属无石棉制动，避免产生制动火花和高温升现象。 5）采用防静电措施，该车的座椅和方向盘外表都采用真皮装饰，防止静电积聚，轮胎采用导静电轮胎，车体采用导静电油漆。分页标题
5 成果鉴定意见 CPDEx 系列蓄电池防爆叉车的转向装置、驱动装置、门架等具有自主专利技术，结构新颖，整车重心低，作业稳定性好；采用双电机交流变频调速技术，消除了直流电机碳刷易产生火花、易磨损等缺陷；采用防碰撞火花、防静电、防爆电路等设计措施，使整车具有节能、防爆、高效、无污染等特点，综合性能达到了国内同类产品领先水平。产品经国家工程机械质量监督检验中心和国家防爆电气产品质量监督检验中心检测，所检测技术指标、防爆性能符合相关安全技术规范、国家标准及行业标准要求。综上所述，鉴定委员会一致认为该产品符合国家产业发展方向，有广阔的市场前景和推广应用价值，具有较好的经济和社会效益，同意通过项目鉴定。
6 结束语CPDEx系列蓄电池防爆叉车现已广泛应用到军工、石油、化工、制药、煤炭、仓储中心等含有爆炸性混合物的场所进行装卸、堆垛和搬运作业，客户反映使用效果非常好。公司已入选“南京军区通用物资应急采购协议供应商”之列。该产品目前已经批量生产，畅销海内外， 2016 年产量60 多台，销售金额达1 550 万元以上，净利润达320 万元，上缴税费超过150 万元，具有较好的经济效益。