第3章叉车工作装置液压系统设计0926

第3章 叉车工作装置液压系统设计 叉车作为一种流动式装卸搬运机械，由于具有很好的机动性和通过性，以及很强的适应性，因此适合于货种多、货量大且必须迅速集散和周转的部门使用，成为港口码头、铁路车站和仓库货场等部门不可缺少的工具。本章以叉车工作装置液压系统设计为例，介绍叉车工作装置液压系统的设计方法及步骤，包括叉车工作装置液压系统主要参数的确定、原理图的拟定、液压元件的选择以及液压系统性能验算等。3.1概述 叉车也叫叉式装卸机、叉式装卸车或铲车，属于通用的起重运输机械，主要用于车站、仓库、港口和工厂等工作场所，进行成件包装货物的装卸和搬运。叉车的使用不仅可实现装卸搬运作业的机械化，减轻劳动强度，节约大量劳力，提高劳动生产力，而且能够缩短装卸、搬运、堆码的作业时间，加速汽车和铁路车辆的周转，提高仓库容积的利用率，减少货物破损，提高作业的安全程度。3.1.1叉车的结构及基本技术按照动力装置不同，叉车可分为内燃叉车和电瓶叉车两大类；根据叉车的用途不同，分为普通叉车和特种叉车两种；根据叉车的构造特点不同，叉车又分为直叉平衡重式叉车、插腿式叉车、前移式叉车、侧面式叉车等几种。其中直叉平衡重式叉车是最常用的一种叉车。叉车通常由自行的轮式底盘和一套能垂直升降以及前后倾斜的工作装置组成。某型号叉车的结构组成及外形图如图3-1所示，其中货叉、叉架、门架、起升液压缸及倾斜液压缸组成叉车的工作装置。1-货叉 2-叉架 3-门架及起升液压缸 4-倾斜液压缸 5-方向盘 6-操纵杆 7-底盘及车轮图3-1 叉车的结构及外形叉车的基本技术参数有起重量、载荷中心矩、起升高度、满载行驶速度、满载最大起升速度、满载爬坡度、门架的前倾角和后倾角以及最小转弯半径等。其中，起重量(Q)又称额定起重量，是指货叉上的货物中心位于规定的载荷中心距时，叉车能够举升的最大重量。我国标准中规定的起重量系列为：0.50，0.75，1.25，1.50，1.75，2.00，2.25，2.50，2.75，3.00，3.50，4.00，4.50，5.00，6.00，7.00，8.00，10.00.吨。载荷中心距e，是指货物重心到货叉垂直段前表面的距离。标准中所给出的规定值与起重量有关，起重量大时，载荷中心距也大。例如平衡重式叉车的载荷中心距如表3-1所示。表3-1 平衡重式叉车的载荷中心距额定起重量Q/tQ11Q55 Q 1012 Q 1820 Q 12载荷中心距e/mm1005006009001250 起升高度hmax，指叉车位于水平坚实地面上，门架垂直放置且承受额定起重量的货物时，货叉所能升起的最大高度，即货叉升至最大高度时水平段上表面至地面的垂直距离。现有的起升高度系列为：1500，2000，2500，2700，3000，3300，3600，4000，4500，5000，5500，6000，7000mm。满载行驶速度vmax，指货叉上货物达到额定起重量且变速器在最高档位时，叉车在平直干硬的道路上行驶所能达到的最高稳定行驶速度。满载最大起升速度vamax，指叉车在停止状态下，将发动机油门开到最大时，起升大小为额定起重量的货物所能达到的平均起升速度。满载爬坡度a，指货叉上载有额定起重量的货物时，叉车以最低稳定速度行驶所能爬上的长度为规定值的最陡坡道的坡度值。其值以半分数计。门架的前倾角f及后倾角b，分别指无载的叉车门架能从其垂直位向前和向后倾斜摆动的最大角度。最小转弯半径Rmin，指将叉车的转向轮转至极限位置并以最低稳定速度作转弯运动时，其瞬时中心距车体最外侧的距离。在叉车的基本技术参数中，起重量和载荷中心距能体现出叉车的装载能力，即叉车能装卸和搬运的最重货件。最大起升高度体现的是叉车利用空间高度的情况，可估算仓库空间的利用程度和堆垛高度。速度参数则体现了叉车作业循环所需要的时间，与起重量参数一起可估算出生产率。3.1.2叉车的工作装置叉车的工作装置是叉车进行装卸作业的直接工作机构。货物的叉取卸放、升降堆码，都靠工作装置来完成。工作装置是保证叉车能够完成工作任务的最重要组成部分之一。叉车工作装置主要由货叉、叉架、门架、链条和滑轮、起升液压缸和倾斜液压缸组成，如图3-2所示。其中起升液压缸驱动叉架升降，倾斜液压缸驱动门架前后倾斜，以满足工作需要。为了做到一机多用，提高机器效能，除货叉外，叉车还可配备多种工作属具。1-货叉 2-叉架 3-门架 4-链条和滑轮 5-起升液压缸 6-倾斜液压缸图3-2 叉车工作装置 叉车工作装置上的货叉是直接承载货物的叉形构件，叉架是一个框架形状的结构，链条的一端与叉架相连，链条在绕过起升液压缸头部的滑轮后，另一端固定在缸筒或外门架上。起升液压缸通过滑轮和链条，使叉架沿着内门架升降，内门架又以外门架为导轨上下伸缩。为了满足码垛作业对起升高度的要求，同时为了减小叉车自身的高度外形尺寸，门架通常为伸缩式结构，由内外两节组成。外门架的下部铰接在车架或前桥上，借助于倾斜液压缸的作用，门架可以在前后方向倾斜一定角度。前倾的目的是为了装卸货物方便，后倾的目的是当叉车行驶时，使货叉上的货物保持稳定。3.1.3叉车的液压系统叉车液压系统是叉车的重要组成部分，其工作装置、助力转向系统甚至行走传动系统等都需要由液压系统驱动完成。因此，叉车液压系统的质量优劣直接影响着叉车的性能。某型号叉车工作装置的液压系统原理图如图3-3所示，该液压系统有起升液压缸4、倾斜液压缸9和属具液压缸10三个执行元件，由定量泵6供油，多路换向阀（属具滑阀1、起升液压缸滑阀7、倾斜液压缸滑阀8）控制各执行元件的动作，单向节流阀3调节起升和属具动作速度，从而驱动工作装置完成相应的工作任务。1-属具滑阀 2-分配阀 3-单向节流阀 4-起升液压缸 5-安全阀 6-液压泵 7-起升液压缸滑阀 8-倾斜液压缸滑阀 9-倾斜液压缸 10-属具液压缸图3-3 工作装置液压系统 由于叉车原动机（内燃机和电动机）的转速高，扭矩小，而叉车的行驶速度较低，驱动轮的扭矩较大，因此在原动机和驱动轮之间必须有起减速增矩作用的传动装置，当叉车在不同载荷和不同作业条件下工作时，传动装置必须要保证叉车具有良好的牵引性能。对于内燃叉车，由于内燃机不能反转，叉车要想倒退行驶，必须依靠传动装置来实现。叉车的传动装置有机械式、液力式、液压式和电动机械式几种。机械式传动只能具有有限数目的传动比，因此只能实现有级变速。液力传动效率较机械式低，液压传动能够使传动系大大简化，取消机械式和液力式传动中的传动轴和差速器。某型号叉车行走驱动液压系统的原理图如图3-4所示，该液压系统由变量主液压泵1供油，执行元件为液压马达7，主液压泵的吸油和供油路与液压马达的排油和进油路相连，形成闭式回路。双向安全阀5保证液压回路双向工作的安全，梭阀6和换油溢流阀8使低压的热油排回油箱，辅助液压泵2把油箱中经过冷却的液压油补充到系统中，起到补充系统泄漏和换油的作用，溢流阀4限定补油压力，单向阀3保证补油到低压油路中。1- 主泵 2-辅助液压泵 3-补换油溢流阀 4-单向阀 5-双向安全阀 6-梭阀 7-液压马达 8-换油溢流图3-4 行走驱动液压系统 叉车作业时转向频繁，转弯半径小，有时需要原地转向。叉车空载时，转向桥负荷约占车重的60%。为了减轻驾驶员的劳动强度，现在起重量2吨以上的叉车多采用助力转向液压助力转向或全液压转向。液压助力转向操作轻便，动作迅速，有利于提高叉车的作业效率，油液还可以缓冲地面对转向系的冲击。 某叉车液压助力转向系统原理图如图3-5所示，该转向液压系统和叉车工作装置液压系统属各自独立的液压系统，分别由单独的液压泵供油。系统中流量调节阀2可保证转向助力器稳定供油，并使系统流量限制在发动机怠速运转时液压泵流量的1.5倍。随动阀3与普通的三位四通换向阀基本相同，只不过该阀的阀体与转向液压缸缸筒连接为一体，随液压缸缸筒的动作而动作。叉车直线行驶时，方向盘处于中间位置，随动阀3的阀芯也处于中间位置，转向液压缸4不动作，叉车直线行驶。当叉车转弯时，驾驶员转动方向盘，联动机构带动随动阀4的阀芯动作，使转向液压缸的两腔分别与液压泵或油箱连通，液压缸动作，驱动转向轮旋转，叉车转向，直到液压缸缸筒的移动距离与阀芯的移动距离相同时，阀芯复位，转向停止。1-液压泵 2-调速阀 3-随动阀 4-转向液压缸 5-滤油器6-单向阀 7-安全阀 8-油箱图3-5 叉车助力转向液压系统叉车液压系统的设计要能够保证叉车正常安全地完成工作任务，对液压系统的工作要求包括：1超载保护，多路换向阀壳体无裂纹、渗漏；工作性能应良好可靠；安全阀动作灵敏，在超载25%时应能全开，调整螺栓的螺帽应齐全坚固。操作手柄定位准确、可靠，不得因震动而变位。叉车在装卸运输作业时不允许货物的重量大于叉车本身的重量。在叉车试验项目中，有一项是允许叉车以110%的起重量载荷进行联合操作，即一边起升载荷一边向前运行，以检验叉车各部件的协调性和动作的可能性，此时发动机的功率、转速应达到额定的参数，液压系统应能够承压、无渗油。对超载起升保护的性能检验是以125%的起重量载荷进行起升动作。此时，液压系统中应设置相应的超载保护装置，例如多路换向阀中安全阀。超载时，虽然多路换向阀阀杆动作，但货叉和125%起重量载荷不得离开地面或离开地面不超过300mm，即叉车应呈现出起升速度下降或起升动作失灵。2最大下降速度控制，为了提高装卸效率，如果叉车起升速度增大，满载下降速度也增大，下降速度过大是危险的，因此叉车液压系统中应设置下降限速阀，既要控制货叉的下降速度不超过限定的速度值，又要防止起升液压缸的高压橡胶软管突然爆破时，起升在一定高度的载荷不会和货叉一起突然落下，损伤货物或伤人。3液压系统管路接头牢靠、无渗漏，与其它机件不磨碰，橡胶软管不得有老化、变质现象。4液压系统中的传动部件在额定载荷、额定速度范围内不应出现爬行、停滞和明显的冲动现象。5其它为节省叉车携带电动机，减少叉车附属设备，从而减小液压系统的整体尺寸，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。为适应叉车有可能工作在具有粉尘和沙粒的厂房环境中，因此应考虑为液压系统设置合适的过滤器，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-1045C。3.1.5本设计要求及技术参数1起升装置液压系统技术参数本设计实例所设计的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，要求叉车杆上升（下降）速度可调，以实现叉车杆的缓慢移动，并且具有良好的位置控制功能。要求对叉车杆具有锁紧功能，无论在多大载荷作用下，或者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，要求叉车杆能够被锁紧在最后设定的位置。叉车杆在上升过程中，当液压系统出现故障时，要求安全保护装置能够使负载安全下降。本设计实例所设计叉车工作装置中叉车杆起升装置示意图如图3-6所示，由起升液压缸驱动货叉沿支架上下运动，从而提升和放下货物。图 3-6 起升装置2倾斜装置液压系统技术参数叉车工作装置中的叉车杆倾斜装置示意图如图3-7所示，该装置由倾斜液压缸驱动货叉及门架围绕门架上某一支点做摆动式旋转运动，从而使货叉能够在转运货物过程中向后倾斜某一角度，以防止货物在转运过程中从货叉上滑落。倾斜装置的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。图 3-7 倾斜装置设计过程中，除了要满足叉车工作装置液压系统的技术参数要求外，还应注意叉车的工作条件对液压系统的结构、尺寸及工作可靠性等其他要求。综上所述，本设计实例叉车工作装置液压系统的设计要求及技术参数如表3-2所示。表3-2 技术参数技术参数起升工作装置额定载荷质量m（kg）5000最大提升负载质量m(kg)5200提升高度h(m)2最大提升速度v(m/s)0.2倾斜工作装置最大倾斜扭矩T(Nm)18000倾斜角度()20最大倾斜角速度(/s)12力臂r（m）1 本设计实例中已给出所设计起升液压系统和倾斜液压系统的最大负载和最大速度，因此可直接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，因此该步骤可以省略。3.3液压系统的主要参数确定 本设计实例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，分别由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。3.3.1 起升液压系统的参数确定起升液压系统的作用是提起和放下货物，因此执行元件应选择液压缸。由于起升液压缸仅在起升工作阶段承受负载，在下落过程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。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，则能够在提高起升速度的情况下减小液压泵的输出流量。如果忽略管路的损失，单作用液压缸的无杆腔和有杆腔的压力近似相等，则液压缸的驱动力将由活塞杆的截面积决定。实现单作用液压缸的差动连接，可以通过方向控制阀在外部管路上实现，如图3-8（a）。为减小外部连接管路，液压缸的设计也可采用在活塞上开孔的方式，如图3-8（b）所示。这种测试方法有杆腔所需要的流量就可以从无杆腔一侧获得，液压缸只需要在无杆腔外部连接一条油路，而有杆腔一侧不需要单独连接到回路中。 （a）管路连接方式 （b）活塞上开孔方式图3-8 差动连接液压缸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比不超过20:1。如果采用液压缸直接驱动货叉实现起升和下落的设计方案，则为满足起升高度要求，根据表3-2中设计要求，液压缸活塞杆长度应为2m。根据上述长径比设计规则，活塞杆直径至少为0.1m。当起升液压缸使用的活塞杆直径为100mm时，根据差动液压缸输出力计算方法，此时液压缸提升负载的有效面积为活塞杆面积（在计算液压缸受力的时候，活塞上的孔可以忽略。），即m2根据表3-2中设计要求，起升液压缸需承受的负载力为：N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：00000 Pa = 6.5 MPa这个压力值比较低，为充分利用液压系统的传动优势，应考虑能够采用更高液压系统工作压力的设计方案。但提高压力后，液压缸活塞杆直径会相应变小，如果按活塞杆长径比的设计规则，此时活塞杆长度有可能不足以把负载提升到2m的高度，所以必须考虑其他设计方案。本设计实例通过增加一个传动链条和动滑轮机构对起升装置前述设计方案进行改进，即如图3-6所示实施方案。根据传动原理，采用这一液压缸与链条和动滑轮结合的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。由于传动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：m2按照前面的计算，由于液压缸所需输出的功保持不变，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N液压系统所需的工作压力变为：MPa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。在由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m3/s= 47.1L/min此时，起升液压缸活塞杆移动1m，叉车货叉和门架移动2m，能够满足设计需求。查液压工程手册或参考书，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 ，计算得到起升液压缸的活塞直径为=65mm根据液压缸参数标准，取液压缸活塞直径为80mm，液压缸的行程为1m。图3-7倾斜装置示意图表明，由货物重量引起的倾斜装置负载扭矩总是倾向于使货叉和支架回复到垂直位置。3.3.2倾斜液压系统的参数确定叉车的货叉倾斜工作装置主要用于驱动货叉和门架围绕门架上的支点在某一个小角度范围内摆动，因此倾斜液压系统也采用液压缸作执行元件即可。倾斜液压缸与货叉门架的连接方式主要有三种，如图3-9所示。图3-9 倾斜液压缸与门架的三种连接方式 图3-9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货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货叉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，距离倾斜支点越远，液压缸所需的输出力越小。已知本设计实例倾斜液压缸连接位置到叉架倾斜支点的距离为r=1m，表3-2中倾斜力矩给定为T=18000Nm，因此倾斜液压缸所需输出力Ft为： N在叉车工作过程中，货叉叉起货物后，货叉和门架在倾斜液压缸作用下向里倾斜，放下货物时，货叉和门架复位，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，也可采用两个并联液压缸同时驱动，如果采用两个单作用液压缸并联方式做倾斜液压系统的执行元件，则货叉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，因此工作更加平稳。本设计实例倾斜装置采用两个单作用液压缸并联方式驱动门架动作。如果上述倾斜作用力由两个并联的液压缸同时提供，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12.99MPa，因此假设倾斜液压缸的工作压力与之相近为12MPa，门架和货叉向后倾斜时，如图3-7所示，倾斜液压缸有杆腔一侧为工作腔，则倾斜液压缸的有杆腔作用面积为：m2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。查液压工程手册或参考书，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 ，有杆腔作用面积为，则倾斜液压缸活塞直径可以用如下方法求出。mmm根据液压缸国家标准，活塞直径D取圆整后的标准参数mm，则活塞杆直径为mm。此时倾斜液压缸有杆腔作用面积为mm2 可见，按照上述确定的活塞和活塞杆尺寸，重新计算得到的有杆腔有效作用面积小于前述按照假定工作压力计算得到的有杆腔有效作用面积，因此应减小活塞杆直径或提高倾斜液压系统的工作压力。 如果取倾斜液压缸活塞杆直径为圆整后的尺寸d=25mm，则有杆腔作用面积为m2此时倾斜液压缸有杆腔作用面积大于原估算面积，因此能够满足设计要求。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：MPa倾斜液压缸无杆腔的有效作用面积为m2本设计实例采用提高工作压力的设计方案进行设计。倾斜液压缸的最大运动速度给定为= 2/s，转换成线速度为m/s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：m3/s=5.3 L/min倾斜液压缸需要走过的行程为：m3.3.3 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，即起升液压系统 =13+1.5=14.5MPa倾斜液压系统 =14.1+1.5=15.6MPa3.4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，就是灵活运用各种基本回路来满足货叉在装卸作业时对力和运动等方面要求的过程。3.4.1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落到底部，因此本设计实例起升回路采用单作用液压缸差动连接的方式。而且为减少管道连接，可以通过在液压缸活塞上钻孔来实现液压缸两腔的连接，液压缸不必有低压出口，高压油可同时充满液压缸的有杆腔和无杆腔，由于活塞两侧的作用面积不同，因此液压缸会产生提升力。起升液压缸活塞运动方向的改变通过多路阀或换向阀来实现即可。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，即形成平衡回路。为实现上述设计目的，起升回路可以有三种方案，分别为采用调速阀的设计方案、采用平衡阀或液控单向阀的平衡回路设计方案以及采用特殊流量调节阀的设计方案，三种方案比较如图3-10（a）、图3-10（b）和图3-10（c）所示。（a）设计方案一 （b）设计方案二（c） 设计方案三图3-10 起升回路三种设计方案比较 图3-10（a）中设计方案之一是采用调速阀对液压缸的下落速度进行控制，该设计方案不要求液压缸外部必须连接进油和出油两条油路，只连接一条油路的单作用液压缸也可以采用这一方案。无论货物重量大小，货物下落速度在调速阀调节下基本恒定，在工作过程中无法进行实时的调节。工作间歇时，与换向阀相配合，能够将重物平衡或锁紧在某一位置，但不能长时间锁紧。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。图3-10（b）中设计方案之二是采用平衡阀或液控单向阀来实现平衡控制，该设计方案能够保证在叉车的工作间歇，货物被长时间可靠地平衡和锁紧在某一位置。但采用平衡阀或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，否则货叉无法在货物自重作用下实现下落，而且该设计方案无法调节货物的下落速度，因此不能够满足本设计实例的设计要求。图3-10（c）中设计方案之三是采用一种特殊的流量调节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，该流量调节阀可以根据货叉载重的大小自动调节起升液压缸的流量，使该流量不随叉车载重量的变化而变化，货物越重，阀开口越小，反之阀开口越大，因此能够保证起升液压缸的流量基本不变，起到压力补偿的作用。从而有效的防止因系统故障而出现重物快速下落、造成人身伤亡等事故。而在重物很轻或无载重时，通过自身调节，该流量调节阀口可以开大甚至全开，从而避免不必要的能量损失。本设计实例采用这一设计方案限定了货叉的最大下落速度，保证了货叉下落的安全。此外，为了防止负载过大而导致油管破裂，也可在液压缸的连接管路上设置一个安全阀。3.4.2 倾斜回路的设计本设计实例倾斜装置采用两个并联的液压缸作执行元件，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的机械连接方式来保证的，以防止叉车杆发生扭曲变形，更好地驱动叉车门架的倾斜或复位。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应设置一个背压阀。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，其原理图如图3-11所示。倾斜液压缸的换向也可直接采用多路阀或换向阀来实现。图3-11 倾斜回路原理图3.4.3 方向控制回路的设计行走机械液压系统中，如果有多个执行元件，通常采用中位卸荷的多路换向阀（中路通）控制多个执行元件的动作，也可以采用多个普通三位四通手动换向阀，分别对系统的多个工作装置进行方向控制。本设计实例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，其原理图如图3-12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3-13所示。本设计实例叉车工作装置液压系统拟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。应注意的是，如果起升回路中平衡回路采用前述设计方案三流量调节阀设计方案，则起升液压缸只需要一条连接管路，换向阀两个连接执行元件的油口A口和B口只需要用到其中一个即可。如果用到A口，则应注意B口应该与油箱相连，而不应堵塞。这样，当叉车杆处于下降工作状态时，可以令液压泵卸荷，而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。另外，还应注意采用普通换向阀实现的换向控制方式还与液压油源的供油方式有关，如果采用单泵供油方式，则无法采用几个普通换向阀结合来进行换向控制的方式，因为只要其中一个换向阀处于中位，则液压泵卸荷，无法驱动其它工作装置。图3-12 多路换向阀控制方式图3-13 普通换向阀控制方式3.4.4 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、换向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3-14所示。1-大流量泵 2-小流量泵 3-起升安全阀 4-倾斜安全阀 5-起升换向阀 6-倾斜换向阀 7-流量控制阀 8-防气穴阀 9-起升液压缸 10-倾斜液压缸 11、12-单向阀图3-14 叉车工作装置液压系统原理图3.5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。3.5.1 液压泵的选择图3-14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3.3.1和3.3.2中的计算结果，两个液压泵的排量可分别计算为：cm3/revcm3/rev查阅Sauer-Danfoss公司齿轮泵样本，如表3-5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34.9 cm3/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。在低负荷的时候，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：l/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： l/min大于起升回路所需要的流量47.1 l/min，因此能够满足设计要求。如果选择排量为37.9 cm3/rev的液压泵，则满负载条件下（电机转速1500r/min，容积效率90%）的实际流量为 l/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 l/min可见，如果叉车大多数时间都不工作在满负载的情况，则选用排量为37.9 cm3/rev的较大液压泵会造成比较大的溢流损失。对于倾斜回路的小流量液压泵，满载荷条件下（电机转速1500r/min，容积效率90%）的实际流量为= 5.4 l/min大于倾斜回路所需要的流量5.3 l/min，因此能够满足设计要求。表3-5 Sauer-Danfoss齿轮泵样本3.5.2 电机的选择为减小叉车工作装置液压系统的尺寸，简化系统结构，对于内燃叉车，双联液压泵可以由发动机直接驱动。如果叉车上的空间允许，也可以采用电动机驱动双联液压泵的设计方式。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，大流量液压泵的实际输出功率为：=10.8 kW齿轮泵的总效率（包括容积效率和机械效率）通常在8085%之间，取齿轮泵的总效率为80%，所需的电机功率为：=13.5 kW3.5.3液压阀的选择图3-7中叉车工作装置液压系统由双联泵供油，因此对于起升回路，流经换向阀、单向阀、溢流阀和平衡阀的最大流量均为47.7 l/min （半载的工况），各元件的额定压力应大于起升回路的最大工作压力14.5MPa；对于倾斜回路，流经各个液压阀的最大流量为5.4 l/min，额定压力应大于倾斜回路的最大工作压力15.6MPa。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。在选择溢流阀时，由于溢流阀在起升回路和倾斜回路中都是做安全阀，因此其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是不同的，按照前述计算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。查阅相关液压阀生产厂家样本，确定本设计实例所设计叉车工作装置液压系统各液压阀型号及技术参数如表3-6所示。表3-6 液压阀型号及技术参数序号元件名称规格额定流量L/min最高使用压力 MPa型号1三位四通手动换向阀56031.54WMM6T502单向阀117621DT8P1-06-05-103溢流阀312031.5DBDH6P-10/2004单向阀121021DT8P1-02-05-105流量调节阀76731.5VCDC-H-MF(G1/2)6三位四通手动换向阀63025DMG-02-3C6-W7溢流阀41221C175-02-F-108背压阀和防气穴阀812031.5MH1DBN 10 P2-20/050M3.5.4 管路的选择本设计实例液压管路的直径可通过与管路连接的液压元件进出口直径来确定，也可通过管路中流速的建议值进行计算。根据第1章中给出的液压管路流速推荐范围，假定液压泵排油管路的速度为5 m/s，液压泵吸油管路的速度为1 m/s。在设计过程中也应该注意，液压系统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。按照半载工况，大流量泵排油管路中流过的最大流量为q = 47.7 L/min则管道的最小横截面积为：mm2mm2mm为减小压力损失，管径应尽可能选大些，所以选用管子通径为15mm的油管作排油管即可。大流量泵吸油管路中流过的最大流量为液压泵的理论流量，即L/min，则管道的最小横截面积为：mm2mm2mm查液压管路管径标准，与上述计算值最接近的实际值为33mm，因此可选用通径为40mm的油管做大流量泵的吸油管。3.5.5 油箱的设计根据第1章油箱容积估算方法，按照贮油量的要求，初步确定油箱的有效容积已知双联泵总理论流量为 L/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 = 2。因此 L油箱整体容积为V =139.125L，查液压泵站油箱公称容积系列，取油箱整体容积为150 L。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a=0.075m、b=0.05m、c=0.025m。 3.5.6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EF3-40的空气滤清器，其性能参数为：加油流量 21 L/min空气流量 170 L/min油过滤面积 180 mm2空气过滤精度 0.279 mm油过滤精度 125 m选择型号为RF-6020L-Y的滤油器作回油过滤器，其性能参数为：额定流量 60 L/min过滤精度 20m额定压力 1 MPa3.6液压系统的性能验算液压系统原理图和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。3.6.1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。叉车工作装置液压系统的压力损失包括油液流过等径进油管路而产生的沿程压力损失，通过管路中弯管和管接头等处的管路局部压力损失以及通过各种液压阀的局部压力损失。由于叉车工作装置液压系统管路较短，弯管和管接头较少，因此沿程压力损失和弯管以及管接头等处的管路局部压力损失与经过各种液压阀的局部压力损失相比可以忽略不计，故本设计实例主要核算经过各种液压阀的局部压力损失。图3-14原理图表明，起升回路起升动作过程中液压阀产生的局部压力损失主要包括由单向阀11、换向阀5和特殊流量调节阀7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11（DT8P1-06-05-10）的开启压力为0.035MPa；在流量约为50L/min时，手动换向阀5（4WMM6T50）的压力损失约为0.5MPa；在流量约为50L/min时，流量调节阀7（VCDC-H-MF(G1/2)）的压力损失为0.5MPa。因此起升回路进油管路总的局部压力损失为1.035 MPa所以溢流阀调定压力应为15.4 MPa取溢流阀的实际调定压力为16MPa是适宜的。对于倾斜回路，使货叉倾斜过程中，产生局部压力损失的液压阀有单向阀12，换向阀6和防气穴阀8。根据产品样本，单向阀12（DT8P1-02-05-10）的开启压力为0.035MPa；在流量约为5.4 L/min时，手动换向阀6（DMG-04-3C-W）的压力损失最大约为0.15MPa；防气穴阀中单向阀（MHSV10PB1-1X/M）的开启压力为0.05MPa则倾斜回路进油管路总的局部压力损失为 MPa所以溢流阀实际压力应为15.8 MPa取溢流阀的实际调定压力为16MPa是适宜的。3.6.2 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49.65L/min的流量（理论流量）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，液压泵的大部分流量将进入液压缸。当负载上升达到顶端时，液压泵以44.7 l/min的额定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：= 10 kW造成的油液温度升高可计算为：式中 液压油液的密度，取870kg/m3 液压油液的比热，对于普通的石油型液压油液，（0.40.5）4187 J/(kgK)，取=2.0 KJ/(kg. K)如果液压系统的温度单位用摄氏度，则油液温升为=8.57 上述温升满足行走机械温升范围要求，而且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。3.7 设计经验总结叉车类工程机械或行走机械对液压系统的要求是安全可靠、效率高、成本低，通过本设计实例，对叉车类工程机械或行走机械液压系统的设计方法和设计经验总结如下：1采用低成本的齿轮泵做能源元件，普通的手动换向阀做控制调节元件，系统造价低。2为保证系统工作安全，对于有垂直下落工况的液压系统，应采用必要的平衡回路；对于有超越负载（负值负载）的液压系统，应在回油路上采用必要的增加背压（防气穴）措施。3为提高系统的工作效率，降低能耗，对于流量差别较大的支回路，应采用不同流量的液压泵分别供油的方式。