南通时瑞工程技术中心：张 建
【应用背景】
工业生产时代，要求工厂批量高效生产的背景下，提高效率，提升企业竞争力是生产型企业不断进取的一条通道。铅酸蓄电池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垒个槽放电池充电，浪费大量车间可使用面积；有的是用普通碳钢（Q235）焊接刷漆作为充电架，但还是不耐铅酸蓄电池生产环境中的酸雾，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321或304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价格也比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。
【工作流程】
铅酸蓄电池经过自动加酸机的加酸后，由操作工人将电池放入塑料托盘中，经过无动力辊道（或U型冷却水槽后）推入自动链板输送线，自动输送到玻璃钢充电架的一端，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托盘底部离地高度与充电架水槽内流利条上轴承的高度一致的工况条件下，将托盘（含电池），经小车托台上的转入玻璃钢充电架水槽内，待水槽内上满电池，关闭水槽两端封板。人工调节溢流水位高度，开启进水阀门，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摄氏度以内，由工人对电池接线充电，根据蓄电池生产的工艺时间，充电工艺完成后，开启排水阀门放水，放水完毕，开启封板，从水槽内将托盘（含电池）经过水槽内流利条推到升降小车的托台上，由升降小车将托盘底部与自动链板输送线上表面一致工况时，由操作工人将托盘（含电池）经过小车托台推入自动链板输送线。由自动链板输送线将电池（含托盘）输送至自动清洗烘干机，由操作工人去除托盘，将电池逐个放到自动链板输送线上，进入自动清洗烘干机，清洗干燥完毕，由自动链板输送线输送电池到后整理工作台，进行后处理， 再由自动链板输送线输送电池到自动喷码打包区域，完毕后由操作工人装入大托盘，由叉车送入仓库。
玻璃钢充电架以及静置架在整个蓄电充电区域的流程典型平面布置图如下：
【优势特点】
玻璃钢小密充电架：
1.结合铅酸蓄电池原有生产背景，为探讨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（号：201120105267.9），经过数次结构调整与完善，到2008年2月19日定型合作，当年5月份投入使用至今已有8年多历史，作为受力结构架，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，大大优于不锈钢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式电池充电架（号：201120221762.6），并且投入使用220列。2012年5月应超威公司朗山基地邀请，设计开发双排双层电池充电架（201120221749.0），并投入使用218列。天能吴山基地与超威朗山基地小密充电架的共同特点：玻璃钢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型材自带的线槽进入水槽内，给小密电池充电，外表看不到电源线及信号线，非常美观，整齐划一。架体上增加设计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。
2.小密电池充电架水槽内的一种PVC流利条（号：201120105270.0），是国内真正意义上的根全非金属流利条，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PVC材料，外圈采用PP材料，保持器采用PE材料，具备耐磨，无油自润滑，无磁电绝缘，耐腐蚀，滚珠采用GE100级玻璃珠，精度好，由国内大非金属轴承厂家专供生产，承受载荷每只10kg不破坏，可以连续转动百万次以上。
3.关于力学，三层小密玻璃钢充电架立柱中心跨距一般在2130mm，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。双排双层小密玻璃钢充电架立柱中心跨距一般在2360mm,横梁为95h(或者90h)型材，在满负荷20AH电池使用情况下，简支梁变形在5mm以内，两立柱间横梁可以承受1.6T载荷，结构架不破坏，可以满足小密电池载荷使用要求。对于力学检验有完整的测试设备，欢迎各客户单位莅临我司技术中心实地考查，验证力学数据。
4.小密充电架上的一种PVC水槽（号：201120105298.4），采用A级PVC，厚度８㎜，密度1.6×103kg/m?，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。
玻璃钢大密（含中密）充电架：
1.为开拓更高适合市场使用需求，从小密全玻璃钢充电架，2008年5月开始投入使用至今已有七年多历史，作为受力结构架，其力学性能，耐腐蚀，绝缘性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，大大优于不锈钢304，基于此开发了玻璃钢大密水槽充电架系统（号：201510422861.3）。
2.关于力学，立柱跨距一般在1250mm ,横梁可以承受2吨载荷，结构架不破坏，横梁中点弯曲小于5mm,可以满足大密电池载荷使用要求。
3.大密水槽板，采用A级PVC，厚度14㎜，密度1.6×103kg/m?左右，适合整体折弯，形成较好抗弯曲力学性能，比传统三块板焊接的水槽减少80%的拼接焊接工作量，只有少量长度方向拼接处焊接。
4.大密水槽玻璃钢专用滚道（号：201510422840.1），是真正意义上的非金属滚道，不含有任何金属零件，杜绝一切导电及不耐腐蚀的可能性。滚道芯轴采用玻璃钢材料耐腐等级高的乙烯基材料，耐腐蚀性能优于不锈钢316及304，适于酸性浸泡工况，该芯轴：大密水槽玻璃钢转轴（号：201510424816.1）。两侧轴承：大密水槽专用轴承（号：201510422840.1），为全封闭结构设计，由国内大非金属轴承厂家专供生产，承受压力每只大于30kg不破坏，可以连续转动百万次以上。滚道圆管采用加厚型PVC定型管道，受力强度好且耐摩擦。
5.酸雾罩设计，采用定型生产型材，作为边框，全透明PVC材料作透视镜，装配成型，自动化机器一体化折弯，比传统手工板材热熔折弯更简洁美观，可视化效果更好，整体罩子为全非金属材质，耐腐蚀性能极佳。
【型材力学】
对拉挤型材内部力学参数测试如左下图，右下图为标准《结构用纤维增强复合材料拉挤型材》GB/T 31539-2015数据，型材力学参数接近达到标准中的中等M23级别。
计算过程：
以三层充电架为例，净跨距L=2130mm，均布载荷承载q=15kN，每层使用2根76型材做横梁, 两端简支，中点挠度计算分析过程如下：
每层载荷=15KN/3=5KN,每根横梁型材76h所受载荷=5KN/2=2.5KN，玻璃钢钢拉挤型材弹性模量取值采用上表E=18GPa ,稍低于国标M23级标准，优于M17级标准，惯性矩76h,按类似槽钢型材简化计算，相当于2个腹板壁厚，型材壁厚6mm,76h型材简化成（6x 2）x76 矩形
Iz=bh3=x(6X2)x763=4.39X105mm4
Y==5x2.5x103x21304/384x18x103x106x4.39X105
=0.08mm
几乎不变形，也小于L，是比较安全的挠度值。
实验数据：
以三层充电架为例，跨距L=2130mm，每层均布载荷承载q=5kN，每层使用2根76型材做横梁，中点挠度测试结果为：3-4mm ，小于L，符合使用要求。
力学说明：参考FiberLine Design Manual设计标准，一般情况下，对于简支玻璃钢梁来说，集中载荷，或者均布载荷作用下，中点挠度值小L是一般安全等级（Low ），小L是较好安全等级(Normal)，小L是属于安全高等级(High)，在玻璃钢充电架系统中我们采用高的安全等级，同时由于横梁上有线槽与线槽盖子是嵌入式配合，盖子嵌入横梁6mm,如果横梁变形大于6mm,线槽盖子有脱落的风险；另外一个因素，由于国内对玻璃钢结构了解较为缺少，一般肉眼看到有形变，则认为不安全，结合这方面因素，小于6mm形变，2M视线外，肉眼基本看不出变形。
【技术参数】
关于玻璃钢充电架技术参数：
1.天能通用版本：一般一列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400350，架体立柱中心距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。
2.超威通用版本：一般一列两层双排小密充电架为40回路，一回路电池20只电池，使用托盘尺寸为400230，架体立柱中心距为2360mm，层高为700mm，水槽内宽920mm，铺设流利条4根。立柱采用44A带线槽型材，横梁采用90h带线槽型材，立柱线槽内汇集电源线，分配到上下两层横梁线槽内，立柱与横梁线槽内孔相通。采用4套直径25管子进口，4套直径50管子独立溢流及排水。
2.超威通用版本：一般一列两层双排小密充电架为40回路，一回路电池20只电池，使用托盘尺寸为400230，架体立柱中心距为2360mm，层高为700mm，水槽内宽920mm，铺设流利条4根。立柱采用44A带线槽型材，横梁采用90h带线槽型材，立柱线槽内汇集电源线，分配到上下两层横梁线槽内，立柱与横梁线槽内孔相通。采用4套直径25管子进口，4套直径50管子独立溢流及排水。
3.光宇通用版本：一般一列单层水槽内宽1200mm(或1000mm) ,铺设双滚道轴承流利条6根，架体立柱中心距1240mm,立柱采用44方管型材，横梁采用15080工字钢。采用2套直径75管子进口，2套直径75管子溢流及排水。
【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酸为硫酸，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摄氏度，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。
为确保产品产品的各项性能（力学性能，耐腐蚀性能，绝缘性能），玻璃钢充电架选用的原辅材料：
1.玻璃钢型材采用不饱和间苯树脂, 厂家：金陵帝斯曼，金陵帝斯曼树脂有限公司是由欧洲大不饱和聚酯树脂生产商---荷兰帝斯曼复合材料树脂公司和中石化金陵石化公司的合资企业。选用牌号：DSM A408-972，高耐热、高机械强度、较高断裂延伸率，良好的耐腐蚀性能。
2.玻璃钢型材增强材料采用无碱玻璃纤维, 厂家：欧文斯科宁，成立于1938年，是建筑材料和玻璃纤维复合材料领域的者，总部位于美国俄亥俄州托莱多市。在六大洲超过三十个和地区的制造、销售和研究机构中约有16,500名员工。选用牌号：SE8600-4800，此纤维制成的拉挤型材优点是高强度重量比，高抗冲击强度，优良的耐腐蚀性和光滑的表面。
3.填充材料铝粉，厂家：铝业山东分公司，1954年7月1日建成投产，是新个氧化铝生产基地牌号：H-WF-8 400#；外观呈白色晶体粉末状，无毒、无味、流动性好，白度高、含碱、含铁量低，被广泛用作人造大理石和人造玛瑙填料、牙膏摩擦剂、阻燃剂等。
4.无碱玻璃缝编毡，厂家：泰山玻纤，隶属于中材集团有限公司控股的中材股份有限公司的全资子公司，选用牌号：EMK300-1500，300g/m2，厚薄均匀，不易产生位移变形，耐冲刷性好；
5.连续毡，厂家：南京天明，牌号：EMS，300g/m2；机械性能高，绝缘性能好，耐腐蚀性能好，耐高温性能好等优异特性。
6.表面毡，厂家：欧文斯科宁，牌号：U528，300g/m2；表面毡用于表面层，形成光滑，富树脂层表面。
7.阻燃剂，厂家：青岛联美，是兵工学会阻燃学会成员单位，选用牌号：U-705，氧指数30以上；制品具有低毒、低烟、高阻燃性能。
8.色浆，厂家：上海美彩，美彩(上海)颜料有限公司成立于2006年，是美国AMERICAN COLORS INC.在华的全资子公司，AMERICAN COLORS INC.是色浆行业的者，选用牌号：PC-75452；
玻璃钢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8年多时间，仍在继续使用，初步负责任的判定使用10年时间问题不大。充电架立柱，横梁皆无明显蠕变变形及破坏，只是有些材料表面有少许颜色上的褪色，发白，可以刷一层树脂维护，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，从而起到佳的耐腐蚀效果，保证力学性能存在。
【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，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，玻璃钢制品大大优于金属制品。
【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，同时符合拉挤型材企业标准Q/320611SBZ 02-2004；
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。
【性价比】
充电架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的充电架价格的合理性，要求与不锈钢304作为充电架架体做比较，我们做了一些分析如下：
分析比较对象：间苯型玻璃钢充电架架体（左上图），不锈钢304材质架体（右上图）。以20AH蓄电池，48回路一列充电架，一回路18只电池，使用400350托盘，充电架总高2200，充电架宽度方向立柱内宽446（因为玻璃钢有螺栓六角头距离大16,不锈钢充电架430），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。
1.玻璃钢充电架架体（标准形式）：76h横梁型材，44A立柱型材
架体玻璃钢型材按照15元/KG，材料成本一列架子 15X440.8=6612元，单位一米价格为：6612/17.5=378元/m,多年来的批量制作形成安装定额，安装费用：厂内加工13元/m,厂外工地安装 25元/m ,合计：38元/m，架体总成本：416元/m。
2.不锈钢304材质充电架架体（标准形式）：充电架立柱和横梁均使用40*40*2方管型材，部分L40*2角钢型材，选用材料力学也不是特别富余，基本上也是物尽其用，壁厚也不可以再薄，如再薄影响焊接变形，管子外形尺寸，也不能再小，再小影响承载，抗弯效果不行，中点挠度弯曲变形大，所以这样与针对性设计的玻璃钢充电架对比才有意义。
按平均22元/KG算（2016.11份不锈钢304市场行情价格），每米价格为：22x489.5/17.5=615元,制作费用厂内在 5元/kg,厂外工地安装费5元/kg （含直径2.0不锈钢焊丝）,架体终价格为:615+（5+5）x28=895元/m，比玻璃钢架体贵115%。
特别说明：在2015.1月到2016.9月前，不锈钢304价格基本在 16元/kg。每米价格为：16x489.5/17=448元/M。此时间段不锈钢304有一些竞争力，对玻璃钢有一些回收上的优势，但是加上制作安装费（5+5）x28=280元，其总成本也要728元/m, 比玻璃钢架体贵约75%。
对于三层母线电池充电架架体的比较，综上分析结论：
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充电架体，可以去尝试，但是还需要增加架体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材料（FRP）架体作为参照标准统计分析：
虽然碳素钢（Q235）有一定价格因素（比FRP便宜30%-40%），但是腐蚀太厉害，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材料极其昂贵，也不使用，仅仅在2007年，有公司尝试过，但是次年对比与玻璃钢的设计预算方案后，不锈钢321的成本是玻璃钢的3倍，也基本符合上表的价格分析。关于不锈钢304材料，上面做了详细的分析，价格基本上是玻璃钢的2倍，且有腐蚀风险，还需另外配电源线槽。所以玻璃钢充电架是蓄电池企业佳的选择。当然其他还有双排双层的架体结构成本比较，大（中）密电池充电架架体结构的成本比较，可以参照三层母线式充电架架体对比分析形式，结合市场不锈钢材料的行情价，设计符合力学的架体，然后去比较，在成本上玻璃钢结构在这类载荷上，结构成本都有一定优势。
【经济指标】
2008年2月份到2017年3月份，玻璃钢充电架从设计开发使用，过程中不断改进完善，得到范围内蓄电池生产企业的关注和使用，对玻璃钢充电架进行经济数据的统计及分析。单位：万元。下表中“产值”是原创设计开发企业在充电架领域的统计数据，“市场”是玻璃钢充电架在蓄电池行业应用的销售额度，根据市场应用企业调查了解得到数据，“占比”是原创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”是该年度涉足玻璃钢充电架的企业数量。
【本文总结】
经过10余年的扎根服务于蓄电池行业，玻璃钢产品在蓄电池行业的服务分四个阶段：蓄电池企业应用阶段（2008年以前），使用玻璃钢模塑及拉挤产品（单一化）：玻璃钢格栅（铺设排水地沟用），玻璃钢栏杆（设备，平台，水池安全防护用），玻璃钢桥架；第二阶段（2008年-2010年）用玻璃钢型材按载荷要求，腐蚀要求，绝缘要求设计玻璃钢小密充电架外化成系统；第三阶段（2011年-2016年），蓄电池企业要求按内化成工艺生产，要求电池充电过程用循环水冷却，耐腐蚀要求高，基于全非金属理念设计的玻璃钢母线充电架系统，在第二第三阶段为蓄电池行业开发申请发明和实用发明共计16项，目的为了更好的融入市场，服务客户，使得客户工厂空间节约化，美观整齐，绿色环保，提高操作效率；第四阶段（2017年–）蓄电池企业要求玻璃钢充电架系中水槽同一深度水温保持一致,控制在2摄氏度以内，如温度超值，由温度传感器反馈给温控仪，由温控仪启动自动进水阀，进行水循环，调节温度，当水位达到控制警戒位置线时，由液位控制器反馈到进水阀，关闭进水阀，并发出声光报警，每只水槽温度数据可以在电脑上实时监控，保存，外接LED显示屏幕，显示所有水槽的实际温度。蓄电池企业生产技术在升级，同时也要求配套企业，进行升级换代，更加智能化为生产服务，我们有能力设计，有信心生产，负责任的提供高品质产品，并且可持续提供安装及售后服务，向蓄电池行业生产企业推荐使用。
【玻璃钢结构—趋势展望】
上文介绍了玻璃钢充电架的全过程，玻璃钢充电架仅是玻璃钢结构设计应用中的一个专业领域，是小截面玻璃钢拉挤型材在国内外的一个大批量的实践应用，供了解，参考！玻璃钢中等截面的型材结构体系，大截面型材结构体系，桁架结构体系必将有一个更大的发展与批量应用空间。需要企业家的决策；销售团队与工程技术团队的结合去努力实现；更需要高校，研究机构在标准，理论力学的指导下，不断实战，不断的总结与提升，使得玻璃钢结构有更大的蓬勃发展，使整个玻璃钢结构上再上一个台阶，为各个应用领域（各行各业），创造玻璃钢结构的价值。下图为其他行业的承重玻璃钢20T承载结构（中等型材截面应用体系）。
【备注说明】
天能集团公司，超威集团公司均为铅酸蓄电池行业龙头性企业，是铅酸蓄电池行业的双雄，均为上市公司，其产品与我们日常生活息息相关，为电动自行车提供蓄电池。
光宇集团公司，上市公司，北方大铅酸电池生产企业。
海宝电池为较早的铅酸蓄电池生产企业，目前生产基地在江苏如东，企业也具有相当大的规模。
【衷心感谢】
中科院杨雷博士/教授关于主题的定位指导
南京工业大学赵启林教授关于部分内容的指导
【参考文献】
1.冯鹏 《结构用玻璃纤维增强复合材料拉挤型材》
2.万水 《GFRP桥梁的结构分析与建造》
3.吕琴，张立国总编辑 《复合材料应用手册2012》
4.卫特典 《工程材料》 东南大学出版社
5.刘鸿文 《材料力学I》 高等教育出版社
6.程靳 《工程力学I》 机械工业出版社
7.J A Quinn 《Composites–Design Manual》
8. Fiberline《Design Manual for Structural Profiles in Composite Materials》
南通时瑞工程技术中心: 张建 EMAIL:977479567@qq.com
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