平衡重式叉車改造后穩(wěn)定性分析與研究

孫 慧，王春利

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590）

平衡重式叉車改造后穩(wěn)定性分析與研究

孫 慧，王春利

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590）

選用磷酸鐵鋰電池取代鉛酸蓄電池，對(duì)目前廣泛使用的平衡重式叉車進(jìn)行改造，依據(jù)電池模塊的電壓和容量參數(shù)，增加設(shè)計(jì)了平衡配重，分析叉車的橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性，進(jìn)行叉車的整體穩(wěn)定性分析，并提出影響改造后的平衡重式叉車穩(wěn)定性的其他因素。

平衡重式叉車；電源模塊；穩(wěn)定性分析；平衡配重

1 引言

叉車是指對(duì)成件托盤(pán)貨物進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸作業(yè)的各種輪式搬運(yùn)車輛。其中，平衡重式叉車用途廣，用量大，約占叉車總產(chǎn)量的75%以上。目前，平衡重式叉車多使用鉛酸蓄電池作為主要?jiǎng)恿δ茉碵1]。鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、原材料易于獲得、放電時(shí)電動(dòng)勢(shì)較穩(wěn)定、適用于大電流放電及廣泛的環(huán)境溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，被廣泛應(yīng)用，具有了成熟的技術(shù)。但是，鉛酸蓄電池本身又具有污染嚴(yán)重、壽命短等缺點(diǎn)，不宜室內(nèi)使用，制約了電動(dòng)叉車的進(jìn)一步發(fā)展。隨著能源緊張、環(huán)境污染等問(wèn)題的出現(xiàn)，選用綠色、環(huán)保、高效的電池，對(duì)平衡重式叉車的電源模塊進(jìn)行改造，對(duì)于提高叉車的使用性能、延長(zhǎng)叉車的使用壽命，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。

本文選用磷酸鐵鋰電池，對(duì)平衡重式叉車現(xiàn)有的電池模塊進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)合適的平衡配重，完成電源模塊的改造后，分析研究改造后影響平衡重式叉車穩(wěn)定性的因素。

2 平衡重式叉車改造后穩(wěn)定性分析與配重設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性是保證平衡重式叉車安全作業(yè)的必要條件。穩(wěn)定性是平衡重式叉車固有的特殊屬性，是指平衡重式叉車抵制傾覆所具有的能力[2]。平衡重式叉車作為輕小型起重設(shè)備，其穩(wěn)定性受到道路坡度、載荷大小、載荷重心位置、行駛速度、輪胎氣壓等諸多因素的綜合影響[3]。

因此，在對(duì)平衡重式叉車進(jìn)行改造時(shí)，必須保持平衡重式叉車的穩(wěn)定性。同時(shí)，完成改造的平衡重式叉車在進(jìn)行裝卸和行駛過(guò)程中也必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，保持縱向穩(wěn)定和橫向穩(wěn)定，不能出現(xiàn)傾覆的情況。

2.1 平衡重式叉車橫向穩(wěn)定性分析

平衡重式叉車在完成電源模塊改造后，充電時(shí)間減少，工作效率明顯提高。由于更改了電池模塊，需要對(duì)平衡重式叉車進(jìn)行橫向穩(wěn)定性分析。

根據(jù)叉車傾斜平臺(tái)試驗(yàn)法原理，造成叉車橫向運(yùn)行穩(wěn)定性失效的實(shí)質(zhì)是，叉車在平道上高速轉(zhuǎn)彎時(shí)受到如離心力等外力的作用，如圖1所示。

圖1 叉車橫向運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)原理圖

根據(jù)國(guó)家叉車標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]，叉車橫向運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)的平臺(tái)，其傾角為(15+1.4)V×100%，V為空車最高行駛速度，單位為km/h，在計(jì)算當(dāng)中須滿足下式：

2.2 平衡重式叉車縱向穩(wěn)定性分析

在對(duì)平衡重式叉車進(jìn)行橫向穩(wěn)定性分析的同時(shí)，還要對(duì)其進(jìn)行縱向穩(wěn)定性分析。

叉車在兩種情況下有可能喪失縱向穩(wěn)定性：一種情況是在滿載堆垛時(shí)，叉車向前傾翻；另一種情況是叉車滿載行駛時(shí)，由于緊急制動(dòng)，叉車向前傾翻，或者使得托盤(pán)連同貨物從貨叉上甩出。

叉車在水平地面上靜止不動(dòng)，門架直立，貨叉滿載起升到最大高度，叉車受到重力作用。如果叉車自重與載荷重量的合成作用線通過(guò)叉車前輪與地面接觸點(diǎn)，則叉車處于穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，通過(guò)對(duì)叉車滿載堆垛時(shí)進(jìn)行縱向穩(wěn)定性分析就可以求出叉車在計(jì)算條件下的安全裕度。

2.3 平衡重式叉車改造時(shí)配重分析

為了保護(hù)電動(dòng)叉車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和內(nèi)部線路，并使其能正常工作，在對(duì)平衡重式叉車進(jìn)行改造時(shí)，需要盡量使電池模塊的電壓和容量變化不大，并保持在一定范圍內(nèi)。因此，在進(jìn)行電池模塊的更換時(shí)，先以電池模塊的電壓和容量為依據(jù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文選用起重量為1.5t的合力平衡重式四輪叉車CPD15H系列叉車進(jìn)行試驗(yàn)改造。該叉車采用安徽迅啟鉛酸蓄電池，電池型號(hào)為24-D-400，電壓為48V，額定容量為400Ah。改造時(shí)，選用深圳博威特達(dá)新能源有限公司生產(chǎn)的16個(gè)單體3.2V、50AH磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成蓄電池組，其電壓為3.2V×16=51.2V。

改造前，鉛酸蓄電池組總重量為680kg，長(zhǎng)×寬×高為：970×600×465mm。改造后，所選用的磷酸鐵鋰電池單體重量為6kg，長(zhǎng)×寬×高為：180×50× 105mm。16塊單體磷酸鐵鋰電池排成電池組，分成兩排，每排8個(gè)單體電池進(jìn)行組裝?？傻?，鋰電池組的整體尺寸，其長(zhǎng)×寬×高為：360×400×105mm，總重量為16×6kg=96kg。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，電池改造后的磷酸鐵鋰電池模塊與改造前鉛酸蓄電池模塊重量和體積上有較大的差距，這樣會(huì)影響電動(dòng)叉車的整體穩(wěn)定性。而電動(dòng)叉車整體穩(wěn)定性改變之后，叉車的行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及舉升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)受到一定影響，影響叉車的正常工作。

一般來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰電池和鉛酸蓄電池相比，相同功率的情況下，磷酸鐵鋰電池更輕，體積更小，為保證電池模塊改造后的電動(dòng)叉車的整車穩(wěn)定性不發(fā)生改變，需要對(duì)電池模塊設(shè)計(jì)配重[5]。

改造時(shí)選用鐵碳合金作為配重塊，增加配重的作用是為了電動(dòng)叉車作業(yè)時(shí)有足夠的負(fù)荷與貨物相平衡，保證叉車不致傾翻[6]，如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池組模塊

改造前鉛酸蓄電池模塊與改造后磷酸鐵鋰電池模塊體積相差255 510 000mm3，而重量相差584kg，需要增加配重塊，鋪在叉車上原有電池模塊的相應(yīng)位置，可取鐵碳合金的密度7.8g/cm3，要補(bǔ)齊相差的584kg，需要74 871 000mm3。剩下的255 435mm3可用其他諸如泡沫塑料之類的填充。

2.4 平衡重式叉車改造后整體性分析

電池管理平衡重式叉車所使用的鉛酸蓄電池因其自身特點(diǎn)，體積與重量比磷酸鐵鋰電池大，而叉車穩(wěn)定性是根據(jù)改造前所用的鉛酸蓄電池的重量和體積進(jìn)行校核的。電池模塊進(jìn)行改造之后，磷酸鐵鋰電池組雖然設(shè)計(jì)為與原電池組相同的重量和體積，但是改造后的磷酸鐵鋰電池組是由配重塊與單體磷酸鐵鋰電池共同組成的，整個(gè)磷酸鐵鋰電池組的重心可能發(fā)生了改變。由于新的蓄電池模塊發(fā)生了改變，所以整個(gè)平衡重式叉車的重心、載荷中心等可能也會(huì)發(fā)生改變。

橋荷率是叉車橋荷占其自身重量的比率。添加了新的配重，對(duì)叉車的穩(wěn)定性、牽引性和動(dòng)力性等性能參數(shù)具有重大影響。配重如果太大，叉車在空載狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)后橋橋荷率過(guò)大，前橋橋荷率過(guò)小的不合理狀態(tài)，使得叉車容易向后傾覆；配重如果太小，叉車在滿載狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)前橋橋荷率過(guò)大，后橋橋荷率過(guò)小的不合理狀態(tài)，使得叉車容易向前傾覆。改變了配重，就會(huì)相應(yīng)改變了橋荷率，也就改變了叉車的穩(wěn)定性。

因此，對(duì)改造后的叉車進(jìn)行整車穩(wěn)定性分析，是十分必要的。

如圖3所示，選用穩(wěn)定系數(shù)法對(duì)電池模塊改造后的平衡重式叉車進(jìn)行整車穩(wěn)定性分析，有：

G—自重載荷；

F1,F2,F3,F4—叉車四個(gè)輪子受到的支持力；

圖3 平衡重式叉車平面受力示意圖

式中：

x—重心到軸AB的水平距離；

L—叉車前后軸距，已知1 380mm；

T—叉車重量，已知2 950kg；

Q—貨物重量，滿載情況下為1 500kg；

a—前懸，已知400mm；

x—載荷中心距，已知500mm；

[k]—推薦的最小穩(wěn)定系數(shù)。

已知叉車自重2 950kg，取重力加速度為g=10m s2,在滿載1.5T的情況下，G最大，此時(shí)最為危險(xiǎn)：

可得：

國(guó)產(chǎn)1.5T起重量的平衡重式電動(dòng)叉車的[k]取1.6-2，所以求得的穩(wěn)定系數(shù)K值大于2，說(shuō)明電池模塊改造后的電動(dòng)叉車的整車穩(wěn)定性仍滿足工作需要[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)現(xiàn)有大量使用的鉛酸蓄電池平衡重式叉車進(jìn)行改造的過(guò)程中，選用磷酸鐵鋰電池，依據(jù)電池模塊的容量和電壓參數(shù)，增加設(shè)計(jì)平衡配重，分析了其橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性，并從整體分析增加配重后的叉車穩(wěn)定性，并對(duì)提出了其他可能影響叉車穩(wěn)定性的因素。

影響平衡重式叉車穩(wěn)定性的因素還有很多，例如叉車作業(yè)場(chǎng)所的地面狀況、坡度；輪胎結(jié)構(gòu)性能及充氣狀況；載荷質(zhì)量分布等。此外，平衡重式叉車的制造準(zhǔn)確性及材料質(zhì)量，車架和貨叉變形等因素，也會(huì)影響到平衡重式叉車的穩(wěn)定性。

[1]楊國(guó),江博.電動(dòng)叉車用鉛酸蓄電池使用性能及維修要點(diǎn)[J].技術(shù)·維修,2015,(1).

[2]黃國(guó)賢.平衡重式叉車穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械, 2000,(1):5-7.

[3]陳英杰,張磊,李建友.平衡重式叉車傾翻預(yù)警方案研究[J].建筑機(jī)械,2009,(3):60-63.

[4]胡繼兵.平衡重式叉車橫向運(yùn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法改進(jìn)的研究[J].叉車技術(shù),2015,(2):7-12.

[5]王林.電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)集成及管理系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

[6]劉水章.平衡重式叉車橋荷率與配重的分析與計(jì)算[J].叉車技術(shù),2000,(4):14-18.

[7]叉車與工業(yè)車輛類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京:國(guó)家工業(yè)機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,2006.

[8]黃國(guó)賢.平衡重式叉車穩(wěn)定性研究[J].叉車技術(shù),1999,(1):7-14.

Analysis and Study of Stability of Modified Counterbalanced Forklift

Sun Hui,Wang Chunli
(School of Communication,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266590,China)

In this paper,we replaced the lead-acid battery with the lithium iron phosphate battery,accordingly modified the currently popular counterbalanced forklift,and added the counterweight in view of the voltage and capacity,etc.,of the battery module.Next,we analyzed the lateral,transverse and overall stability of the forklift and pointed out the other factors influencing the stability after the modification.

counterbalanced forklift;battery module;stability analysis;counterweight

TH242

A

1005-152X(2016)12-0085-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.12.020

2016-10-28

青島開(kāi)發(fā)區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目“鉛酸蓄電池電動(dòng)叉車電池改造模塊的研制”（2014-1-36）

孫慧，副教授，主要研究方向：物流系統(tǒng)規(guī)劃、物流裝備與控制、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論；王春利（1992-），通訊作者，男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)物流裝備。