一種電動叉車液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

張河寧　蘇丹　馮嬌嬌等

中圖分類號：U292.27+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-0226（2021）12-0054-04

1前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近幾年全球叉車需求量持續(xù)增長。當(dāng)前能源危機(jī)持續(xù)漫延，世界叉車保有量又在迅速增長，研制節(jié)能型叉車已成為中國及世界叉車工業(yè)技術(shù)開發(fā)的新熱點(diǎn)，因而研究節(jié)能型電動叉車具有巨大的市場價(jià)值和現(xiàn)實(shí)的社會效益。

電動叉車是叉車的一大種類。電動叉車以電動機(jī)為動力，蓄電池為能源，其控制系統(tǒng)由液壓元件組成，特點(diǎn)是沒有污染、噪音小。

本文主要對液壓系統(tǒng)及元件的性能參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，根據(jù)得出的結(jié)果對擬開發(fā)研制的叉車液壓系統(tǒng)元器件進(jìn)行選型。

2液壓系統(tǒng)優(yōu)化方案

液壓系統(tǒng)是電動叉車的重要組成部分，液壓系統(tǒng)由工作油泵、單穩(wěn)分流閥、轉(zhuǎn)向器、限速閥、多路閥、提升油缸、傾斜油缸、橫移油缸及管路等附件組成。

液壓油由油泵供給，經(jīng)由多路閥，控制起升、橫移、傾角油缸三種執(zhí)行油缸。液壓系統(tǒng)中采用了轉(zhuǎn)向和執(zhí)行油缸共用一個(gè)油泵控制。系統(tǒng)中設(shè)置單路穩(wěn)定分流閥，轉(zhuǎn)向時(shí)，液壓油泵優(yōu)先供油給單路穩(wěn)定分流閥，單路穩(wěn)定分流閥供給轉(zhuǎn)向器，剩余流量供油給執(zhí)行油缸。單穩(wěn)閥可對轉(zhuǎn)向、工作裝置共泵供油。在油泵供油量及液壓系統(tǒng)負(fù)荷變化的情況下，通過單穩(wěn)閥保證轉(zhuǎn)向器的穩(wěn)定流量，以滿足主機(jī)液壓轉(zhuǎn)向性能的要求，并將一部分壓力油供給多路閥。

傳統(tǒng)的電動叉車液壓系統(tǒng)流量差異比較大，因此選用兩個(gè)油泵，主要工作原理是兩組液壓油泵分別控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和油缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但同時(shí)存在著成本高和耗能大兩方面問題。

優(yōu)化后的電動叉車液壓系統(tǒng)則采用單路穩(wěn)定分流，共泵技術(shù)。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：簡化設(shè)計(jì)，降低成本;選用負(fù)載敏感比例多路閥，可選取不同的流量壓力插芯;選用單路穩(wěn)定分流閥，減少了一個(gè)油泵和一個(gè)電機(jī)組，具有耗能少的優(yōu)點(diǎn);傾斜裝置設(shè)置背壓閥;限速閥能控制貨叉下降速并起安全作用。

總體來說，優(yōu)化后的電動叉車結(jié)構(gòu)簡單，裝配及維修容易，操作方便，提高了電機(jī)的可靠性和使用壽命，以及整機(jī)的效率和安全性能。

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組成系統(tǒng)的元件應(yīng)全面考慮多種因素的影響以滿足系統(tǒng)的功能要求，最重要的是首先確定并計(jì)算出執(zhí)行元件的相關(guān)參數(shù)，確定驅(qū)動元件、執(zhí)行元件和控制元件。

3優(yōu)化元件介紹

3.1多路閥

多路閥的作用是通過控制不同的換向閥手柄，從而實(shí)現(xiàn)舉升、下降、傾角、平移等動作。傳統(tǒng)的多路閥雖然應(yīng)用廣泛，但存在著原理上的缺陷，主要問題如下：

a.傳統(tǒng)多路閥節(jié)流調(diào)速時(shí)，它的流量隨負(fù)載而變，流量不穩(wěn)定，不能進(jìn)行比例控制;

b.操縱手柄力隨負(fù)載而變與閥芯位移不成正比。

負(fù)載敏感比例多路閥用于控制液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動方向和運(yùn)動速度（無級地，且不取決于負(fù)載），可使多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)并相互獨(dú)立地以不同的速度和壓力工作，直到流量的總和達(dá)到泵的流量為止。

此種比例多路閥是成熟產(chǎn)品，具有以下優(yōu)點(diǎn)：多路閥體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕;可以附加很多功能;操作方式多樣化，可以電控、手動、液控、氣控等多樣化組合;可以依據(jù)執(zhí)行元件的要求，選取不同的流量;可以承載更高的壓力;采用全鋼結(jié)構(gòu)，適應(yīng)環(huán)境的溫度范圍較大。

該多路閥目前在建筑機(jī)械、船舶機(jī)械、石油機(jī)械、橋梁機(jī)械、煤炭機(jī)械、鐵路機(jī)械、探礦機(jī)械以及特種車輛等諸多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

選用多路閥（圖1），用于控制液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動方向和運(yùn)動速度。多路閥采用插裝結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部有溢流閥和單向閥插件。對于流量比較大的支路，此閥可采用不同流量插芯，來平穩(wěn)控制不同流量的執(zhí)行機(jī)構(gòu);可調(diào)節(jié)整個(gè)液壓系統(tǒng)的安全壓力，油路壓差大也可以分級調(diào)節(jié)閥芯壓力;減少沖擊壓力來保護(hù)各個(gè)支路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.2提升回路

為保證系統(tǒng)工作安全，對于垂直工況的液壓系統(tǒng)，需采用必要的平衡回路。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)回路圖如圖2a設(shè)計(jì)方案一所示。它是通過采用平衡閥或液控單向閥來實(shí)現(xiàn)平衡控制，該設(shè)計(jì)方案能夠保證在叉車的工作間歇，貨物被長時(shí)間可靠地平衡和鎖緊在某一位置。但采用平衡閥或液控單向閥的平衡回路都要求液壓缸具有進(jìn)油和出油兩條油路，否則貨叉無法在貨物自重作用下實(shí)現(xiàn)下落，而且該設(shè)計(jì)方案無法調(diào)節(jié)貨物的下落速度，因此不能夠滿足本設(shè)計(jì)實(shí)例的設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)選方案圖如圖2b中的設(shè)計(jì)方案二所示，它采用的是一種限速閥。首先。單作用液壓缸活塞上開設(shè)小孔實(shí)現(xiàn)差動連接的方式，該流量調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)貨叉載重的大小自動調(diào)節(jié)起升液壓缸的流量，使該流量不隨叉車載重量的變化而變化，貨物越重，閥開口越小，反之閥開口越大。其次，正向過油直通，壓力損失小，工作平穩(wěn)。反向過油節(jié)流，并通過內(nèi)部負(fù)載反饋系統(tǒng)根據(jù)壓力及流量的變化自動調(diào)節(jié)閥芯的開口量，從而實(shí)現(xiàn)反向節(jié)流穩(wěn)流的作用。再有，受負(fù)載變化影響小，能有效地控制叉車負(fù)載下降時(shí)的速度值。因此能夠保證起升液壓缸的流量基本不變，起到壓力補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｏ匏匍y控制貨叉下降速，并在高壓破裂等意外情況下起安全作用。

3.3單路穩(wěn)定分流閥

單路穩(wěn)定分流閥（圖3）用于共泵分流系統(tǒng)，除控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)外，并將一部分壓力油供給其它液壓工作部件。在油泵供油量及液壓系統(tǒng)負(fù)荷變化的情況下，通過單穩(wěn)閥保證轉(zhuǎn)向器的穩(wěn)定流量。以滿足主機(jī)液壓轉(zhuǎn)向性能的要求。該系統(tǒng)優(yōu)先滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，同時(shí)將其余流量供油給貨叉、傾角、平移工況。

3.4傾斜裝置

傾斜裝置采用兩個(gè)并聯(lián)的液壓缸作執(zhí)行元件，兩個(gè)液壓缸同步動作是通過兩個(gè)活塞桿同時(shí)剛性連接在門架上的機(jī)械連接方式來保證的，以防止叉車桿發(fā)生變形，更好地驅(qū)動叉車門架貨又復(fù)位或傾斜。為防止貨又在復(fù)位過程中由于自重超速產(chǎn)生復(fù)位等問題，在傾角液壓缸回路中設(shè)置一個(gè)背壓閥：一方面，可以保證傾斜液壓缸在負(fù)值的作用下平穩(wěn)工作;另一方面，也可以防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生。其原理圖如圖4所示。傾斜液壓缸的換向也可直接采用多路閥或換向閥來實(shí)現(xiàn)。

4優(yōu)化計(jì)算分析

4.1起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和受力分析

在叉車起升機(jī)構(gòu)中，在液壓力推動下，起升油缸頂起滑輪，帶動鏈條，鏈條牽引又架，使又架升降，從而實(shí)現(xiàn)貨叉和貨物的升降動作。由于滑輪組的作用，貨物的升降高度（即叉架、貨的升降高度）總是液壓缸活塞行程的兩倍，升降速度也保持這種關(guān)系。叉車起升機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖5所示。

貨物起升高度h和升降速度v的表達(dá)式如下：

h=2S

v=2K

式中，h為貨物起升高度，m;S液壓缸活塞行程，m;v為貨物升降速度，m/s;K為液壓缸活塞桿升降速度，m/s。

忽略又架沿內(nèi)門架運(yùn)動的阻力、內(nèi)門架沿外門架運(yùn)動的阻力，計(jì)算單個(gè)液壓缸活塞起升時(shí)所需的頂推力，如下式：式中，%為負(fù)載（貨物）的質(zhì)量，kg;m為貨又和叉架的質(zhì)量，kg;m為內(nèi)門架的質(zhì)量，kg;g為重力加速度，取9.8m/s。

4.2提升泵的選用

提升泵主要用于提供叉車液壓系統(tǒng)中的動力源，其提供的液壓油主要用于提升油缸、傾角油缸、移叉油缸等執(zhí)行元件的正常工作。

4.2.1主泵流量計(jì)算

根據(jù)泵理論流量計(jì)算公式：Q=V×n，其中，Q為理論流量，L/min;V為排量，mL/r;n為轉(zhuǎn)速，r/min。代入數(shù)值，容積效率取0.9，該泵實(shí)際流量q=Q×0.9。

4.2.2主泵最高工作壓力計(jì)算

主泵最高工作壓力根據(jù)如下公式來計(jì)算：

P=Q×ΔP/60

4.2.3主泵扭矩計(jì)算

驅(qū)動扭矩計(jì)算公式：

M=1.59×V×ΔP/10

式中，M為驅(qū)動扭矩，N·m;ΔP為壓差，MPa。

4.3提升油缸選用

提升油缸主要用于舉升貨叉，實(shí)現(xiàn)不同高貨物的存取，該系統(tǒng)由兩根油缸組成，如圖6所示。

已知提升油缸最大推力。擬定使用最高壓力值。提升油缸最大推力時(shí)缸徑最小應(yīng)為：

式中，D為舉升臂油缸缸徑，mm;F為2支舉升臂油缸最大推力，N;P為舉升臂油缸最高工作壓力初定值，Pa。

4.4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的選用

叉車主泵提供動力源，通過轉(zhuǎn)向器將壓力油輸送到轉(zhuǎn)向油缸，從而實(shí)現(xiàn)液壓轉(zhuǎn)向。通過單穩(wěn)閥保證轉(zhuǎn)向器的穩(wěn)定流量，以滿足主機(jī)液壓轉(zhuǎn)向性能的要求。選用分流系統(tǒng)，除控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)外，并將一部分壓力油供給其它液壓工作部件。

該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油缸為雙活塞桿雙作用液壓缸（圖7）。

在該雙活塞桿雙作用液壓油缸中，最大儲油量為油缸完全運(yùn)行到最端處時(shí)油缸中所儲油量。液壓缸儲油量計(jì)算公式為：

V=As

式中，V為液壓缸儲油量，m;A為液壓缸的作用面積，m;s為液壓缸行程，m。

將已知數(shù)據(jù)代入公式，根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)向器的排量規(guī)格，通常從一端到另一端為3～5圈，則轉(zhuǎn)向器排量為下式：

5結(jié)語

優(yōu)化后的電動叉車液壓系統(tǒng)，工作裝置為共泵供油，其主要設(shè)計(jì)點(diǎn)有三個(gè)：在油泵供油量及液壓系統(tǒng)負(fù)荷變化的情況下，通過單穩(wěn)閥保證轉(zhuǎn)向器的穩(wěn)定流量，以滿足主機(jī)液壓轉(zhuǎn)向性能的要求，并將一部分壓力油供其它執(zhí)行裝置;保證系統(tǒng)工作安全，對于有垂直下落工況的液壓系統(tǒng)，應(yīng)采用必要的平衡回路;簡化設(shè)計(jì)，以提高整機(jī)的效率和安全性能。