叉车起升系统设计思路的探讨

文 / 丁 亮

杭叉集团股份有限公司叉车门架研究所

叉车是一种工业搬运车辆，是对货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的轮式搬运车的总称，由动力系统、传动系统、起升系统等组成。其中，起升系统简称“门架”，是叉车的工作装置，承担叉取、堆垛货物的功能。

在叉车设计中，门架设计常常是被轻视的一个环节。本文根据实际设计工作中积累的经验，通过对比各种设计方案，探讨了门架的设计思路，分析各种方案的优势和缺点。

普通两级门架结构，如图1所示，主要由货叉架及货叉、外门架、内门架、起升油缸、链轮、链条等组成。

图1 普通两级门架的构造

一、门架的总体布局

门架整体方案设计初期，首先需要先分析叉车的种类，确定门架具体的设计要求。内燃叉车、电动叉车，以及电动仓储车辆使用场合和工况不同，对门架的设计要求也不尽相同。

1.槽钢的选型和排列布置

内、外门架是整个起升组件的骨架，主要依靠槽钢承受弯曲载荷。

槽钢一般以横向排列，依次从外向内。以两级门架为例，根据不同截面的槽钢，可以分为C+J、C+H，H+H三种组合方式，如图2所示。

图2 槽钢的排列布置

各种槽钢组合各有优点和缺点，根据不同叉车选择最合适的组合方式是关键。一般推荐C+J和C+H结构常用于内燃或者电动平衡重式叉车，H+H结构常用于仓储物流设备。各种槽钢排列的优劣对比，见表1。

表1 各种槽钢组排列布置的对比

2.起升油缸的布置和结构选择

（1）油缸在门架中的位置

门架起升原理是链轮和链条组成的动滑轮机构，依靠起升油缸顶升带动货叉上升。

方案设计中，如图3所示，油缸可以布置在门架槽钢后端、槽钢两侧和槽钢前端三处位置。根据不同的车型需要，选择最合理油缸的布局。

图3 油缸在门架中的位置

平衡重式叉车：门架两侧需要连接倾斜油缸，起升油缸只能在门架后端。油缸布置在门架后端，可以使门架结构更加紧凑，并且不减少内门架的视线空间，缺点是油缸顶升内门架时，内门架产生一个前翻的弯矩，门架额外增加一个负载。

仓储堆垛车辆：两侧没有倾斜油缸，起升油缸可以布置在门架左右两侧，活塞杆支撑在内门架两侧，使得内门架更加稳定，缺点是增加了门架横向宽度，减小门架的视线空间。起升油缸在门架前方，主要用于高位拣选车车辆。

（2）油缸类型的选择

门架下降依靠自重反推油缸排出液压油，因此选用单作用油缸。按结构不同，可以选择活塞式或者柱塞式。

活塞式油缸作用力面积为活塞。相同缸筒外径的情况下，活塞式油缸输出力远大于柱塞式油缸，所以一般常用载荷较大的平衡重式叉车门架。

柱塞式油缸作用力面积为活塞杆。由于仓储车辆载荷较小，油缸缸筒外径较细，选用柱塞式油缸，缸筒外径大于活塞式油缸，反而使得油缸有足够的稳定性。所以，柱塞式油缸常用于仓储车辆门架，增加油缸的稳定性，提高系统压力加快门架升降速度。

3.链轮和链条的结构布置

链轮和链条是配套零件，链轮的布置决定了链条的走向。常见两种布置方案，见图4。

图4 链轮和链条的结构布置

横向布置链轮（图4左图），结构紧凑，相关零件制造成本相对较低。纵向布置链轮（图4右图）外形轮廓相对较大，但门架内部空间充足，可以布置相对复杂的结构。

链条长度贯穿整个门架，在链条途径的位置都不能有任何阻挡的零件。纵向布置方案可以增加一个加强横梁，以此提高门架的刚性；横向布置方案，加强横梁位置被链条占用，高起升门架无法对中门架结构进行加强，这也是该方案的最大缺点。

两级门架由于结构特点，链轮只能纵向布置。三级门架的链轮，既可纵向布置，也可横向布置。基于两级门架结构限制于纵向布置，如三级门架采用不同布置方式，使得同系列的门架零件通用性较差，难以形成系列化的结构和零件，因此设计方案优先选择相同布置方式。

综合分析，链轮选择纵向布置方案，虽然成本相对较高，但是提高了零件通用化，但大批量生产后可以抵消成本较高的不利因素。目前的高起升门架均采用纵向布置，最高门架起升高度达到14m以上。

二、门架技术性能要求

1.前悬距尺寸

平衡重式叉车的特点，就是整个门架依靠下铰座铰接在驱动桥上，门架重心处于车轮中心之外，在叉去货物时，货物以前桥为轴心产生一个向前的倾翻力矩。货叉垂直段前表面至前桥中心的距离称为叉车前悬距。前悬距越小，叉车载重后产生的向前倾翻力矩也越小，叉车载荷能力就越大。缩短前悬距，同时也减小转弯半径，提高车辆的通过性能。

减小前悬距需要门架结构更为紧凑，主要可以从槽钢和油缸的布置两方面考虑。第一，由于内门架承受的载荷小于外门架，因此内门架槽钢载荷能力可以小于外门架（图5），相比传统的图1中C+J结构，图5中所示的C+J组合方式，内门架不凸出外门架，门架不会增加前悬尺寸。油缸布置门架两侧，腾出图1中原来的油缸位置，实现减小前悬尺寸的目的。

图5 槽钢布置的优化

2.门架静止高度、离地间隙

同一起升高度，门架静止高度越低，通过性能越好，可以在低矮的仓库内自由通行。如果在不平整的场地，需要提高门架的离地间隙，才能获得良好的通过性能。门架静止高度和离地高度是一对客观存在的矛盾。不考虑门架受力情况，直接降低门架静止高度，使得滚轮支撑槽钢的力臂减短，降低了门架承受弯曲的能力。因此，需要根据车辆设计的载荷能力，对这一矛盾做一个取舍，两者取一个优先考虑。比如，越野型叉车为了适应野外的工况，设计上优先选择高离地间隙；室内电动叉车需要在仓库内通行，而且仓库地面相对平整，设计上优先考虑离地间隙的要求。

3.满载状态的最大起升高度

满载最大起升高度与叉车重心有关，但门架刚性也是非常重要的影响因素。车辆载重后，门架承受纵向弯曲载荷，而且地面不平整和货物偏载时也承受横向载荷。当门架高起升后槽钢发生弯曲变形，门架载核中心偏离原来的位置，增加了叉车的倾翻力矩，减小整机的承载能力。在提高门架刚性以外，槽钢与滚轮配合存在间隙，滚轮间隙也增加了内外门架这间扰度，因此，滚轮配合间隙也是至关重要的因素，一般要求控制0.6mm以内。

4.最大起升速度

常规叉车液压系统提供的最大工作压力在18Mpa左右，随着液压技术发展，如今叉车液压系统的最大压力能达到25Mpa，高压系统可能减小门架起升油缸直径，提高门架的起升速度，提高叉车工作能效等级。门架依靠自重的反作用力下降，油缸减小后，增加了下降的工作压力，也加快门架下降的速度。因此，在设计新能源叉车门架时，门架必须能适应高压系统的要求。

三、人机工程学方面

1.舒适性

全自由门架油缸的起升顺序：先起升中间油缸到顶后，再起升左右油缸。设计上，按照经验估算油缸面积的比值，中间油缸工作压力小于左右起升油缸，在同一液压系统中，工作压力小的中间油缸才会先起升。由于存在压力差，两组油缸起升切换过程时，液压系统的压力波动给门架带来一个较大的冲击，影响驾驶员的乘驾舒适性。

两级全自由门架为例，中间油缸顶升货叉架和货叉，左右油缸多顶升一级内门架，在方案设计中必须详细计算各个组件的自重，尽量减小压力差值，一般不超过2MPa。在保证门架的起升顺序情况下，尽量减小压力差值，使油缸切换更加平稳，提高驾驶舒适性。

2.外观整洁、美观

安装多联属具油路后，是影响门架整洁、美观主要因素，凌乱的油路也阻挡了驾驶员的视线。两级宽视野门架由于本身视线非常开阔，安装油路后几乎不影响操作视线。三级全自由门架增加了中门架和中间油缸，本身操作视线不佳，安装属具油路后对门架视线影响非常大。

特别是中间油缸上的必须绕过多组油管，直接挡住驾驶和操作视线。因此，需要根据不同的门架选择布置方案，当门架内横向空间不足时（图6左图），油路滑轮组件缠绕在链轮座上端，在中间油缸两侧还能保留足够的空间。当门架内高度空间不足，横向宽度充足时（图6右图），油路缠绕在链轮座两侧，不遮挡链轮座以上的空间，使门架仍然能保持一个相对较好的驾驶视线。

图6 中间油缸上的油管

四、安全性

安全性不仅指门架结构的安全，还有驾驶员的操作视线，包括车辆行走时的视线和堆垛货物时的视线。设计中，通过优化槽钢、油缸的布置，提高操作视线。比如，一般情况外门架越宽视线越好，但在实际中，门架槽钢同小轿车的AB柱阻挡着视线，总有一些位置处于视线盲区，必须结合叉车的整体设计，选择合理的外门架宽度，并不是外门架越宽越好。

良好的视野，为叉车作业者提高良好的工作环境，既能提高效率，同时确保驾驶员安全。人性化的设计，能够使驾驶员保持良好的心情，减少操作失误。

五、结束语

本文探讨了叉车门架设计中经验总结，分析门架布局中各种方案的优势和劣势，例举门架设计的主要技术要求以及对整机性能影响，介绍人机工程方面的设计要求。通过优化起升系统的设计，为叉车的载荷大、起升高、操作舒适提供配套技术支持。