（机械电子工程专业论文）全液压叉车液压系统的设计.pdf

摘要 摘要 电动叉车是以蓄电池为能源装置的工业车辆。电动叉车具有无污染，噪音 小，经济实用的优点。电动叉车在市场上占有率节节升高，已经成为世界各国 叉车厂家重点的研究对象。现有小吨位的电动叉车性能接近内燃叉车，电动叉 车技术有了很大的提高。 本文根据叉车的实际工况，对电动叉车进行全新的设计。有以下创新点：l 、 动力源，以直流无刷电动机代替传统的直流电动机，凸现了直流无刷电动机高 效节能的优点：2 、全液压驱动，减少电动机的频繁启动，提高电池的放电容量 效率；3 、双重调速，扩大调速范围，提高叉车爬坡能力；4 、能量回收，能实 现位能、动能回收的液压系统：5 、组合式油箱，有效地降低液压系统噪声。最 后对液压系统进行试验，证明液压系统达到设计要求。 全液压叉车已经申请了中华人们共和国发明专利节能装卸搬运电动车 ( 专利号2 0 0 41 0 01 6 64 8 4 ) 。并通过了实质性审查。 关键词：叉车，直流无刷电动机，组合式油箱，能量回收，双重调速 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i cf o r k l i f tt r u c ki sa l li n d u s t r yv e h i c l ew i t hb a t t e r ya si t se n e r g y t h e a d v a n t a g eo fe l e c t r i cf o r k l i f tt r u c ki sn oc o n t a m i n a t i o n ，l o wn o i s ea n de c o n o m i c n o wt h em a r k e t i n gs h a r eo fe l e c t r i cf o r k l i f tt r u c ki si m p r o v i n gr a p i d l y , w h i c hi s s t u d i e db ym a n yf o r k l i f tc o m p a n i e si nt h ew o r l d t h ec a p a b i l i t yo ff o r k l i f tt r u c k b e l o w3t o ni sv e r ys i m i l a rt oi n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n ef o r k l i f tt r u c k ， a n dt h e t e c h n i q u e o fe l e c t r i cf o r k l i f tt r u c km a d eg r e a tp r o g r e s s t h ep a p e ra i m e dt h en e wd e s i g na n dr e s e a r c ho fe l e c t r i cf o r k l i f tt r u c ka c c o r d i n g t ot h er e a ls i t u a t i o no ff o r k l i f tt r u c k t h ei n n o v a t i o n sa sf o l l o w i n g ：1 m o t o r , u s i n gt h e b m s h l e s sd ce l e c t r i cm o t o ri n s t e a do fg e n e r a ld ce l e c t r i cm o t o rw i l lg e th i g h e f f i c i e n c ya n ds a v ee n e r g y ；2 h y d r a u l i cd r i v e ，f r e q u e n ts t a r t - u p sc a nb ea v o i d e d a n d i tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fb a t t e r y ；3 d o u b l es p e e dc o n t r o h i n g , i tw i d e nt h e s p e e dc o n t r o l l i n ga n d 啪m o v e o n t om o r es t e e ps l o p e ；4 e n e r g yr e g e n e r a t i n g ，t h e k i n e t i ca n dp o t e n t i a le n e r g yw i l lb er e g e n e r a t e d ；5 t a n kd i s c r e t e n e s s ，n o i s ec a nb e r e d u c e de f f e c t i v e l y f i n a l l y , e x p e r i m e n t sw i l lb ed o n et op r o v et h ed e s i g n t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fc o m p r e h e n s i v eh y d r a u l i cf o r k l i f tt r u c kh a db e e na p p l i e d a st h ep a t e n to fp r c ( 2 0 0 410 016 64 8 4 ) a n dp a s s e dt h em a t e r i a lc e n s o r k e yw o r d s ：f o r k l i f tt r u c k , b m s h l e s sd ce l e c t r i cm o t o r , t a n kd i s c r e t e n e s s ，e n e r g y r e g e n e r a t i n g , d o u b l e - s p e e dc o n t r o l l i n g l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、 数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位 论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 7盆 虫院 知6 年岁月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在互年解密后适用本 授权书。 指导教师签名酱圳 易年乡月必日 f 学位论文作者签名：王焉 加毛年月7 e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 签名：五亮 i 5 7 年；月7 e t 第1 章绪论 1 1 叉车简介 第1 章绪论 国际标准化组织i s o t c l1 0 把叉车称为工业车辆，它是企业内对成件托盘货 物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆的总称。叉车又名叉式 举货机、万能装卸车或自动装卸车。它是在无轨底盘上加装专用装卸工作装置构 成的。是应用十分广泛的流动式装卸搬运车辆。 1 叉车的分类町 1 按特性及功毹分类 按特性与功能分类有平衡重式叉车、前移式叉车和侧叉式叉车三种基本类 型。这三种是常用类型，插腿式叉车，越野叉车等是他们的变形。 卜货叉2 一叉架3 - 1 - 1 架4 一起升液压缸5 倾斜液压缸6 一方向盘7 一转向器 8 一传动轴9 一变速器操纵杆1 0 - 坐椅1 l 一转向助力器1 2 一发动机1 3 - 转向桥 1 4 一散热器1 5 - 手制制动杆l o - 锘t j 动踏板1 7 一驱动桥 图1 1 平衡重叉车 第1 章绪论 平衡重叉车最为常见，如图1 1 所示，是用途最广泛的一种叉车。它的工作 装置由带有货叉的可倾斜伸缩式门架系统、升降系统组成。叉车的液压系统由液 压泵、各种液压控制阀、液压缸以及联系它们形成回路的管路等组成。工作装置 位于前轴前方，靠叉车的自重和平衡重来平衡货叉上的载重，以保证它在满载工 作时的稳定性。 d j a ) 侧面叉车b ) 插腿式( 插入式) 叉车c ) 插腿式( 跨入式) 叉车 d ) 前移式( 货叉前移式) 叉车e ) 前移式( 门架前移式) 叉车 图1 2 其他类型叉车 侧面叉车，如图1 2a ) 。它的车体较长，货叉，又架和门架装在车的中部， 面向侧面。取货时使门架向侧面移出，货叉伸出车体外直入货物下，然后升起货 叉，缩回门架，再降下货叉，使货物落在它的平台上，货叉再回到初始位置进行 2 第1 章绪论 搬运侧面叉车适宜长型货物( 型钢、圆木等等) 的搬运。 插腿式叉车，见图1 2b ) 和1 2c ) 。分为插入式及跨入式两种。前者的货 叉位于带有小型车轮的前伸支腿的正上方，取货时货叉及支腿都插入货物下。后 者的货叉位于两前伸支腿之间，取货时支腿跨在货件的两侧。它们多用于室内搬 运较小的货件，虽也可用于室外，但要求地面或路面平坦。整体车身较为紧凑， 提高了整体稳定性。因构造不同，两种形式的插腿式叉车对堆垛的方式要求也不 同。它们的货件重心落在车轮构成的支撑轮廓内，外形小巧，运转灵活，所需通 道宽度很小，提高仓储的经济效益。 前移式叉车，见图1 2d ) 和图1 2e ) 其用途和使用场所与插腿式相似， 但构造原理不同。这种叉车也有两种型式：货叉前移式及门架前移式。取货时移 动货叉或门架，使货叉伸出到支承轮廓之外取货，然后带着货件回到原始位置( 支 承轮廓) 内，以提高行驶的稳定性。这类叉车对堆垛无特殊要求，但构造复杂。 越野叉车，从其构造来看，它与平衡重式叉车相似，但必须满足能够在崎岖 不平的、泥泞的或坡度很大的道路上行驶及在未经修整的场地上工作的特殊要 求，通过性较好。 2 从叉车是否具有动力装置分类 叉车又可以分为具有动力装置叉车和手动式叉车两种。 手动式叉车靠人力来完成提升、推或拉，其起升货件的高度很小，重量也较 轻。 叉车动力装置有电动机驱动式和内燃机驱动式两种。电动机驱动的叉车以蓄 电池供电为主，用电网供电的叉车很少使用。电动叉车的优点是不污染环境、噪 声小和便于操纵。但受蓄电池的容量小而且能量补充不方便的限制。电动叉车通 常用于室内及对防止污染有较高要求的场所。内燃驱动的叉车没有这些缺点，但 有排气污染和较大噪声。前移式和插腿式叉车及中、小吨位的平衡重叉车常用电 动机驱动。 1 1 2 叉车的特点和用途 叉车成为物流领域最常用的搬运车辆。主要有以下几个优点： 1 配有不同的属具，有很强的通用性 3 第1 章绪论 a ) 铲斗b ) 挑杆c ) 桶夹d ) 圆木夹 图1 3 叉车的属具 叉车的属具如图1 3 所示，一般有铲斗、挑杆、桶夹、圆木夹和推货器等。 铲斗如图1 3 a ) 所示，主要用于粉状、散粒及小块物料；挑杆如图1 3 b ) 所示， 用于较大的管状物件( 如水泥管，卷板等) ；桶夹如图1 3 c ) 所示，适用于搬运 各种桶形物件，如酒桶、油桶等。桶夹的开合抱紧有一套液压系统控制。它们和 各种叉车附件配合可将通用性很强的叉车变成专用性很强的叉车用于各种特定 的作业，提高工作效率。 2 有装卸、搬运双重功能 3 叉车车体紧凑 叉车轴距较短，转弯半径小，运转灵活，机动性强。可以通过狭窄的场地和 通道进行作业。 4 采用液压驱动装置，容易操作，动作平稳 5 叉车可以直接取货而无需辅助人员 4 第1 章绪论 由于叉车具有良好的机动性和通过性、又有较强的适应性，适合于量大且需 要迅速集散和周转的部门，因此叉车成了港口码头、铁路车站和仓库货场等部门 几乎不可缺少的物料搬运车辆。 叉车的性能得到不断的改善，品种和数量不断的增多，其应用范围也将越来 越大，主要表现在升得更高，举得更重，行驶性能更好。 1 2 国内外的发展状况 1 2 1 叉车市场的发展 1 国内叉车市场的发展 叉车主要用于工矿企业、港口码头、机场、建筑旌工、商业、仓储行业的装 卸及短距离搬运作业，还可以进入船舱和集装箱内进行装卸作业。近两年港口运 输业、物流仓储业、制造业的发展对叉车需求量大幅增长，因此也带动了国内叉 车行业的蓬勃发展。叉车行业仍将维持快速发展势头。 中国国内叉车业起步于5 0 年代末，到7 0 年代初具规模，真正发展是在8 0 年代后期引进t c m 、尼桑、三菱的技术之后，尤其是在2 0 0 0 年后，市场需求开 始明显上升，产业规模迅速扩大，2 0 0 4 年国内销量首次超过6 万台。预计到2 0 1 0 年国内市场每年的需求量在1 0 万台左右，每年平均增长1 5 - 2 0 。 叉车生产量仅次于汽车，拖拉机，排次第三。据有关部门预测，全国叉车拥 有量达到1 0 0 万台，才能适应国民经济发展的基本要求。假设每台叉车的寿命为 1 0 年，每年至少更新1 0 万台。目前我国叉车总拥有量不足2 8 万台，年产量仅 4 7 万台，其中电瓶叉车约占1 5 。每年要进口价值近2 亿美元的各式叉车。 显然，国内的叉车市场巨大，因此国外许多知名厂家在中国建厂，例如在厦 门有林德，安徽有t c m ，北京有汉拿，湖南有德士达，烟台有大字重工，上海有 日本的丰田，力至优、小松，美国的海斯特等。我国每4 3 辆叉车，就有一台外 国品牌。上述公司把2 0 世纪9 0 年代中期的产品和技术带到中国，对我国市场造 成很大冲击。 至于电瓶叉车，虽然国产的水平不高，因为它在国内的潜在市场很大，所以 仍是供不应求。电动叉车将成为未来国内叉车企业主要的研发方向，电动叉车占 叉车总数的比重正日益增大。 e 1 前中国叉车行业的现状具有以下几个特点：使用范围和数鼍尚未得到足够 拓展：市场经济环境下的产业调整仍处于初级阶段：用户使用意谚 和大部分企业 研发意识和能力较差。所以，从这几个方面来看，我 闷叉车产业填有很大的发展 5 第1 章绪论 空间。与工程机械不同，叉车行业属于物流搬运通用设备，叉车需求主要分布在 物流运输业、机械制造业、商业、建筑建材业、军工系统、纺织业、化学工业、 冶金业和能源工业，随着产业转移的推进，近两年港口运输业、物流仓储业和制 造业的发展将带动叉车需求量大幅增长，促进国内叉车行业的蓬勃发展。 综上所述，叉车的应用领域非常广泛。我国叉车市场增长的潜力很大，据业 内权威人士估计，未来三年我国叉车行业每年市场需求约1 0 万台。另外，生产 集中度的提高使得龙头企业具有更高的市场竞争能力。出口以及行业产品结构的 调整( 电动叉车需求增加) 是大势所趋。 2 国外叉车市场的发展 从七十年代末到八十年代初，在工业化国家的产品成本中，物料搬运费用占 3 0 ；到八十年代中期，这个份额扩大到4 0 9 6 ，促使各工业化国家十分重视发展 物流搬运技术。在国际市场上，用于物料搬运的叉车贸易份额出现了持续稳定增 长状态，八十年代以来，在国际贸易市场中，叉车的平均年销量为5 0 万台。电 动叉车在欧美国家的叉车生产中占6 6 ，在西欧国家1 5 吨以下的1 6 万台叉车 几乎都是电动叉车。 1 9 9 9 年日、美、欧三方工业车辆协会统计：1 9 9 9 年叉车销售额将为2 1 5 0 0 0 台，其中英国为2 5 0 0 0 台，德国为5 5 0 0 0 台，法国为4 1 0 0 0 台，意大利为2 6 0 0 0 台，西班牙为2 1 0 0 0 台，除英国外分别比1 9 9 8 年增长6 、8 、6 、1 4 。内燃 机为动力的叉车产量持平，电瓶叉车增长4 ，仓库用叉车自1 9 9 8 年超过1 0 万 台后，1 9 9 9 年达到1 l 万台，增幅达7 。1 9 9 9 年日本国内销售量预计为6 1 0 0 0 台，其中电瓶叉车约为2 4 4 0 0 台，约占4 0 9 6 ，出口欧洲、澳洲的数量继续上升。 美国以生产2 吨以上的大吨位叉车为主。2 吨以下的小吨位叉车只有少量生产。 美国每年从国际市场上购买的小吨位叉车达4 0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 台，贸易额维持在1 7 亿美元 - - 2 0 亿美元，电瓶叉车的销售额占5 7 - - - , 6 0 9 6 。日本产的电瓶叉车在美国销 售额为每台4 2 0 0 0 美元。俄罗斯叉车的现有生产能力只能满足市场需要的3 0 9 6 。 进入2 1 世纪这个格局依旧。显然，国际市场上电瓶叉车的销售形势看好。啪1 2 2 电动叉车技术的发展 1 国外电动叉车技术发展水平 国外的很多厂家采用变频调速的交流电动机驱动系统，交流电动机没有炭 刷，寿命较长，另外交流电动机的效率也比直流电动机高。在电动机调速方面， 国外的大多数叉车已经实现无级调速。 国外的最新资料表明，最新式的电动叉车已经采用了能量回收的方式，但大 6 第1 章绪论 多仅限于对于动能的回收，对于位能的回收虽有提及，但是并没有作为产品应用 到叉车中去。由于采用新的制造工艺，液压泵的噪声已经达到7 0 分贝以下，有 的比电动机的噪声还小。 在液压系统的动力装置中，采用变频电动机带动定量泵的驱动装置可以达到 变频调速和节能的目的，但是调速的范围还有一定的局限。国外的系统往往在油 路中安装多个传感器，对系统进行控制，达到较高的控制精度的目的。 2 国内电动叉车技术发展水平 相比之下，国内的叉车的研究还处于十分落后的阶段。目前，国内生产的叉 车大多是国外发达国家已经淘汰的产品。国内的叉车基本上处于仿制，或引进他 国技术的阶段，特别是电动叉车，远远没有发达国家普及。多数零部件如电控装 置、电动机、蓄电池、转向桥和多路阀等均不同程度地采用引进技术生产，国产 叉车虽然便宜，但是在使用性能，可靠性方面有相当的差距。不仅设计理念落后， 而且制造质量较差，远远不能满足国民经济发展的需要。 国内叉车的液压系统十分的落后，不少叉车的液压系统采用两个甚至多个定 量泵进行驱动，这样不仅增加了多个液压泵所占用的空间，而且结构复杂，经济 性差。从节能方面考虑，采用定量泵节流调速使系统的能量损失十分严重。在液 压控制方面，国产的叉车很少采用全液压驱动提升、转向、行走和倾斜，而仅仅 部分采用液压传动，如果采用了全液压驱动。将大大简化叉车的整体结构和提高 叉车空间的利用度。全液压驱动使控制操作更加平稳省力。国产的电动叉车都是 采用有炭刷的直流电动机，虽然调速比较容易，但是直流电动机的效率比交流电 动机低很多。 以国内近几年开发的防爆全液压电动叉车( 简称防爆电动叉车) 为例。该叉车 虽已经采用全液压系统，但是调速分为两级，最终调速还是通过节流实现，存在 节流的能量损失。防爆全液压叉车没有能量回收装置，不能进行能量回收。另外 实际操作比较复杂，不符合叉车智能化发展的趋势。 现在较先进的叉车多依赖进口，几乎没有自己的知识产权。因此亟待发展性 能先进、构思新颖的拥有自主知识产权的电动叉车。 3 未来叉车技术展望洲 未来叉车行业的发展将受到两个方面的推动，一是汽车工业发展，二是人们 对叉车性能的要求不断提高。随着机电液控制水平的不断提高，叉车的液压系统 的设计也将逐步向前发展，其功能也将随着人们的要求不断地丰富和强大。主要 体现在以下几个方面： 1 ) 更注重人类功效学没计 7 第1 章绪论 驾驶室内的精巧布置有利于提高生产率。如果所有的叉车操作部件都能按人 机工程学进行布置，司机操纵就更加舒适，更能集中精力工作。在2 0 0 0 年汉诺 威物流展览会上，国际上各大公司竞相展示其概念叉车。这些叉车虽然还只是样 机模型，还未用于商业生产，但却为未来叉车的设计指明了方向。 德国j u n g h e i r i c h 集团公司展示的概念叉车，驾驶室可旋转1 8 0 。，可避免 司机运载较为庞大的货物及倒车时扭转身体而导致背部和颈部疲劳。驾驶室内各 种控制手柄皆布置在座椅扶手上，很容易操作，大大提高了司机作业的舒适程度。 随着操作人员对操纵舒适性的要求越来越高，集成化操纵成为发展趋势。所谓集 成化操纵就是用一个操纵手柄完成蓄电池叉车的所有控制动作：叉车前进后 退、门架前移后退、门架上升下降、货叉前倾后倾、货叉左侧移右侧移。 这样，可降低操作人员的劳动强度，从而提高劳动效率。 m a n u e l a y d t 公司的概念叉车，门架位于驾驶室后面，行驶时司机可相对于 所搬运的货物转动1 8 0 。，以获得最佳视野。f l e r i a nc o e n e n 公司的剪叉式叉车， 司机始终与货物保持在一个水平线上，这样在堆放或取回货物时，始终保持良好 的视野。s t i i l 公司的r x x 概念叉车，采用航天升降液压缸，取消了型钢门架， 给司机提供了良好的前方视野，避免司机工作时因扭转身体而产生的疲劳现象， 提高了作业舒适性，安全性也得到了改善。m e r f o r d 公司设计的司机座椅悬吊 于天花板上，安全可调，大大提高了司机作业舒适程度。 2 ) 绿色环保成为叉车工业追求的目标 内燃叉车以燃油发动机为动力，功率强劲，占据现在国内叉车销售的大部分 市场；但排放和噪声污染较大，对人类健康危害较大。随着人类环保意识的增强， 环保法规的出台，排放少、噪声小的电动静液压叉车必然受到欢迎。 电动静液压叉车以其零排放、噪声小将成为首选。而更加有效地降低系统噪 音将是液压系统研究的一个方向。有资料表明：目前国际电瓶叉车的产量已占叉 车总量的4 0 ( 国内则为1 0 - - - 1 5 ) ，在德国、意大利等一些西欧国家电瓶叉 车的比例则高达6 5 ，且有不断上升的趋势。美国m h b h m a 能源公司对选用电 瓶叉车的客户采取激励措施，他们根据客户使用电瓶叉车的新旧程度提供数量不 等的补贴，极大地促进了电瓶叉车的使用。 3 ) 更强调叉车的安全性 随着国际化进程的进一步加快，工业企业除了不断改进产品质量、提高产品 的舒适性等性能外，对产品的安全性也越来越重视。产品的安全性已经成为企业 迈向国际市场的一道门槛。丰田6 系列叉车堪称安全叉车的典范。该叉车转向迅 速，效率高，稳定性好，比普通叉车舒适，特别是该车装有主动稳定系统( s a s ) ， 可显著降低叉车作业中诸如翻车等危险。s a s 采用一系列电子传感器对叉车负 8 第1 章绪论 荷、运行速度、转向角等参量进行测量，当测得潜在危险状态时，s a s 即开始工 作，以提高叉车横向稳定性，从而达到安全作业的目的。 叉车造型随着汽车工业的发展而发展。方、尖外表正被流线圆弧形外观所取 代，这也有利于改善司机的视野，提高操作安全性。 4 ) 维修性能得到改善 未来叉车的维修性、可操作性将更强，故障诊断系统将更加完善。如 j u n g h e i r i c h 集团公司生产的未来概念型叉车，整车装备一种集成运行记录器， 承担着“黑匣子的功能，可记录车辆作业中的所有数据：行驶里程及起升、下 降和停机的次数。一旦整机发生故障，仪表板上的电脑可通过无线通讯器连接到 仓储管理计算机或作业管理器上，用双向通讯频道提供完整的数据；也可通过互 联网与j 1 j n g 腿i r i c h 用户服务部沟通，汇报车辆损坏情况，进行远距离故障诊断 和维修指导。 5 ) 产品品种向专业化、多品种和模块化方向发展 自动仓储系统、大型超市的纷纷建立，刺激了对室内搬运机械需求的增长。 旁性能电动叉车、前移式叉车、窄巷道叉车等各类仓储叉车迅速发展。近期又出 现了一种铰接式叉车，它主要用于窄巷道内物料的搬运，其生产率较高，能够节 省储存空间、房屋费用和工厂所需的设备数量等，因此有很好的发展前景。 德国j u n g h e i r i c h 集团公司的未来型叉车，是一种利用前移式桥设计的新型 叉车。这种前移式桥柔性地连接到门架上，起升载荷时前桥向前推，轴距增大， 提高了车辆的稳定性；前桥和门架的连接点较传统结构高些，这就使在相同的门 架倾斜角时轴距更大，桥荷分布更均匀，行驶特性更佳。 根据美国专利( u s 4 8 3 4 4 2 4 ) ，把电动叉车独立模块组件划分出三个模块组， 第一模块组包括操纵台、蓄电池壳体和电动液压装置；第二组块为起重门架和起 升滑架：第三模块组为焊接车架、车轮、运行机构和转向机构、司机室，组合式 配重为独立组件。 如果需要生产多种起升重量和多种功能的叉车，对于全液压叉车来说，除了 一套液压系统部件，如液压泵、液压马达、电动机和控制系统外需要替换或稍做 改动之外，其余部分几乎可以不变。大大凸现了设计的灵活性，方便了产品的批 量化生产和降低成本，同时增加了维修和产品改装的互换性。 6 ) 智能化叉车 “傻瓜叉车 对驾驶未来叉车的人来 兑，容易到似乎可以不动脑筋，就像使 用傻瓜照相机一样方便和安全可靠 2 1 世纪将是人类实现叉车智能化的时代，这种改变力量将来自叉乍电子化。 从6 0 年代朵用二二极管、三级管殷i i j 分模拟集成电路的分立电子部件，到微处理 9 第l 章绪论 器把分立电子部件集合成紧凑系统等等，电子技术广泛应用于叉车系统性能的智 能化。 仪表是叉车上重要的检测设备。目前，国内的叉车仪表由组合式取代了原来 的分体式，无论是外观还是在指示性能上，都有了质的飞跃。电子技术的应用实 现了仪表的智能化，将模拟信号转换为数字信号，提高了指示仪表的精确度，叉 车工作前，能自动检测各仪表及指示信号的性能，仪表面板上有故障显示器，当 某一部件出现故障时，便显示相应的故障代码，设置报警信号。 叉车电子技术的发展方向是发展电源系统、多通道信息处理系统、叉车软件 和故障自诊关键技术。未来的叉车的换档、变速、紧急停车等均由自动驾驶装置 来完成。物料搬运系统已实现网络化管理，车载计算机处理能力显著提高，车载 局域网络逐步代替独立电子控制器，功能整合的趋势加快，整机功能的扩展将主 要依赖于计算机软件。 未来的叉车，驾驶人员只要输入你要去的地址名称，就可顺利到达目的地。 还要注意在移动通讯领域里提高无线电波的传输能力及通讯设备的信息加载速 率；在传感器领域里提高运行状态下车载探测器的探测精度；在计算机领域里提 高计算机的运行速度和可靠性，并向综合控制和智能控制方向发展；在信息处理 技术领域里完善人工智能技术、神经网络技术、现代控制技术等：在控制和伺服 机构技术领域里提高控制和伺服机构的精度、灵敏度、抗电磁干扰性能和功率密 度等。从而促进各控制系统由分散转向集中，形成一个庞大的整车电控系统一一 由中央计算机集中控制大量的传感器、微处理器和执行部件。现在看来，这些似 乎渺茫，但这确是叉车技术的发展趋势。 1 3 本论文的主要研究内容 1 3 t 目前电动叉车的几个主要问题 1 叉车的调运 叉车的提升和倾斜系统，通常采用液压传动。在调速方面，采用节流方式进 行无级调速。造成液压系统运行效率低，能量损失大i 2 传动部分结构复杂 在叉车行走装置中，普遍采用机械传动的方式。纯机械传动容易造成传动结 构较为复杂和占用空间比较大的缺点。 3 能量回收单一或者没有雒量回收 1 0 第1 章绪论 一般的电瓶叉车耗电量较大，由于蓄电池容量有限，叉车的运行时间和更换 电池将使叉车的使用成本提高。要延长叉车的使用时间，对叉车进行能量回收是 非常必要的，到目前为止：叉车仅有行走电动机的动能回收功能，无法实现位能 回收，使叉车的能量回收率大大降低。 4 国产液压泵噪声大 进口液压泵噪音低，但价格高达8 0 0 0 - - - - - 9 0 0 0 元人民币，势必会提高叉车的 生产成本。国产液压泵的噪声较大，达8 0 分贝以上。所以解决国内液压系统的 降噪问题势在必行。 5 效率低 按理，空载速度应高于满载速度。现有国产叉车的空载速度与满载速度相同， 电动机功率不能充分利用，所以提升效率低。此外，要调节提升速度只能进行向 下的速度调节，在空载状态下不能提高速度。 1 3 2 本论文主要研究的问题 本论文需要解决的关键问题主要有四方面： 1 叉车的谓速问题。 对叉车的行走、提升和倾斜系统的速度都采用无节流的无级调速。以提高叉 车的运行效率和操作人员的舒适感。采用变频控制直流无刷电动机和变量泵双重 调速方式不仅增大调速的范围，而且可以解决节流调速造成的能量损耗的问题。 采用变频控制调速系统是关键。 2 叉车的传动装置问题 采用全液压传动，简化叉车的结构，增大系统传动功率一重量比。减少电动 机的启动频率，减少蓄电池的大电流放电问题，从而提高蓄电池的放电容量效率。 3 叉车能量的再生问题。 对系统的动能和位能进行回收再生，以增加蓄电池的使用时间和叉车的工作 时间，提高工作效率。 4 叉车的降噪问题。 设计潜油式电动机一一液压泵组件，使电动机和泵在一f 作的过程中的噪声降 到最低。弥补液压泵本身噪声较大的不足。 第1 章绪论 1 4 本章小结 1 介绍了叉车的特点和用途； 2 介绍了当前国内外的叉车市场，可以看出叉车市场潜力巨大； 3 介绍了当前国内外叉车技术的发展和趋势，归纳了国内外叉车技术的差 距： 4 提出了本论文要解决的主要问题一一电动机和液压泵的双重调速、能量回 收、全液压驱动和降噪。 2 1 叉车工况简介 第2 章叉车液压系统的分析 图2 1 叉车作业示意图刚 如图2 1 所示，叉车一般的工作流程如下： 1 ) 叉车沿路线开到卡车旁停靠，将门架放直，并将货叉升起到适当的高 度，缓缓前进使货又伸到箱底将货箱托起。叉车后退，将货叉下降到距离地面 3 0 0 r a m 处； 2 ) 门架后倾，叉车成行驶状态，沿路线倒车掉头。顺路线进入库内停 放在堆垛位置，使门架竖直，货叉放平并降至地面； 3 ) 倒车退出货叉后，然后再沿路线倒车调头。 至此完成一次作业循环。由工况分析知，叉车作业的动作十分频繁。 2 2 叉车全液压系统选择的必要性 2 2 1 液压传动概况 液j r ；q ；- 动州埘j 机械传动泉说是一门新技术，其原理是1 7f i 纪中叶帕斯卡 1 3 第2 章叉车液压系统的分析 提出的静液压传递原理。帕斯卡原理是在密闭的容器中加在一部分静止液体上的 压力，能以相等的压力传递给液体的其他部分，液压传动机械就是根据这一原理 制成的。 从1 8 世纪末英国制成世界第一台水压机算起，已经有二三百年的历史了。 现在液压传动已经发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术， 使得它在国民经济的各个方面都得到了应用。液压传动在某些领域内己占有压倒 性的优势。例如，国外今日生产的9 5 的工程机械、9 0 的数控加工中心、9 5 以上的自动线都采用了液压传动。因此采用液压传动技术的程度已经成为衡量 一个国家工业水平的重要标志之一。 目前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪音、可靠性、高 度集成化方面都取得很大进展，在计算机控制技术方面有许多新成就。液传动技 术与电子技术的一体化显示出液压传动系统驱动的优势。 2 2 2 液压传动技术的优缺点 1 液压传动具有的优点 1 ) 同等的体积下，液压装置能比电气装置产生更多的动力。因为液压系统 可以比电枢磁场中的电磁力大出3 0 , - - 一4 0 倍。在同等的功率下，液压装置的体积 小，重量轻，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的1 2 左 右。 2 ) 液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、响应快，液压装置易于 实现快速启动、制动和频繁换向。液压装置的换向频率往复回转时候可以达到 5 0 0 次分，实现往复直线运动时可以达到1 0 0 0 次分。 3 ) 液压装置能在大范围实现无级调速( 调速范围可达1 ：1 0 0 以上) ，且能 在运行的过程中进行调速。 4 ) 液压传动易于自动化，这是因为它对液体压力、流量和流向易于进行控 制的缘故。当液压控制、电气控制和电子控制结合起来时，整个传动装置能实现 很复杂的作业动作。 5 ) 液压装置易于实现过载保护。 6 ) 液压元件现在已经实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、 制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也很方便。液压件还可以自行润滑， 使用寿命较长。 2 液压传动的缺点 1 ) 液压传动不能保证严格的传动比，这是 l if 液压油的可压缩和泄漏等原 1 4 第2 章叉车液压系统的分析 因造成的。 2 ) 液压传动在工作中有较多的能量损失，系统效率较低，长距离传动更是 如此。 3 ) 液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很容易受到温度的影响 4 ) 为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，对油液的污染比较 敏感。n 羽 2 2 3 电动叉车使用液压传动的优势 我们研究的叉车液压系统中，将很好地利用液压传动的优点而努力避免液压 传动的缺点： 1 ) 由于叉车大多工作在仓储等场合，要求叉车设计者在完善叉车功能的前 提下，必须设计尽可能紧凑的叉车，采用功率一体积比更大的液压传动系统更加 符合叉车的设计要求。由于普通电动叉车采用的是机械传动，在电动机启动后， 靠减速器和差速器传递功率给车轮。这样底盘结构较复杂，占据叉车底盘很大的 空间，对叉车整车的整体布置不利。为避免这种现象的产生，本系统采用轮毂式 低速大扭矩液压马达直接驱动叉车。叉车的底盘前方只需两个油管连接液压马 达，结构大大简化，占用空间也非常小。 2 ) 对于越来越追求人性化的今天，车辆的人体工程学的研究提上了日程， 采用比较平稳省力的液压传动让驾驶员操纵更加舒适。 3 ) 叉车的行走速度比较小，驱动力矩比较大；起升重物需要比较大的提升 力，两者皆需要较大的速度调节范围。液压传动能很好地满足叉车的作业要求。 4 ) 采用全液压系统，可以避免叉车的电动机频繁带载启动，减少启动大电 流，从而延长叉车一次充电的工作时间和电池寿命。而且还可以有效减少叉车操 作次数。 全液压传动的电动叉车还具有以下优点： 1 模块化设计 据预测，在今后较长的一段时间内，随着买方市场的逐渐形成，叉车产品十 几年一贯制的现象被打乱了，生产企业需依据市场要求，不断地改变产品结构， 调整生产计划。由于叉车的使用范围比较广泛，作业环境是多种多样的，用户的 要求也是千变万化，这就要求叉车在性能和结构上也必须多样化，但大多数配件 不具有通用性，这样对于厂家生产配货提出了更高的要求。为了有效地缓解这一 矛盾，各生产厂已努力增加义乍产品的占f 1 种和规格。单一的增加叉车产品的品种 规格不仅增加小批量零件单件7 卜产成本，而且也增加了相关的物流成本。 第2 章叉车液压系统的分析 面对这种局面，改进传统的分部套设计方法，采用模块化设计势在必行。模 块化设计不仅能对用户的诸多要求迅速做出实质性反应，而且也为日后在企业逐 步实现现代科学管理方法一一柔性管理系统提供坚实可靠的基础。 所谓模块化设计，就是把设计对象科学地分割成若干个相互独立的单元，称 之为纵向模块。通过设计工作的积累，一些模块又派生出若干个互换性极强的横 向模块。产品的变型设计( 或更新设计) 就是以这些模块为基础，按照总体设计要 求，迅速灵活地组合成新的产品。 叉车行业现在实行的分部套设计方法，面上看也是把整机划分成若干个相互 独立的部套，在总体设计的指导、协调之下，分部套进行设计，然后组合成型。 但这不能说是一种模块化设计。因为这两种设计方法的本质区别在于它们的边界 划分原则截然不同。按部套设计的边界期分原则是按使用功能或按整体装配关系 期分。其划分方法不适应产品的变型和更新。因为用户对叉车产品提出的诸多改 进要求中，极少是要求整个部套全部变动的，往往只要求某些部套进行局部变动， 甚至是微小的局部变动。由于图纸文件完整性的要求，即使一个微小的局部变动， 也会使整个部套随之进行相应的变动。多个部套同时进行局部改进是常见的情 况，设计工作量之大可想而知。所以说，分部套设计的方法死板、效率低。模块 化设计方法不拘于传统的部套概念，以适应用户要求、市场变化和企业产品管理 为前提，以产品局部变化频率的差异为模块边界的划分原则，灵活地划分模块， 便于变型产品的组合。删 图2 2 电动平衡重叉车整车纵向模块框图 液压元件现在已经实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造 和使用都比较方便。更多的采用液压元件可以弥补叉车元件互换性的不足，所以 伞液压叉车液压系统是非常有利于平衡重叉车模块化设计的，如图2 2 中所示， 义车整车可以分成六个模块，其中行走，提升，倾斜，转向模块的执行机构都可 采用全液j l i 系统进行驱动，例如：从1 5 吨义争换成3 吨义乍，只需更换不同功 第2 章叉车液压系统的分析 率的电动机和液压泵，平衡重，叉架，转向器和液压马达等主要部件，控制器和 其他附件稍作改动，就比较容易地实现叉车的变形：如客户需要液压驱动的桶夹， 圆木夹和推货器的叉车属具，普通机械传动的叉车还需要另外的液压驱动装置， 而对于全液压系统来说，只需另外连接一段液压回路就可实现。 采用全液压系统的模块化设计之后，对于叉车生产有如下具体优点； 1 ) 缩短了产品设计周期，使产品变型快，更新快。做到让用户满意，而且 能主动地引导买主的产品购买方向。 2 ) 产品的变型和更新主要体现在不同横向模块的替换组台，而每一个模块 的内部结构都是不变的，这对稳定加工手段，保证产品质量，降低产品成本都是 有利的。 3 ) 便于计划管理和生产管理。计划部门把各种不同品种和规格的产品按标 准模块下达生产指令，组织生产，条理清晰，目标明确。即使因故临时调整计划， 所影响的范围也易于控制在较小的范围内。 4 ) 模块化设计基于新的设计思想，提高了产品结构的透明度，适合于企业 现代化科学管理。如易于计算机管理，计算机辅助设计，便于早期对新产品进行 技术经济性分析，提高产品对市场的应变能力，适应先进的柔性生产管理系统等。 2 避免蓄电池的大电流放电酬 所有的电动车辆在启动时都会遇到大电流放电的问题，电动叉车也不例外。 由于普通电瓶叉车的每做一个动作就要启动一次电动机，据统计，一个作业循环， 电动机至少要启动二十多次，如此频繁的启动将大大降低电池的有效放电容量。 1 ) 铅蓄电池的电动势 电动势是电池输出能量大小的量度之一，如果其他条件相同，电动势越高的 电池，理论上输出的能量越大，实用价值就越高。对于电动机来说，输出同样的 功率，把电池的电动势提高，就可以有效的降低电动机的启动电流和控制器电子 元件的压降。这对于节能具有重大意义。 2 ) 铅蓄电池的容量 铅蓄电池的容量，是把完全处于充电状态的铅蓄电池，按一定的放电条件， 放电到所规定的终止电压时，能够释放的电量，用安时( a h ) 或瓦时( w h ) 表示。蓄电池的容量会随着放电电流的增大而加速降低，因此在谈及蓄电池容量 时，必须指明放电率。放电率有小时率和电流率两种表示方法。小时率是以一定 的电流放完额定容量所需的时间来表示。电流率也称倍率，是指电池放电时的放 电电流的数值为额定容量值的倍数。 随着放电电流强度的增加，电池容量降低，可由多孔电极理论解释。由多孔 1 7 第2 章叉车液压系统的分析 电极特性知，电流在极板上的分布是不均匀的，电化学反应电流优先分布在离主 体溶液最近的表面上，这样就导致在电极表面形成硫酸铅而堵塞孔口，电解液扩 散困难，不能充分供应多孔电极内部的需要，因而在大电流放电时，活性物质沿 厚度方向作用深度有限，电流愈大其作用深度愈浅，活性物质被利用的程度愈低， 电池所给出的容量也就愈小。由于极化和内阻的存在，在高电流密度下电压降的 增加，使电池端电压迅速下降，也是使容量降低的原因。 目前，最常用表示放电电流强度与放电时间之间的关系式是皮凯特 ( p e u k e r t ) 公式： l t - - k( 2 1 ) 式中n 一一和容量无关，仅表征蓄电池型号的常数； k 一一和蓄电池中活性物质质量有关的常数； t 一一放电时间( h ) ； i 一一放电电流( a ) 。 为求出两个常数n 、k ，可以用不同的两种放电率进行放电实验， 电流，l ，1 2 和t 。，t ：，建立方程 l ：t l - - k l 2 - - k 取对数 得 n l g ，l - - l g k - - l g n l g ，2 2 l g k l g f 2 n = ! 曼刍二! 曼蔓 培，l l g l 2 得出试验 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 3 ，图2 4 和图2 5 所示上海柳工叉车厂c p d l 5 电动叉车在全速运行， 倾斜和起升工况下的电流试验图。代入该叉车蓄电池试验数据，1 - - - - 8 0 a ，- - - - 5 h ， ，- - 2 5 1 a ，f ，= l h ，就可求出n - - 1 4 0 7 5 6 8 ，k - - 2 3 8 6 1 5 4 5 6 。该叉车采用通用 电气公司e v l 0 0 控制器控制行走速度和最大电流，其倾斜系统和起升系统没有电 流和速度控制器。可以看出，图2