叉车液压系统设计与分析

沈鑫兵

（200093 上海市 上海理工大学）

0 引言

伴随着物流业的发展，叉车的作用越来越明显，国内叉车的需求量也在增加[1]。叉车主要用来装卸和堆垛货物以及进行短途的搬运工作，由于其拥有良好的机动性和较强的适应性，常常被用于货物多、货量比较大而且又必须迅速集散和运转的场合。叉车的液压系统作为叉车的核心部分，直接影响到叉车的质量，所以就显得极为重要。现在存在的叉车油压系统问题、能源损失问题、限制速度断裂的设计的问题、油温度过高的问题等会影响叉车的整体质量，有必要对其液压系统进行详细研究分析。

本文针对叉车液压系统，在明确了原始数据后，草拟并优化出了液压系统原理图，通过一系列的计算，确定了液压系统提升装置和倾斜装置的参数。在此基础上，应用AMESim 软件对叉车液压系统进行了仿真，并对此进行了动态分析，分析结果满足要求。

1 叉车的结构

叉车是一种自行走搬运设备，主要由能垂直升降并可前后倾斜的工作装置构成，是用于将货物堆积起来、装卸装船及短途运输工作的轮式运输车辆[2]。仓库里经常使用叉车运输大型物资，通常使用电池或燃油机进行驱动。叉车的外形如图1 所示。

图1 叉车外观图Fig.1 Forklift appearance

叉车主要由工作装置、底盘、配重、动力装置组成。其中，底盘包括转向系统、传动系统、制动系统、行走支承系统。传动系统又包括全液压传动系统、液力式传动系统、机械式传动系统；制动系统一般分为全液压式和液力式制动系统；转向系统基本都采用液压式转向系统[3]；动力装置包括内燃机、电动机和蓄电池，也有的叉车采用混合动力；门架系统包括外门架、内门架、货叉架、货叉、倾斜油紅、升降油紅、链轮、链条、滚轮等[4]。根据不同功能需求，门架可分为一级门架、二级门架、多级门架和全自由门架等等[5]。

2 液压传动系统

2.1 液压传动系统的组成和基本原理

液压传动是利用在密闭系统中受压的液体传送动力和运动的一种传动方式。液压传动装置是将机械能转换成液压能的能量转换装置，然后可以把便于运输的液压能转变成机械能[6]。液体压力系统主要由主要动力部件、执行原件、控制部件、辅助零部件及工作媒体5 个部分组成。

2.2 液压系统的参数确定

2.2.1 提升装置参数确定

液压缸的行程为1 m，活塞杆的直径为125 mm，举升装置的有效面积为

位移减半，负载变成2 倍

故取系统压力100 bar。

装置的最大速度决定了最大流量。在此动滑轮系统里，叉车速度是活塞杆速度的2 倍，叉车杆速度为0.08 m/s，于是最大流量为

2.3.2 倾斜装置参数确定

其倾斜力F=6×104N，2 个双作用液压缸提供此力，每个液压缸所需提供的力为3×104N。工作压力为90 bar。则环形面积为

设活塞直径为80 mm，面积不变，活塞杆直径d=45.5 mm，为了保证所需值小于环线面积，该计算值必须大于活塞杆直径，取d=40 mm，则环形面积为

倾斜机构所需要的最大压力为

3 叉车液压系统工况的仿真

3.1 液压系统建模

目前，AMESim(高级建模环境下工程系统的仿真)是各工程领域建模、仿真比较广泛使用的软件之一，可以获得液压元件、液压系统明确可靠的动态特性曲线。本文针对叉车液压系统通过AMESim 软件实现建模、仿真的目的。本文利用了AMESim 软件对叉车液压系统在不同工况下的流量、压力的参数的调整实现相关的分析论证。液压系统建模图如图2 所示。

图2 液压系统图Fig.2 Hydraulic system diagram

3.2 各元件参数的设置

在液压缸建模中，有些是AMESim 中有现成的模块，也有一些没有现成的模块，可以用HCD库中的模块来构建液压缸模型。根据多级液压缸的结构特点，在建模过程中可以用若干个单级液压缸来等效替代该多级液压缸。

（1）液压缸模型建立

举升液压缸模型如图3 所示。左端为无杆腔，右端为有杆腔。本文采用双液压缸的模式来进行仿真。设置举升缸的参数如图4 所示。

图3 举升缸Fig.3 Lifting cylinder

图4 举升缸主要参数设置Fig.4 Main parameter setting of lifting cylinder

（2）油泵模型的建立

图5 的模型中，油泵和电机相连，再接过滤器，然后，这个油路再并联一个溢流阀。设置的油泵和电机的参数分别如图6、图7 所示。

图5 油泵模型Fig.5 Oil pump model

图6 油泵参数设置Fig.6 Parameter setting of oil pump

图7 电机参数设置Fig.7 Motor parameter setting

3.3 各工况的仿真曲线

3.3.1 升缸的仿真曲线

在满载举升的工况下验证液压缸伸出的速度是否满足设计的要求。按照满负载举升工况下的试验参数，仿真出液压缸的速度、流量关系。

分别对图8—图10 的曲线进行分析。由流量曲线可以看出，在0～30 s 是130 L/min 的流量状态，在30～60 s 是中位停止状态，没有流量。在60～90 s 时间是下落状态，流量是-130 L/min；由位移时间曲线看出，在0～30 s 范围内举升缸是处于举升状态，在30～60 s 范围是处于中位停止状态，在60～90 s 范围是处于回落状态；而举升的速度与举升位移曲线相对应，先是处于上升的状态，速度是0.04 m/s，然后是处于30～60 s 处的中位停止状态，速度稳定为0。在30～60 s 是处于下落状态，速度也是0.04 m/s。以上数据都满足设计要求。

图8 满载举升工况流量曲线Fig.8 Flow curve under full load lifting condition

图9 满载举升工况速度曲线Fig.9 Speed curve under full load lifting condition

图10 满载举升工况位移曲线Fig.10 Displacement curve under full load lifting condition

3.3.2 倾斜缸的仿真曲线

在举升缸处于30～60 s 内，倾斜缸处于工作状态。倾斜缸的工作时间为30～60 s，在30～45 s是倾斜状态，在45～60 s 是恢复状态。在满载倾斜的工况来验证倾斜缸倾斜的速度是否满足设计的要求。按照满负载倾斜工况下的试验参数，仿真出倾斜缸的速度、流量关系。

分别对图11—图13 的曲线进行分析。流量曲线中，在0～30 s 是130 L/min 的流量状态；在30～60 s 是中位停止状态，流量为0；在60～90 s 是下落状态，流量是-130 L/min。而举升的速度与举升位移曲线相对应，先是处于上升的状态，速度是0.04 m/s；然后是处于30～60 s 的中位停止状态，速度稳定为0；在30～60 s 是下落状态，速度也是0.04 m/s。位移时间曲线中，在0～30 s举升缸处于举升状态，在30～60 s 是中位停止状态，在60～90 s 处于回落状态。以上数据都满足设计要求。

图11 满载倾斜工况流量曲线Fig.11 Flow curve under full load tilting condition

图12 满载倾斜工况速度曲线Fig.12 Speed curve under full load tilting condition

图13 满载倾斜工况位移曲线Fig.13 Displacement curve under full load tilting condition

4 结论

设计了叉车液压系统原理图并进行仿真建模，设计了双缸举升液压缸模型和油泵模型，提供了叉车液压系统仿真建模的一份流程和参考。用AMESim 软件仿真的结果和实际结果一致，说明使用仿真建模模拟液压系统举升和倾斜是可行的。

本文设计的叉车液压系统有些结构仍有待完善，今后还要对液压系统结构作进一步研究。