叉車舉升油缸舉升到頂時的沖擊力控制研究

楊偉

（湖南有色金屬股份有限公司黃沙坪礦業(yè)公司，湖南桂陽 424400）

叉車舉升油缸舉升到頂時的沖擊力控制研究

楊偉

（湖南有色金屬股份有限公司黃沙坪礦業(yè)公司，湖南桂陽 424400）

叉車舉升過程中因動量改變產(chǎn)生的沖擊是導致舉升油缸故障的重要原因之一，由于舉升油缸舉升的質(zhì)量大，舉升油缸活塞與端蓋碰撞時間短，碰撞過程產(chǎn)生的沖擊力大，且舉升油缸舉升動作頻繁，所以舉升油缸在頻繁的大沖擊力下容易損壞。為減小油缸所受到的沖擊力，通過對沖擊力產(chǎn)生的原因進行分析，提出了通過旁路節(jié)流的方法減小舉升油缸舉升過程中因動量改變而產(chǎn)生的沖擊力。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學建模以及AMESim仿真得出了結(jié)論，該方法可以將油缸舉升過程所受到的沖擊力減小到約為原系統(tǒng)的一半值，并可以減少能量的損失。

叉車；沖擊；旁路節(jié)流；AMESim仿真；能量損失

0 引言

叉車以其方便靈活、工作范圍小等優(yōu)點，被廣泛應用于港口碼頭、倉庫、工廠車間、車站等場所。而作為叉車最重要的舉升系統(tǒng)，其舉升、下降頻繁。在下降和舉升到舉升油缸底部和頂部時，都會因動量改變產(chǎn)生很大的沖擊力，沖擊會對油缸產(chǎn)生很大的損害，同時會使油溫升高，造成密封件的破壞致使油缸泄漏，引起安全隱患[1]。但國內(nèi)一般只對下降過程采取緩沖措施，關(guān)于上升過程沖擊的緩沖措施的研究較少。本文針對舉升油缸舉升過程中因動量改變而產(chǎn)生的沖擊問題，在理論分析的基礎(chǔ)上提出了一種通過旁路節(jié)流減小沖擊力的改進措施，并進行了數(shù)學建模與AMESim仿真分析。所得到的結(jié)論對舉升過程沖擊問題的解決有一定的參考價值。

1 叉車舉升系統(tǒng)動量沖擊原因分析

本文以CLG50H叉車為研究對象，其舉升系統(tǒng)液壓原理圖如圖1所示。當多路閥舉升閥片處于下位時，舉升油缸舉升；當舉升閥片處于上位時，舉升油缸在重物自重的作用下下降[2]。當舉升油缸以一定的速度舉升重物到頂端時，活塞會與缸蓋相撞，活塞速度會在極短的時間內(nèi)降到零。

根據(jù)沖量定理可知：

由式（1）推導得：

又因在叉車舉升到頂油缸碰撞后的速度為零，所以可以得到叉車舉升過程因動量改變而產(chǎn)生的沖擊力：

其中，F(xiàn)為因動量改變而產(chǎn)生的沖擊力，m為質(zhì)量，Δv為速度變化量，v為舉升油缸活塞碰前的初速度，t為物體碰撞的時間。

而物體碰撞的時間一般在百分之幾秒到千分之幾秒之間，所以舉升油缸在舉升到頂端時會受到很大的沖擊力。在頻繁的舉升過程中舉升油缸遭受到很大的破壞，從而致使油缸的使用壽命縮短。

圖1 叉車舉升系統(tǒng)液壓原理圖

2 叉車舉升過程沖擊的解決方法及可行性分析

通過對舉升過程的沖擊原因分析，可以得知，通過增長舉升油缸活塞與缸蓋的碰撞時間t或者減小碰撞過程的速度變化量即減小舉升油缸活塞碰撞前的初始速度v即可以減小舉升油缸所受到的沖擊力。而對升油缸活塞與缸蓋的碰撞時間進行人為的控制比較困難，所以本文選擇通過減小舉升油缸活塞碰撞前的初始速度來減小舉升油缸所受的沖擊力。解決方法的原理圖如圖2所示。

在距離舉升油缸端口處分出一條連有節(jié)流閥的油路，使油缸活塞在上升到油缸端口前進行一段時間的減速，從而減小油缸活塞與油缸端面碰撞前的動量。當油缸開始舉升時，油液經(jīng)過手動換向閥到達油缸無桿腔推動油缸舉升；當油缸舉升到支油路時，油液有一部分從支油路流回油箱，另外的油液繼續(xù)舉升油缸。通過分析，可以將舉升系統(tǒng)油路簡化成C型半橋。如圖3所示。R1為手動調(diào)節(jié)閥，R2為支流節(jié)流閥。

圖2 改進后舉升系統(tǒng)液壓原理圖

由流量公式可知：

可推導出：

圖3 C型半橋圖

將p1=0代入公式（3）可得：

其中，Q為流量，Cd為節(jié)流系數(shù)，A為節(jié)流面積，A1為手動換向閥的節(jié)流面積為可調(diào)面積，A2為旁路支流處節(jié)流閥的節(jié)流面積，不可調(diào)。Δp為節(jié)流孔兩端的壓差，ρ為油液密度，q0為流經(jīng)手動換向閥的流量，p0為手動換向閥前的壓力，q為流入舉升油缸無桿腔的流量，p為舉升油缸無桿腔壓力，q1為從支流節(jié)流閥流出的流量，p1為油箱壓力。

由式（4）、（5）、（6）、（7）可得：

其中A'為舉升油缸無桿腔面積，v為舉升油缸活塞速度。

由式（6）、（7）可以驗證，通過在油缸近端口處開旁路節(jié)流油路，可以減小舉升油缸活塞碰到油缸端蓋時的速度，從而減小舉升油缸所受到的沖擊力。同時，旁路節(jié)流會產(chǎn)生能量損耗，進而轉(zhuǎn)化成熱量，造成油溫的升高，對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生危害[3]。但旁路節(jié)流能減小溢流閥溢流時的流量，從而減小溢流時的能量損失。

液壓傳動過程中，伯努利方程可以反映能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

溢流閥產(chǎn)生的功率損失：

其中，P1為溢流閥溢流損失的功率， pp為泵出口壓力，qp為溢流閥溢流時的流量， f為溢流閥工作百分率。

節(jié)流閥產(chǎn)生的功率損失：

其中，P2為節(jié)流閥節(jié)流損失的功率，Δp為節(jié)流閥前后的壓降。

當無旁路節(jié)流時只有溢流能量損失，當有旁路節(jié)流時既有溢流能量損失，又有節(jié)流能量損失，但是此時的溢流能量損失要比原系統(tǒng)小很多。改進后的系統(tǒng)能量損失與原系統(tǒng)的能量損失可利用AMESim仿真進行比對。

3 AMESim仿真及分析

通過對叉車舉升液壓系統(tǒng)的原理分析及數(shù)學建模，對其進行AMESim建模仿真，如圖4所示。

圖4 舉升液壓系統(tǒng)仿真模型

在AMESim軟件草圖模式中簡歷如圖所示的模型，然后在子模型模式中根據(jù)實際需求選取合適的子模型。在參數(shù)模式中對系統(tǒng)模型進行參數(shù)設(shè)置，最后在運行模式中運行系統(tǒng)模型。舉升系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

將旁路節(jié)流支路設(shè)置在距舉升油缸缸底1 395 mm處，兩節(jié)流閥節(jié)流孔徑分別取D1=D2= 2.2 mm以及D1=D2=3 mm進行仿真與原系統(tǒng)進行對比，仿真圖形如圖5、圖6、圖7所示。

圖5中曲線1、2、3分別為無旁路節(jié)流時，節(jié)流孔徑為D1=D2=2.2 mm時以及節(jié)流孔徑為D1=D2=3 mm時舉升油缸上升速度曲線。從圖中曲線1可以看出，當沒有旁路節(jié)流時，舉升油缸舉升速度會在6.3秒左右會在很短的時間內(nèi)從大約0.24 m/s降到零。這是因為舉升油缸在6.3秒左右舉升到頭，油缸活塞與油缸端蓋相撞，這過程中舉升油缸活塞會受到很大的沖擊力。從圖5中曲線2可以看出，當系統(tǒng)加了旁路節(jié)流支路時，舉升油缸舉升速度會在6秒左右降到原速度的一半，即將活塞碰撞前的速度將為原來的一半值，由公式（3）可以得出，因動量改變而產(chǎn)生的沖擊力減為原來的一半值，然后再在6.7秒左右降到零。這是因為在第6秒時，舉升油缸舉升到旁路節(jié)流位置處，有一部分油液從旁路流出，舉升油缸舉升速度下降，然后在6.7秒左右舉升油缸舉升到頭。從圖5中曲線3可以看出，舉升油缸速度會在6秒左右降到負值，此時油缸下降，然后又迅速升到一個較低的速度，一直持續(xù)到15秒左右，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因與曲線2相同。

表1 舉升液壓系統(tǒng)仿真模型主要參數(shù)

圖5 活塞速度對比曲線

圖6中曲線1、2、3分別為無旁路節(jié)流時，節(jié)流孔徑為D1=D2=2.2 mm時以及節(jié)流孔徑為D1=D2= 3 mm時舉升油缸上升位移曲線。從圖中可以看出，當節(jié)流孔徑設(shè)置為D1=D2=2.2 mm時，舉升油缸舉升速度降為原來的一半，但是舉升到舉升油缸頂部的時間與原系統(tǒng)只差0.3秒左右，對原系統(tǒng)的舉升效率影響不大。當節(jié)流孔徑設(shè)置為D1=D2= 3 mm時，舉升油缸舉升速度會降到一個很低的值，但是舉升油缸到達頂部的時間與原系統(tǒng)相差8.5秒左右，這使得原系統(tǒng)的舉升效率變得很低。

圖6 活塞位移對比曲線

圖7 能量損失對比曲線

圖7中曲線1、2分別表示無旁路節(jié)流時，節(jié)流孔徑為D1=D2=2.2 mm時系統(tǒng)的能量損失曲線。從中可以看出，在6.6秒之前，有旁路節(jié)流的系統(tǒng)要比原系統(tǒng)的能量損失大，在6.6秒之后有旁路節(jié)流的系統(tǒng)要比原系統(tǒng)的能量損失小。叉車操作師傅在舉升油缸舉升到頂時，需要1～2秒時間將操縱手柄調(diào)至中位，所以，多路閥中舉升閥片開啟持續(xù)時間在8秒左右，由此可以看出，舉升過程中，改進的系統(tǒng)的能量損失要比原系統(tǒng)小。

4 結(jié)論

通過對系統(tǒng)的原理分析，提出了關(guān)于解決舉升油缸舉升過程中的沖擊方法，并進行了數(shù)學建模以及AMESim仿真分析，驗證了旁路節(jié)流方法可以減小舉升油缸活塞碰撞前的速度，從而減小舉升油缸所受到的沖擊力以及能量損失，但該系統(tǒng)比原系統(tǒng)要復雜，在系統(tǒng)的簡化方面有待改進。

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(編輯：王智圣)

圖5 數(shù)據(jù)分析完成時間對比圖

圖6 數(shù)據(jù)分析完成內(nèi)存消耗對比

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作者簡介：袁曉春，男，1984年生，大學本科，工程師。研究領(lǐng)域：信息系統(tǒng)、軟硬件平臺建設(shè)和運維。

(編輯：向 飛)

The Study of the Control of the Impact Force Generated in the Forklift’s Lifting Cylinder Lifts to the Ceiling

YANG Wei
（Hunan Nonferrous Metals Ltd Huangshaping Mineral Company，Guiyang424400，China）

The impact of the change in momentum forklift lifting process is one of the important reasons that leading to the failure of the lifting cylinder，for goods the lifting cylinder lift is very heavy and the collision time of the lifting cylinder’s piston and end cap is short，the impact force in the collision process is large.And the lifting action of the lifting cylinder is frequent.So the lifting cylinder is easily damaged.In order to reduce the impact force in the lifting process，the article puts forward a method of bypass throttle through the analysis of the cause of the impact force.On the basis of the theoretical analysis the conclusion that this method can reduce the impact force in the lifting process to half of the original system，and the energy loss is reduced.

forklift；impact；bypass throttle；AMESim simulation；energy loss

TH137.7

：A

：1009－9492(2014)12－0202－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.052

楊 偉，男，1965年生，湖南邵陽人，工程師。研究領(lǐng)域：設(shè)備管理與技改。

2014－06－23