平衡重式電動(dòng)叉車的設(shè)計(jì)與研究*

陳立華

（龍工（上海）叉車有限公司，上海 201612）

叉車在物流行業(yè)扮演著非常重要的角色，是物流搬運(yùn)設(shè)備中的主力軍，隨著環(huán)保要求越來越高，蓄電池叉車越來越受到用戶的青睞。本文以1.5 t蓄電池叉車為例，對(duì)叉車的設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行了論述。

1 蓄電池叉車的總體介紹

1.1 蓄電池叉車的結(jié)構(gòu)組成

蓄電池叉車由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向裝置、液壓裝置、護(hù)頂架、平衡重和工作裝置組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蓄電池叉車結(jié)構(gòu)

1.2 應(yīng)用

蓄電池叉車用于貨物的搬運(yùn)，選擇叉車噸位時(shí)，如果貨物的重心小于或等于叉車的載荷中心距，起升高度為標(biāo)準(zhǔn)的起升高度時(shí)，所選的叉車額定起重量等于或大于貨物的重量即可，反之，則根據(jù)叉車載荷曲線圖來確定叉車的噸位。

1.3 蓄電池叉車的工作原理

蓄電池叉車是以蓄電池為動(dòng)力源，打開鑰匙開關(guān)，接通電源，負(fù)責(zé)起升的電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵工作，齒輪泵從油箱中吸油，通過濾油器排出高壓油液，為工作裝置及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供液壓油，進(jìn)而完成起升、傾斜、轉(zhuǎn)向等操作。踩下加速踏板，行走電機(jī)通過減速箱降低轉(zhuǎn)速，增大扭矩，為驅(qū)動(dòng)車輪提供動(dòng)力，帶動(dòng)叉車運(yùn)行。起升電機(jī)和行走電機(jī)均由控制器進(jìn)行控制[1]。

2 蓄電池叉車主要性能參數(shù)計(jì)算

額定起重量Q=1 500 kg，載荷中心距c=500 mm，最大起升高度H=3 000 mm，軸距L=1 380 mm，門架傾角前傾α=6°，后傾β=8°，前輪自由半徑r=270 mm，滿載滾動(dòng)半徑約245 mm，前輪距2B=910 mm，前懸距b近似等于1.4r，空載最大行駛速度15 km/h，滿載最大行駛速度14 km/h，空載最大起升速度450 mm/s，滿載最大起升速度350 mm/s。

2.1 蓄電池叉車自重的估算

蓄電池叉車的設(shè)計(jì)過程需通過反復(fù)校驗(yàn)，對(duì)參數(shù)不斷修正，直至各部件設(shè)計(jì)完畢。叉車設(shè)計(jì)初期，為計(jì)算電機(jī)功率，進(jìn)行整機(jī)穩(wěn)定性校驗(yàn)等，前懸距可通過收集行業(yè)上類似產(chǎn)品資料，或通過橋負(fù)荷估算叉車自重。通常，空載時(shí)中小噸位叉車后橋負(fù)荷占車輛自重的50%～60%，R后’=x’G，滿載時(shí)后橋負(fù)荷占車輛自重的10%～15% ，R后=x(G+Q)。

叉車空載時(shí)，對(duì)前橋中心取矩：

叉車滿載時(shí)，對(duì)前橋中心取矩：

G為整機(jī)自重，kg； 取x’=0.5，x=0.12。

2.2 牽引電機(jī)選擇

滿載時(shí)前輪牽引力：F=0.025*（Q+G）*9.8=0.025*（1 500+2 985）*9.8=1 099 N。

滿載時(shí)前輪的輸出力矩：T=F*r’/1 0 0 0=1 099*245/1 000=269 N·m。

滿載時(shí)電機(jī)輸出力矩：T電機(jī)=T/i=269/20.385=13.2 N·m。

電機(jī)轉(zhuǎn)速：n=V*i*1 000*60/3.6/r’/6.28/0.95=3 254 r/min。

電機(jī)功率：P=T電機(jī)*n/9 550/0.88=13.2*3 254/9 550/0.88=5.11 kW。

式中，V為滿載行駛速度；i為傳動(dòng)比；r’為前輪滾動(dòng)半徑。

考慮到爬坡及安全，選取電機(jī)功率為1.5倍的系數(shù)，故選取的電機(jī)功率為8 kW。

2.3 泵電機(jī)的選擇

貨叉及叉架重量：184 kg。內(nèi)門架重量：114 kg。起升缸缸徑：45 mm。

起升缸承載重量：2*（1 500+184）+114=3 482 kg。

起升缸流量：V*3.14*(45/2)2*60/106=33.4 L/min，式中，V為滿載起升速度350 mm/s。

油液壓力：3 482*9.8/2/[3.14*(45/2)2]=10.7 MPa。

泵的輸出功率：（0.5+33.4）*10.7*10/612/0.95=6.2 kW。0.5為優(yōu)先閥分流量，單位L/min。

考慮到超載，選取泵電機(jī)的功率為1.5倍的系數(shù)，故選取的泵電機(jī)功率為10 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。

2.4 齒輪泵的選擇

齒輪泵的排量（0.5+33.4）*1 000/2 200/0.9=17.12 mL/r，故選取泵的排量為18 mL/r。

2.5 平衡重重量的驗(yàn)算及設(shè)計(jì)

通常各部件確定后，需確定平衡重的重量，平衡重的重量及重心決定著整機(jī)性能，偏重時(shí)，成本增加，偏輕時(shí)，滿載時(shí)后橋荷比偏小，整機(jī)穩(wěn)定性差，一般根據(jù)靜穩(wěn)態(tài)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算平衡重重量。通過三維建模，可計(jì)算出空載時(shí)整車重心位置h0=328 mm，a0=693 mm，靜穩(wěn)態(tài)系數(shù)K=Gl0/Q(b+c)=1.57，一般情況下，靜穩(wěn)態(tài)系數(shù)值在1.4～1.5范圍內(nèi)，額定起重量小的叉車取大值，根據(jù)計(jì)算得知，平衡重的重量可適當(dāng)減小。

平衡重設(shè)計(jì)時(shí)，其吊裝點(diǎn)應(yīng)基本與平衡重重心重合，便于平衡重的裝配和拆卸。平衡重的安裝一般采用懸掛加螺栓固定方式，安裝斜塊的角度一般取45°～60°，角度越大，配重固定越牢固。平衡重設(shè)計(jì)時(shí)，在結(jié)構(gòu)允許的前提下，盡可能降低重心，提高叉車的穩(wěn)定性。

2.6 穩(wěn)定性計(jì)算

由于叉車載荷重心位于前輪支撐點(diǎn)之外，在作業(yè)過程中有縱向傾翻的危險(xiǎn)，或當(dāng)叉車轉(zhuǎn)彎過急、高速轉(zhuǎn)彎時(shí)有橫向傾翻的危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)叉車進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)GB/T 26949.2—2013平衡重式叉車穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，采用傾翻角度來衡量叉車的四種狀態(tài)穩(wěn)定性[2]。

2.6.1 縱向靜穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

門架垂直，前軸與傾斜平臺(tái)平行，額定載荷，起升到最大高度H=3 000 mm，根據(jù)平行力系合成原理，此時(shí)滿載聯(lián)合重心：

tgφ=a1/h1=0.12，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4%坡度。

2.6.2 縱向動(dòng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

門架后傾到底，前軸與傾斜平臺(tái)平行，額定載荷，起升高度s=300 mm，根據(jù)平行力系合成原理，此時(shí)滿載聯(lián)合重心：

tgφ=a2/h2=0.37，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的18%坡度。

2.6.3 橫向靜穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

門架后傾到底，前輪著地點(diǎn)和轉(zhuǎn)向橋中心連線與傾斜平臺(tái)平行，額定載荷，起升高度H=3 000 mm。

tgφ=e/h2’=0.24，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6%坡度。

式中，e為聯(lián)合重心距前輪著地點(diǎn)和轉(zhuǎn)向橋中心連線的水平距離；r后為滿載時(shí)后輪靜力半徑，r后=205 mm；h2’為聯(lián)合重心距前輪著地點(diǎn)與轉(zhuǎn)向橋軸線形成平面的垂直距離。

2.6.4 橫向動(dòng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

門架后傾到底，前輪著地點(diǎn)和轉(zhuǎn)向橋中心連線與傾斜平臺(tái)平行，空載，起升高度s=300 mm，此時(shí)，重心位置h0=328 mm，a0=693 mm。此工況下，坡度為（15+1.4V）%=36%；

tgφ=e/h2’=0.93，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的36%坡度。

式中：r后’為空載時(shí)后輪靜力半徑，r后’=195 mm；V為空載最大行駛速度，V=15 km/h。

3 多路閥操縱桿的布局優(yōu)化

作為物料的搬運(yùn)工具，叉車需要頻繁地進(jìn)行起升、下降等操作，多路閥操縱桿操作的舒適性尤為重要，操縱桿的位置直接影響叉車司機(jī)操作的舒適性。如圖2所示，傳統(tǒng)叉車操縱桿多布置在儀表架上，操縱桿離司機(jī)手臂較遠(yuǎn)，長(zhǎng)時(shí)間操作會(huì)造成手臂疲勞。

改進(jìn)后叉車操作桿布置在座椅右前方（見圖2：改進(jìn)后多路閥操縱桿布局1），離座椅較近，減輕了司機(jī)手臂疲勞度。但此布局方案若達(dá)到最佳操作舒適度，會(huì)影響電瓶蓋板的開啟，進(jìn)而影響蓄電池充電及保養(yǎng)。為更好地提高司機(jī)操作舒適性，可將操縱桿做成位置可前后調(diào)節(jié)式（見圖2：改進(jìn)后多路閥操縱桿布局2），叉車工作時(shí)，可將操縱桿調(diào)至最舒適的位置，叉車充電或保養(yǎng)時(shí)，可將操縱桿推至最前端，以打開電瓶蓋板。叉車操縱桿機(jī)構(gòu)中的鎖緊手柄可將操縱桿位置停留在適合自身身高的位置[3]。

圖2 改進(jìn)后多路閥操縱桿布局

優(yōu)化后的操縱桿布局，既滿足了不同身高人群的操作舒適度需求，又不影響叉車的充電及保養(yǎng)，圖3為最終優(yōu)化后操縱桿調(diào)至最前端和最后端示意圖。

圖3 優(yōu)化后操縱桿示意圖

4 冷庫(kù)用電瓶叉車需改善部件

蓄電池叉車，尤其是小噸位蓄電池叉車，根據(jù)其環(huán)保無污染的特點(diǎn)，在冷庫(kù)中應(yīng)用較多，但在冷庫(kù)環(huán)境下，車輛液壓及電器元件需滿足低溫環(huán)境下正常使用。液壓油和齒輪油需根據(jù)不同的溫度選用不同牌號(hào)的油品。整車管路系統(tǒng)必須選用耐低溫高壓膠管，尤其是門架運(yùn)動(dòng)管路。蓄電池在低溫環(huán)境中容量和性能降低，不工作時(shí)盡量不要長(zhǎng)時(shí)間停留在冷庫(kù)里面，更不可在冷庫(kù)里面停車充電；如選用鋰電池，則盡可能選擇帶加熱系統(tǒng)的鋰電池。蓄電池在冷庫(kù)中工作時(shí)，護(hù)頂架盡可能配置防護(hù)網(wǎng)，防止冰塊等掉落[4]。

5 蓄電池叉車高溫環(huán)境使用注意事項(xiàng)

對(duì)于鉛酸蓄電池，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，電機(jī)和電控可加裝散熱風(fēng)扇。溫度較高時(shí)，電解液易缺水，需定期維護(hù)蓄電池，及時(shí)補(bǔ)充蒸餾水，或選用帶自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)的鉛酸電池。對(duì)于鋰電池，環(huán)境溫度過高會(huì)加速電池內(nèi)部材料老化，縮短電池使用壽命，當(dāng)溫度達(dá)到鋰電池的設(shè)定報(bào)警溫度時(shí)，車輛會(huì)停止工作。

蓄電池叉車充電時(shí)，充電機(jī)需安裝在陰涼通風(fēng)的環(huán)境中，遠(yuǎn)離火源，當(dāng)充電環(huán)境溫度較高時(shí)，可增加排風(fēng)設(shè)備達(dá)到降溫效果，避免充電過程中電池高溫報(bào)警。

6 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)際應(yīng)用工況來看，以上電動(dòng)叉車總體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析和計(jì)算，平衡重和橋負(fù)荷的驗(yàn)算，整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算，操縱桿優(yōu)化和特殊環(huán)境處理，是可行的。因此電動(dòng)叉車設(shè)計(jì)需要理論結(jié)合實(shí)際，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性。