液压叉车提升机机构设计毕业论文.doc

黑龙江工程学院毕业设计液压叉车提升机机构设计毕业论文第 1章 绪 论1.1液压叉车提升机机构设计选题的目的和意义叉车是应用十分广泛的流动式装卸搬运机械，是物料搬运机械(国外称为工业车辆或地面运输车辆)的一种，是实现物流机械化作业，减轻工人搬运劳动强度，提高作业效率的主要工具。叉车又名铲车、万能装卸车或自动装卸车。它是由在无轨底盘上加装专用装卸工作装置构成的。叉车具有通用性强、机动灵活、活动范围大等特点，所以它广泛用于车站、港口码头、机场、仓库以及工矿企业等部门，用来实现机械化装卸、堆垛和短距离运输，是物流系统不可缺少的机械设备。而叉车中进行装卸作业的直接工作的装置是叉车起重系统，货物的卸放、堆垛最终都是由其完成的，所以它是叉车最重要的组成部分。在我国国民经济的发展中，各行各业对叉车的需求量逐年增加。据国家权威机构研究预测，在今后几年我国叉车年需求量将超过15万台。叉车产业市场潜力巨大，发展前景广阔。 1.2叉车研究的现状及分析1.2.1我国叉车行业发展历程和现状我国叉车工业起步于20世纪50年代末，当时主要仿制前苏联产品。从70年代后期到80年代中期，全行业先后组织了2次联合设计，各叉车生产厂纷纷引进国外先进技术，如北京叉车总厂引进日本三菱15t内燃平衡重叉车技术，大连叉车总厂引进日本三菱1040t内燃平衡重叉车和集装箱叉车技术，天津叉车总厂引进保加利亚巴尔干车辆公司1.256.3t内燃叉车技术，杭州叉车总厂引进西德O&K公司静压传动叉车、越野叉车和电动叉车技术，合肥叉车总厂、宝鸡叉车公司引进日本TCM株式会社110t叉车技术，湖南叉车公司引进英国普勒班机械公司内燃防爆装置技术。自90年代开始，一些骨干企业在消化吸收引进技术的基础上积极对产品进行更新和系列化，因此目前国产叉车的技术水平参差不齐。其中，电动叉车因受基础技术落后的制约，整体水平与世界先进水平差距很大，每年仍要进口价值近2亿美元的叉车产品。中国叉车能否逐鹿国际市场，并在与世界强手的竞争中立于不败之地，将依赖于叉车整体技术水平的提高，特别是电动叉车技术的飞速发展。1.2.2国外叉车发展现状国际上生产叉车的厂家，排名前几位的有林德、丰田、纳科、永恒力、小松、TCM、力至优等著名公司。林德叉车是世界上第一品牌叉车，该公司是世界上唯一将静压传动技术大规模应用于叉车的制造商，产品技术先进，质量可靠，其销售额一直遥遥领先，位居世界顶尖水平。林德叉车总的特点，8吨以下的产品其动力形式有内燃机和电瓶驱动，传动形式有静压传动和电传动;10吨以上的叉车则采用内燃机驱动和液力传动。产品种类之繁多，技术水平之高超，令世界同行所赞叹。丰田、纳科、永恒力、小松、TCM、力至优等公司的产品技术基本处于同一水平，但各家有各家技术优势和特色。世界上著名叉车的技术特点是：品种齐全，技术先进，各具特色，尤其在提高作业效率、人机工程、节能、环保及安全性等方面的技术发展非常快，追求各性化，最大限度地满足客户的需求。1.2.3国内外市场分析目前，国内外电动叉车大部分已经采用宽视野门架，起升液压缸由中间放置改为两侧放置。液压缸的放置位置有两种：一种是液压缸位于门架后面；另一种是液压缸位于门架外测。CARER公司的R40/45系列电动叉车的液压缸位于门架外侧，R50/60/70系列叉车的液压缸则位于门架后面。 门架一般分为标准型、两节型或三节型。国内叉车的起升高度一般在25m之间，且以3m及3m以下的居多，而国外电动叉车的起升高度一般在26m之间，由于仓库的立体化程度高，因此起升高度3m以上。与预测全球约有250家叉车生产企业，年生产量保持在50万台左右。由于竞争的加剧，同20世纪80年代比，世界叉车工业出现了销售额增长而利润减少的反常现象。一方面，为降低成本，叉车巨头纷纷在发展中国家建厂。例如，在中国建有厦门林德、安徽TCM、北京汉拿、湖南德士达、烟台大宇重工、上海海斯特等。这些公司把具有世界20世纪90年代中期先进的产品和技术带到国内，促进了我国叉车技术的快速发展，同时对国内市场也造成了很大的冲击。另一方面，随着市场经济的发展，物流技术在经济发展中的地位与作用越来越明显，叉车普及率越来越高，已从过去单一的港口码头进入到国民经济的各行各业。目前我国叉车的保有量约18万台，实际年潜在需求量约10万台，而实际年销售量仅3万台左右，可见中国的叉车市场是巨大的。 随着人们对环境污染危害的深刻认识，环保已成为世界共同关注的焦点，因此，环保型叉车将成为市场主流；其次，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，高性能电动叉车、前移式叉车、窄巷道叉车等各类仓储机械迅速发展是未来叉车市场的又一特征；另外，全球经济一体化必将带来全球工业的国际化，使得各国间及国内贸易大幅上升。有资料表明全世界集装箱吞吐量每年以30%左右的速度递增。贸易的增加将推动现代集装箱搬运与堆垛设备的高速发展。1.2.4现代叉车技术发展趋势1.2.4.1产品的系列化与多样化 根据美国工业车辆协会的分类法，叉车分(1、2、3、4、5、6和7)7大类，分别为电动乘驾式叉车、电动窄巷道叉车、电动托盘搬运车、内燃平衡重式实心胎叉车、内燃平衡重式充气胎叉车、电动与内燃乘驾式拖车和越野叉车。1999年7月，美国现代物料搬运杂志评出世界20强叉车公司，其中排在前10位的公司(产品种类)是：Linde(1、2、3、4、5和6)，Toyota(1、2、3、4、5和6)，Nacco/MHG(1、2、3、4和5)，Jungheinrich(1、2、3、4和5)，BTndustries(1、2、3、4和5)，Mitsubshi / Caterpillar(1、2、3、4和5)，Crown(1、2、3)，Komatsu(1、2、3、4和5)，Nissan(1、2、3、4和5)，TCM(1、4和5)。另外产品品种和系列也非常齐全，如德国Linde公司有柴油、液化石油气、电动平衡重叉车，前移式叉车，堆垛车，拣选车，侧面式叉车，电动牵引车等近110种；而我国最大的叉车制造企业安徽叉车集团生产116 t 15个级别80种机型400多个品种的叉车。各叉车公司皆以产品种类、系列的多样化去充分适应不同用户、不同工作对象和不同工作环境的需要，并不断推出新结构、新车型，以多品种小批量满足用户的个性化要求。1.2.4.2绿色化推动叉车动力技术的发展 叉车分内燃叉车和电动叉车。内燃叉车以发动机为动力，功率强劲，使用范围广，缺点是排气和噪声污染环境，有害人类健康。环保要求推动了动力技术的更新：TCM于20世纪70年代更新了3.58t柴油叉车，将预热燃烧室改为直喷式，省油1720；80年代初Perkins发动机推出扁唇式燃烧系柴油机，省油78；80年代中期德国Deute公司开发出F913型叉车专用柴油机，省油60%，而瑞典推出柴油机蓄电池混合动力叉车；90年代液化石油气(LPG)叉车、压缩天然气(CNG)叉车、丙烷叉车等低公害叉车面市，且发展势头强劲。 电动叉车具有能量转换效率高、无废气排放、噪声小等突出优点，是室内物料搬运的首选工具，但其受蓄电池容量限制，功率小，作业时间短。目前国内外均在不断改进铅酸蓄电池技术，通过提高材料纯度等使其在复充电次数、容量和电效率方面有了很大提高。由于技术的进步，电动叉车现已突破只能用于小吨位作业的局限性。目前国际上电动叉车的产量已占叉车总量的40%(国内为10%15)，在德国、意大利等一些西欧国家电动叉车比例高达65%。 未来叉车将广泛采用电子燃烧喷射和共轨技术。发动机尾气催化、净化技术的发展将有效降低有害气体和微粒的排放。LPG、CNG等燃料叉车及混合动力叉车将进一步发展。新型蓄电池燃料电池在各大公司的共同努力下，将克服价格方面的劣势，批量进入市场。目前全球汽车巨人正联合致力于电动汽车的研究，电动汽车的动力、传动、控制、安全等技术在叉车上的应用，将会使电动叉车整机性能有一个质的变化。 1.2.4.3节能和机电一体化高新技术的应用微电子技术、传感技术、信息处理技术的发展和应用，对提高叉车业整体水平，实现复合功能，以及保证整机及系统的安全性、控制性和自动化水平的作用将更加明显，使电子与机械、电子与液压的结合更加密切。未来叉车的发展在于其电子技术的应用水平。实现以微处理器为核心的机电液一体化是未来叉车控制系统发展的主方向，即以微处理器为核心，控制由局部控制向网络化方向发展，使整车保持最佳工作状态，实现叉车的智能化作业。对于电动车辆，传统的电阻调速控制器已被淘汰，而新型MSFET晶体管因其门极驱动电流小，并联控制特性好且有软、硬件自动保护和硬件自诊断功能等优点，得到广泛采用。串励和他励控制器仍是市场的主导产品，交流控制技术则处于起步阶段。随着交流调速控制系统成本的降低与闭式交流电机技术的成熟，交流电机叉车将会因其功率大、维护性能好而取代直流电机叉车。采用电子转向系统与动力转向比可节能25%，它可根据叉车使用工况，适时控制电机转速，是叉车节能降噪的有效措施。另外，MOSFET晶体管比电阻式调速可节能20%，释放式再生制动可节能5%，采用液压电机控制器和负载势能回收技术可分别节能20%和5%。 第2章 液压叉车提升机构设计总述 2.1门架简介及设计要求门架是叉车工作装置的重要组成部分，是叉车最富有特色的部件。它负责货物的起升及相应的装卸、堆垛动作，并对叉车的整机性能有极大的影响。最常见的叉车门架是由内、外两节组成。内外门架各有两根立柱，立柱是门架承载的主要构件，又是叉架(或内门架)作升降运动的导轨。左右立柱之间连以横梁，构成形或各种封闭形状的框架(图2-1)。外门架的立柱多数为槽形截面，内门架立柱的截面型式较多，有槽形、工字形和其他异形形状。立柱截面的周边都不封闭，杆件的长度远大于截面的高度和厚度，因此，它们属于力学上的开口薄壁杆范畴。（a）内门架 （b）外门架图2-1 门架结构简图1立柱 2横梁叉车的内、外门架里、外嵌套，用起升油缸使内架可在外架内移动，成为可伸缩的构造。这是它的构造特点。加工要求，门架布置在车的前方，在前轴前边，这是它在布置或位置上的特点。内架、外架和叉架都是用型钢焊成的平面框架，它们与起升油缸和链滑轮组和重量占了工作装置总重的绝大部分，且集中在位于前轴外边的门架平面内，因而是影响叉车抵抗向前翻倒的能力的不利因素。由于门架在前，司机在后，因此组成门架系统的多数构件及起升油缸和链油轮组都会挡住司机的视线。在设计时，就要尽力去减小这些不利影响，为此必须注意两点：一是在保证工作装置能正常工作的前提下，要尽可能地将它布置得靠近前轴；二是在考虑司机视野问题时，要保证在叉车无载行驶下，司机能看见货叉叉尖，同时应力求在货叉由地面升起至顶端的整个过程中，司机都能很好地观察货叉上货物的情况。2.2门架系统的运动与安装关系门架系统的运动与安装关系（图2-2）是：货叉挂在叉架横梁上；叉架受起升链条的牵引，并以其纵、侧向滚轮为“车轮”，以内门架为“活动导轨”作升降运动；内门架则受起升液压缸的顶推，也以其纵、侧向滚轮为“车轮”，以外门架2为“固定导轨”而升降；外门架的下铰坐铰接在驱动桥壳或车架上，中部靠两个并列的倾斜液压缸来实现整个门架系统的前、后倾动作。起升液压缸分成两个，下端以半球面支承在外门架后侧，中部受外门架“扶持”，上端顶在一个浮动横梁上，自由提升结束后即与内门架上横梁重叠。起升链条的一端固定在起升液压缸筒上（相当于固定在外门架上），中部绕过固定在浮动横梁上的链轮后，另一端挂住叉架。图2-2 门架示意图 门架部分参数见下表：表2-1 1.8t液压叉车门架主要性能参数特 性额定起重量Load Capacitykg1800载荷中心距Load centermm500尺 寸标准二级门架额定起重时最大货叉高度mm3000货叉架ISO标准型级货叉厚度Tmm40货叉宽度Wmm120货叉长度Lmm1000货叉间距范围最小最大MINMAXmm200920门架前后倾角前倾/后倾 F/Rdeg6/10速 度最大行驶速度（无载）km/h11起升速度（满载）mm/s2201黑龙江工程学院本科生毕业设计第3章 货叉的设计计算3.1货叉基本参数和尺寸的确定货叉的主要尺寸有货叉水平段长度；货叉垂直段高度；货叉断面尺寸(为货叉厚度，为货叉宽度等)（图3-1）。5图3-1 货叉的结构和尺寸货叉尺寸主要取决于起重量Q、载荷中心距c，根据选题，已知起重量Q=1.8吨，按ISO/DIS1214-79标准规定，载荷中心距离为c=500mm,再由ISO/DIS2326-81和ISO2382-77标准，查出货叉的基本参数和尺寸为货叉长度：；货叉垂直高度：；货叉断面尺寸：；货叉两铰支点中心距：；货叉外伸距：；据机械设计手册选择材料为40Cr钢，热处理工艺选用调质处理40Cr钢屈服强度。3.2货叉的计算简图货叉和叉架的联接形式不同，其制支承类型有所不同，按照ISO2328-77标准规定，1.8吨叉车货叉和叉架的联接形式为挂钩型。挂钩型联接，上支承可简化为活动铰支座。按照这种简化，货叉可看作一次超静定刚架（图3-2）。与此同时，考虑到挂钩型货叉上部的挂钩处有安装间隙，并非绝对不能转动，照此分析，货叉又可简化为支承在两个铰接支座上的静定刚架（图3-3）。图3-2 超静定刚架计算简图图3-3 静定刚架计算简图这两种计算简图，在集中载荷P力作用下，货叉的危险截面均在支座A以下的垂直段，其应力状态相同，强度相等。但货叉垂直段的受力情况不同，导致变形不同。由于静定刚架水平段的变形量大于静定刚架水平段的变形量。 为偏于安全起见， 货叉的强度和刚度均按静定刚架进行计算。3.3货叉的强度验算 （a） (b)(c) (d)图3-4 货叉强度验算计算简图从货叉所受的集中载荷P力作用的内力图(图3-4)来看, 水平段受弯矩和剪力, 垂直段受弯矩和拉力, 危险截面支座A以下垂直段的最大正应力为 （式3-1）式中P货叉的计算载荷，N； C标准载荷中心距，mm； a货叉厚度；mm； b货叉截面宽度，mm。3.3.1计算载荷P的确定 （式3-2）式中 Q起重量，Q=1.8t=17640N K1动载荷系数，由文献1推荐，取K1=1.2； K2偏载荷系数，由文献1推荐，取K2=1.3.由此得出 3.3.2 安全系数n的确定安全系数的选取, 与货叉的计算载荷大小、动载荷系数和偏载荷系数的选取密切相关。如果计算载荷比较准确, 安全系数可以取较小数值。否则，安全系数应取较大数值。强度计算时，安全系数应满足以下条件【2】其中n强度安全系数；材料屈服极限；危险截面处应力（即最大正应力）；注：与单位相同。此次设计选择安全系数为n=3。3.3.3 计算最大正应力 （式3-3）3.3.4 强度验算把数据代入式3-1, 得出因为,所以货叉满足强度条件。3.4 货叉的刚度校核货叉的刚度通常校核叉尖处的静挠度，即以额定载荷之半作为计算载荷（）, 按等截面静定刚架来计算又尖处的挠度，计算方法用简便的弯矩图乘法（图3-5）。（a）计算图 （b）MP弯矩图 （c）弯矩图图3-5 货叉叉尖挠度计算图 由此可得叉尖的挠度 （式3-4）式中货叉的截面惯性矩，；货叉的弹性模量，；货叉的额定截荷，.代人数据, 得出 叉尖的许用挠度为 （式3-5）由于,所以货叉满足刚度条件。3.5 货叉挂钩形式的确定叉车货叉上的挂钩与货叉的联接形式, 通常有整体式和非整体式两种。非整体形式的联接方法, 又有焊接和螺栓联接等形式。由于焊接形式货叉制造容易, 安装拆卸方便, 所以, 货叉与挂钩的联接多采用非整体的焊接形式。3.6 货叉与挂钩焊接强度验算挂钩尺寸根据ISO2328-77标准规定，z=17.5mm，M=31mm，s=50mm，K=H=5mm，b=120mm，G=36mm（图3-6）。图3-6 挂钩尺寸与焊接强度验算挂钩的水平段受弯矩和拉力, 垂直段受弯矩。根据起重机焊接强度的计算规范, 由拉伸应力和剪切应力所组成的复合应力, 按等效应力来进行计算, 其计算公式为 （式3-6）式中 挂钩所受的水平力, N； 焊缝总长度，cm； 所受垂直力，N。代入数据, 得出 则 货叉与挂钩焊接的焊条选用TB13-2, 焊条的抗拉强度,焊条的许用应力由于所以，货叉与挂钩满足焊接强度条件。黑龙江工程学院本科生毕业设计第4章 叉架的设计计算 图4-1 叉架受力图如图4-1所示，叉架一般按简支梁计算其上横梁悬壁根部A-A截面处的应力（MPa），其计算式为 （式4-1）式中 L货叉最外悬挂点到叉架上横梁臂端根部的距离，mm； h叉架上横梁悬壁端根部截面净高度，mm； b叉架上横梁悬壁端根部截面净宽度，mm，b=M=31mm； Fp垂直载荷，N。Fp=9800Q/2，即额定起重量的一半； F纵向载荷，N。F=Fpm/h2，见表4-1，m=c+a+0.5b，a为货叉厚度,c为载荷中心距，c=500mm。表4-1 货叉安装尺寸h2起重量/t0.50.7512.52.754.7556h2/mm307383478599取 h=120mm、h2=383mm、L=200mm，知a=40mm、b=31mm 、c=500mm代入式4-1中，得 1 由第三章知而此处 所以 叉架满足要求。 叉架的其它部分为超静定的框架结构，强度与刚度较大，不必计算校核。第5章 液压叉车门架的设计计算5.1 门架系统的构造原理图5-1为门架结构简图，内门架1和外门架2都是由两根柱和一个或两个端梁焊成的框架。内架仅有一个上端梁，下部有一个很弱的横系杆。外架有上端梁及下端梁，为不妨碍内架，上端梁放在立柱顶端后翼缘后边。中部由横梁加强，其两侧伸出有联接倾斜油缸的铰轴。左右立柱异型槽钢，其开口相对。叉架和内架上的各滚轮组分别安放在内架和外架立柱的槽内，滚轮组构成叉架，内架和外架相互之间的活动联系，起传力和保证有正确动力的导向作用。起升链滑轮组包含两套对称布置的起升链和动，滑轮座固定在内架上梁。起升油缸的上、下支座的支承分别固定在内架上梁和外加下梁上，为保证安置在期间的起升油缸受纯压力，支座的支承表面常为球面。链的一端固定在外架的下梁或立柱上，另一端与叉架相连接。黑龙江工程学院本科生毕业设计图5-1 叉车门架结构1内门架 2外门架 3叉架 4货叉 5货物 6导向滚轮 7倾斜油缸5.2 门架强度的计算状态本设计选择门架材料为16Mn，其剪切弹性模量为:G=8.4105Kg/cm2，弹性模量为：E=2.1106Kg/cm2。抗拉、抗压，抗剪，屈服点。叉车起升的货物重量和叉架、货叉自重都是通过叉架滚轮和门架滚轮以集中力的形式作用在门架上的。当叉车满载、货叉起升到最大高度、门架前倾最大角度时，门架受力最大(图5-2)。在与门架垂直的平面内，取叉架为自由体，即可求出内门架对又架滚轮的反压力Pl、P2。12 （式5-1）式中 Q额定起重量，Kg； G1货叉和叉架的自重，Kg； S链条总拉力，Kg； 门架最大前倾角，度； k动力载荷系数，K=K1（动力系数）K2（货物偏载系数）。图5-2 门架载荷作用图其中Q=1800Kg、 、G1=250Kg、h2=370mm、K=1.2。代入式5-1得到 从以上计算中可以看出，链条拉力S对滚轮中心产生的力矩，有助于减小滚轮压力，从而减小门架所受的载荷。在一般情况下，链条拉力产生的力矩(sa2)数值上可达货物重量力矩的1/101/9。当门架前倾最大角度时()，滚轮最大压力比门架直立时约增加10%左右。由于链条拉力和门架前倾对滚轮压力所起的、数值上近乎相等的减载和增载作用，为了使计算简化，将其略去不计，按门架直立状态进行计算。5.3 计算滚轮压力（图5-3）门架直立时，由此内门架滚轮压力为 （式5-2）知h1=480mm，h2=370mm外门架滚轮压力为： （式5-3） 图5-3 门架滚轮压力计算图5.4 门架立柱截面几何性质此叉车内外门架立柱的截面尺寸相同，在计算开口薄壁杆件受弯扭综合作用时，除了一般的截面几何性质以外(静矩、惯性矩、抗弯模量等)，还要计算一些与截面翘曲有关的附加截面几何特性。 （a）立柱截面 （b）扇性坐标(c)扇性静矩图5-4 门架立柱截面几何性质图5-4（a）为门架立柱截面图，5-4（a）为扇性坐标图，5-4（a）为扇性静矩图。此次设计起重量为1.8t，根据机械课程设计简明手册选择槽钢型号为16a，其相应截面尺寸分别为：h=15.2cm、t1=1.4cm、t2=1.8cm、b=5.2cm,各参数值见表5-1。表5-1 门架立柱截面结构尺寸及几何特性名称符号单位量值截面面积Fcm232.44形心X0cm1.19弯曲中心XAcm1.88截面惯性矩Jxcm41490.98Jycm4109.53截面抗弯模量Wxcm3175.41Wycm327.31纯抗扭惯性矩JKcm439.42扇性惯性矩cm64445.07约束扭转特性kcm-10.06静矩Smaxcm4127.23参数计算如下:截面面积： 形心位置：弯心位置： 线性截面惯性矩（截面惯性矩）： 线性抗弯截面模量（截面抗弯模量）： 纯抗扭惯性矩:扇性惯性矩： 静矩： 约束扭转特性：由于Wy和Wx比值约为15.57%，大于15%，所以此门架平面内载荷不必进行计算。5.5 内门架强度计算5.5.1 门架立柱断面翼缘厚度校核根据局部弯曲应力计算公式： （式5-3）得到： （式5-4）式中：材料屈服极限，16Mn钢的=3500Kg/cm2；P滚轮压力，P=P1=P2=2046.47Kg。所以得到 由于1.34mm90%。7.4.3 油泵功率及电机选择1.油泵的驱动功率： （式7-3）式中-泵的实际最大工作压力，=140Mpa；泵的额定流量，；-泵的机械效率，取 。所以2.选择油泵电机据油泵额定转速及所需驱动功率，选择Z4-112-4(15min工作制)【4】。参数见表7-3。表7-3 Z4-112-4型油泵电机参数名称符号量值单位额定功率P5.5KW额定电压V160V额定电流I42.7A转速(最高)n3000/4000r/min效率83.5%飞轮矩J0.8质量m60kg选用的油泵电机采用5min工作制，故折算成后功率，故该电机满足油泵工作需要。7.5 油箱的设计本课题