平衡重式電動叉車的設計與研究*

陳立華

（龍工（上海）叉車有限公司，上海 201612）

叉車在物流行業扮演著非常重要的角色，是物流搬運設備中的主力軍，隨著環保要求越來越高，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，對叉車的設計及優化進行了論述。

1 蓄電池叉車的總體介紹

1.1 蓄電池叉車的結構組成

蓄電池叉車由動力裝置、傳動裝置、轉向裝置、液壓裝置、護頂架、平衡重和工作裝置組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 蓄電池叉車結構

1.2 應用

蓄電池叉車用于貨物的搬運，選擇叉車噸位時，如果貨物的重心小于或等于叉車的載荷中心距，起升高度為標準的起升高度時，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力源，打開鑰匙開關，接通電源，負責起升的電機帶動齒輪泵工作，齒輪泵從油箱中吸油，通過濾油器排出高壓油液，為工作裝置及轉向系統提供液壓油，進而完成起升、傾斜、轉向等操作。踩下加速踏板，行走電機通過減速箱降低轉速，增大扭矩，為驅動車輪提供動力，帶動叉車運行。起升電機和行走電機均由控制器進行控制[1]。

2 蓄電池叉車主要性能參數計算

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

蓄電池叉車的設計過程需通過反復校驗，對參數不斷修正，直至各部件設計完畢。叉車設計初期，為計算電機功率，進行整機穩定性校驗等，前懸距可通過收集行業上類似產品資料，或通過橋負荷估算叉車自重。通常，空載時中小噸位叉車后橋負荷占車輛自重的50%～60%，R后’=x’G，滿載時后橋負荷占車輛自重的10%～15% ，R后=x(G+Q)。

叉車空載時，對前橋中心取矩：

叉車滿載時，對前橋中心取矩：

G為整機自重，kg； 取x’=0.5，x=0.12。

2.2 牽引電機選擇

滿載時前輪牽引力：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。

滿載時電機輸出力矩：T電機=T/i=269/20.385=13.2 N·m。

電機轉速：n=V*i*1 000*60/3.6/r’/6.28/0.95=3 254 r/min。

電機功率：P=T電機*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為傳動比；r’為前輪滾動半徑。

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

2.3 泵電機的選擇

貨叉及叉架重量：184 kg。內門架重量：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為優先閥分流量，單位L/min。

考慮到超載，選取泵電機的功率為1.5倍的系數，故選取的泵電機功率為10 kW，額定轉速為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 平衡重重量的驗算及設計

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性能，偏重時，成本增加，偏輕時，滿載時后橋荷比偏小，整機穩定性差，一般根據靜穩態系數經驗值計算平衡重重量。通過三維建模，可計算出空載時整車重心位置h0=328 mm，a0=693 mm，靜穩態系數K=Gl0/Q(b+c)=1.57，一般情況下，靜穩態系數值在1.4～1.5范圍內，額定起重量小的叉車取大值，根據計算得知，平衡重的重量可適當減小。

平衡重設計時，其吊裝點應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。平衡重設計時，在結構允許的前提下，盡可能降低重心，提高叉車的穩定性。

2.6 穩定性計算

由于叉車載荷重心位于前輪支撐點之外，在作業過程中有縱向傾翻的危險，或當叉車轉彎過急、高速轉彎時有橫向傾翻的危險，設計過程中必須對叉車進行穩定性計算。根據GB/T 26949.2—2013平衡重式叉車穩定性標準，采用傾翻角度來衡量叉車的四種狀態穩定性[2]。

2.6.1 縱向靜穩定性實驗

門架垂直，前軸與傾斜平臺平行，額定載荷，起升到最大高度H=3 000 mm，根據平行力系合成原理，此時滿載聯合重心：

tgφ=a1/h1=0.12，大于標準規定的4%坡度。

2.6.2 縱向動穩定性實驗

門架后傾到底，前軸與傾斜平臺平行，額定載荷，起升高度s=300 mm，根據平行力系合成原理，此時滿載聯合重心：

tgφ=a2/h2=0.37，大于標準規定的18%坡度。

2.6.3 橫向靜穩定性實驗

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

tgφ=e/h2’=0.24，大于標準規定的6%坡度。

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

2.6.4 橫向動穩定性實驗

門架后傾到底，前輪著地點和轉向橋中心連線與傾斜平臺平行，空載，起升高度s=300 mm，此時，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，大于標準規定的36%坡度。

式中：r后’為空載時后輪靜力半徑，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化

作為物料的搬運工具，叉車需要頻繁地進行起升、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操作的舒適性。如圖2所示，傳統叉車操縱桿多布置在儀表架上，操縱桿離司機手臂較遠，長時間操作會造成手臂疲勞。

改進后叉車操作桿布置在座椅右前方（見圖2：改進后多路閥操縱桿布局1），離座椅較近，減輕了司機手臂疲勞度。但此布局方案若達到最佳操作舒適度，會影響電瓶蓋板的開啟，進而影響蓄電池充電及保養。為更好地提高司機操作舒適性，可將操縱桿做成位置可前后調節式（見圖2：改進后多路閥操縱桿布局2），叉車工作時，可將操縱桿調至最舒適的位置，叉車充電或保養時，可將操縱桿推至最前端，以打開電瓶蓋板。叉車操縱桿機構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 改進后多路閥操縱桿布局

優化后的操縱桿布局，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，圖3為最終優化后操縱桿調至最前端和最后端示意圖。

圖3 優化后操縱桿示意圖

4 冷庫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，根據其環保無污染的特點，在冷庫中應用較多，但在冷庫環境下，車輛液壓及電器元件需滿足低溫環境下正常使用。液壓油和齒輪油需根據不同的溫度選用不同牌號的油品。整車管路系統必須選用耐低溫高壓膠管，尤其是門架運動管路。蓄電池在低溫環境中容量和性能降低，不工作時盡量不要長時間停留在冷庫里面，更不可在冷庫里面停車充電；如選用鋰電池，則盡可能選擇帶加熱系統的鋰電池。蓄電池在冷庫中工作時，護頂架盡可能配置防護網，防止冰塊等掉落[4]。

5 蓄電池叉車高溫環境使用注意事項

對于鉛酸蓄電池，當環境溫度較高時，電機和電控可加裝散熱風扇。溫度較高時，電解液易缺水，需定期維護蓄電池，及時補充蒸餾水，或選用帶自動補水系統的鉛酸電池。對于鋰電池，環境溫度過高會加速電池內部材料老化，縮短電池使用壽命，當溫度達到鋰電池的設定報警溫度時，車輛會停止工作。

蓄電池叉車充電時，充電機需安裝在陰涼通風的環境中，遠離火源，當充電環境溫度較高時，可增加排風設備達到降溫效果，避免充電過程中電池高溫報警。

6 結語

從實際應用工況來看，以上電動叉車總體結構的系統分析和計算，平衡重和橋負荷的驗算，整機穩定性計算，操縱桿優化和特殊環境處理，是可行的。因此電動叉車設計需要理論結合實際，對產品進行優化改進設計，以提高產品的質量及可靠性。