柴油叉車起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林永忠

摘? ?要：本文介紹HL007型3T燃油叉車起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)叉車的一機(jī)多用，本文主要設(shè)計(jì)叉車的起升系統(tǒng)的屬具的結(jié)構(gòu)，取貨叉是叉車的標(biāo)準(zhǔn)取貨物構(gòu)件，但對于某些特殊的貨品裝卸，需依據(jù)特殊種類貨品的特點(diǎn)，專門地設(shè)計(jì)非標(biāo)的取貨品機(jī)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)特殊的叉屬器具對于生產(chǎn)的安全，工作效率的提升，叉車的應(yīng)用范圍的擴(kuò)展有著比較重要的意義。本文設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容包含有叉屬系統(tǒng)的力學(xué)系統(tǒng)分析，概況為叉屬系統(tǒng)的缸體直徑、叉屬缸行程、缸用時(shí)和叉屬缸壁、缸體、缸底強(qiáng)度計(jì)算及其穩(wěn)定性的計(jì)算解析，并在這樣的基礎(chǔ)上完成了叉屬系統(tǒng)的起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和叉屬系統(tǒng)的分布布置。

關(guān)鍵詞：柴油叉車? 叉屬系統(tǒng)? 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：U294? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0122-04

叉車發(fā)源于20世紀(jì)之20年代初，其操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)豎直方向的工作，而本身的輪式行駛可水平作業(yè)的實(shí)現(xiàn)，是短距離貨物搬運(yùn)的首選系統(tǒng)。叉屬系統(tǒng)有時(shí)也稱多裝置系統(tǒng)，叉屬系統(tǒng)是發(fā)揮叉車多用途的最好工具和裝置，當(dāng)前工程技術(shù)人員愈來愈重視叉車本體的工作效率及其對應(yīng)的安全性能，而提高叉車工作效率及對應(yīng)的安全性能，同時(shí)又能極好地降低其破損的一種有效途徑，就是叉車裝配適應(yīng)的叉屬系統(tǒng)。

本文以工作行程為根據(jù)，實(shí)現(xiàn)了總體估計(jì)和計(jì)算分析情況：選擇了叉屬系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)件的功能類型，主要的功能尺寸及操作位置的設(shè)計(jì)布置情況;確定了叉屬系統(tǒng)工作構(gòu)件各部分的功能尺寸參數(shù)（包括了叉屬系統(tǒng)的起升缸模塊和斜傾缸的配置模塊及其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)），叉屬系統(tǒng)的液壓模塊設(shè)計(jì)，對應(yīng)軸的支承結(jié)構(gòu)方式，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)模塊的構(gòu)成及配置方式，確定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等，并以這些參數(shù)為根據(jù)完成了叉車起升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1? 燃油叉車總體估算

1.1 參數(shù)概述

如圖1叉車及調(diào)距叉夾的三維建模所示，叉車配置的形式為前叉且平衡式，叉車承載模式為四支點(diǎn)，叉車的工作場合在倉庫、船艙、集裝箱內(nèi)，叉車的路面工作為比較硬的路面，叉車動(dòng)力為柴油4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

（1）叉屬系統(tǒng)的啟升門架構(gòu)型采取的是二級門架結(jié)構(gòu)，滑移門架機(jī)構(gòu)采用的是板式結(jié)構(gòu)模式，貨叉機(jī)構(gòu)采用的是自適應(yīng)掛鉤型模式，門架機(jī)構(gòu)尺寸為2010mm，其垂直段內(nèi)腔前壁到叉屬具內(nèi)嵌前軸距離為385mm;（2）叉屬系統(tǒng)啟升缸模塊采用一種單動(dòng)模式的油缸型式，與其結(jié)合的方式是動(dòng)鏈滑動(dòng)的聯(lián)結(jié)模式，其部分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立啟停和升降;（3）兩結(jié)合部的斜傾缸配置在外門架模塊的兩側(cè)面上，主油缸的前傾姿態(tài)長度為550mm;后傾姿態(tài)長度為450mm;對應(yīng)的工作行程為80mm。（4）叉屬液壓系統(tǒng)包含了油箱管路、液壓泵站路系統(tǒng)、液壓執(zhí)行構(gòu)件、各種對應(yīng)的控制閥和配套液壓鎖等;（5）叉屬系統(tǒng)的前軸模塊長度1250mm，前輪模塊長度為880mm，后輪模塊長度是780mm，前后車輪模塊的承載結(jié)構(gòu)方式是剛性的支承方式;（6）叉屬采用前驅(qū)動(dòng)即為集中驅(qū)動(dòng)，后轉(zhuǎn)向即為液壓轉(zhuǎn)向;（7）叉屬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的行程模式為：T型垂直構(gòu)型;（8）制動(dòng)器采用的模式為盤式制動(dòng)器模式。

式中g(shù)i——各部件自重（kg）;G——整車總重;x0，y0，z0——重心坐標(biāo)（mm）;

上圖列式完成了叉屬系統(tǒng)自重心的設(shè)計(jì)，假設(shè)當(dāng)前叉屬門架模塊處于垂直的位置。

1.2 叉屬穩(wěn)定性計(jì)算

整車的重心高度：

整車的重心水平距離：

標(biāo)準(zhǔn)要求：

0.1≥0.04，所以滿足要求。

1.3 系統(tǒng)牽引計(jì)算

叉屬系統(tǒng)行走功率按滿載，且行走在平直剛性好的路面上。

式中：G-系統(tǒng)自身的重量（單位：kg）;Q-系統(tǒng)的額定起重量（單位：kg）;U-系統(tǒng)滿載時(shí)行走速度峰值（單位：km/h）;f-叉屬系統(tǒng)滾阻參數(shù)，按一般混凝土的剛性路面。取數(shù)值f=0.02;η-傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率，齒輪機(jī)械系統(tǒng)效率大小為0.85。

1.4 系統(tǒng)制動(dòng)性計(jì)算

（1）按制動(dòng)長度設(shè)定制動(dòng)力參數(shù)大小，其對應(yīng)公式為：

式中：P制-系統(tǒng)制動(dòng)的力大?。ㄖ笁涸谳喬ソ拥仄矫嫔系牧Φ拇笮。▎挝唬簁g）;G—系統(tǒng)自身的重量（單位：kg）;Q—起升重量的額定數(shù)值（單位kg）;V—滿載形式最大行走速度，（單位：kg/h）δ—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量折算的制動(dòng)距離長度數(shù)值取1.2。

（2）按斜坡狀況下的制動(dòng)力參數(shù)大小。按相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，規(guī)定斜度無載停車狀態(tài)參數(shù)大小是20%;滿載停車狀態(tài)參數(shù)大小是15%。

即：P'制≥Gsina1，a1=tg-10.2

P''制≥（G+Q）sina2，a2=tg-10.15

帶入計(jì)算得到：P'制=536.4kg，P''制=591.2kg

以1083.4為選擇依據(jù)計(jì)算。

（3）輪式制動(dòng)器的要求是：單一制動(dòng)器的制動(dòng)力矩大小為：

1.5 機(jī)動(dòng)性參數(shù)確定及工作裝置功率計(jì)算

（1）最小轉(zhuǎn)彎半徑：Rmin=1770.29mm;（2）直角通道理論寬度K=1736.33 mm;（3）貨垛間的寬度S=Rmin+Rmin'=3284mm

2? 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 液壓模塊的設(shè)計(jì)

叉屬液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的說明：叉屬的油箱為對開式油箱結(jié)構(gòu)，油泵系統(tǒng)采用是齒輪泵，其型號是CB-F18C-FL（變向油泵是CB-6）。如圖2所示為叉屬液壓系統(tǒng)示意簡圖。叉屬工作電機(jī)使用的型號是Z4-112-4。叉屬的啟升缸模塊應(yīng)用單柱塞模式運(yùn)行，叉屬斜傾缸模塊采取雙塞式液缸模塊，叉屬方向控制系統(tǒng)采取多換向模塊（對應(yīng)的閥體型號為ZFS-L10C-YT-O），叉屬流量控制系統(tǒng)取單限模塊，叉屬液壓系統(tǒng)回路系統(tǒng)分為兩路來實(shí)現(xiàn)。

叉屬液壓泵站是液壓系統(tǒng)的重要部分，其功能是為液壓系統(tǒng)供給壓力流的媒介。在液泵站上必要安置的閥體可實(shí)現(xiàn)直控液壓元件的工作，本文采用非對稱上安裝模式結(jié)構(gòu)，即泵體和電機(jī)安裝在專門的臺子上（不是傳統(tǒng)的模式，安裝在叉屬油箱上蓋上），而取用的機(jī)架是帶無凸緣結(jié)構(gòu)的模式，電機(jī)配置是水平放置的模式，結(jié)合處加了彈性防振墊結(jié)構(gòu)以減少震動(dòng)。工作油泵系統(tǒng)采用CB系列的齒輪泵，其型號是CB-F88K-LL。油泵的額定轉(zhuǎn)速及所需驅(qū)動(dòng)功率選擇型號是Z4-113-6，換向閥型號選擇ZFS-C型多路換向閥。

硬管選用鋼管為?20×3，為保證統(tǒng)一性，回油管選取與壓油管選用相同的鋼管，軟管選用膠B-140內(nèi)徑為13mm，外徑：20.5～23.3mm;工作壓力是140MPa最小半徑大小為145 mm，取用60圓錐管螺紋和O型密封圈，取用46號普通液壓油。

2.2 叉屬濾油模塊的配置

叉屬過濾器的功能是除去液壓系統(tǒng)流動(dòng)性介質(zhì)中的雜質(zhì)，保證工作介質(zhì)的清潔度，延長工作元器件的壽命，保證叉屬系統(tǒng)的性能可靠，叉屬液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)故障率約75%是因?yàn)榱鲃?dòng)介質(zhì)的污染造成的，因此過濾器對叉屬液壓系統(tǒng)來說是不可或缺的重要輔器件。

叉屬濾油器：常用結(jié)構(gòu)方式是結(jié)網(wǎng)方式，隙線方式，紙芯方式，燒結(jié)方式式等，緣于網(wǎng)式濾油器的特點(diǎn)即應(yīng)用比較廣泛且結(jié)構(gòu)比較簡單，而其通油能力比較大，壓力損失比較小，清洗方便，所以主要應(yīng)用在泵體吸油管路上用于防護(hù)油，故叉屬濾油器構(gòu)型取用網(wǎng)式濾油器。叉屬油箱的設(shè)計(jì)：本文取用了開式油箱模式，在設(shè)計(jì)過程中間遇到的設(shè)計(jì)問題包含：叉屬油箱容積大小的確定、隔板高度大小的確定;濾油器、箱底部坡斜度大小的確定;采用強(qiáng)化剛度構(gòu)型模式和加載液壓泵或其他液壓件構(gòu)型;密封結(jié)構(gòu)裝置的確定等，如圖3所示。

2.3 節(jié)流閥模塊

如圖4所示節(jié)流閥模塊的示意圖：

根據(jù)啟升速度的范圍進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算：空載下降過程：初選速度數(shù)值v=24.1m/min

滿載下降過程：初選速度數(shù)值v=18.3m/min

3? 起升系統(tǒng)屬具的設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 起升系統(tǒng)屬具的設(shè)計(jì)

叉夾面板上安裝的左右對稱的液壓缸，工作時(shí)，液壓油進(jìn)入缸內(nèi)推動(dòng)缸內(nèi)的活塞桿運(yùn)動(dòng)，缸外的活塞桿部分和貨叉通過螺栓連接在一起，從而活塞桿推動(dòng)貨叉在叉夾面板上的導(dǎo)軌上來回移動(dòng)，達(dá)到調(diào)整貨叉距離目的，節(jié)省了叉車駕駛員下車人工去推動(dòng)貨叉來調(diào)整貨叉距離的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

圖5所示為叉屬系統(tǒng)的兩端鉸支的受力結(jié)構(gòu)圖，其活塞桿可看作是一個(gè)整體的構(gòu)件，構(gòu)件缸筒受到高壓油作用軸向力P，與構(gòu)件座底的軸向反力構(gòu)成作用力和反作用力。在不考慮活塞與缸體構(gòu)件受力情況下，活塞構(gòu)件與端蓋間的間隙的前提下，缸筒結(jié)構(gòu)可認(rèn)為不受壓力作用的情況，任意截面的彎矩為零。實(shí)際上由于間隙的存在，當(dāng)叉屬液壓缸失穩(wěn)情況下，缸筒結(jié)構(gòu)也存在轉(zhuǎn)角和擾曲變形。

圖5示例中，E1I1，E2I2標(biāo)示的情況分別表示叉屬活塞桿，缸體本構(gòu)抗彎剛度;F是缸體本構(gòu)橫向承受的載荷大小情況;L表示缸本體的總長度數(shù)值大小;L1表示活塞桿延展出的長度數(shù)值;L2表示導(dǎo)向桿的長度數(shù)值;L3表示缸體本構(gòu)長度數(shù)值;δ1、δ2分別表示桿和缸體本構(gòu)的最大擾度數(shù)值情況;U1表示活塞桿與端蓋的間隙情況;U2表示活塞桿與缸筒的間隙數(shù)值。

3.2 油缸行程計(jì)算

油缸行程分析圖6所示。

如圖6示意，斜傾油缸與門架模塊的結(jié)合點(diǎn)，與車架的結(jié)合點(diǎn)和門架傾角結(jié)合的狀況下，采用作圖法求得斜傾缸活塞的行程數(shù)值大小情況，并在所受力和行程參數(shù)改變情況的確定后，設(shè)計(jì)斜傾缸參數(shù)，為簡化計(jì)算的過程，設(shè)C和C（作為A和A旋轉(zhuǎn)一定角度后的另一種狀態(tài)）來求得缸體本構(gòu)的行程H。

綜上：活塞桿的行程大小為：493mm-413mm=80mm

4? 結(jié)論

本文以國內(nèi)外已使用的叉屬技術(shù)為參考，通過學(xué)習(xí)研究，以叉車的構(gòu)造和工作原理為基礎(chǔ)，主要完成了幾點(diǎn)工作：（1）實(shí)現(xiàn)了叉車總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即根據(jù)各個(gè)模塊的技術(shù)參數(shù)要求及工作的狀況，確定整機(jī)構(gòu)型的型式，各部分結(jié)構(gòu)的具體形式，尺寸參數(shù)數(shù)值大小，進(jìn)行選型和配置;對各模塊的技術(shù)性能進(jìn)行計(jì)算或估算，為各部件的技術(shù)設(shè)計(jì)提供基本的依據(jù)。（2）優(yōu)化了叉屬液壓系統(tǒng)及線路配置;（3）優(yōu)化了叉屬起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特別是活塞桿行程及油缸的參數(shù)。

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