南通时瑞塑胶制品有限公司 226001
摘要：工业化时代，要求工厂批量高效生产，提高效率是生产型企业不断进取的一个途径。铅酸蓄电池行业原有充电支撑平台有的是直接放置地面充电或者地面用大理石在地面垒个槽放电池充电，浪费大量可使用面积；有的使用碳钢（Q235）焊接刷漆作为充电架，但不耐铅酸蓄电池生产过程中的酸雾，几个月内就造成架体的腐蚀，而且不美观，一年内数次刷漆，费时费力；有的用不锈钢304或321材料进行焊接，用作充电架，但是不锈钢321价格昂贵，不锈钢304价格也较贵且有发黑腐蚀风险，不锈钢321和304都有架体导电隐患，对操作工人有人身安全风险，对电池生产有短路，发生火灾的风险。在此种背景下，探索一种合适的耐腐蚀，绝缘，价格合理的材料进行设计蓄电池的充电架尤为必要和迫切。
关键词：玻璃钢结构设计 母线充电架
一﹑工作流程
铅酸蓄电池经过加酸机加酸后，由操作工人将电池放入托盘中，经过无动力辊道推入自动链板输送线，自动输送到玻璃钢母线充电架一端，人工将托盘（含电池），由三层（或两层）自动升降小车逐层输送电池至充母线电架水槽内，待水槽内上满电池，关闭水槽两端密封板，人工调节溢流水高度，开启进水阀，直到水槽内的水开始从溢流口溢流为止，适当调节进水阀，保持水槽内的水循环流动，将水温控制在蓄电池工艺允许的温度范围3℃以内，由工人对电池接线充电，充电工艺完成后，开启排水阀放水，放水完毕，开启水槽密封板，从水槽内将托盘（含电池）推到升降小车的托台上，由升降小车将托盘转入自动输送线，自动输送线将电池（含托盘）输送至自动清洗烘干机，清洗干燥完毕，到后整理工作台，完毕后由操作工人装入大托盘，由叉车送入仓库。
二﹑结构特点
1.玻璃钢结构设计（拟定义）：玻璃钢拉挤型材，严格按照纤维铺设比例，达到一定弹性模量数值等级，通过梁、柱、各节点的强度计算，各种不同截面的拉挤型材进行连接装配，满足不同耐腐蚀，绝缘，耐候，耐火，热工等功能条件的受力结构。
2.母线充电架：结合铅酸蓄电池原有生产背景，研发玻璃钢拉挤间苯型材在铅酸蓄电池行业中的应用可能性，从小密电池（10AH,12AH, 20AH）全玻璃钢充电架领域着手，于2007年9月份开始，应天能公司沭阳基地邀请，按外化成蓄电池的生产要求，开始设计一种复合材料充电架（专利号：201120105267.9），到2008年2月19日定型生产，当年5月投入使用至今已有9年历史，作为受力结构，其力学性能，耐腐蚀性能，绝缘性能这三大功能已广泛被国内一线，二线蓄电池厂商广泛认可，其耐腐蚀性能与不锈钢316L相当，优于不锈钢321和304 。2011年5月应天能公司吴山基地邀请按蓄电池内化成生产要求设计开发母线充电架（专利号：201120221762.6），并且投入使用220列。天能吴山基地母线充电架的特点：母线充电架上端电缆桥架内所有充电电源线和巡检仪信号线均可通过充电架立柱和横梁的玻璃钢型材自带的线槽进入水槽内，给蓄电电池充电，外表看不到电源线及信号线，整齐美观。结构上增加设计PVC水槽，用于电池生产过程中的冷却循环，及增加进水，溢流，排水系统。
3.母线充电架水槽内的一种PVC流利条（专利号：201120105270.0），是国内真正意义上的第一根全非金属流利条，完全取代了传统的铝合金基架，不锈钢芯轴的流利条，不含有任何金属零件，杜绝一切导电及不耐腐蚀的可能性，适用于酸性浸泡工况。流利条的基座采用PVC型材经过数控铣加工，装配双支撑非金属轴承，结构稳定精准，轴承之间无可移动的位移，克服了传统铝合金流利条轴承之间容易发生位移，轴承倾斜，从而使电池跑偏。PVC流利条中的轴承内圈采用优质PVC材料，外圈采用PP材料，保持器采用PE材料，具备耐磨，自润滑，无磁电绝缘，耐腐蚀，滚珠采用GE100级玻璃珠，精度好，承受载荷每只10kg不破坏，可以连续转动百万次以上。
4.母线充电架力学承载，三层玻璃钢充电架立柱净跨距一般在2.09m，横梁为76h型材在满负荷20AH电池使用情况下，简支梁横梁变形在5mm以内，两立柱间横梁总共可以承受1.5T载荷，结构架不破坏，可以满足小密电池载荷使用要求。玻璃钢结构进行承载力学试验，进行完整的测试，验证力学数据可靠性。
5.母线充电架上的一种PVC水槽（专利号：201120105298.4），采用A级PVC，厚度８㎜，密度1.6×103kg/m³，适合整体双边折弯，形成较好抗弯曲力学性能，比传统水槽三块板焊接减少80%的拼接焊接工作量，只有少量长度方向拼接处焊接。
6.母线充电架技术参数：三层小密玻璃钢充电架为48回路，一回路18只电池，使用托盘尺寸为400X350，充电架立柱中心距2130mm,层高496mm，水槽内宽410mm，铺设流利条2根。立柱采用44A带线槽型材，横梁采用76h 带槽型材，立柱线槽内为汇集电源线与巡检仪信号线，分配到每层横梁线槽内，立柱与横梁线槽内孔相通。采用4套直径25管子进口，6套直径50管子独立溢流及排水。
三、型材力学
国家标准《结构用纤维增强复合材料拉挤型材》GB/T 31539-2015的三个等级模量：17GPa,23GPa,30GPa。参考Fibeiline、欧标和国标M23接近，SGS测试报告拉伸模量达到27GPa,这一指标超过国标M23；弯曲模量=20.9GPa，国标没有给出相关值，我们验算是采用E=23GPa，取值等于国标M23。
理论计算过程，以三层母线充电架主受力梁为例，
立柱中心距2.13m，净跨距L=2.09m
实际载荷来源：7Kgx36只20AH电池+100kg冷却水+ 26kg PVC 水槽=378kg
均布载荷承载q=3780N/2/2.09m=904N/m（2根2.09m的76h型材合计承重378kg）
玻璃钢弹性模量E=23Gpa=2.3X1010N/m2
简支梁高度76型材(h形状)截面二阶矩
Iz=40X6X352+73X6X352+6X643/12=9.6X10-5m4
四、连接方式
母线充电架的连接，立柱与主横梁直接采用316材质螺栓连接，立柱与立柱采用穿销抽芯铆钉铆接，立柱与调节地脚采用铆接方式，玻璃钢结构的连接方式还有螺纹连接，胶连接，胶栓连接，玻璃钢型材不可以焊接。
五、耐腐蚀性
铅酸蓄电池内化成生产工艺，蓄电池充电过程中补充加硫酸，其密度在1.26g/cm3，浓度是36%，不涉及到碱类物质，其中硫酸有接触到充电架上玻璃钢型材上的几率，也有大概率滴落到水槽内水中的可能性，充电过程中电池全放置在循环的水中，水淹没到电池内极板的高度位置，电池充电过程中发热，对水槽内的水有加热作用，温度可以达到45℃，控制不好温度会更高，从而产生弱酸性的水雾，生产车间环境潮湿，对于充电架上的玻璃钢型材，有严重腐蚀性，因此玻璃钢型材的设计及原材料选型上必须要适合这种工况条件，我们对玻璃钢型材进行针对性配方设计及原材料的选型。型材原材料重量占比如下表。
母线充电架在铅酸蓄电池行业使用年限，从实际使用数据来看，从2008年5月到目前为止已经使用9年多时间，仍在继续使用，初步推断使用10年时间问题不大。充电架立柱，受力横梁皆无明显蠕变变形及结构破坏，只是有些玻璃钢型材表面有少许颜色上的褪色，发白，可以清理后刷一层树脂维护，继续使用，同时加强注意玻璃钢型材生产过程中增加玻璃纤维的浸润时间，适当使用增加玻纤在树脂中的浸润性的方法，使得玻纤在树脂中充分浸透，生产出的玻璃钢型材表面才能有富树脂层，从而起到最佳的耐腐蚀效果，保证力学性能存在。
六、电绝缘性
玻璃钢拉挤型材导电电阻值极高，几乎不导电，绝缘，欧姆表测试数据基本上是无穷大；碳素钢Q235，不锈钢304,321,316均是良好的导体，其导电电阻一般几个欧姆，接近零，是非常好的导体材料，容易遭成车间生产过程中的导电及短路问题，所以在绝缘性能上的比较，玻璃钢结构优于金属结构。
七、技术规范
1.型材基体采用不饱和间苯树脂,符合《玻璃纤维增强塑料用液体不饱和聚酯树脂》GB/T8237-1987；
2.型材增强材料采用无碱玻璃纤维,符合《玻璃纤维无捻粗纱》GB/T18369-2001；
3.充电架玻璃钢型材符合《结构用纤维增强复合材料拉挤型材》GB/T 31539-2015；
4.充电架型材阻燃符合《纤维增强塑料燃烧性能试验方法 氧指数法》GB/T8924-2005；
5.充电架玻璃钢型材的老化性能试验方法符合GB/T2573-2008。
6. 充电架水槽板PVC符合《聚氯乙烯挤出板材》GB/T 13520-92。
八、性价比
母线充电架架体不同材料的成本分析如下：
鉴于蓄电池企业要求比较玻璃钢结构的母线充电架价格的合理性，要求与不锈钢304结构的充电架做比较，我们做了一些分析： 玻璃钢结构和不锈钢304结构，以等刚度为设计充电架依据，以20AH蓄电池，48回路一列充电架，一回路18只电池，使用400X350托盘，充电架总高2200，充电架宽度方向立柱内宽446，立柱中心距2130，每个立柱中心距放置18个托盘，一个托盘放置6只电池，每个电池7KG,三层总共8档，总长17.5M。做统一的设计分析对象。对于三层母线电池充电架架体的比较，得出结论：
1.不锈钢304材料在总价格上对比玻璃钢材料是没有优势的，是不可行的。
2.如果客户觉得不锈钢304好，且对不锈钢回收价值感兴趣，对于不锈钢价格区间在2015年1月到2016年9月时的价位（16元/kg），而且接受总价格贵75%，那么不锈钢304结构，可以去尝试，但是还需要增加充电架上线槽成本以及腐蚀带来的风险。
3.鉴于2016年10月初 ，原材料猛涨，不锈钢涨幅大于40%，有的金属材料涨幅更多，相信绝大部分客户不会接受比玻璃钢贵75%-115%价格的不锈钢304，而且不锈钢仍在上涨。下表充电架架体价格以玻璃钢（FRP）架体作为参照标准统计分析数据：
碳素钢（Q235）有价格优势（比FRP便宜30%-40%），但腐蚀厉害，根本就不适用使用环境，绝大部分稍具备规模的蓄电池企业均不采用。对于不锈钢321,316材料因其昂贵，也不使用，仅在2007年，有公司尝试过不锈钢321做结构，但是次年对比与玻璃钢结构设计方案预算后，不锈钢321的结构成本是玻璃钢结构的3倍，符合上表的价格分析。关于不锈钢304结构，价格是玻璃钢结构的2倍，且有腐蚀风险，还需另外配电源线槽，所以玻璃钢结构的母线充电架是蓄电池企业最佳的选择。
九、经济指标
2008年2月到2017年6月，母线充电架从设计开发使用，过程中不断改进完善，得到全国范围内蓄电池生产企业的关注和使用，对母线充电架进行经济数据的统计及分析。下表中“产值”是研发企业在充电架的销售额，“市场”是母线充电架市场额度，根据市场应用企业调查了解得到数据，“占比”是研发企业对市场份额的占有率，“竞争”指参与投标的激烈程度，“企业”是该年度涉足充电架的企业数量。
结束语：母线充电架是玻璃钢结构设计在铅酸蓄电池行业的应用，是小截面玻璃钢拉挤型材的大批量的实践应用，中大截面玻璃钢型材结构，桁架结构也可能会有更大的发展空间，需要企业家的决策；销售团队与工程团队的结合实现；更需要高校，研究所在结构设计标准，理论力学的指导下，不断实践完善与提升，使玻璃钢结构有更大的蓬勃发展，让玻璃钢结构在中国得到普及和更上一个台阶，为各个行业的应用领域，提供不同使用功能的受力结构，创造玻璃钢结构的最大价值。
参考文献:
[1]冯鹏《结构用玻璃纤维增强复合材料拉挤型材》
[2]J A Quinn 4th Edition 《Composites–Design Manual》
[3]Fiberline《Design Manual for Structural Profiles in Composite Materials》
论文作者:张建
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/9
标签：母线论文; 水槽论文; 立柱论文; 型材论文; 玻璃钢论文; 不锈钢论文; 结构论文; 《基层建设》2017年第15期论文;