船用防爆型助力液壓搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭 奎， 李金通， 王 琦

（1.92942 部隊(duì)， 北京 100161； 2.91395 部隊(duì)， 北京 102401）

0 引言

隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展， 各型船舶上的機(jī)械設(shè)備也越來(lái)越多樣化，部分多用途型船舶在運(yùn)輸柴油、航空燃料油等物資的同時(shí)，也會(huì)攜帶小型集裝箱、貨框等形式的物資， 集裝箱或貨框需要由叉車等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行叉裝運(yùn)輸、堆垛等，并且，因船上空間有限，對(duì)叉車等機(jī)械設(shè)備的大小也有限制，使其能滿足在小型空間內(nèi)使用，具備能夠原地旋轉(zhuǎn)等功能，又因攜帶了部分油氣資源，在船上某些位置會(huì)出現(xiàn)油氣混合區(qū)，這樣就會(huì)形成防爆區(qū)域。根據(jù)防爆區(qū)域要求，此類防爆區(qū)一般為Ⅱ類防爆區(qū)，在此區(qū)域工作的設(shè)備要求具備防爆功能。 本文依據(jù)助力液壓搬運(yùn)車的防爆性能、使用要求等方面的技術(shù)要求，進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

1 組成

根據(jù)船舶上助力液壓搬運(yùn)車的使用要求，其主要組成由車體、 框架總成、驅(qū)動(dòng)輪總成、 電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等組成。 其外形圖見(jiàn)圖1。

圖1 助力液壓搬運(yùn)車外形圖

2 設(shè)計(jì)原理

該型助力液壓搬運(yùn)車采用電液一體化設(shè)計(jì)， 采用蓄電池組提供動(dòng)力源，電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，液壓泵帶動(dòng)液壓馬達(dá)再驅(qū)動(dòng)行走輪使搬運(yùn)車行走， 可實(shí)現(xiàn)速度指標(biāo)內(nèi)的無(wú)級(jí)變速。 貨叉的起升與降落由液壓控制，推動(dòng)液壓油缸上下運(yùn)動(dòng)升降貨叉和貨物。 操作手柄既是整車行走開關(guān)也是轉(zhuǎn)向操作的方向桿。 具有省力、 效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、噪音小，無(wú)污染等特點(diǎn)。 其液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)原理如下：

2.1 液壓系統(tǒng)

叉車行走及提升方式采用液壓驅(qū)動(dòng)， 液壓系統(tǒng)主要由泵、防爆電磁閥、調(diào)速閥、單向閥、溢流閥、行走馬達(dá)、提升油缸液壓管路附件等組成。

液壓系統(tǒng)油源由泵供給，經(jīng)由防爆電磁閥，控制行走馬達(dá)、 提升油缸兩種執(zhí)行元件。 為保證裝卸過(guò)程工作平穩(wěn)，提升油缸安裝調(diào)速閥，控制提升速度調(diào)節(jié)，可避免沖擊，有利于保護(hù)油缸，提高系統(tǒng)可靠性。

2.2 電氣系統(tǒng)

整車電氣系統(tǒng)主要包括防爆電源控制系統(tǒng)、 防爆蓄電池組、防爆電機(jī)控制器、交流防爆電機(jī)、防爆防腐操作柱及線束。電源控制系統(tǒng)及電機(jī)控制器采用Q235 材質(zhì)防爆殼進(jìn)行隔離防爆，防爆殼防爆等級(jí)滿足2 區(qū)ExdⅡBT4 Gc。 選用3KW 三相交流防爆電機(jī)，電機(jī)防爆等級(jí)滿足2區(qū)ExdⅡBT4 Gc。 啟動(dòng)及急停操作柱選用防爆操作柱，防爆操作柱防爆等級(jí)滿足2 區(qū)ExdⅡCT6 Gc。蓄電池防爆箱和電機(jī)內(nèi)均設(shè)有溫度傳感器，達(dá)到設(shè)定保護(hù)溫度自動(dòng)停機(jī)。

其中防爆電池組由16 塊單體電池組成，工作方式采用串聯(lián)形式，額定電壓為48V，額定總?cè)萘繛?00AH，由電源管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行管理， 電源管理系統(tǒng)主要功能是保障蓄電池組安全的充放電工作。 管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的單體電壓、單體溫度、系統(tǒng)充放電電流，計(jì)算蓄電池組剩余容量。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、過(guò)流等非正常情況時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并同時(shí)切斷電池主回路。

助力液壓搬運(yùn)車的電氣系統(tǒng)、 液壓系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)折彎支架、框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)系統(tǒng)與車體的連接，最終為整車提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)整車行走、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)運(yùn)、舉升、堆碼等功能。 并根據(jù)其防爆性能要求，采用了導(dǎo)靜電輪胎、防爆操作手柄等。

3 分析與計(jì)算

助力液壓搬運(yùn)車在工作過(guò)程中， 要承受堆碼的重量，根據(jù)其承載重量對(duì)其進(jìn)行受力分析，結(jié)合助力液壓搬運(yùn)車的使用環(huán)境，本文分析只針對(duì)轉(zhuǎn)彎時(shí)的操作受力分析及船舶航行過(guò)程中的滿載使用狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，航行時(shí)滿載狀態(tài)下是助力液壓搬運(yùn)車使用的極端條件，在該條件下能夠滿足使用要求，則其他情況下也能夠滿足使用要求。

3.1 平面狀態(tài)下滿載時(shí)轉(zhuǎn)彎受力分析

計(jì)算相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

車身自重： G=1300kg；

前輪兩輪中心距離：L1=0.7m；

重心偏離中心軸線距離：L2=0.039m；

重心距離地面高度：H=0.4396m；

驅(qū)動(dòng)輪與前輪中心距：L=1.14m；

最大行駛速度：vmax=0.7m/s；

最大轉(zhuǎn)向角：θ=30°；

對(duì)助力液壓搬運(yùn)車轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析得， 助力液壓搬運(yùn)車進(jìn)行左轉(zhuǎn)向時(shí)相比于右轉(zhuǎn)向時(shí)更容易發(fā)生側(cè)翻情況，因此對(duì)左轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行受力分析，受力分析圖見(jiàn)圖2。

圖2 空載時(shí)左轉(zhuǎn)向受力分析圖

通過(guò)受力分析圖分析得， 左轉(zhuǎn)向發(fā)生側(cè)翻的臨界狀態(tài)為內(nèi)側(cè)支撐輪（左前輪）提供的支撐力為0，即F1=0，經(jīng)計(jì)算：

根據(jù)力矩平衡：G·g×0.0337=F離·H；（對(duì)外側(cè)支撐輪（右前輪）著地中心點(diǎn)計(jì)算力矩）

經(jīng)計(jì)算得：n=1.8， 因此助力液壓搬運(yùn)車空載左轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，滿足使用要求。

3.2 平面狀態(tài)下滿載時(shí)轉(zhuǎn)彎受力分析

對(duì)助力液壓搬運(yùn)車轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析得，助力液壓搬運(yùn)車進(jìn)行左轉(zhuǎn)向時(shí)相比于右轉(zhuǎn)向時(shí)更容易發(fā)生側(cè)翻情況，因此對(duì)左轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行受力分析，受力分析圖見(jiàn)圖3。

圖3 滿載時(shí)左轉(zhuǎn)向受力分析圖

通過(guò)受力分析圖分析得， 左轉(zhuǎn)向發(fā)生側(cè)翻的臨界狀態(tài)為內(nèi)側(cè)支撐輪（左前輪）提供的支撐力為0，即F1=0，經(jīng)計(jì)算：

根據(jù)力矩平衡：G·g×0.0337=F離·H；（對(duì)外側(cè)支撐輪（右前輪）著地中心點(diǎn)計(jì)算力矩）

經(jīng)計(jì)算得：n=2.3>1， 因此助力液壓搬運(yùn)車滿載左轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，滿足使用要求。

3.3 船舶航行過(guò)程中空載狀態(tài)下的受力分析

助力液壓搬運(yùn)車在驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)設(shè)計(jì)有離地高度為5mm 的萬(wàn)向軸承，其寬度與前支撐輪寬度相同，在助力液壓搬運(yùn)車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪與一前支撐輪鎖鏈直線為助力液壓搬運(yùn)車側(cè)翻的傾翻軸線， 此軸線為助力液壓搬運(yùn)車的一級(jí)安全軸線， 萬(wàn)向軸承與其對(duì)應(yīng)前支撐輪組成的軸線為二級(jí)安全軸線，在實(shí)際使用過(guò)程中，若在二級(jí)安全軸線下發(fā)生失穩(wěn)，則判定為助力液壓搬運(yùn)車失穩(wěn)。

在進(jìn)行空載坡面行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)現(xiàn)一級(jí)安全軸線已失穩(wěn)，因此對(duì)助力液壓搬運(yùn)車二級(jí)安全軸線進(jìn)行校核。

坡度：α=8.53°；（設(shè)計(jì)指標(biāo)要求車輛爬坡度15%，按8.53°計(jì)算）；對(duì)助力液壓搬運(yùn)車轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析得，助力液壓搬運(yùn)車進(jìn)行左轉(zhuǎn)向時(shí)相比于右轉(zhuǎn)向時(shí)更容易發(fā)生側(cè)翻情況，因此對(duì)左轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行受力分析，受力分析圖見(jiàn)圖4。

圖4 空載時(shí)坡面左轉(zhuǎn)向受力分析圖

通過(guò)受力分析圖分析得， 左轉(zhuǎn)向發(fā)生側(cè)翻的臨界狀態(tài)為內(nèi)側(cè)支撐輪提供的支撐力為0，即F1=0，經(jīng)計(jì)算：

離心力：F離=G·a

根據(jù)力矩平衡：G·cosα·g·（L2-H·tanα）=F離·H/cosα（對(duì)傾翻軸計(jì)算力矩）

經(jīng) 計(jì) 算 得：n=4.85，因此助力液壓搬運(yùn)車坡面行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，滿足使用要求。

在進(jìn)行載重作業(yè)時(shí)，由于重物使整車重心前移，重力作用力臂增加，重力防止整車傾翻的力矩增加，所載重物對(duì)整車穩(wěn)定系統(tǒng)起正作用，即更為穩(wěn)定，因此不進(jìn)行校核。

3.4 船舶航行過(guò)程中滿載狀態(tài)下的受力分析

助力液壓搬運(yùn)車在驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)設(shè)計(jì)有離地高度為5mm 的萬(wàn)向軸承，其寬度與前支撐輪寬度相同，在助力液壓搬運(yùn)車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪與一前支撐輪鎖鏈直線為助力液壓搬運(yùn)車側(cè)翻的傾翻軸線， 此軸線為助力液壓搬運(yùn)車的一級(jí)安全軸線， 萬(wàn)向軸承與其對(duì)應(yīng)前支撐輪組成的軸線為二級(jí)安全軸線，在實(shí)際使用過(guò)程中，若在二級(jí)安全軸線下發(fā)生失穩(wěn)，則判定為助力液壓搬運(yùn)車失穩(wěn)。

在進(jìn)行空載坡面行駛轉(zhuǎn)彎并伴有橫搖時(shí)發(fā)現(xiàn)一級(jí)安全軸線已失穩(wěn)， 因此對(duì)助力液壓搬運(yùn)車二級(jí)安全軸線進(jìn)行校核。

助力液壓搬運(yùn)車轉(zhuǎn)彎時(shí)自身離心加速度：a1

垂直補(bǔ)給所需航速和海況條件下船的橫搖最大角加速度為1.09°/s2、甲板距船底高度8.8m，計(jì)算得船橫搖加速度最大為：

a 橫搖=1.09×π÷180×8.8=0.167m/s2

對(duì)助力液壓搬運(yùn)車轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析得， 助力液壓搬運(yùn)車進(jìn)行左轉(zhuǎn)向時(shí)相比于右轉(zhuǎn)向時(shí)更容易發(fā)生側(cè)翻情況， 因此其坡面行駛轉(zhuǎn)向并考慮船橫搖情況進(jìn)行側(cè)翻受力分析，受力分析圖見(jiàn)圖5。

圖5 空載時(shí)橫搖下坡面左轉(zhuǎn)向受力分析圖

通過(guò)受力分析圖分析得， 右轉(zhuǎn)向發(fā)生側(cè)翻的臨界狀態(tài)為內(nèi)側(cè)支撐輪提供的支撐力為0，即F1=0，經(jīng)計(jì)算：

離心力：F離=G·a

根據(jù)力矩平衡：G·cosα·g·（L2-H·tanα）=F離·H/cosα（對(duì)外側(cè)支撐輪（右前輪）著地中心點(diǎn)計(jì)算力矩）

經(jīng) 計(jì) 算 得：n=4.77>1，因此助力液壓搬運(yùn)車滿載狀態(tài)下在坡面行駛轉(zhuǎn)向并考慮船橫搖情況下不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，滿足使用要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，在載重1T 集裝箱狀態(tài)下，驗(yàn)證助力液壓搬運(yùn)車在滿載狀態(tài)下的下坡試驗(yàn)，從試驗(yàn)情況看，試驗(yàn)狀況良好， 助力液壓搬運(yùn)車能夠滿足在極限狀態(tài)下船舶航行時(shí)滿載的運(yùn)行、堆碼和載重。并對(duì)各個(gè)防爆分系統(tǒng)進(jìn)行防爆性能檢測(cè)，防爆技術(shù)要求符合2 區(qū)防爆等級(jí)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

助力液壓搬運(yùn)車能夠在小空間內(nèi)使用，且具備防爆、轉(zhuǎn)運(yùn)和堆碼等功能， 能夠解決現(xiàn)有船舶內(nèi)因空間受限導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行小型物資的轉(zhuǎn)運(yùn)和堆碼，且能夠原地旋轉(zhuǎn)，改善了防爆環(huán)境下小空間范圍內(nèi)物資的轉(zhuǎn)運(yùn)和堆碼問(wèn)題。