叉車(chē)起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的探討

文 / 丁 亮

杭叉集團(tuán)股份有限公司叉車(chē)門(mén)架研究所

叉車(chē)是一種工業(yè)搬運(yùn)車(chē)輛，是對(duì)貨物進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸作業(yè)的輪式搬運(yùn)車(chē)的總稱(chēng)，由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、起升系統(tǒng)等組成。其中，起升系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)“門(mén)架”，是叉車(chē)的工作裝置，承擔(dān)叉取、堆垛貨物的功能。

在叉車(chē)設(shè)計(jì)中，門(mén)架設(shè)計(jì)常常是被輕視的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比各種設(shè)計(jì)方案，探討了門(mén)架的設(shè)計(jì)思路，分析各種方案的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。

普通兩級(jí)門(mén)架結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由貨叉架及貨叉、外門(mén)架、內(nèi)門(mén)架、起升油缸、鏈輪、鏈條等組成。

圖1 普通兩級(jí)門(mén)架的構(gòu)造

一、門(mén)架的總體布局

門(mén)架整體方案設(shè)計(jì)初期，首先需要先分析叉車(chē)的種類(lèi)，確定門(mén)架具體的設(shè)計(jì)要求。內(nèi)燃叉車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)，以及電動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)車(chē)輛使用場(chǎng)合和工況不同，對(duì)門(mén)架的設(shè)計(jì)要求也不盡相同。

1.槽鋼的選型和排列布置

內(nèi)、外門(mén)架是整個(gè)起升組件的骨架，主要依靠槽鋼承受彎曲載荷。

槽鋼一般以橫向排列，依次從外向內(nèi)。以?xún)杉?jí)門(mén)架為例，根據(jù)不同截面的槽鋼，可以分為C+J、C+H，H+H三種組合方式，如圖2所示。

圖2 槽鋼的排列布置

各種槽鋼組合各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，根據(jù)不同叉車(chē)選擇最合適的組合方式是關(guān)鍵。一般推薦C+J和C+H結(jié)構(gòu)常用于內(nèi)燃或者電動(dòng)平衡重式叉車(chē)，H+H結(jié)構(gòu)常用于倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)備。各種槽鋼排列的優(yōu)劣對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 各種槽鋼組排列布置的對(duì)比

2.起升油缸的布置和結(jié)構(gòu)選擇

（1）油缸在門(mén)架中的位置

門(mén)架起升原理是鏈輪和鏈條組成的動(dòng)滑輪機(jī)構(gòu)，依靠起升油缸頂升帶動(dòng)貨叉上升。

方案設(shè)計(jì)中，如圖3所示，油缸可以布置在門(mén)架槽鋼后端、槽鋼兩側(cè)和槽鋼前端三處位置。根據(jù)不同的車(chē)型需要，選擇最合理油缸的布局。

圖3 油缸在門(mén)架中的位置

平衡重式叉車(chē)：門(mén)架兩側(cè)需要連接傾斜油缸，起升油缸只能在門(mén)架后端。油缸布置在門(mén)架后端，可以使門(mén)架結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且不減少內(nèi)門(mén)架的視線(xiàn)空間，缺點(diǎn)是油缸頂升內(nèi)門(mén)架時(shí)，內(nèi)門(mén)架產(chǎn)生一個(gè)前翻的彎矩，門(mén)架額外增加一個(gè)負(fù)載。

倉(cāng)儲(chǔ)堆垛車(chē)輛：兩側(cè)沒(méi)有傾斜油缸，起升油缸可以布置在門(mén)架左右兩側(cè)，活塞桿支撐在內(nèi)門(mén)架兩側(cè)，使得內(nèi)門(mén)架更加穩(wěn)定，缺點(diǎn)是增加了門(mén)架橫向?qū)挾龋瑴p小門(mén)架的視線(xiàn)空間。起升油缸在門(mén)架前方，主要用于高位揀選車(chē)車(chē)輛。

（2）油缸類(lèi)型的選擇

門(mén)架下降依靠自重反推油缸排出液壓油，因此選用單作用油缸。按結(jié)構(gòu)不同，可以選擇活塞式或者柱塞式。

活塞式油缸作用力面積為活塞。相同缸筒外徑的情況下，活塞式油缸輸出力遠(yuǎn)大于柱塞式油缸，所以一般常用載荷較大的平衡重式叉車(chē)門(mén)架。

柱塞式油缸作用力面積為活塞桿。由于倉(cāng)儲(chǔ)車(chē)輛載荷較小，油缸缸筒外徑較細(xì)，選用柱塞式油缸，缸筒外徑大于活塞式油缸，反而使得油缸有足夠的穩(wěn)定性。所以，柱塞式油缸常用于倉(cāng)儲(chǔ)車(chē)輛門(mén)架，增加油缸的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)壓力加快門(mén)架升降速度。

3.鏈輪和鏈條的結(jié)構(gòu)布置

鏈輪和鏈條是配套零件，鏈輪的布置決定了鏈條的走向。常見(jiàn)兩種布置方案，見(jiàn)圖4。

圖4 鏈輪和鏈條的結(jié)構(gòu)布置

橫向布置鏈輪（圖4左圖），結(jié)構(gòu)緊湊，相關(guān)零件制造成本相對(duì)較低?？v向布置鏈輪（圖4右圖）外形輪廓相對(duì)較大，但門(mén)架內(nèi)部空間充足，可以布置相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

鏈條長(zhǎng)度貫穿整個(gè)門(mén)架，在鏈條途徑的位置都不能有任何阻擋的零件?？v向布置方案可以增加一個(gè)加強(qiáng)橫梁，以此提高門(mén)架的剛性；橫向布置方案，加強(qiáng)橫梁位置被鏈條占用，高起升門(mén)架無(wú)法對(duì)中門(mén)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，這也是該方案的最大缺點(diǎn)。

兩級(jí)門(mén)架由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鏈輪只能縱向布置。三級(jí)門(mén)架的鏈輪，既可縱向布置，也可橫向布置?；趦杉?jí)門(mén)架結(jié)構(gòu)限制于縱向布置，如三級(jí)門(mén)架采用不同布置方式，使得同系列的門(mén)架零件通用性較差，難以形成系列化的結(jié)構(gòu)和零件，因此設(shè)計(jì)方案優(yōu)先選擇相同布置方式。

綜合分析，鏈輪選擇縱向布置方案，雖然成本相對(duì)較高，但是提高了零件通用化，但大批量生產(chǎn)后可以抵消成本較高的不利因素。目前的高起升門(mén)架均采用縱向布置，最高門(mén)架起升高度達(dá)到14m以上。

二、門(mén)架技術(shù)性能要求

1.前懸距尺寸

平衡重式叉車(chē)的特點(diǎn)，就是整個(gè)門(mén)架依靠下鉸座鉸接在驅(qū)動(dòng)橋上，門(mén)架重心處于車(chē)輪中心之外，在叉去貨物時(shí)，貨物以前橋?yàn)檩S心產(chǎn)生一個(gè)向前的傾翻力矩。貨叉垂直段前表面至前橋中心的距離稱(chēng)為叉車(chē)前懸距。前懸距越小，叉車(chē)載重后產(chǎn)生的向前傾翻力矩也越小，叉車(chē)載荷能力就越大。縮短前懸距，同時(shí)也減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高車(chē)輛的通過(guò)性能。

減小前懸距需要門(mén)架結(jié)構(gòu)更為緊湊，主要可以從槽鋼和油缸的布置兩方面考慮。第一，由于內(nèi)門(mén)架承受的載荷小于外門(mén)架，因此內(nèi)門(mén)架槽鋼載荷能力可以小于外門(mén)架（圖5），相比傳統(tǒng)的圖1中C+J結(jié)構(gòu)，圖5中所示的C+J組合方式，內(nèi)門(mén)架不凸出外門(mén)架，門(mén)架不會(huì)增加前懸尺寸。油缸布置門(mén)架兩側(cè)，騰出圖1中原來(lái)的油缸位置，實(shí)現(xiàn)減小前懸尺寸的目的。

圖5 槽鋼布置的優(yōu)化

2.門(mén)架靜止高度、離地間隙

同一起升高度，門(mén)架靜止高度越低，通過(guò)性能越好，可以在低矮的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)自由通行。如果在不平整的場(chǎng)地，需要提高門(mén)架的離地間隙，才能獲得良好的通過(guò)性能。門(mén)架靜止高度和離地高度是一對(duì)客觀存在的矛盾。不考慮門(mén)架受力情況，直接降低門(mén)架靜止高度，使得滾輪支撐槽鋼的力臂減短，降低了門(mén)架承受彎曲的能力。因此，需要根據(jù)車(chē)輛設(shè)計(jì)的載荷能力，對(duì)這一矛盾做一個(gè)取舍，兩者取一個(gè)優(yōu)先考慮。比如，越野型叉車(chē)為了適應(yīng)野外的工況，設(shè)計(jì)上優(yōu)先選擇高離地間隙；室內(nèi)電動(dòng)叉車(chē)需要在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)通行，而且倉(cāng)庫(kù)地面相對(duì)平整，設(shè)計(jì)上優(yōu)先考慮離地間隙的要求。

3.滿(mǎn)載狀態(tài)的最大起升高度

滿(mǎn)載最大起升高度與叉車(chē)重心有關(guān)，但門(mén)架剛性也是非常重要的影響因素。車(chē)輛載重后，門(mén)架承受縱向彎曲載荷，而且地面不平整和貨物偏載時(shí)也承受橫向載荷。當(dāng)門(mén)架高起升后槽鋼發(fā)生彎曲變形，門(mén)架載核中心偏離原來(lái)的位置，增加了叉車(chē)的傾翻力矩，減小整機(jī)的承載能力。在提高門(mén)架剛性以外，槽鋼與滾輪配合存在間隙，滾輪間隙也增加了內(nèi)外門(mén)架這間擾度，因此，滾輪配合間隙也是至關(guān)重要的因素，一般要求控制0.6mm以?xún)?nèi)。

4.最大起升速度

常規(guī)叉車(chē)液壓系統(tǒng)提供的最大工作壓力在18Mpa左右，隨著液壓技術(shù)發(fā)展，如今叉車(chē)液壓系統(tǒng)的最大壓力能達(dá)到25Mpa，高壓系統(tǒng)可能減小門(mén)架起升油缸直徑，提高門(mén)架的起升速度，提高叉車(chē)工作能效等級(jí)。門(mén)架依靠自重的反作用力下降，油缸減小后，增加了下降的工作壓力，也加快門(mén)架下降的速度。因此，在設(shè)計(jì)新能源叉車(chē)門(mén)架時(shí)，門(mén)架必須能適應(yīng)高壓系統(tǒng)的要求。

三、人機(jī)工程學(xué)方面

1.舒適性

全自由門(mén)架油缸的起升順序：先起升中間油缸到頂后，再起升左右油缸。設(shè)計(jì)上，按照經(jīng)驗(yàn)估算油缸面積的比值，中間油缸工作壓力小于左右起升油缸，在同一液壓系統(tǒng)中，工作壓力小的中間油缸才會(huì)先起升。由于存在壓力差，兩組油缸起升切換過(guò)程時(shí)，液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng)給門(mén)架帶來(lái)一個(gè)較大的沖擊，影響駕駛員的乘駕舒適性。

兩級(jí)全自由門(mén)架為例，中間油缸頂升貨叉架和貨叉，左右油缸多頂升一級(jí)內(nèi)門(mén)架，在方案設(shè)計(jì)中必須詳細(xì)計(jì)算各個(gè)組件的自重，盡量減小壓力差值，一般不超過(guò)2MPa。在保證門(mén)架的起升順序情況下，盡量減小壓力差值，使油缸切換更加平穩(wěn)，提高駕駛舒適性。

2.外觀整潔、美觀

安裝多聯(lián)屬具油路后，是影響門(mén)架整潔、美觀主要因素，凌亂的油路也阻擋了駕駛員的視線(xiàn)。兩級(jí)寬視野門(mén)架由于本身視線(xiàn)非常開(kāi)闊，安裝油路后幾乎不影響操作視線(xiàn)。三級(jí)全自由門(mén)架增加了中門(mén)架和中間油缸，本身操作視線(xiàn)不佳，安裝屬具油路后對(duì)門(mén)架視線(xiàn)影響非常大。

特別是中間油缸上的必須繞過(guò)多組油管，直接擋住駕駛和操作視線(xiàn)。因此，需要根據(jù)不同的門(mén)架選擇布置方案，當(dāng)門(mén)架內(nèi)橫向空間不足時(shí)（圖6左圖），油路滑輪組件纏繞在鏈輪座上端，在中間油缸兩側(cè)還能保留足夠的空間。當(dāng)門(mén)架內(nèi)高度空間不足，橫向?qū)挾瘸渥銜r(shí)（圖6右圖），油路纏繞在鏈輪座兩側(cè)，不遮擋鏈輪座以上的空間，使門(mén)架仍然能保持一個(gè)相對(duì)較好的駕駛視線(xiàn)。

圖6 中間油缸上的油管

四、安全性

安全性不僅指門(mén)架結(jié)構(gòu)的安全，還有駕駛員的操作視線(xiàn)，包括車(chē)輛行走時(shí)的視線(xiàn)和堆垛貨物時(shí)的視線(xiàn)。設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化槽鋼、油缸的布置，提高操作視線(xiàn)。比如，一般情況外門(mén)架越寬視線(xiàn)越好，但在實(shí)際中，門(mén)架槽鋼同小轎車(chē)的AB柱阻擋著視線(xiàn)，總有一些位置處于視線(xiàn)盲區(qū)，必須結(jié)合叉車(chē)的整體設(shè)計(jì)，選擇合理的外門(mén)架寬度，并不是外門(mén)架越寬越好。

良好的視野，為叉車(chē)作業(yè)者提高良好的工作環(huán)境，既能提高效率，同時(shí)確保駕駛員安全。人性化的設(shè)計(jì)，能夠使駕駛員保持良好的心情，減少操作失誤。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文探討了叉車(chē)門(mén)架設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，分析門(mén)架布局中各種方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，例舉門(mén)架設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求以及對(duì)整機(jī)性能影響，介紹人機(jī)工程方面的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)優(yōu)化起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為叉車(chē)的載荷大、起升高、操作舒適提供配套技術(shù)支持。