手動(dòng)液壓叉車制動(dòng)裝置研究與設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)手動(dòng)液壓叉車在實(shí)際使用過(guò)程中貨物過(guò)重、慣性過(guò)大，無(wú)法及時(shí)控制從而造成人貨損壞的問題，本文采用NAO型摩擦材料，并使用V式制動(dòng)器設(shè)計(jì)了一款具有制動(dòng)裝置的手動(dòng)液壓叉車，并通過(guò)可行性分析，得出在裝有制動(dòng)裝置的情況下，能有效減少制動(dòng)距離14.3cm～17.2cm，從而減少叉車安全事故的有效結(jié)論。手動(dòng)液壓叉車制動(dòng)裝置的研究與設(shè)計(jì)可為相關(guān)研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：手動(dòng)液壓叉車；制動(dòng)裝置；V式制動(dòng)器；NAO型摩擦材料；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH 242" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作為在物流中廣泛應(yīng)用的搬運(yùn)設(shè)備，叉車在物品搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸和起重方面具有不可替代的作用。手動(dòng)液壓叉車通過(guò)搖動(dòng)搖桿，使搖桿與下面的液壓缸連接，并通過(guò)液壓缸帶動(dòng)貨叉起升來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的裝卸和搬運(yùn)，然后操作人員將叉車搬運(yùn)到指定位置。該設(shè)備屬于物流設(shè)備中搬運(yùn)托盤的最簡(jiǎn)便、最常見的裝卸搬運(yùn)設(shè)備[1]。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，叉車需求逐步增加?，F(xiàn)有手動(dòng)液壓叉車規(guī)格單一，適用范圍局限，存在寬度不可調(diào)、無(wú)法應(yīng)對(duì)倉(cāng)庫(kù)作業(yè)的不同需求、手動(dòng)液壓叉車使用效率低[2]以及不能進(jìn)行制動(dòng)等問題。本文在手動(dòng)液壓叉車原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，為手動(dòng)液壓叉車設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)，目的是為了出現(xiàn)意外或特殊情況時(shí)，能夠第一時(shí)間將叉車停住，保障使用人員和貨物的安全。

1 手動(dòng)液壓叉車制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

1.1 手動(dòng)叉車參數(shù)

現(xiàn)在市面上根據(jù)貨叉的長(zhǎng)度和內(nèi)寬不同分為窄型叉車和寬型叉車。2種叉車的基本參數(shù)見表1。

表1 寬型叉車和窄型叉車技術(shù)參數(shù)

參數(shù)型號(hào) 寬型 窄型

載質(zhì)量（t） 2～2.5 2～2.5

叉長(zhǎng)（mm） 1220 1150

貨叉內(nèi)寬（mm） 365 230

貨叉外寬（mm） 685 550

貨叉寬（mm） 160 160

貨叉最大起升高度（mm） 200 185

貨叉最低放高度（mm） 80 75

把手離地高度（mm） 1230 1230

小輪直徑（mm） 70 70

大輪直徑（mm） 170 170

搖桿長(zhǎng)（mm） 950 950

1.2 制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

手動(dòng)液壓叉車因小巧靈活而被廣泛應(yīng)用于貨物短距離裝卸搬運(yùn)，其承載能力在1t左右，動(dòng)力來(lái)源主要為人力驅(qū)動(dòng)。在保留手動(dòng)叉車原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在手柄處增設(shè)制動(dòng)裝置，可使操作人員在運(yùn)輸過(guò)程中利用手柄處的制動(dòng)裝置進(jìn)行緊急制動(dòng)，提高手動(dòng)叉車在作業(yè)過(guò)程中的安全性，保障貨物和操作人員安全，同時(shí)該制動(dòng)裝置適用于寬、窄型2類叉車。裝置設(shè)計(jì)具體包括3個(gè)方面。1）在叉車手柄處安裝制動(dòng)控制剎車把手，通過(guò)把手帶動(dòng)剎車線作用在將要制動(dòng)的車輪上。2）在把手后通過(guò)剎車線將剎車線從按鈕處連接到將要進(jìn)行制動(dòng)的車輪處，并在車輪上方設(shè)置V剎型制動(dòng)裝置，通過(guò)杠桿原理來(lái)制動(dòng)。3）改進(jìn)叉車車輪和用于支撐車輪的軸，將按叉車車輪周長(zhǎng)在輪圈處裝一圈用于增加摩擦的橡膠套。將車輪軸最外沿與車輪輪廓接觸處進(jìn)行改進(jìn)，改成帶有摩擦性材料的軸，將其用于制動(dòng)，支撐整個(gè)車輪并能夠進(jìn)行伸縮。

1.3 手動(dòng)叉車制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

通過(guò)研究V剎裝置來(lái)設(shè)計(jì)叉車的制動(dòng)裝置。該裝置的基本構(gòu)造由制動(dòng)把手、連接制動(dòng)裝置和把手的剎車線以及裝有摩擦材料的制動(dòng)裝置組成，通過(guò)這3個(gè)零部件對(duì)手動(dòng)液壓叉車進(jìn)行制動(dòng)，達(dá)到安全生產(chǎn)、運(yùn)作的目的。

1.3.1 V式制動(dòng)器的組成

V式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、造價(jià)低廉且性價(jià)比高，常用于自行車上的制動(dòng)裝置。V式制動(dòng)裝置主要由剎車臂、剎車皮和張力彈簧等結(jié)構(gòu)組成。1）剎車皮。剎車皮材質(zhì)一般為塑料或樹脂，有些剎車皮里面會(huì)添加一些金屬沫或陶瓷沫。2）剎車臂。本文剎車臂設(shè)計(jì)成“S”狀或“C”狀，左、右剎車臂為連續(xù)且不斷開的整體，頂端有連接剎車線的的小孔，能夠固定住剎車線，使鋼索在內(nèi)部滑動(dòng)，端向輪圈的一側(cè)固定剎車皮，外側(cè)與車架固定。3）張力彈簧。張力彈簧是連接2塊剎車臂的裝置，當(dāng)作用力結(jié)束后能夠復(fù)原并返回原來(lái)的位置。

1.3.2 V式制動(dòng)器的工作原理

V式制動(dòng)器常用于自行車制動(dòng)，目前被廣泛應(yīng)用。該裝置有2個(gè)形如剪刀狀交叉的剎車臂。該剎車臂組裝后形狀如“V”形，剎車臂的兩邊固定在支撐車輪的軸上[2]。該裝置的制動(dòng)原理類似杠桿作用，只需要捏緊自行車的手柄，驅(qū)動(dòng)剎車線，將剎車臂拉到輪輞附近，并在接觸后產(chǎn)生摩擦即可剎車。

1.3.3 制動(dòng)把手

模仿自行車制動(dòng)把手進(jìn)行叉車制動(dòng)把手設(shè)計(jì)。由于手動(dòng)液壓叉車的把手大都呈圓柱狀且液壓釋放手閘在把手圈內(nèi)，因此本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)把手將放置在裝有液壓釋放手閘的另一側(cè)。該制動(dòng)把手將安裝在叉車把手上，制動(dòng)把手的末端用螺絲固定在叉車把手上，可呈30度角旋轉(zhuǎn)。在制動(dòng)把手的末端放置張力彈簧，能夠在一次制動(dòng)完后將制動(dòng)把手彈回原位，方便下一次制動(dòng)。制動(dòng)把手末端還需要與剎車線進(jìn)行連接，通過(guò)剎車線帶動(dòng)制動(dòng)裝置進(jìn)行制動(dòng)。詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.3.4 剎車線

剎車線由橡膠管及其裝載橡膠管的鋼索組成。橡膠管內(nèi)壁設(shè)置多個(gè)徑向凸起，鋼索與橡膠管間填充有潤(rùn)滑物，避免叉車在運(yùn)作中出現(xiàn)剎車線彎折，進(jìn)而破壞制動(dòng)過(guò)程。橡膠管可由氯丁橡膠、乙丙橡膠和聚氯脂橡膠制成，橡膠管內(nèi)還裝有潤(rùn)滑油，可為油脂或滑石粉，方便鋼索在橡膠管內(nèi)運(yùn)動(dòng)。剎車線的兩端連接制動(dòng)把手和車輪制動(dòng)裝置，主要功能是將制動(dòng)把手的作用力傳輸給制動(dòng)裝置，從而進(jìn)行制動(dòng)。剎車線共2條，分別連接貨叉下面2個(gè)車輪上的制動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度取決于搖桿和貨叉長(zhǎng)度。

1.3.5 制動(dòng)裝置

制動(dòng)裝置為本文設(shè)計(jì)的核心裝置。該裝置設(shè)計(jì)模仿V剎裝置?？紤]叉車貨叉需要進(jìn)行起降，同時(shí)車輪架需要支撐叉車的運(yùn)行，因此該裝置將設(shè)計(jì)在與叉車貨叉連接以支撐車輪車架的內(nèi)部，并將裝置固定在車架橫桿上。該制動(dòng)裝置的主要構(gòu)成包括剎車臂、張力彈簧以及安裝于剎車臂上的剎車皮。剎車臂安裝在叉車貨叉上，同時(shí)起到支撐貨叉搬運(yùn)貨物的作用。在2塊剎車臂的連接處放置張力彈簧，能夠在一次制動(dòng)后恢復(fù)原樣，并同時(shí)防止剎車臂連接處變形。在與車輪接觸并固定車輪的軸上安裝剎車皮。該剎車皮主要為NAO型摩擦材料。本文設(shè)計(jì)的裝置能夠在滿足貨物裝卸搬運(yùn)的同時(shí)對(duì)叉車進(jìn)行制動(dòng)。詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.4 設(shè)計(jì)詳情與參數(shù)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)得到如下設(shè)計(jì)模型及其設(shè)計(jì)參數(shù)：叉車搖桿高為95cm，貨車長(zhǎng)為114cm，叉車搖桿底部到貨叉的斜線距離為35cm，所需剎車線的長(zhǎng)度為95+114+35=244cm，一共需要2根剎車線，總長(zhǎng)度為488cm。具體模型參數(shù)如圖3～圖5所示。

首先，改進(jìn)后的叉車小輪和具體參數(shù)如圖3所示。

其次，制動(dòng)把手具體安裝位置和參數(shù)圖如圖4所示。剎車把手末端連接剎車線，內(nèi)部裝有張力彈簧，可使剎車把手恢復(fù)原位。

最后，將制動(dòng)裝置、制動(dòng)把手和剎車線安裝于手動(dòng)叉車上，具體模型如圖5所示。

2 手動(dòng)叉車制動(dòng)裝置工作原理

手動(dòng)叉車制動(dòng)裝置工作原理與自行車V剎相似，在需要進(jìn)行制動(dòng)的情況下，將力作用于剎車把手上，通過(guò)剎車線傳導(dǎo)到“V”形裝置上，再通過(guò)“V”形裝置作用于車架并抱緊車輪來(lái)制動(dòng)，制動(dòng)作用點(diǎn)在車輪內(nèi)圈上。車架兩邊具有摩擦型材料的剎車材料與車輪產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而達(dá)到制動(dòng)效果。

該制動(dòng)裝置放置于車架內(nèi)部，在制動(dòng)過(guò)程中不會(huì)對(duì)叉車的正常起升和運(yùn)行造成影響。制動(dòng)裝置原理圖如圖6所示，可以將2個(gè)制動(dòng)臂視為2個(gè)異性杠桿，左側(cè)的制動(dòng)臂是相等的杠桿，右側(cè)的制動(dòng)是省力的杠桿。拉動(dòng)制動(dòng)拉索時(shí)，圖右側(cè)的制動(dòng)臂會(huì)受向上拉動(dòng)的力，并開始移向輪輞。左側(cè)的剎車臂受反作用力，也開始向車圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)剎車皮開始作用于車輪內(nèi)圈上，對(duì)車輪內(nèi)圈摩擦并減慢叉車的運(yùn)行速度，從而達(dá)到制動(dòng)的目的。

3 手動(dòng)叉車制動(dòng)裝置應(yīng)用分析

在裝有制動(dòng)裝置的情況下，叉車操作人員按動(dòng)制動(dòng)把手就能將叉車進(jìn)行制動(dòng)或減速，同時(shí)制動(dòng)裝置也會(huì)對(duì)叉車后小輪施加壓力，使車輪摩擦制動(dòng)。該過(guò)程中施加的壓力會(huì)對(duì)車輪產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸向外運(yùn)動(dòng)的趨向，該趨向就是轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。力矩的表達(dá)式為Mk=R·F（Mk為叉車空載時(shí)制動(dòng)性能所需的力矩，N·m；R為制動(dòng)輪胎空載滾動(dòng)半徑，m；F為制動(dòng)裝置對(duì)車輪的作用力，N）。

將叉車從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行制動(dòng)到叉車停止，通常情況下可根據(jù)動(dòng)能定理變形得出叉車在空載情況下的制動(dòng)距離S，如公式（1）所示。

（1）

式中：S為叉車空載時(shí)制動(dòng)距離，m；α為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算系數(shù)，取1.03；G為叉車空載時(shí)整車質(zhì)量，kg；R為制動(dòng)輪胎空載滾動(dòng)半徑，m；V為叉車空載時(shí)車速（成人行駛速度5km/h），m/s；MK為叉車空載時(shí)制動(dòng)性能所需的力矩，N·m。

叉車制動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)車輪產(chǎn)生摩擦力f摩，有f摩=μF（μ為摩擦系數(shù)（一般的摩擦系數(shù)＜1）；F為制動(dòng)裝置對(duì)車輪的作用力）。

據(jù)資料顯示，一般成年男性的握力為43kg～50kg（據(jù)1kg=9.8N可知，43kg～50kg為421.4N～490N），成年女性的握力為27kg～31kg（264.6N～303.8N）[3]。在手動(dòng)液壓叉車的使用中，成年男性居多，因此本次只分析成年男性在叉車使用過(guò)程中的制動(dòng)情況。當(dāng)操作人員以43kg～50kg（421.4N～490N）的握力按動(dòng)把手時(shí)，相應(yīng)也可看成是制動(dòng)裝置以43kg～50kg（421.4N～490N）的力作用在車輪上。制動(dòng)裝置所用的NAO型摩擦材料的摩擦系數(shù)為0.4～0.45。根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知，叉車后小輪的直徑為7cm，則輪胎滾動(dòng)半徑為3.5cm。一般的手動(dòng)液壓叉車質(zhì)量為35kg～55kg（本次計(jì)算采用35kg），操作人員拉動(dòng)叉車的速度為5km/h，約為1.39m/s（根據(jù)《手動(dòng)液壓叉車操作規(guī)范》《手動(dòng)液壓叉車安全操作規(guī)程》）。在不考慮車輪抱死的情況下，將動(dòng)能定理公式、力矩公式、摩擦力公式三者聯(lián)立可得制動(dòng)距離S，如公式（2）所示。

（2）

由此可知，當(dāng)摩擦系數(shù)最小、施加的力為43kg（421.4N）時(shí)制動(dòng)距離S1=20.7cm。當(dāng)摩擦系數(shù)最小、施加的力為50kg（490N）且不考慮車輪抱死時(shí)，制動(dòng)距離S2=17.8cm。

由此可知，與未裝制動(dòng)裝置的手動(dòng)叉車相比，裝有制動(dòng)裝置的手動(dòng)叉車能有效減少制動(dòng)距離14.3cm～17.2cm，從而減少叉車安全事故的發(fā)生。

手動(dòng)液壓叉車在載重運(yùn)行的情況下能夠保障貨物和人員的安全。但在現(xiàn)實(shí)操作中，如果叉車載重運(yùn)行時(shí)發(fā)生緊急情況，操作人員沒有及時(shí)反應(yīng)，貨物就會(huì)由慣性作用帶動(dòng)叉車?yán)^續(xù)前進(jìn)，此時(shí)操作人員想依靠叉車進(jìn)行制動(dòng)為時(shí)已晚，進(jìn)而發(fā)生生產(chǎn)安全事故。而手動(dòng)叉車裝有制動(dòng)裝置，只需要按動(dòng)把手即可進(jìn)行制動(dòng)，可有效避免事故發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前手動(dòng)液壓叉車應(yīng)用廣泛但未設(shè)置安全制動(dòng)裝置的問題，對(duì)手動(dòng)液壓叉車進(jìn)行制動(dòng)進(jìn)行了研究?；谧孕熊嘨式制動(dòng)器制動(dòng)原理來(lái)設(shè)計(jì)叉車的制動(dòng)裝置，為手動(dòng)液壓叉車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究提供了新的研究方向。

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