哈工大液压大作业叉车.pdf

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1、2 2 叉车工作装置液压系统的设计要求及技术参数叉车工作装置液压系统的设计要求及技术参数本例所设计叉车主要用于工厂中作业，要求能够提升 5000kg 的重物，最大垂直提升高度为 2m，叉车杆和导轨的重量约为 200kg，在任意载荷下，叉车杆最大上升（下降）速度不超过0.2m/s，要求速度可调以实现缓慢移动，并且具有良好的位置控制功能。不论载荷大小，甚至在液压油源无法供油，油源到液压缸之间的液压管路出现故障等情况下，要求叉车杆能够锁紧在最后设定的位置。当叉车杆在上升过程中，液压系统出现故障时，要求安全保护装置能够使负载下降。所设计叉车提升装置示意图如图 1-7 所示。图 1-7 提升装置包含提升

2、机构的支架必须设置一个能使其向后倾斜的装置，最大倾斜角为距垂直位置 20，最大扭矩为 18000Nm，倾斜角速度应限制在 12/s 之间，负载扭矩总是使支架回复到垂直位置。倾斜装置示意图如图 1-8 所示。图 1-8 倾斜装置叉车工作装置液压系统可以由叉车发动机直接驱动液压泵来提供油源，以便节省叉车携带电动机，减少叉车附属设备。液压系统需要设置合适的过滤器，液压油的工作温度应限定在合适的范围内。叉车的工作环境温度一般为-1045，可以工作在具有粉尘和沙粒的环境中，表 1-1 是某型叉车的技术参数。表 2-1 技术参数技术参数额定载荷质量 m（kg）起升工作装置最大提升负载质量 m(kg)提升高

3、度 h(m)提升速度 v(m/s)最大倾斜扭矩 T(Nm)倾斜工作装置倾斜角度()倾斜角速度(/s)力臂 r（m）5000520020.21800020121本设计已知所设计液压系统的最大负载和最大速度，因此可根据系统的最大负载和最大速度来确定液压系统的主要参数，无须再对液压系统进行工况分析。2.12.1 主要参数确定主要参数确定叉车工作装置液压系统包括起升液压系统和倾斜液压系统两个子系统，分别为起升液压缸和倾斜液压缸驱动，因此首先确定两个子系统执行元件的设计参数和系统的工作压力。2.1.12.1.1 起升装置的参数确定起升装置的参数确定由于起升液压缸仅在起升工作过程中承受负载，在下落工作过程

4、中液压缸可在负载和液压缸活塞自重作用下自动缩回，因此可采用单作用液压缸做执行元件，如果把单作用液压缸的环形腔与活塞的另一侧连通，构成差动连接方式，因为活塞另一侧和环形面的压力相等，则液压缸的驱动力将由活塞杆的截面积决定。为减小外部连接管路，液压缸的设计可采用在活塞上开孔的方式，如图 2-1 所示。这样环形腔所需要的流量就可以从活塞端部一侧获得，液压缸只需要一条连接油路，环形腔一侧不需要单独连接到回路中。图 2-1 差动连接液压缸因为起升液压缸在驱动货叉和叉架起升时，活塞杆处于受压状态，起支撑杆的作用，所以在设计起升液压缸时，必须考虑活塞杆的长径比，为保证受压状态下的稳定工作，应考虑活塞杆的长径

5、比不超过 20:1。假设活塞杆长度为 2m，则根据上述设计规则，其直径至少为 0.1m。在计算液压缸受力的时候，活塞上的孔可以忽略。当起升液压缸使用的活塞杆直径为100mm 时，提升负载的有效面积为活塞杆面积：Ard2rod43.140.124Ar 7.85103m2起升液压缸需承受的负载力为：F mg 52009.851000N因此，如果忽略压力损失和摩擦力，液压系统所需提供的工作压力应为：PsF51000 6500000 Pa=6.5 MPaAr0.00785这个压力值比较低，应考虑能够提高液压系统工作压力的设计方案。但提高压力后，液压缸活塞杆直径变小，如果按活塞杆长径比的设计规则，此时活

6、塞杆长度不足以把负载提升 2m 高，应考虑其他设计方案。通过增加一个链条和动滑轮机构对起升装置进行改进，采用该机构可以使液压缸行程减小一半，但是需要对输出力和活塞杆截面积进行校核。由于链条固定在叉车门架的一端，液压缸活塞杆的行程可以减半，因此活塞杆的直径也可以相应地减半，但同时也要求液压缸输出的作用力为原来的两倍。即液压缸行程为1m，活塞杆直径变为 50mm。于是，该起升液压缸的有效作用面积变为：Ard2rod43.140.0524Ar1.96103m2按照前面的计算，由于液压缸所需输出的功保持常值，但是液压缸移动的位移减半，所以液压缸输出的作用力变为原来的两倍，即FL 2mg 252009.

7、8102000N液压系统所需的工作压力变为：PSF10200012.994MPaAr0.00785取起升液压缸的工作压力为 13MPa，该工作压力对于液压系统来说属于合适的工作压力，因此起升液压缸可以采用这一设计参数。起升液压缸所需的最大流量由起升装置的最大速度决定。在该动滑轮和链条组成的系统中，起升液压缸的最大运动速度是叉车杆最大运动速度（0.2m/s）的一半，于是Q Arvmax0.007850.17.85104m3/s=47.1 l/min此时，起升液压缸活塞杆移动 1m，叉车货叉和叉架移动 2m，能够满足设计需求。根据差动液压缸活塞杆和活塞直径的比例关系 d=0.707D，起升液压缸活

8、塞直径D=70.7mm。根据液压缸参数标准，取液压缸活塞直径为 70mm，液压缸的行程为 1m。2.1.22.1.2 倾斜装置的参数确定倾斜装置的参数确定图 2-2 所示的叉车倾斜液压缸与门架的三种连接方式表明，叉车倾斜液压缸应输出的作用力不仅取决于叉车门架及负载产生的倾斜力矩，而且也取决于液压缸和门架的连接位置到叉车门架倾斜支点的距离，因此叉车倾斜液压缸的尺寸也取决于倾斜液压缸的安装位置。液压缸安装位置越高，即距离支点越远，液压缸所需的输出力越小。已知倾斜液压缸连接位置到门架倾斜支点的距离为 r=1m，倾斜力矩给定为T=18000Nm，因此倾斜液压缸所需输出力 F 为：F 180001800

9、0N1在叉车工作过程中，货叉叉起货物后，叉架和门架在倾斜液压缸作用下向里倾斜，放下货物时，叉架和门架复位，门架恢复竖直位置。因此倾斜液压缸的作用是单方向的，此外基于减小占用空间和尺寸的考虑，倾斜液压缸应采用单作用液压缸。门架的倾斜可由一个液压缸驱动，也可采用两个液压缸同时驱动，如果采用两个单作用液压缸做倾斜液压系统的执行元件，则叉架和门架的受力更加合理，货叉不容易产生在货物的作用下侧翻或倾斜的现象。本设计倾斜装置采用两个单作用液压缸同时驱动。如果上述倾斜作用力由两个液压缸同时提供，则每个液压缸所需提供的作用力为 9000N。在前述起升液压系统的计算中，工作压力约为 12.9MPa，因此假设倾斜

10、液压缸的工作压力为 12MPa，门架和货叉倾斜时，如图 2-2 所示.图 2-2 倾斜液压缸与门架的三种连接方式倾斜液压缸环形腔一侧为工作腔，则倾斜液压缸的环形腔作用面积为：Aa90007.5104m2512010由于负载力矩的方向总是使叉车杆回到垂直位置，所以倾斜装置一直处于拉伸状态，活塞杆不会发生弯曲。查相关的液压系统设计手册或参考书，取倾斜液压缸活塞杆直径 d 和活塞直径（液压缸内径）D 之间的关系为d 0.7D，环形腔作用面积为Aa则倾斜液压缸活塞直径可以用如下方法求出。4(D2 d2)，4Aa47.5104D 0.043m 43mm22(10.7)(10.7)根据液压缸国家标准，活塞

11、直径 D 取圆整后的标准参数D 40mm，则活塞杆直径为d 0.7D 0.740 28mm。此时环形腔作用面积为44按照上述活塞和活塞杆尺寸，计算得到的环形腔有效作用面积小于按照假定工作Aa(D2 d2)(0.0420.0282)6.4104压力计算得到的有效作用面积，因此应减小活塞杆直径或提高倾斜液压系统的工作压力。如果取液压缸活塞杆直径为圆整后的尺寸d=25mm，则环形腔作用面积Aa为44此时环形腔作用面积大于原估算面积，因此能够满足设计要求。Aa(D2 d2)(0.0420.0252)7.65104m2如果提高倾斜液压缸的工作压力，则倾斜液压缸所需的最大工作压力为：PF900014.06

12、MPaAa6.4104倾斜液压缸活塞有效作用面积用如下公式计算：AP2D1.26103m24所需最大速度给定为 2/s，转换成线速度：2v r 21 0.035m/s360因此，在货叉回复垂直位置，两个倾斜液压缸处于活塞杆伸出的工作状态时，液压缸所需的总流量为：Q2VAP21.261030.0358.8105m3/s=5.3 L/min倾斜液压缸需要走过的行程为：20S r 1 0.35m180根据相关手册或样本，选择液压缸型号为 DG-J40E-E1E。2.1.32.1.3 系统工作压力的确定系统工作压力的确定根据第 1 章液压系统工作压力的确定方法，在确定液压系统工作压力时应考虑系统的压力

13、损失，包括沿程的和局部的压力损失，为简化计算，本设计实例中假设这一部分压力损失约为 1.52.0 MPa，因此液压系统应提供的工作压力应比执行元件所需的最大工作压力高出 1.52.0 MPa，即起升回路 Ps=13+1.5=14.5MPa倾斜回路 Ps=14+1.5=15.5MPa2.22.2 液压系统原理图的拟定液压系统原理图的拟定在完成装卸作业的过程中，叉车液压系统的工作液压缸对输出力、运动方向以及运动速度等几个参数具有一定的要求，这些要求可分别由液压系统的几种基本回路来实现，这些基本回路就包括压力控制回路、方向控制回路以及速度控制回路等。所以，拟定一个叉车液压系统的原理图，就是灵活运用各

14、种基本回路来满足货叉在装卸作业时对力和运动等方面的要求。2.2.12.2.1 起升回路的设计起升回路的设计对于起升工作装置，举起货物时液压缸需要输出作用力，放下货物时，货叉和货物的重量能使叉车杆自动回到底部，因此起升液压缸采用单作用液压缸。液压缸不必有低压出口，高压油可同时充满活塞环形面和另一面（构成差动缸），由于活塞两侧面积的不同而产生提升力。为减少管道连接，可以通过在活塞上面钻孔实现液压缸两侧的连接。为了防止液压缸因重物自由下落，同时起到调速的目的，起升回路的回油路中必须设置背压元件，以防止货物和货叉由于自重而超速下落。方案之一是采用单向调速阀对液压缸的下落速度进行控制，但调速阀调节的速度

15、基本恒定，在重物很轻甚至无载重时，调速阀的节流作用仍然会使系统产生很大的能量损失；方案之二是采用平衡阀或液控单向阀实现的平衡回路，但采用平衡阀液控单向阀的平衡回路都要求液压缸具有进油和出油两条油路；方案之三是采用一种非标准的顺序背压阀和在单作用液压缸活塞上开设小孔实现差动连接的方式，该顺序背压阀可以根据载重的大小自动调节流量，重物越大阀开口越小，流量越少，速度也就越慢，可以有效的防止系统因故障而出现重物快速下落，造成人身伤亡。而在重物很轻或无载重时，通过自身调节，该背压阀阀口可以开大甚至全开，从而避免不必要的能量损失。三种回路设计方案比较如图 2-3 所示。设计方案一设计方案二设计方案三图 2

16、-3 三种起升回路原理图设计方案比较2.2.22.2.2 倾斜回路的设计倾斜回路的设计倾斜装置采用两个并联的液压缸作执行元件，驱动叉车门架倾斜或复位，以防止叉车杆发生扭曲变形。两个液压缸的同步动作是通过两个活塞杆同时刚性连接在门架上这种机械连接方式来保证的，为防止货叉和门架在复位过程中由于货物的自重而超速复位，从而导致液压缸的动作失去控制或引起液压缸进油腔压力突然降低，因此在液压缸的回油管路中设计一个背压阀。一方面可以保证倾斜液压缸在负值负载的作用下能够平稳工作，另一方面也可以防止由于进油腔压力突然降低到低于油液的空气分离压甚至饱和蒸汽压而在活塞另一侧产生气穴现象。倾斜回路的原理图如图 2-4

17、 所示。图 2-4 倾斜回路原理图2.2.32.2.3 控制装置的设计控制装置的设计行走机械液压系统中通常采用中位卸荷的多路换向阀（中路通）控制多个液压缸的动作，也可以采用多个普通的三位四通手动换向阀，分别对系统的多个工作装置进行控制。例如本设计可以采用两个多路阀加旁通阀的控制方式分别控制起升液压缸和倾斜液压缸的动作，如图2-5 所示；也可以采用两个普通的三位四通手动换向阀分别控制起升液压缸和倾斜液压缸的动作，如图 2-5（b）所示。本设计实例采用普通的三位四通手动换向阀控制方式，用于控制起升和倾斜装置的两个方向控制阀均可选用标准的四通滑阀，其中起升回路中的方向控制阀其B口应该与油箱相连不应堵

18、塞。这样，当叉车杆处于下降工作状态时，可以令液压泵卸荷，单作用起升液压缸下腔的液压油可通过手动换向阀直接流回油箱，有利于系统效率的提高。同时为了防止油液倒流或避免各个回路之间流量相互影响，应在每个进油路上增加一个单向阀。（a）多路换向阀控制方式（b）普通换向阀控制方式图 2-5 叉车液压系统控制方式原理图2.2.42.2.4 供油方式供油方式由于起升和倾斜两个工作装置的流量差异很大，而且相对都比较小，因此采用两个串联齿轮泵供油比较合适。其中大齿轮泵给起升装置供油，小齿轮泵给倾斜装置供油。两个齿轮泵分别与两个三位四通手动换向阀相连，为使液压泵在工作装置不工作时处于卸荷状态，两个换向阀应采用 M

19、型中位机能，这样可以提高系统的效率。根据上述起升回路、倾斜回路、控制方式和供油方式的设计，本设计实例初步拟定的液压系统原理图如图 2-6 所示。图 2-6 叉车工作装置液压系统原理图2.32.3 液压元件选择液压元件选择初步拟定液压系统原理图后，根据原理图中液压元件的种类，查阅生产厂家各种液压元件样本，对液压元件进行选型。2.3.12.3.1 液压泵的选择液压泵的选择图 2-6 所示液压系统原理图中采用双泵供油方式，因此在对液压泵进行选型时考虑采用结构简单、价格低廉的双联齿轮泵就能够满足设计要求。假定齿轮泵的容积效率为 90%，电机转速为 1500r/min，则根据前述的计算结果，两个液压泵的

20、排量可分别计算为：Dreq1Dreq24710034.9cm3/rev0.9150053003.93cm3/rev0.91500查阅 Sauer-Danfoss 公司齿轮泵样本，如表 2-2 所示。样本中可查得，SNP2系列中与3.93 cm3/rev接近的齿轮泵排量为4 cm3/rev，SNP3系列中与34.9 cm3/rev接近的齿轮泵排量有 33.1 cm3/rev 和 37.9 cm3/rev。而 33.1 cm3/rev 更接近于 34.9cm3/rev，如果选择排量为37.9 cm3/rev 的液压泵，则工作过程中会有较大的流量经过溢流阀溢流回油箱，造成能源的浪费，并有可能产生严重

21、的发热，因此考虑在 SNP3 系列中选择排量为 33.1 cm3/rev 的齿轮泵。同时考虑到前述计算中假定液压泵的容积效率为 90%，而实际工作过程中，液压泵的容积效率可能高于 90%，尤其是在低负载的时候。在低载荷的时候，电机转速也有可能会略高于1500 r/min，因此液压泵的实际输出流量会增大。例如，满负载条件下（电机转速 1500r/min，容积效率 90%）的实际流量为：Q 33.10.91500 44.68l/min而半负载条件下（电机转速 1550r/min，容积效率 93%）的实际流量为：Q 33.10.931550 47.7l/min大于所需流量 47.1 l/min。对于

22、小流量液压泵，满载荷条件下（电机转速 1500r/min，容积效率 90%）的实际流量为Q 40.9150010-3=5.4 l/min表 2-2 Sauer-Danfoss齿轮泵样本2.3.22.3.2电动机的选择电动机的选择在叉车工作过程中，为保证工作安全，起升装置和倾斜装置通常不会同时工作，又由于起升装置的输出功率要远大于倾斜装置的输出功率，因此虽然叉车工作装置由双联泵供油，在选择驱动电机时，只要能够满足为起升装置供油的大流量液压泵的功率要求即可。在最高工作压力下，大流量液压泵的理论输出功率为：W=p q=14.5 10644.68/0.9/60 10-3=14.5 1068.27 10

23、-4=11.99kW上面的数值假定的是效率为 100%时得到的理论输出功率，齿轮泵的总效率（包括容积效率和机械效率）通常在 8085%之间，所以所需的电机功率为：P=W/=11.99/0.8=14.99kW查阅电机样本，对于行走工程机械，驱动电机应选择直流电机。2.3.32.3.3液压阀的选择液压阀的选择在图 2-6中由双联泵供油，因此对于起升回路，流经换向阀、单向阀、溢流阀和单向顺序阀的最大流量均为 47.7L/min；对于倾斜回路，流经各个液压阀的最大流量为 5.4L/min。流经倾斜回路各液压阀的流量较小，因此倾斜回路中使用的液压阀可选择比起升回路中液压阀通径更小的液压阀。考虑到系统的压

24、力损失，起升回路中各液压阀的最大工作压力应比液压缸最大工作压力高 1.52.0MPa，因此pmax=13+1.5=14.5MPa在选择溢流阀时，溢流阀的调定压力应高于供油压力 10%左右，起升回路和倾斜回路溢流阀的调定压力不同，起升回路溢流阀的调定压力设为 16MPa 比较合适，倾斜回路溢流阀的调定压力应设为 17MPa，具体调定数值将在后续压力损失核算部分中做进一步计算。经过查阅相关液压阀生产厂家样本，确定所设计叉车工作装置液压系统所选用的液压阀型号及技术参数如表 2-3 所示。表 2-3 液压阀型号及技术参数规格序号元件名称三位四通手动换向阀单向阀溢流阀单向阀平衡阀三位四通手动换向阀溢流阀

25、额定流量L/min1234567额定压力MPa型号AXF3-E10BC根据液压系统设计简明手册，表5-20，可以选择型号为YF3-E10BC，数量 2 个。1）单向阀根据液压系统设计简明手册，表 5-34，可以选择型号为AF3-Ea10B，数量 2 个。手动换向阀使用标准方向阀可以节约成本，选择依据为最大流量和工作压力。查华德方向阀样本，可以选择型号为 H-4WM16TB，数量 2 个2）平衡阀平衡阀根据液压系统设计简明手册，表 5-30，可以选择型号。3）顺序背压阀顺序背压阀根据产品样本可以选择型号为 BXY-Fg6/10D2.3.42.3.4 管路的选择管路的选择根据经验，排油管路中油液的

26、流动速度最好在 35 m/s，吸油管路中油液的流动速度建议为 0.5 m/s 1.5 m/s。但是这些管路中油液的流动速度也会受到油路和装置工作条件、功率损失、热和噪声的产生以及振动等各方面因素的影响。假定排油管路的速度为 5 m/s，吸油管路的速度为 1 m/s。排油管路管径的计算：排油管路中流过的最大流量为两个齿轮泵最大流量之和，即（47.1+5.3）52.4L/min，则管道的最小横截面积为：A52.41000/60175mm25AD2D244175223mm2D 15mm为减小压力损失，管径应尽可能选大些，所以选用管径为 16mm 的油管作排油管即可。吸油管路管径的计算：吸油管路中流过

27、的最大流量也是两个齿轮泵最大流量之和，即（47.1+5.3）52.4l/min，则管道的最小横截面积为：A52.41000/60873mm2148731112mm2D2D 33.3mm查液压管路管径标准，与上述计算值最接近的实际值为 34mm。2.3.52.3.5 油箱的设计油箱的设计根据贮油量的要求，初步确定油箱的有效容积V有效 aqv已知双联泵的总流量为qv47.7 5.4 53.1L/min，对于行走工程机械，为减小液压系统的体积和重量，在计算油箱的有效容积时取 a=3。因此V有效353.1159.3L油箱整体容积为 V=箱整体容积为 250 L。V有效0.8=199.125 L，查液压

28、泵站油箱公称容积系列，取油如果油箱的长宽高比例按照 3:2:1设计，则计算得到长宽高分别为 1.04m、0.694m、0.347m，取为 1m、0.7m、0.35m。2.3.62.3.6其他辅件的选择其他辅件的选择叉车工作装置液压系统中使用的过滤器包括油箱注油过滤器和主回油路上的回油过滤器。查相关厂家样本，选择型号为 TFB01-45 10 的滤油器作注油过滤器，选择型号为 RF-60 10L 的滤油器作回油过滤器。2.42.4 液压系统的性能验算液压系统的性能验算液压系统原理图和原理图中各液压元件的型号确定后，可以对所设计叉车工作装置液压系统进行系统性能的验算。2.4.12.4.1压力损失的

29、验算压力损失的验算为了能够更加准确地计算液压泵的供油压力和设定溢流阀的调定压力，分别验算由两个液压泵到起升液压缸和倾斜液压缸进口之间油路的压力损失。（1）沿程压力损失沿程压力损失主要是液压缸工作时油液流过等径进油管路而产生的压力损失P1。（2）局部压力损失局部压力损失包括通过管路中弯管和管接头等处的管路局部压力损失P2，以及通过各种液压阀的局部压力损失P3。由于P1与P2和P3相比可以忽略不计，故主要计算P3。P3包括由单向阀、换向阀和平衡阀阀口产生的局部压力损失。对于起升回路，根据产品样本，单向阀 AF3-Ea10B 的压力损失为 0.05MPa，换向阀 H-4WM16 TB的压力损失为 0

30、.1MPa，平衡阀 AXF3-E10BC的压力损失为0.05MPa，则起升回路进油管路总的局部压力损失为P30.05 0.1 0.05 0.2MPa所以溢流阀实际调定压力应为P(14.1 0.2)1.1 15.7MPa取溢流阀的实际调定压力为 16MPa 是适宜的。对于倾斜回路，根据产品样本，单向阀 AF3-Ea10B 的压力损失为 0.05MPa，换向阀 H-4WM16 TB 的压力损失为 0.1MPa，平衡阀 AXF3-E10BC 的压力损失为0.05MPa，则起升回路进油管路总的局部压力损失为P30.050.10.050.2MPa所以溢流阀实际调定压力应为P(14.10.2)1.115.

31、7MPa2.4.22.4.2 系统温升验算系统温升验算起升回路消耗的功率远大于倾斜回路所消耗的功率，因此只验证起升回路的温升即可。对于起升油路，当叉车杆处于闲置或负载下降时，换向阀工作在中位，液压泵在低压下有 47.7 l/min 的流量流回油箱，此时液压泵处于卸荷状态，因此液压泵损失的功率较小。当负载上升时，大部分流量将进入液压缸。当负载上升达到顶端时，液压泵流量从安全阀溢流回油箱，造成很大的能量损失。假定液压泵流量的 90%通过安全阀流失，损失的功率为：WRV0.9PRVQRV造成的油液温度升高：0.916010544.6810310.7kW601070044.68870210060103T WRVCPQ 7.86由于这一极端功率损失的情况只是偶尔在货叉杆上升到行程端点时才出现，因此该叉车工作装置液压系统不必设置冷却器。3 设计经验总结