叉车液压系统标准设计.docx

叉车液压系统设计目录1.1概述51.1.1叉车结构及基础技术51.2液压系统关键参数71.2.1 提升缸设计：71.2.2系统工作压力确实定81.2.3液压系统原理图确实定81.2.3.1起升回路设计81.2.3.2倾斜装置设计111.2.4 提升液压缸工况分析：121.2.5方向控制回路设计121.2.6 油路设计141.2.7 液压阀选择151.2.8液压泵设计和选择161.2.9管路尺寸161.3 油箱设计171.3.1 系统温升验算171.3.2其它辅件选择171.4 设计经验总结18参考文件18叉车工作装置液压系统设计叉车作为一个流动式装卸搬运机械，因为含有很好机动性和经过性，和很强适应性，所以适合于货种多、货量大且必需快速集散和周转部门使用，成为港口码头、铁路车站和仓库货场等部门不可缺乏工具。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设计方法及步骤，包含叉车工作装置液压系统关键参数确实定、原理图确实定、液压元件选择和液压系1.1概述叉车也叫叉式装卸机、叉式装卸车或铲车，属于通用起重运输机械，关键用于车站、仓库、港口和工厂等工作场所，进行成件包装货物装卸和搬运。叉车使用不仅可实现装卸搬运作业机械化，减轻劳动强度，节省大量劳力，提升劳动生产力，而且能够缩短装卸、搬运、堆码作业时间，加速汽车和铁路车辆周转，提升仓库容积利用率，降低货物破损，提升作业安全程度。1.1.1叉车结构及基础技术根据动力装置不一样，叉车可分为内燃叉车和电瓶叉车两大类；依据叉车用途不一样，分为一般叉车和特种叉车两种；依据叉车结构特点不一样，叉车又分为直叉平衡重式叉车、插腿式叉车、前移式叉车、侧面式叉车等多个。其中直叉平衡重式叉车是最常见一个叉车。叉车通常由自行轮式底盘和一套能垂直升降和前后倾斜工作装置组成。某型号叉车结构组成及外形图图3-1所表示，其中货叉、叉架、门架、起升液压缸及倾斜液压缸组成叉车工作装置。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1-1 叉车结构及外形叉车基础技术参数有起重量、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、门架前倾角和后倾角和最小转弯半径等。其中，起重量(Q)又称额定起重量，是指货叉上货物中心在要求载荷中心距时，叉车能够举升最大重量。中国家标准准中要求起重量系列为：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距离。标准中所给出要求值和起重量相关，起重量大时，载荷中心距也大。比如平衡重式叉车载荷中心距如表3-1所表示。表1-1 平衡重式叉车载荷中心距 起升高度hmax，指叉车在水平坚实地面上，门架垂直放置且承受额定起重量货物时，货叉所能升起最大高度，即货叉升至最大高度时水平段上表面至地面垂直距离。现有起升高度系列为：1500，2500，2700，3000，3300，3600，4000，4500，50005500，6000，7000mm。满载行驶速度vmax，指货叉上货物达成额定起重量且变速器在最高级位时，叉车在平直干硬道路上行驶所能达成最高稳定行驶速度。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货物所能达成平均起升速度。满载爬坡度a，指货叉上载有额定起重量货物时，叉车以最低稳定速度行驶所能爬上长度为要求值最陡坡道坡度值。其值以半分数计。门架前倾角f及后倾角b，分别指无载叉车门架能从其垂直位向前和向后倾斜摆动最大角度。最小转弯半径Rmin，指将叉车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距离。在叉车基础技术参数中，起重量和载荷中心距能表现出叉车装载能力，即叉车能装卸和搬运最重货件。最大起升高度表现是叉车利用空间高度情况，可估算仓库空间利用程度和堆垛高度。速度参数则表现了叉车作业循环所需要时间，和起重量参数一起可估算出生产率。1.2液压系统关键参数1.2.1 提升缸设计：为减小提升装置液压缸行程，经过加一个动滑轮和链条（绳），对装置进行改善，图 1 所表示。图 1 提升装置示意图静摩擦力Fs= G=0.240009.8=7840N动摩擦力 Fd= G=0.140009.8=3920N因为下降受力小于上升，所以惯性力 Fa=ma= =9000N提升最大负载F=Fs+ Fd+ Fa+G=59960N依据设计条件，提升装置需承受最大负载力为：59960N因为链条固定在框架一端，活塞杆行程是叉车杆提升高度二分之一，但同时，所需力变为原来两倍 （因为所需做功保持常值，不过位移减半，于是负载变为原来两倍） 。即提升液压缸负载力为Ft=mg=39200N所以2 Ft=78400 N假如系统工作压力为 160bar，则对于差动连接单作用液压缸，提升液压缸活塞杆有效作用面积为Ar Ar= = 所以活塞杆直径为 d = 0.079 m，查标准（56、63、70、80 系列），取 d = 0.080m。依据液压设计手册选择 HSG 型工程液压缸，可选液压缸型号有：（1）HSG01-110/dE 活塞杆和活塞直径为 80/110mm/mm（速比 2），活塞杆最大行成行程 1600mm ；（2）HSG01-140/dE 活塞杆和活塞直径为 80/140 mm/mm（速比 1.46），活塞杆最大行成行程 mm ；（3）HSG01-160/dE 活塞杆和活塞直径为 80/160 mm/mm（速比 1.33），活塞杆最大行成行程 mm 。选择 (1)HSG01-140/dE，各参数为：液压缸内经 140mm，液压杆直径 80mm，最大工作压力为 160bar，行程为 1.5m。所以活塞杆有效作用面积为Ar= = =50.24Ps= = =156bar当工作压力在许可范围内时， 起升液压缸所需最大流量由起升装置最大速度决定，在由动滑轮和链条组成系统中，起升液压缸最大运动速度是叉车杆最大运动速度二分之一，于是提升过程中液压缸所需最大流量为：= =50.24/s=67.8L/min= =50.24=5.523/s=33.138 L/min1.2.2系统工作压力确实定系统最大压力能够确定为大约在 160bar 左右，假如考虑压力损失话，能够再稍高部分。1.2.3液压系统原理图确实定在完成装卸作业过程中，叉车液压系统工作液压缸对输出力、运动方向和运动速度等多个参数含有一定要求，这些要求可分别由液压系统多个基础回路来实现，这些基础回路包含压力控制回路、方向控制回路和速度控制回路等。所以，确定一个叉车液压系统原理图，就是灵活利用多种基础回路来满足货叉在装卸作业时对力和运动等方面要求过程。1.2.3.1起升回路设计起升液压系统作用是提起和放下货物，所以实施元件应选择液压缸。因为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，所以可采取单作用液压缸。假如把单作用液压缸环形腔和活塞另一侧连通，组成差动连接方法，则能够在提升起升速度情况下减小液压泵输出流量。假如忽略管路损失，单作用液压缸无杆腔和有杆腔压力近似相等，则液压缸驱动力将由活塞杆截面积决定。实现单作用液压缸差动连接，能够经过方向控制阀在外部管路上实现，图1-2（a）。为减小外部连接管路，液压缸设计也可采取在活塞上开孔方法，图1-2（b）所表示。这种测试方法有杆腔所需要流量就能够从无杆腔一侧取得，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）管路连接方法 （b）活塞上开孔方法 图1-差动连接液压缸 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，货叉和货物重量能使叉车杆自动回落到底部，所以本设计实例起升回路采取单作用液压缸差动连接方法。而且为降低管道连接，能够经过在液压缸活塞上钻孔来实现液压缸两腔连接，液压缸无须有低压出口，高压油可同时充满液压缸有杆腔和无杆腔，因为活塞两侧作用面积不一样，所以液压缸会产生提升力。起升液压缸活塞运动方向改变经过多路阀或换向阀来实现即可。为了预防液压缸因重物自由下落，同时起到调速目标，起升回路回油路中必需设置背压元件，以预防货物和货叉因为自重而超速下落，即形成平衡回路。为实现上述设计目标，起升回路能够有三种方案，分别为采取调速阀设计方案、采取平衡阀或液控单向阀平衡回路设计方案和采取特殊流量调整阀设计方案，三种方案比较图1-3（a）、图1-3（b）和图1-3（c）所表示。（a）设计方案一（b）设计方案二（c） 设计方案三图1-3 起升回路三种设计方案比较图1-3（a）中设计方案之一是采取调速阀对液压缸下落速度进行控制，该设计方案不要求液压缸外部必需连接进油和出油两条油路，只连接一条油路单作用液压缸也能够采取这一方案。不管货物重量大小，货物下落速度在调速阀调整下基础恒定，在工作过程中无法进行实时调整。工作间歇时，和换向阀相配合，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，调速阀节流作用仍然会使系统产生很大能量损失。图1-3（b）中设计方案之二是采取平衡阀或液控单向阀来实现平衡控制，该设计方案能够确保在叉车工作间歇，货物被长时间可靠地平衡和锁紧在某一位置。但采取平衡阀或液控单向阀平衡回路全部要求液压缸含有进油和出油两条油路，不然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整货物下落速度，所以不能够满足本设计实例设计要求。图1-3（c）中设计方案之三是采取一个特殊流量调整阀和在单作用液压缸活塞上开设小孔实现差动连接方法，该流量调整阀能够依据货叉载重大小自动调整起升液压缸流量，使该流量不随叉车载重量改变而改变，货物越重，阀开口越小，反之阀开口越大，所以能够确保起升液压缸流量基础不变，起到压力赔偿作用。从而有效预防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，经过本身调整，该流量调整阀口能够开大甚至全开，从而避免无须要能量损失。本设计实例采取这一设计方案限定了货叉最大下落速度，确保了货叉下落安全。另外，为了预防负载过大而造成油管破裂，也可在液压缸连接管路上设置一个安全阀。1.2.3.2倾斜装置设计本设计实例倾斜装置采取两个并联液压缸作实施元件，两个液压缸同时动作是经过两个活塞杆同时刚性连接在门架上机械连接方法来确保，以预防叉车杆发生扭曲变形，愈加好地驱动叉车门架倾斜或复位。为预防货叉和门架在复位过程中因为货物自重而超速复位，从而造成液压缸动作失去控制或引发液压缸进油腔压力忽然降低，所以在液压缸回油管路中应设置一个背压阀。首先能够确保倾斜液压缸在负值负载作用下能够平稳工作，其次也能够预防因为进油腔压力忽然降低到低于油液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，其原理图图3-4所表示。倾斜液压缸换向也可直接采取多路阀或换向阀来实现。图1-4 倾斜回路原理图倾斜装置所需力取决于它到支点距离，活塞杆和叉车体相连。所以倾斜液压缸尺寸取决于它安装位置。安装位置越高，即距离支点越远，所需力越小。该作用力由两个双作用液压缸提供，则每个液压缸所需提供力为59960N。假如工作压力为 160bar，则倾斜液压缸环形面积 Aa 为：Aa= = 假设活塞直径D=80mm，环形面积给定，则活塞杆直径能够用以下方法求出。Aa= )d=0.040 m所以活塞杆直径取d=0.040m，则环形面积为：Aa= )=37.68pp - = - = - 倾斜机构所需最大压力为：p= bar而液压缸工作压力为 160bar，所以有足够余量。综上，两个倾斜液缸选择 HSG 型工程液压缸，选择型号为 HSG01-80/dE，参数为：液压缸径 80mm，液压杆直径 40mm，速比 1.33，行程为 1000mm。1.2.4 提升液压缸工况分析：依据前边设计参数知： 加减速时间t全部为0.2s；起升速度v1=0.45m/s； 快速下降最高速度v2=0.22m/s; 提升油缸行程：L=1.5m;上升时： 加速度：a1=v1/t=0.45/0.2=2.25m/s2 加速行程：L1= at2= 2.250.22=0.045m下降时：加速度：a2=v2/t=0.22/0.2=1.1m/s2减速行程：L4 = at2= 1.10.22=0.022m1.2.5方向控制回路设计行走机械液压系统中，假如有多个实施元件，通常采取中位卸荷多路换向阀（中路通）控制多个实施元件动作，也能够采取多个一般三位四通手动换向阀，分别对系统多个工作装置进行方向控制。本设计实例能够采取两个多路阀加旁通阀控制方法分别控制起升液压缸和倾斜液压缸动作，其原理图图1-5所表示，也能够采取两个一般三位四通手动换向阀分别控制起升液压缸和倾斜液压缸动作，图1-6所表示。本设计实例叉车工作装置液压系统拟采取一般三位四通手动换向阀控制方法，用于控制起升和倾斜装置两个方向控制阀均可选择标准四通滑阀。应注意是，假如起升回路中平衡回路采取前述设计方案三流量调整阀设计方案，则起升液压缸只需要一条连接管路，换向阀两个连接实施元件油口A口和B口只需要用到其中一个即可。假如用到A口，则应注意B口应该和油箱相连，而不应堵塞。这么，当叉车杆处于下降工作状态时，能够令液压泵卸荷，而单作用起升液压缸下腔液压油可经过手动换向阀直接流回油箱，有利于系统效率提升。同时为了预防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，还应注意采取一般换向阀实现换向控制方法还和液压油源供油方法相关，假如采取单泵供油方法，则无法采取多个一般换向阀结合来进行换向控制方法，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1-5 多路换向阀控制方法图1-6 一般换向阀控制方法1.2.6 油路设计对于提升工作装置，单作用液压缸就能够满足工作要求，因为叉车体重量能使叉车杆自动回到底部。液压缸无须有低压出口，高压油可同时充满活塞环形面和另一面（组成差动缸），因为活塞两侧面积不一样而产生提升力。为降低管道连接，能够经过在活塞上面钻孔实现液压缸两侧连接。倾斜装置通常采取两个液压缸驱动，以预防叉车杆发生扭曲变形。行走机械液压系统中通常采取中位卸荷多路换向阀（中路通） 控制多个液压缸动作，图 3 所表示。1.2.7 液压阀选择提升系统中，全部液压阀经过流量至多为 67.8L/min，所以阀尺寸很小。为考虑系统压力损失（管路和各方向阀造成），液压系统提供压力应比负载所需压力高 1520bar：=159+20=179 bar溢流阀调定压力应高于供油压力 10%左右，即设成 180bar 比较适宜。溢流阀最大压力值可能比 180bar 还高，甚至超出 200bar。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1-3所表示。表1-3 液压阀型号及技术参数1.2.8液压泵设计和选择 齿轮泵含有结构简单，体积小，重量轻，工作可靠等优点，广泛应用在叉车上。通常采取高压齿轮泵。依据系统设计要求选择压力，依据起升速度选择流量。当电动机直接带泵时，应选择高速齿轮泵。齿轮泵属于容积式液压泵，输出压力随负载改变，在系统中必需设置安全阀。（齿轮泵容积效率为90）取，液压泵缸壁厚取和液压缸相约。假定齿轮泵容积效率为90%，电机转速为1500r/m，则泵排量为： 满负载条件下（1500rpm，容积效率90%）实际流量为： 半负载条件下（1550rpm，容积效率93%）实际流量为： 大于所需值，满足设计要求。1.2.9管路尺寸本设计实例液压管路直径可经过和管路连接液压元件进出口直径来确定，也可经过管路中流速提议值进行计算。依据液压手册中给出液压管路流速推荐范围，假定液压泵排油管路速度为10m/s，液压泵吸油管路速度为2m/s。在设计过程中也应该注意，液压系统管路中油液流动速度也会受到油路和装置工作条件、功率损失、热和噪声产生和振动等各方面原因影响。根据半载工况，大流量泵排油管路中流过最大流量为q =72.5 L/min则管道最小横截面积为：为减小压力损失，管径应尽可能选大些，所以选择管子通径为15mm油管作排油管即可。大流量泵吸油管路中流过最大流量为液压泵理论流量，即 L/min，则管道最小横截面积为：查液压管路管径标准，和上述计算值最靠近实际值为30mm，所以可选择通径为40mm油管做大流量泵吸油管。1.3 油箱设计（1）依据液压油箱容积估算方法，根据贮油量要求，初步确定油箱有效容积已知双联泵总理论流量为 ，对于行走工程机械，为减小液压系统体积和重量，在计算油箱有效容积时取a = 2。所以油箱整体容积为V = =203.625L，查液压泵站油箱公称容积系列，取油箱整体容积为240 L。假如油箱长宽高百分比根据3：2：1设计，则计算得到长、宽、高分别为a=1.20m、b=0.80m、c=0.40m。（2）安装热交换器时，还要考虑安装位置，还能够装油温计测油温。（3）箱壁要涂防锈涂料1.3.1 系统温升验算起升回路消耗功率远大于倾斜回路所消耗功率，所以只验证起升回路温升即可。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75.45L/min流量（理论流量）流回油箱，此时液压泵处于卸荷状态，所以液压泵损失功率较小。当负载上升时，液压泵大部分流量将进入液压缸。当负载上升达成顶端时，液压泵以50.2l/min额定流量从安全阀溢流回油箱，造成很大能量损失。假定液压泵流量90%经过安全阀流失，损失功率为： 造成油液温度升高可计算为： 式中 液压油液密度，取870kg/m3 液压油液比热，对于一般石油型液压油液， （0.40.5）4187 J/(kgK)，取 =2.0 KJ/(kg. K)假如液压系统温度单位用摄氏度，则油液温升为 上述温升满足行走机械温升范围要求，而且因为这一极端功率损失情况只是偶然在货叉杆上升到行程端点时才出现，所以该叉车工作装置液压系统无须设置冷却器。1.3.2其它辅件选择叉车工作装置液压系统中使用过滤器包含油箱注油过滤器和主回油路上回油过滤器。查相关厂家样本，选择型号为EF3-40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 MPa1.4 设计经验总结叉车类工程机械或行走机械对液压系统要求是安全可靠、效率高、成本低，经过本设计实例，对叉车类工程机械或行走机械液压系统设计方法和设计经验总结以下：1采取低成本齿轮泵做能源元件，一般手动换向阀做控制调整元件，系统造价低。2为确保系统工作安全，对于有垂直下落工况液压系统，应采取必需平衡回路；对于有超越负载（负值负载）液压系统，应在回油路上采取必需增加背压（防气穴）方法。3为提升系统工作效率，降低能耗，对于流量差异较大支回路，应采取不一样流量液压泵分别供油方法。参考文件1 许福玲.液压和气压传动.北京：机械工业出版社，.08.2 陈奎生液压和气压传动武汉：武汉理工大学出版社，.8.3 朱福元液压系统设计简明手册北京：机械工业出版社，.10.4 张利平液压气动系统设计手册北京：机械工业出版社，1997.9.