平衡重式叉车改造后稳定性分析与研究

孙 慧，王春利

（山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590）

平衡重式叉车改造后稳定性分析与研究

孙 慧，王春利

（山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590）

选用磷酸铁锂电池取代铅酸蓄电池，对目前广泛使用的平衡重式叉车进行改造，依据电池模块的电压和容量参数，增加设计了平衡配重，分析叉车的横向稳定性和纵向稳定性，进行叉车的整体稳定性分析，并提出影响改造后的平衡重式叉车稳定性的其他因素。

平衡重式叉车；电源模块；稳定性分析；平衡配重

1 引言

叉车是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆。其中，平衡重式叉车用途广，用量大，约占叉车总产量的75%以上。目前，平衡重式叉车多使用铅酸蓄电池作为主要动力能源[1]。铅酸蓄电池具有价格低廉、原材料易于获得、放电时电动势较稳定、适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点，半个世纪以来，被广泛应用，具有了成熟的技术。但是，铅酸蓄电池本身又具有污染严重、寿命短等缺点，不宜室内使用，制约了电动叉车的进一步发展。随着能源紧张、环境污染等问题的出现，选用绿色、环保、高效的电池，对平衡重式叉车的电源模块进行改造，对于提高叉车的使用性能、延长叉车的使用寿命，节约能源、保护环境，提高生产效率，具有十分重要的意义。

本文选用磷酸铁锂电池，对平衡重式叉车现有的电池模块进行改造，设计合适的平衡配重，完成电源模块的改造后，分析研究改造后影响平衡重式叉车稳定性的因素。

2 平衡重式叉车改造后稳定性分析与配重设计

一般来说，稳定性是保证平衡重式叉车安全作业的必要条件。稳定性是平衡重式叉车固有的特殊属性，是指平衡重式叉车抵制倾覆所具有的能力[2]。平衡重式叉车作为轻小型起重设备，其稳定性受到道路坡度、载荷大小、载荷重心位置、行驶速度、轮胎气压等诸多因素的综合影响[3]。

因此，在对平衡重式叉车进行改造时，必须保持平衡重式叉车的稳定性。同时，完成改造的平衡重式叉车在进行装卸和行驶过程中也必须保持稳定状态，保持纵向稳定和横向稳定，不能出现倾覆的情况。

2.1 平衡重式叉车横向稳定性分析

平衡重式叉车在完成电源模块改造后，充电时间减少，工作效率明显提高。由于更改了电池模块，需要对平衡重式叉车进行横向稳定性分析。

根据叉车倾斜平台试验法原理，造成叉车横向运行稳定性失效的实质是，叉车在平道上高速转弯时受到如离心力等外力的作用，如图1所示。

图1 叉车横向运行稳定性试验原理图

根据国家叉车标准规定[4]，叉车横向运行稳定性试验的平台，其倾角为(15+1.4)V×100%，V为空车最高行驶速度，单位为km/h，在计算当中须满足下式：

2.2 平衡重式叉车纵向稳定性分析

在对平衡重式叉车进行横向稳定性分析的同时，还要对其进行纵向稳定性分析。

叉车在两种情况下有可能丧失纵向稳定性：一种情况是在满载堆垛时，叉车向前倾翻；另一种情况是叉车满载行驶时，由于紧急制动，叉车向前倾翻，或者使得托盘连同货物从货叉上甩出。

叉车在水平地面上静止不动，门架直立，货叉满载起升到最大高度，叉车受到重力作用。如果叉车自重与载荷重量的合成作用线通过叉车前轮与地面接触点，则叉车处于稳定的临界状态，通过对叉车满载堆垛时进行纵向稳定性分析就可以求出叉车在计算条件下的安全裕度。

2.3 平衡重式叉车改造时配重分析

为了保护电动叉车的驱动电机和内部线路，并使其能正常工作，在对平衡重式叉车进行改造时，需要尽量使电池模块的电压和容量变化不大，并保持在一定范围内。因此，在进行电池模块的更换时，先以电池模块的电压和容量为依据，进行设计。本文选用起重量为1.5t的合力平衡重式四轮叉车CPD15H系列叉车进行试验改造。该叉车采用安徽迅启铅酸蓄电池，电池型号为24-D-400，电压为48V，额定容量为400Ah。改造时，选用深圳博威特达新能源有限公司生产的16个单体3.2V、50AH磷酸铁锂电池串联组成蓄电池组，其电压为3.2V×16=51.2V。

改造前，铅酸蓄电池组总重量为680kg，长×宽×高为：970×600×465mm。改造后，所选用的磷酸铁锂电池单体重量为6kg，长×宽×高为：180×50× 105mm。16块单体磷酸铁锂电池排成电池组，分成两排，每排8个单体电池进行组装。可得，锂电池组的整体尺寸，其长×宽×高为：360×400×105mm，总重量为16×6kg=96kg。

经过计算，电池改造后的磷酸铁锂电池模块与改造前铅酸蓄电池模块重量和体积上有较大的差距，这样会影响电动叉车的整体稳定性。而电动叉车整体稳定性改变之后，叉车的行走机构、转向机构以及举升机构的稳定性会受到一定影响，影响叉车的正常工作。

一般来说，磷酸铁锂电池和铅酸蓄电池相比，相同功率的情况下，磷酸铁锂电池更轻，体积更小，为保证电池模块改造后的电动叉车的整车稳定性不发生改变，需要对电池模块设计配重[5]。

改造时选用铁碳合金作为配重块，增加配重的作用是为了电动叉车作业时有足够的负荷与货物相平衡，保证叉车不致倾翻[6]，如图2所示。

图2 磷酸铁锂电池组模块

改造前铅酸蓄电池模块与改造后磷酸铁锂电池模块体积相差255 510 000mm3，而重量相差584kg，需要增加配重块，铺在叉车上原有电池模块的相应位置，可取铁碳合金的密度7.8g/cm3，要补齐相差的584kg，需要74 871 000mm3。剩下的255 435mm3可用其他诸如泡沫塑料之类的填充。

2.4 平衡重式叉车改造后整体性分析

电池管理平衡重式叉车所使用的铅酸蓄电池因其自身特点，体积与重量比磷酸铁锂电池大，而叉车稳定性是根据改造前所用的铅酸蓄电池的重量和体积进行校核的。电池模块进行改造之后，磷酸铁锂电池组虽然设计为与原电池组相同的重量和体积，但是改造后的磷酸铁锂电池组是由配重块与单体磷酸铁锂电池共同组成的，整个磷酸铁锂电池组的重心可能发生了改变。由于新的蓄电池模块发生了改变，所以整个平衡重式叉车的重心、载荷中心等可能也会发生改变。

桥荷率是叉车桥荷占其自身重量的比率。添加了新的配重，对叉车的稳定性、牵引性和动力性等性能参数具有重大影响。配重如果太大，叉车在空载状态下会出现后桥桥荷率过大，前桥桥荷率过小的不合理状态，使得叉车容易向后倾覆；配重如果太小，叉车在满载状态下会出现前桥桥荷率过大，后桥桥荷率过小的不合理状态，使得叉车容易向前倾覆。改变了配重，就会相应改变了桥荷率，也就改变了叉车的稳定性。

因此，对改造后的叉车进行整车稳定性分析，是十分必要的。

如图3所示，选用稳定系数法对电池模块改造后的平衡重式叉车进行整车稳定性分析，有：

G—自重载荷；

F1,F2,F3,F4—叉车四个轮子受到的支持力；

图3 平衡重式叉车平面受力示意图

式中：

x—重心到轴AB的水平距离；

L—叉车前后轴距，已知1 380mm；

T—叉车重量，已知2 950kg；

Q—货物重量，满载情况下为1 500kg；

a—前悬，已知400mm；

x—载荷中心距，已知500mm；

[k]—推荐的最小稳定系数。

已知叉车自重2 950kg，取重力加速度为g=10m s2,在满载1.5T的情况下，G最大，此时最为危险：

可得：

国产1.5T起重量的平衡重式电动叉车的[k]取1.6-2，所以求得的稳定系数K值大于2，说明电池模块改造后的电动叉车的整车稳定性仍满足工作需要[7]。

3 结语

本文在对现有大量使用的铅酸蓄电池平衡重式叉车进行改造的过程中，选用磷酸铁锂电池，依据电池模块的容量和电压参数，增加设计平衡配重，分析了其横向稳定性和纵向稳定性，并从整体分析增加配重后的叉车稳定性，并对提出了其他可能影响叉车稳定性的因素。

影响平衡重式叉车稳定性的因素还有很多，例如叉车作业场所的地面状况、坡度；轮胎结构性能及充气状况；载荷质量分布等。此外，平衡重式叉车的制造准确性及材料质量，车架和货叉变形等因素，也会影响到平衡重式叉车的稳定性。

[1]杨国,江博.电动叉车用铅酸蓄电池使用性能及维修要点[J].技术·维修,2015,(1).

[2]黄国贤.平衡重式叉车稳定性经验系数[J].起重运输机械, 2000,(1):5-7.

[3]陈英杰,张磊,李建友.平衡重式叉车倾翻预警方案研究[J].建筑机械,2009,(3):60-63.

[4]胡继兵.平衡重式叉车横向运行稳定性设计方法改进的研究[J].叉车技术,2015,(2):7-12.

[5]王林.电动汽车磷酸铁锂动力电池系统集成及管理系统研究[D].上海:上海交通大学,2010.

[6]刘水章.平衡重式叉车桥荷率与配重的分析与计算[J].叉车技术,2000,(4):14-18.

[7]叉车与工业车辆类产品标准汇编[M].北京:国家工业机械质量监督检验中心,2006.

[8]黄国贤.平衡重式叉车稳定性研究[J].叉车技术,1999,(1):7-14.

Analysis and Study of Stability of Modified Counterbalanced Forklift

Sun Hui,Wang Chunli
(School of Communication,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266590,China)

In this paper,we replaced the lead-acid battery with the lithium iron phosphate battery,accordingly modified the currently popular counterbalanced forklift,and added the counterweight in view of the voltage and capacity,etc.,of the battery module.Next,we analyzed the lateral,transverse and overall stability of the forklift and pointed out the other factors influencing the stability after the modification.

counterbalanced forklift;battery module;stability analysis;counterweight

TH242

A

1005-152X(2016)12-0085-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.12.020

2016-10-28

青岛开发区科技计划项目“铅酸蓄电池电动叉车电池改造模块的研制”（2014-1-36）

孙慧，副教授，主要研究方向：物流系统规划、物流装备与控制、机械设计及理论；王春利（1992-），通讯作者，男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向：先进物流装备。