沈鑫兵

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

伴隨著物流業(yè)的發(fā)展，叉車(chē)的作用越來(lái)越明顯，國(guó)內(nèi)叉車(chē)的需求量也在增加[1]。叉車(chē)主要用來(lái)裝卸和堆垛貨物以及進(jìn)行短途的搬運(yùn)工作，由于其擁有良好的機(jī)動(dòng)性和較強(qiáng)的適應(yīng)性，常常被用于貨物多、貨量比較大而且又必須迅速集散和運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。叉車(chē)的液壓系統(tǒng)作為叉車(chē)的核心部分，直接影響到叉車(chē)的質(zhì)量，所以就顯得極為重要?，F(xiàn)在存在的叉車(chē)油壓系統(tǒng)問(wèn)題、能源損失問(wèn)題、限制速度斷裂的設(shè)計(jì)的問(wèn)題、油溫度過(guò)高的問(wèn)題等會(huì)影響叉車(chē)的整體質(zhì)量，有必要對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究分析。

本文針對(duì)叉車(chē)液壓系統(tǒng)，在明確了原始數(shù)據(jù)后，草擬并優(yōu)化出了液壓系統(tǒng)原理圖，通過(guò)一系列的計(jì)算，確定了液壓系統(tǒng)提升裝置和傾斜裝置的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用AMESim 軟件對(duì)叉車(chē)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)此進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，分析結(jié)果滿足要求。

1 叉車(chē)的結(jié)構(gòu)

叉車(chē)是一種自行走搬運(yùn)設(shè)備，主要由能垂直升降并可前后傾斜的工作裝置構(gòu)成，是用于將貨物堆積起來(lái)、裝卸裝船及短途運(yùn)輸工作的輪式運(yùn)輸車(chē)輛[2]。倉(cāng)庫(kù)里經(jīng)常使用叉車(chē)運(yùn)輸大型物資，通常使用電池或燃油機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。叉車(chē)的外形如圖1 所示。

圖1 叉車(chē)外觀圖Fig.1 Forklift appearance

叉車(chē)主要由工作裝置、底盤(pán)、配重、動(dòng)力裝置組成。其中，底盤(pán)包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、行走支承系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)又包括全液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、液力式傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)；制動(dòng)系統(tǒng)一般分為全液壓式和液力式制動(dòng)系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本都采用液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[3]；動(dòng)力裝置包括內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池，也有的叉車(chē)采用混合動(dòng)力；門(mén)架系統(tǒng)包括外門(mén)架、內(nèi)門(mén)架、貨叉架、貨叉、傾斜油紅、升降油紅、鏈輪、鏈條、滾輪等[4]。根據(jù)不同功能需求，門(mén)架可分為一級(jí)門(mén)架、二級(jí)門(mén)架、多級(jí)門(mén)架和全自由門(mén)架等等[5]。

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和基本原理

液壓傳動(dòng)是利用在密閉系統(tǒng)中受壓的液體傳送動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)方式。液壓傳動(dòng)裝置是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能的能量轉(zhuǎn)換裝置，然后可以把便于運(yùn)輸?shù)囊簤耗苻D(zhuǎn)變成機(jī)械能[6]。液體壓力系統(tǒng)主要由主要?jiǎng)恿Σ考?、?zhí)行原件、控制部件、輔助零部件及工作媒體5 個(gè)部分組成。

2.2 液壓系統(tǒng)的參數(shù)確定

2.2.1 提升裝置參數(shù)確定

液壓缸的行程為1 m，活塞桿的直徑為125 mm，舉升裝置的有效面積為

位移減半，負(fù)載變成2 倍

故取系統(tǒng)壓力100 bar。

裝置的最大速度決定了最大流量。在此動(dòng)滑輪系統(tǒng)里，叉車(chē)速度是活塞桿速度的2 倍，叉車(chē)桿速度為0.08 m/s，于是最大流量為

2.3.2 傾斜裝置參數(shù)確定

其傾斜力F=6×104N，2 個(gè)雙作用液壓缸提供此力，每個(gè)液壓缸所需提供的力為3×104N。工作壓力為90 bar。則環(huán)形面積為

設(shè)活塞直徑為80 mm，面積不變，活塞桿直徑d=45.5 mm，為了保證所需值小于環(huán)線面積，該計(jì)算值必須大于活塞桿直徑，取d=40 mm，則環(huán)形面積為

傾斜機(jī)構(gòu)所需要的最大壓力為

3 叉車(chē)液壓系統(tǒng)工況的仿真

3.1 液壓系統(tǒng)建模

目前，AMESim(高級(jí)建模環(huán)境下工程系統(tǒng)的仿真)是各工程領(lǐng)域建模、仿真比較廣泛使用的軟件之一，可以獲得液壓元件、液壓系統(tǒng)明確可靠的動(dòng)態(tài)特性曲線。本文針對(duì)叉車(chē)液壓系統(tǒng)通過(guò)AMESim 軟件實(shí)現(xiàn)建模、仿真的目的。本文利用了AMESim 軟件對(duì)叉車(chē)液壓系統(tǒng)在不同工況下的流量、壓力的參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)相關(guān)的分析論證。液壓系統(tǒng)建模圖如圖2 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)圖Fig.2 Hydraulic system diagram

3.2 各元件參數(shù)的設(shè)置

在液壓缸建模中，有些是AMESim 中有現(xiàn)成的模塊，也有一些沒(méi)有現(xiàn)成的模塊，可以用HCD庫(kù)中的模塊來(lái)構(gòu)建液壓缸模型。根據(jù)多級(jí)液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建模過(guò)程中可以用若干個(gè)單級(jí)液壓缸來(lái)等效替代該多級(jí)液壓缸。

（1）液壓缸模型建立

舉升液壓缸模型如圖3 所示。左端為無(wú)桿腔，右端為有桿腔。本文采用雙液壓缸的模式來(lái)進(jìn)行仿真。設(shè)置舉升缸的參數(shù)如圖4 所示。

圖3 舉升缸Fig.3 Lifting cylinder

圖4 舉升缸主要參數(shù)設(shè)置Fig.4 Main parameter setting of lifting cylinder

（2）油泵模型的建立

圖5 的模型中，油泵和電機(jī)相連，再接過(guò)濾器，然后，這個(gè)油路再并聯(lián)一個(gè)溢流閥。設(shè)置的油泵和電機(jī)的參數(shù)分別如圖6、圖7 所示。

圖5 油泵模型Fig.5 Oil pump model

圖6 油泵參數(shù)設(shè)置Fig.6 Parameter setting of oil pump

圖7 電機(jī)參數(shù)設(shè)置Fig.7 Motor parameter setting

3.3 各工況的仿真曲線

3.3.1 升缸的仿真曲線

在滿載舉升的工況下驗(yàn)證液壓缸伸出的速度是否滿足設(shè)計(jì)的要求。按照滿負(fù)載舉升工況下的試驗(yàn)參數(shù)，仿真出液壓缸的速度、流量關(guān)系。

分別對(duì)圖8—圖10 的曲線進(jìn)行分析。由流量曲線可以看出，在0～30 s 是130 L/min 的流量狀態(tài)，在30～60 s 是中位停止?fàn)顟B(tài)，沒(méi)有流量。在60～90 s 時(shí)間是下落狀態(tài)，流量是-130 L/min；由位移時(shí)間曲線看出，在0～30 s 范圍內(nèi)舉升缸是處于舉升狀態(tài)，在30～60 s 范圍是處于中位停止?fàn)顟B(tài)，在60～90 s 范圍是處于回落狀態(tài)；而舉升的速度與舉升位移曲線相對(duì)應(yīng)，先是處于上升的狀態(tài)，速度是0.04 m/s，然后是處于30～60 s 處的中位停止?fàn)顟B(tài)，速度穩(wěn)定為0。在30～60 s 是處于下落狀態(tài)，速度也是0.04 m/s。以上數(shù)據(jù)都滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 滿載舉升工況流量曲線Fig.8 Flow curve under full load lifting condition

圖9 滿載舉升工況速度曲線Fig.9 Speed curve under full load lifting condition

圖10 滿載舉升工況位移曲線Fig.10 Displacement curve under full load lifting condition

3.3.2 傾斜缸的仿真曲線

在舉升缸處于30～60 s 內(nèi)，傾斜缸處于工作狀態(tài)。傾斜缸的工作時(shí)間為30～60 s，在30～45 s是傾斜狀態(tài)，在45～60 s 是恢復(fù)狀態(tài)。在滿載傾斜的工況來(lái)驗(yàn)證傾斜缸傾斜的速度是否滿足設(shè)計(jì)的要求。按照滿負(fù)載傾斜工況下的試驗(yàn)參數(shù)，仿真出傾斜缸的速度、流量關(guān)系。

分別對(duì)圖11—圖13 的曲線進(jìn)行分析。流量曲線中，在0～30 s 是130 L/min 的流量狀態(tài)；在30～60 s 是中位停止?fàn)顟B(tài)，流量為0；在60～90 s 是下落狀態(tài)，流量是-130 L/min。而舉升的速度與舉升位移曲線相對(duì)應(yīng)，先是處于上升的狀態(tài)，速度是0.04 m/s；然后是處于30～60 s 的中位停止?fàn)顟B(tài)，速度穩(wěn)定為0；在30～60 s 是下落狀態(tài)，速度也是0.04 m/s。位移時(shí)間曲線中，在0～30 s舉升缸處于舉升狀態(tài)，在30～60 s 是中位停止?fàn)顟B(tài)，在60～90 s 處于回落狀態(tài)。以上數(shù)據(jù)都滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 滿載傾斜工況流量曲線Fig.11 Flow curve under full load tilting condition

圖12 滿載傾斜工況速度曲線Fig.12 Speed curve under full load tilting condition

圖13 滿載傾斜工況位移曲線Fig.13 Displacement curve under full load tilting condition

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了叉車(chē)液壓系統(tǒng)原理圖并進(jìn)行仿真建模，設(shè)計(jì)了雙缸舉升液壓缸模型和油泵模型，提供了叉車(chē)液壓系統(tǒng)仿真建模的一份流程和參考。用AMESim 軟件仿真的結(jié)果和實(shí)際結(jié)果一致，說(shuō)明使用仿真建模模擬液壓系統(tǒng)舉升和傾斜是可行的。

本文設(shè)計(jì)的叉車(chē)液壓系統(tǒng)有些結(jié)構(gòu)仍有待完善，今后還要對(duì)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步研究。