叉車升降機構設計（太原）

叉車升降機構設計（太原）,叉車,升降,機構,設計,太原 目 錄 1 緒論 2 1.1 選題的目的、意義及研究方向 2 1.2 叉車的研究現狀及分析 3 1.2.1 我國叉車行業(yè)發(fā)展歷程及現狀 3 1.2.2 國內外市場分析 3 1.3 現代叉車技術發(fā)展趨勢 4 1.3.1 產品的系列化與多樣化 4 1.3.2 綠色化推動叉車動力技術的發(fā)展 4 1.4 本課題主要內容 5 2 液壓叉車提升機構設計總述 6 2.1 部件簡介及設計要求 6 2.1.1 門架 6 2.1.2 貨叉 7 2.1.3 鏈條鏈輪 7 2.1.4液壓系統(tǒng) 8 2.2各部件的運動與安裝關系 8 3 貨叉的設計計算 10 3.1 貨叉基本參數和尺寸的確定 10 3.2 貨叉的計算簡圖 10 3.3 貨叉的強度驗算 11 3.4 貨叉的剛度校核 13 3.5 貨叉掛鉤形式的確定 14 3.6 貨叉與掛鉤焊接強度驗算 14 4 叉架的設計計算 17 4.1 叉架 17 4.2 鏈條及鏈條滑輪組的選取 19 5 液壓叉車門架的設計計算 20 5.1 門架系統(tǒng)的構造原理 20 5.2 門架的強度計算 21 5.3 計算滾輪壓力 23 I 5.4 門架立柱截面幾何性質 23 5.5 內門架強度計算 24 5.6 外門架強度計算 27 5.7 門架剛度計算 28 5.8 小結 29 6 滾輪組件的安裝及計 33 6.1 內門架與外門架滾輪的設計 33 7 起升液壓系統(tǒng)設計 37 7.1 液壓系統(tǒng)簡介 37 7.2 設計方案 38 7.3 原理圖 38 7.4 油泵選擇計算 39 7.4.1 確定各參數 39 7.4.2 液壓泵站及液壓泵的規(guī)格及選用 39 7.4.3 油泵功率及電機選擇 39 7.5 壓力損失的計算 41 7.6 節(jié)流閥的選擇 43 7.6.1 節(jié)流閥的結構 43 7.6.2 節(jié)流閥能通過的流量 43 7.6.3 壓力 44 7.6.4 節(jié)流孔兩端的壓力差 44 7.6.5 節(jié)流口通流面積 44 7.6.6 節(jié)流的直徑 44 8 傾斜機構設計 46 8.1傾斜機構簡介 47 8.2 傾斜機構設計工況 47 8.3 傾斜油缸的布置方案 47 8.4 傾斜機構設計 47 總 結 53 參考文獻 54 致 謝 55 誠信聲明 本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。 本人簽名： 年 月 日 叉車升降機構設計 摘 要: 叉車具有裝卸和搬運功能，機動靈活，能適應多變的裝卸搬運要求，普遍適用于港口、車站、貨場、車間、倉庫、油田及機場等處，還可以進入船艙和集裝箱內進行裝卸作業(yè)，還廣泛應用于軍事部門和特殊防爆部門，有的車輛可無人駕駛，到人員不斷接近的地方工作適用于柔性加工系統(tǒng)，隨著物流技術的不斷發(fā)展和工業(yè)化水平的提高，叉車使用范圍將日益擴大，成為一種產量與品種很多的裝卸搬運機械。 通過對國際國內叉車造型設計的現狀分析運用工業(yè)設計的理論和方法，研究了叉車造型設計的要素及設計原則：造型要求簡潔明快、線條流暢，以體現車身的力度感與堅實穩(wěn)重的感；色彩．力求單純，給人以輕松、愉悅的感覺，主色調以明度較高的黃 色、橙色為宜；車身前后左右要求有寬大的玻璃，儀表具有良好的可讀性。研究結果對叉車設計具有重要的實際指導意義。 關鍵詞:叉車，門架，提升機構 Forklift lifting mechanism design ABSTRACT： Forklifts can do handing works,and can flexibility to adapt to changing of handing requirements and generally applicable to ports,railway stations，freight yard,workshops,warehouses,oil fields and the airport and places,and forklifts could still enter the cabin and container handing operations within.Forklifts are alseo widely used in military and special explosion—proof sector,some vehicles will be unmanned,that officers should hot work in places close to or for Flexible Manufacturing Systerm，as the logistics and technological development and the enhancement of the level of industrialization,the use of fork lifts will be expanding ,and it will become a yield varieties with a lot of material handing machinery. Based on the analysis of current status of international and domestic forklift truck form design the key elements and design principles in forklift truck form design was researched using industriM design theory and methodology；the color strives simplicity to make people feel pleasant and light — mainly usingtones ofyeHow and orange；there shouldbe big ass atthefrontand back oftrucks；thein— struments should be easy to read．The research results provided practical reference for forklift truck design． Keywords： fork truck， mast，lifting mechanism 太原工業(yè)學院畢業(yè)設計 1 緒論 1.1 選題的目的、意義及研究方向 叉車是工業(yè)搬運車輛，是指對成件托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業(yè)的各種輪式搬運車輛。叉車的機體緊湊，軸距較短，轉向靈活，能在狹窄的場地和通道內作業(yè)，能通過比較低矮的倉門；貨物的升降采用液壓操縱，使得操作簡單，動作平穩(wěn)；在采用貨叉搬運成件貨物時自身具有裝卸功能，無需要輔助人員。因此叉車非常廣泛地應用于車間、倉庫、港口、車站等場所，進行裝卸、堆垛、拆垛和極短距離的搬運。叉車對于實現裝卸搬運作業(yè)的機械化，提高勞動生產率非常重要，是現代工業(yè)生產的重要設備。中國叉車工業(yè)，自１９５８年大連叉車總廠生產了第一臺仿蘇叉車后，叉車的生產已經歷４０余載，曾經生產過叉車的企業(yè)約１００多家，目前生產的叉車起重量在０．５～４５噸之間，產品品種達１０００余種。我國叉車生產企業(yè)大多品種較少，而且技術水平低，就是行業(yè)排頭兵安叉集團的品種規(guī)格與先進國家相比，也仍存在差距，大噸位集裝箱叉車才開始試生產，無人自動導向車正在研制，很多具有高新技術及特種叉車尚不能生產。 叉車升降機構就是叉車工作的核心部件，也就是叉車的工作裝置，是它實現了對貨物進行叉取、升降、碼垛等作業(yè)。升降機構的形式和尺寸決定了叉車所能完成工作的效果。太大，則不能實現靈活，節(jié)能的目的；太小，則不能完成對大件物體的搬運。所以對于升降機構的設計至關重要。 所以叉車升降機構的設計決定了叉車的使用性能的好壞，合理的設計不但能夠解決現存的問題，而且能夠節(jié)省資源，達到最大的使用效果。 通過本次設計我努力做到把我所學的專業(yè)知識得到充分利用，使得自己在思維和能力上得到雙豐收，同時使叉車設計更加人性化、合理化、安全化，對機械制造和設計方面得到更多了解。 1.2 叉車的研究現狀及分析 1.2.1 我國叉車行業(yè)發(fā)展歷程及現狀 我國叉車工業(yè)起步于20世紀50年代末，當時主要仿制前蘇聯產品。從70年代后到80年代中期，全行業(yè)先后組織了2次聯合設計，各叉車生產廠紛紛引進國外先進技術，如北京叉車總廠引進日本三菱1～５t內燃平衡重叉車技術，大連叉車總廠引進日本三菱10～40t內燃平衡重叉車和集裝箱叉車技術，天津叉車總廠引進保加利亞巴爾干車輛公司1.25～6.3t內燃叉車技術，杭州叉車總廠引進西德O&K公司靜壓傳動叉車、越野叉車和電動叉車技術，合肥叉車總廠、寶雞叉車公司引進日本TCM株式會社1～10t叉車技術，湖南叉車公司引進英國普勒班機械公司內燃防爆裝置技術。自90年代開始，一些骨干企業(yè)在消化吸收引進技術的基礎上積極對產品進行更新和系列化， 因此目前國產叉車的技術水平參差不齊。其中，電動叉車因受基礎技術落后的制約，整體水平與世界先進水平差距很大，每年仍要進口價值近2億美元的叉車產品。 中國叉車能否逐鹿國際市場，并在與世界強手的競爭中立于不敗之地，將依賴于叉車整體技術水平的提高，特別是電動叉車技術的飛速發(fā)展。 1.2.2 國內外市場分析 全球約有250家叉車生產企業(yè)，年生產量保持在50萬臺左右。由于競爭的加劇，同20世紀80年代比，世界叉車工業(yè)出現了銷售額增長而利潤減少的反?，F象。一方面，為降低成本，叉車巨頭紛紛在發(fā)展中國家建廠。例如，在中國建有廈門林德、安徽TCM、北京漢拿、湖南德士達、煙臺大宇重工、上海海斯特等。這些公司把具有世界20世紀90年代中期先進的產品和技術帶到國內，促進了我國叉車技術的快速發(fā)展，同時對國內市場也造成了很大的沖擊。另一方面，隨著市場經濟的發(fā)展，物流技術在經濟發(fā)展中的地位與作用越來越明顯，叉車普及率越來越高，已從過去單一的港口碼頭進入到國民經濟的各行各業(yè)。 目前我國叉車的保有量約18萬臺，實際年潛在需求量約10萬臺，而實際年銷售量僅3萬臺左右，可見中國的叉車市場是巨大的。隨著人們對環(huán)境污染危害的深刻認識，環(huán)保已成為世界共同關注的焦點，因此，環(huán)保型叉車將成為市場主流；其次，自動倉儲系統(tǒng)、大型超市的紛紛建立，刺激了對室內搬運機械需求的增長，高性能電動叉車、前移式叉車、窄巷道叉車等各類倉儲機械迅速發(fā)展是未來叉車市場的又一特征；另外，全球經濟一體化必將帶來全球工業(yè)的國際化，使得各國間及國內貿易大幅上升。有資料表明全世界集裝箱吞吐量每年以30%左右的速度遞增。貿易的增加將推動現代集裝箱搬運與堆垛設備的高速發(fā)展。 1.3 現代叉車技術發(fā)展趨勢 1.3.1 產品的系列化與多樣化 根據美國工業(yè)車輛協(xié)會的分類法，叉車分(1、2、3、4、5、6和7)7大類，分別為電動乘駕式叉車、電動窄巷道叉車、電動托盤搬運車、內燃平衡重式實心胎叉車、內燃平衡重式充氣胎叉車、電動與內燃乘駕式拖車和越野叉車。1999年7月，美國《現代物料搬運》雜志評出世界20強叉車公司，其中排在前10位的公司是：Linde，Toyota，Nacco，Jungheinrich，BT Industries，Mitsubshi / Caterpillar，Crown，Komatsu，Nissan，TCM。另外產品品種和系列也非常齊全，如德國Linde公司有柴油、液化石油氣、電動平衡重叉車，前移式叉車，堆垛車，揀選車，側面式叉車，電動牽引車等近110種；而我國最大的叉車制造企業(yè)安徽叉車集團生產1～16 t 15個級別80種機型400多個品種的叉車。各叉車公司皆以產品種類、系列的多樣化去充分適應不同用戶、不同工作對象和不同工作環(huán)境的需要，并不斷推出新結構、新車型，以多品種小批量滿足用戶的個性化要求。 1.3.2 綠色化推動叉車動力技術的發(fā)展 叉車分內燃叉車和電動叉車。內燃叉車以發(fā)動機為動力，功率強勁，使用范圍廣，缺點是排氣和噪聲污染環(huán)境，有害人類健康。環(huán)保要求推動了動力技術的更新：TCM于20世紀70年代更新了3.5～８t柴油叉車，將預熱燃燒室改為直噴式，省油17％～20％；80年代初Perkins發(fā)動機推出扁唇式燃燒系柴油機，省油7％～８％；８０年代中期德國Deute公司開發(fā)出F913Ｇ型叉車專用柴油機，省油60%，降噪6 dB，而瑞典推出柴油機蓄電池混合動力叉車；90年代液化石油氣(LPG)叉車、壓縮天然氣(CNG)叉車、丙烷叉車等低公害叉車面市，且發(fā)展勢頭強勁。 電動叉車具有能量轉換效率高、無廢氣排放、噪聲小等突出優(yōu)點，是室內物料搬運的首選工具，但其受蓄電池容量限制，功率小，作業(yè)時間短。目前國內外均在不斷改進鉛酸蓄電池技術，通過提高材料純度等使其在復充電次數、容量和電效率方面有了很大提高。由于技術的進步，電動叉車現已突破只能用于小噸位作業(yè)的局限性。目前國際上電動叉車的產量已占叉車總量的40%(國內為10%～15％)，在德國、意大利等一些西歐國家電動叉車比例高達65%。 1.4 本課題主要內容 （1）掌握叉車的升降系統(tǒng)結構并進行設計，繪制其結構簡圖和原理簡圖。 （2）叉車升降機構主要性能參數（跨度、軌距、額定起重量、最大起重量、總起重量、有效起重量） （3）升降結構的主要零部件的材料、制造及熱處理工藝，了解升降機構的主要失效形式，并對關鍵零部件分析。 2 液壓叉車提升機構設計總述 以1.8T內燃叉車為樣板進行分析與設計： 內燃叉車的主要組成部分： (1) 發(fā)動機：它是叉車的動力裝置，是將熱能轉換為機械能的機械。發(fā)動機產生的動力由曲軸輸出，并通過傳動裝置驅動叉車行駛或驅動液壓泵工作，完成叉取、堆碼貨物等作業(yè)。 (2) 傳動裝置：包括離合器、變速器、主傳動器、差速器、半軸等部分。傳動裝置的作用是將發(fā)動機輸出的動力傳遞給液壓泵和驅動車輪，實現叉車的升降，傾斜和行駛。 (3) 操縱裝置：包括轉向機構和制動系統(tǒng)兩部分?；咀饔檬歉淖儾孳嚨男惺狗较?，降低運行速度或迅速停車，以保證裝卸作業(yè)的安全需要。 (4) 工作裝置：包括內外門架、叉架、貨叉、提升鏈條、滾輪、滑輪、擋貨架等部分。其作用是用來叉取、升降或堆碼貨物。 (5) 液壓系統(tǒng)：包括油箱、液壓泵、分配器、提升液壓缸、傾斜液壓缸。用以實現貨物的升降、傾斜等動作。 (6) 電氣系統(tǒng)：包括電源部分和用電部分。主要有蓄電池、發(fā)電機、起動電動機、點火裝置、照明裝置和喇叭等。 如設計題目，本設計只分析了工作裝置及液壓系統(tǒng)兩部分，如圖2.1： 圖2.1 叉車升降機的工作裝置及液壓系統(tǒng) 2.1 部件簡介及設計要求 2.1.1 門架 門架是叉車工作裝置的重要組成部分，負責貨物的起升及相應的裝卸、堆垛動作，最常見的叉車門架是由內、外兩節(jié)組成。內外門架各有兩根立柱，立柱是門架承載的主要構件，也是叉架(或內門架)作升降運動的導軌。左右立柱之間連以橫梁，構成“”形框架。外門架的立柱多數為槽形截面，內門架立柱的截面型式較多，有槽形、工字形和其他異形形狀。立柱截面的周邊都不封閉，桿件的長度遠大于截面的高度和厚度，因此，它們屬于力學上的開口薄壁桿范疇。 加工要求：門架布置在車的前方，在前軸前邊，內、外門架和叉架都是用型鋼焊成的平面框架，它們與起升油缸和鏈滑輪組和重量占了工作裝置總重的絕大部分，是影響叉車抵抗向前翻倒的能力的不利因素。 設計要點：一是在保證工作裝置正常工作前提下，要盡可能地將其布置得靠近前軸；二是為保證司機視野，叉車無載行駛下，司機能看見貨叉叉尖，且在貨叉由地面升起至頂端的整個過程中，司機都能很好地觀察貨叉上貨物的情況。 門架部分參數見下表2.1： 表2.1 門架參數 額定起重量 kg 2000 載荷中心距 mm 500 尺 寸 最大貨叉高度 mm 3000 貨叉架 ISO標準型 Ⅱ級 貨叉厚度 T mm 40 貨叉寬度 W mm 120 貨叉長度 L mm 1000 貨叉間距范圍 最小～最大 mm 200～920 門架前后傾角 前傾/后傾 6°/10° 速 度 最大行駛速度（無載） km/h 11 起升速度（滿載） mm/s 220 2.1.2 貨叉 （1）貨叉的構造 貨叉是叉車的最基本和最通用的取物裝置，貨叉裝在叉架上。它的外形是一個L形桿件，分為水平段和垂直段兩部分。在叉車叉取貨物時，貨叉的水平段用來插入貨物或托盤的底部，叉起后，用來承載貨物。因此，貨車水平段的上表面必須水平，并且貨叉前端逐漸變窄，叉尖兩側帶有圓弧，這樣有利于是貨叉插入貨物底部，叉取貨物，貨叉的垂直段用來與叉架連接。 （2）叉架 叉架又名滑架，它的作用是安裝貨叉或其他的工具屬具，并帶動貨物一起升降。 根據叉架在門架系統(tǒng)中的相關位置，貨物的重量靠叉架傳給起重鏈條，貨物重量產生的力矩通過叉架傳給門架，鏈條帶動叉架升降時，叉架要可靠地沿著門架導軌運動。 2.1.3 鏈條鏈輪 叉車采用鏈條作為撓性件。常見的有套筒滾子鏈和片式鏈。由于片式鏈的承載能力較強，因此采用片式鏈比較普遍。鏈條通常有兩個一端固定在叉架上，另一端固定在外門架橫梁上或起升液壓缸上部。鏈條不動的部分可以用桿來代替。鏈條的一端裝有調節(jié)螺栓和螺母，用來調整長度，以便均衡載荷。鏈輪位于內門架上橫梁或浮動橫梁的兩側。鏈輪在這里起的不是傳動作用，而是滑輪的作用，所以是不帶齒的。 2.1.4液壓系統(tǒng) （1）液壓系統(tǒng)有5個液壓缸組成，分別為兩個起升液壓缸，剛性連接以保證同步；兩個傾斜液壓缸，同樣剛性連接以保證同步；一個轉向液壓缸控制叉車后輪轉向。 （2）叉車轉向由司機操作方向盤使油液經轉向器再進入轉向缸，控制叉車后輪轉向；轉向器是一個隨動原件，他能根據方向盤的輸入角度的大小經過反饋元件對車輪轉角進行自動控制。 （3）升降缸為柱塞缸，其用來控制貨物的升降。傾斜缸用來控制叉車門架的前傾和后傾。 2.2各部件的運動與安裝關系 貨叉掛在叉架橫梁上，叉架以起升油缸為動力，受鏈條的牽引，并以其縱、側向滾輪為“車輪”，以內門架為“活動導軌”作升降運動；內門架則受起升液壓缸的頂推，也以其縱、側向滾輪為“車輪”，以外門架2為“固定導軌”而升降；外門架的下鉸坐鉸接在車架上，中部靠兩個并列的傾斜液壓缸來實現整個門架系統(tǒng)的前、后傾動作。起升液壓缸分成兩個，下端以半球面支承在外門架后側，中部受外門架“扶持”，上端頂在一個浮動橫梁上，自由提升結束后即與內門架上橫梁重疊。起升鏈條的一端固定在起升液壓缸筒上（相當于固定在外門架上），中部繞過固定在浮動橫梁上的鏈輪后，另一端掛住叉架。 3 貨叉的設計計算 3.1 貨叉基本參數和尺寸的確定 貨叉的主要尺寸有貨叉水平段長度；貨叉垂直段高度；貨叉斷面尺寸(為貨叉厚度，為貨叉寬度等) 8 太原工業(yè)學院畢業(yè)設計 圖3.1 貨叉的結構和尺寸 貨叉尺寸主要取決于起重量Q、載荷中心距c，根據選題，已知起重量Q=2.0 T，查文獻知貨叉的基本參數和尺寸為： 表3.1 叉車的基本參數和尺寸 載荷中心距離 貨叉長度 貨叉垂直高度 貨叉斷面尺寸 貨叉兩鉸支點中心距 貨叉外伸距 據《機械設計手冊》選擇材料為40Cr鋼，熱處理工藝選用調質處理40Cr鋼屈服強度。 3.2 貨叉的計算簡圖 按照貨叉和叉架的聯接形式，上支承可簡化為活動鉸支座。按照這種簡化，貨叉可看作一次超靜定剛架。同時考慮到掛鉤型貨叉上部的掛鉤處有安裝間隙，并非絕對不能轉動，故貨叉又可簡化為支承在兩個鉸接支座上的靜定剛架。 圖3.2 一次超靜定剛架計算簡圖 圖3.3 靜定剛架計算簡圖 這兩種計算簡圖，在載荷P力作用下，貨叉的危險截面均在支座以下的垂直段，其應力狀態(tài)相同，強度相等。但貨叉垂直段的受力情況不同，導致變形不同。按靜定鋼架計算時，變形量稍大， 偏于安全， 故貨叉的強度和剛度均按靜定剛架進行計算。 3.3 貨叉的強度驗算 （a） 計算簡圖 (b) 彎矩圖 (c) 拉力圖 圖3.4 貨叉強度計算簡圖 從貨叉所受的集中載荷P力作用的內力圖(圖3.4)來看, 水平段受彎矩和剪力, 垂直段受彎矩和拉力, 危險截面支座在垂直段下部靠近轉彎處，其最大應力為： (式3-1） 式中 P——貨叉的計算載荷，； C——載荷中心距，； W——抗彎截面模量，； F——危險截面面積，； ——許用應力，，n為安全系數。 3.3.1計算載荷P的確定 （式3-2） 式中 Q—叉車額定起重量，Q=2000KG=19600N K1—動載荷系數，取K1=1.2； K2—偏載荷系數，取K2=1.3. 由此得出 3.3.2 安全系數n的確定 安全系數的選取, 與貨叉的計算載荷大小、動載荷系數和偏載荷系數的選取密切相關。如果計算載荷比較準確, 安全系數可以取較小數值。否則，安全系數應取較大數值。 強度計算時，安全系數應滿足以下條件 其中 n—強度安全系數；—材料屈服極限；—危險截面處應力（即最大正應力）； 此次設計選擇安全系數為n=3。 3.3.3 計算最大正應力 ， （式3-3） 3.3.4 強度驗算 把數據代入式3-1, 得出 因為,所以貨叉滿足強度條件。 3.4 貨叉的剛度校核 貨叉剛度計算的目的，是確定貨叉水平段在靜載荷作用下的變形，通常已叉尖或載荷中心處的垂直靜撓度作為計算值。撓度越小，貨叉的剛度越大。 進行貨叉的剛度計算時，不考慮貨叉偏載和動荷系數，通常校核叉尖處的靜撓度，把貨叉在工作時的正常載荷作為計算載荷（）, 按等截面靜定剛架來計算又尖處的撓度，計算方法用彎矩圖乘法（圖3.5）。 （a）計算圖 （b）外載荷作用下彎矩圖（MP） （c）單位力作用下彎矩圖 圖3.5 貨叉剛度計算圖 由此可得叉尖的撓度 （式3-4） 式中 J——貨叉的截面慣性矩； ——貨叉的彈性模量，； ——叉尖允許撓度. 代人數據, 得出 叉尖的許用撓度為 由于,所以貨叉滿足剛度條件。 3.5 貨叉掛鉤形式的確定 叉車貨叉上的掛鉤與貨叉的聯接形式, 通常有整體式和非整體式兩種。非整體形式的聯接方法, 又有焊接和螺栓聯接等形式。由于焊接形式貨叉制造容易, 安裝拆卸方便, 所以, 貨叉與掛鉤的聯接多采用非整體的焊接形式。 3.6 貨叉與掛鉤焊接強度驗算 掛鉤尺寸根據ISO2328-77標準規(guī)定，z=17.5mm，M=31mm，s=50mm，K=H=5mm，b=120mm，G=36mm（圖3.6）。 圖3.6 掛鉤尺寸與焊接強度驗算 掛鉤的水平段受彎矩和拉力, 垂直段受彎矩。根據起重機焊接強度的計算規(guī)范, 由拉伸應力和剪切應力所組成的復合應力, 按等效應力來進行計算, 其計算公式為 （式3-6） 式中 ——掛鉤所受的水平力, N； ——焊縫總長度，cm； ——所受垂直力，N。 代入數據, 得出 則 貨叉與掛鉤焊接的焊條選用TB13-2, 焊條的抗拉強度,焊條的許用應力 由于 所以，貨叉與掛鉤滿足焊接強度條件。 4 叉架的設計計算 4.1 叉架 叉架又名滑架，它的作用是安裝貨叉或其他工作屬具，并帶動貨物一起升降。下圖是最常見的焊接插架構造圖。貨叉1對稱的裝在上橫梁2上，貨叉間的距離可以調整，以適應貨物體積大小的需要，貨叉在叉架上的位置有定位器7固定。上橫梁2和下橫梁3通過兩塊豎版與滾輪架4焊成一體。在滾輪架的兩個外側，裝有滾輪5和側向滾輪6.滾輪沿內門架的邊沿滾動。當叉架由于貨叉偏載，或在其他側向力作用下引起歪斜是，側向滾輪就參加工作，將側向力傳給內門架的腹板，保證叉架平穩(wěn)的升降。 圖4.1 叉架的構造 4.1.1 叉架的計算 Q是叉車額定起重量，e表示或差的偏載距離，P是每個貨叉的最大工作載荷，是貨叉作用在叉架上的水平力，是叉架滾輪所受的力，是由于叉架偏斜時側向滾輪所受的力，S是重鏈條的拉力。受力簡圖如圖4-2： 叉架上橫梁靠近懸臂根部截面是危險截面，危險截面上A點和B點事應力最大的點，如圖4.3： 圖4.3 （a）叉架計算簡圖 圖4.2 叉架受力簡圖 （b）x方向上彎矩正應力 （c）y方向上彎矩正應力 如圖4.3所示，叉架上橫梁靠近懸臂根部截面是危險截面，危險截面上A點和B點事應力最大的點。 作用在垂直面內的彎矩 作用在水平面內的彎矩 ,為載荷中心距，為貨叉厚度，為橫梁厚度 截面扭矩 A點的應力： （式4-1） 式中 ______對x軸的抗彎截面模量 ______對y軸的抗彎截面模量 取 h=120mm、f=400mm、L=200mm，b=40mm代入式4-1中，得： 所以，叉架滿足設計要求。 4.2 鏈條及鏈條滑輪組的選取 4.2.1 鏈條及滑輪組 叉車采用鏈條作為撓性件。常見的有套筒滾子鏈和片式鏈。由于片式鏈的承載能力較強，因此采用片式鏈比較普遍。鏈條通常有兩個一端固定在叉架上，另一端固定在外門架橫梁上或起升液壓缸上部。鏈條不動的部分可以用桿來代替。鏈條的一端裝有調節(jié)螺栓和螺母，用來調整長度，以便均衡載荷。鏈輪位于內門架上橫梁或浮動橫梁的兩側。鏈輪在這里起的不是傳動作用，而是滑輪的作用，所以是不帶齒的。 鏈條導向滑輪組的作用是支承鏈條，并改變鏈條的走向。因為叉車不需要通過鏈輪輸出扭矩或傳遞運動，故采用構造簡單的光面滑輪就能滿足要求，不必使用齒形鏈輪。 其結構簡圖如圖4.4所示： b=36mm M=20mm D=90mm C=108mm d=64mm H=142mm 圖4.4 鏈條滑輪組結構簡圖 d1=100mm d2=25m d3=8.3mm 5 液壓叉車門架的設計計算 5.1 門架系統(tǒng)的構造原理 21 內、外門架是各自分別有左右兩根立柱，通過上中下不同數量的橫梁連接而成的門式框架。立柱既是門架承載的主要構件，又是叉架或內門架作升降運動的導軌。立柱截面有槽形，工字形和其他異形形狀，材料多為低合金鋼。左右兩立柱通過二到三根橫梁連接，構成框架結構，然后嵌套在一起，依靠裝在內外門架上的滾輪，使內外門架沿著外門架立柱滾動。當使用不同形狀截面的型鋼做門架立柱時，會有多種內外門架立柱的并列組合。本次設計采用CL型內外門架的框形結構。其結構簡圖如圖5-1。 圖5.1 叉車門架結構 1——外門架 ； 2——外門架下部支座 ； 3——傾斜油缸活塞桿連接板； 4——導向支承滾輪； 5——門架上部側向滾輪； 6——外門架上橫梁； 7——內門架； 8——導向螺栓； 9——門架下部滾輪； 10——門架下部側向 外門架立柱是槽型截面，左右立柱的上、中、下連有三根橫梁，使門架成為外形封閉的超靜定框架，立柱下端是與前橋鉸接的部分軸瓦。外門架上橫梁的立柱端部裝有縱向主滾輪和側向滾輪，中橫梁上的板與傾斜的液壓缸的活塞桿連接，下橫梁部分軸瓦的內側有起升液壓缸的支座。另外要注意門外門架的上中下橫梁的安裝位置，不能相互之間發(fā)生干涉作用，影響門架的運動。滾輪的布置有固定間距式和可變間距式。本次設計采用固定間距式。 起升限位，為了防止起升到最大高度時叉架沖出，通常在門架上橫梁處設置擋塊作為起升限位裝置，對應叉架上的相應部位。 自由提升是指在內門架頂端不伸出外門架頂端時，也就是叉車的最低結構高度不增加的情況下，貨叉提升，其水平段上表面距離地面的最大高度。自由提升要靠門架構造來實現，具有自由提升的門架裝置，能改善叉車運行的通過性，還能在低矮的倉庫、船艙內作業(yè)。 升降系統(tǒng)運動過程上個不同階段。第一階段為自由起升，該過程起升液壓缸活塞生出，通過鏈輪、鏈條帶動叉架、貨叉上升，內門架不動；第二階段為同步運行，即內門架被起升液壓缸活塞推動，以相同的速度起升；第三階段為趕超階段，即當叉架運行到內門架的上橫梁或限位塊，但貨叉還未達到最大起升高度，內門架滾輪也為到達外門架的上限位置，這時液壓缸繼續(xù)升起，鏈條帶動叉架，叉架通過內門架的限位塊使其一同上升。因該階段內門架的速度等于活塞速度的兩倍，運動中內門架與活塞頂端之間又逐漸恢復開始起升時相距的高度，當貨叉達到最大起升高度，整個階段結束，起升過程完成。 5.2 門架的強度計算 本設計選擇門架材料為16Mn，其剪切彈性模量為:G=8.4×105Kg/cm2，彈性模量為：E=2.1×106Kg/cm2。 抗拉、抗壓， 抗剪， 屈服點。 叉車起升的貨物重量和叉架、貨叉自重都是通過叉架滾輪和門架滾輪以集中力的形式作用在門架上的。當叉車滿載、貨叉起升到最大高度、門架前傾最大角度時，門架受力最大。在與門架垂直的平面內，取叉架為自由體，即可求出內門架對又架滾輪的反壓力Pl、P2。 其計算簡圖如圖5.2 圖5.2 受力及分析簡圖 (a) 門架受力情況 (b) 叉架受力情況 (c) 內門架受力圖 (d) 內門架立柱彎矩圖 (e) 外門架受力圖 (f) 外門架立柱彎矩圖 式中 Q——額定起重量； G1——貨叉和叉架的自重； 太原工業(yè)學院畢業(yè)設計 S——鏈條總拉力； ——門架最大前傾角度； K——動力載荷系數，K=K1（動載荷系數）×K2（偏載荷系數）。 其中Q=2000 Kg、 、G1=250Kg、、、、、、。 代入上式得到 由上可得出，鏈條拉力S對滾輪中心產生的力矩，有助于減小滾輪壓力，從而減小門架所受的載荷。在一般情況下，鏈條拉力產生的力矩數值上可達貨物重量力矩的1/10～1/7。因此在設計叉架時，盡量增大。 5.3 計算滾輪壓力 內門架承受有叉架滾輪和門架滾輪作用的集中力，門架自重的影響很小，可不計。門架滾輪所作用的力 和 ,按下式計算： 其中： 代入上式，得： ，。 5.4 門架立柱截面幾何性質 22 圖 5.3 門架立柱截面幾何性質 (a) 立柱截面簡圖 (b) 扇形坐標 此次設計起重量為2000Kg， 根據《機械課程設計手冊》選擇槽鋼型號為16a，其相應截面尺寸分別為：h=15.2cm、 t1=1.4cm、 t2=1.8cm、 b=5.2cm, 各參數值見表5-1。 表5.1 門架立柱截面尺寸參數表 名稱 符號 單位 數值 截面面積 F cm2 32.44 形心 X0 cm 1.19 彎曲中心 XA cm 1.88 截面慣性矩 Jx cm4 1490.98 Jy cm4 109.53 截面抗彎模量 Wx cm3 175.41 Wy cm3 27.31 純抗扭慣性矩 JK cm4 39.42 扇性慣性矩 cm6 4445.07 5.5 內門架強度計算 將內門架按一端鉸支、一端自由的薄壁桿來計算。在垂直于門架的平面內，由 24 于滾輪的集中作用，計算門架立柱中產生的最大彎矩。 門架前傾最大角度時，滾輪最大壓力比門架直立時大約增加10%，但同時鏈條拉力產生的力矩能使壓力減小1/7~1/10,為使計算簡化，將其忽略，按門架直立、內門架全升，貨架滿載起升到頂，載荷對稱作用考慮。 在垂直門架的平面內，滾輪作用在內門架上的力可以轉化為一個通過截面彎曲中心的集中力和力矩，前者使立柱受彎，后者使立柱受扭。其中最大彎矩發(fā)生在內外門架間上部滾輪處的截面上（圖5.2 c、d）。不考慮門架前傾影響。因此，截面B的計算彎矩可寫為： （1）整體彎曲正應力可寫為： 已知許用彎曲應力為（取N值為4）： ，故可達到設計要求。 （2）整體彎曲剪應力 式中： P——截面剪力，Kg； S——所求應力點以外的截面面積對中性軸的靜矩，cm3； Jx——截面對中性軸X的慣性矩，cm4; 得到 許用剪切應力為： 由知滿足要求。 25 5.6 外門架強度計算 外門架是由左右立柱和多根橫梁組成的外形封閉的復雜剛架結構。由于通過立柱與橫梁的彎曲中心的縱軸不在同一平面內，因此外門架并不是一個平面薄壁框架。 在外載荷作用下，外門架立柱產生的彎曲變形和約束扭轉變形與內門架立柱相似。我們同樣也把外門架簡化為單根立往計算，橫梁的影響則通過支座約束來考慮。 外門架立柱在垂直門架平面內的整體彎曲，不考慮門架前傾的影響.，從門架下滾輪接觸點至立柱與傾斜油缸連接處的一整段內，都承受最大彎矩Mbmax的作用。門架滾輪壓力對外門架立柱還產生約束扭轉。外門架立柱一般在上中下三處或四處有橫梁連系，立住與橫梁的連接均可看成鉸支，它允許立柱的截面翹曲，但不允許截面轉動。 外門架強度計算簡圖如圖，危險截面在D點。知H0=1866mm、h0=520mm、h1=480mm。 圖5.4 外門架強度計算簡圖 5.6.1 計算D點整體彎曲 鏈條拉力S對起升油缸產生力矩，通過活塞桿及內門架使門架滾輪壓力增加，門架彎曲增加。 27 門架滾輪壓力增量為： （式5-8） 其中 S——鏈條拉力，Kg； a2——鏈條與軸中心距，cm； Hmax——最大起升高度，cm。 知Hmax=300cm，取a2=6cm，求得 （式5-9） 則有 所以D點最大彎矩為： 則整體彎曲應力為： 前面已經得到，許用彎曲應力為: 由可知，符合要求。 （式5-10） 29 同樣，已由前面得到局部許用彎曲應力： 由知，符合要求。 5.7 門架剛度計算 5.7.1 門架剛度的計算狀態(tài) 門架的剛度條件是指當滿載的貨叉起升到最大高度，前傾至最大角度時，門架頂端的水平撓度應小于許用值。門架計算簡圖如圖5-5所示。 圖5.5 門架剛度計算狀態(tài)簡圖 其中各已知參數分別為： 起重量Q=2000Kg、起升高度H=3000mm、載荷中心C=500mm、前傾角、滑架重量G1=250Kg、門架立柱慣性矩J0=J1=J=1490.98cm4。 門架各尺寸分別為： h0=520mm、h1=480mm、h2=370mm、H0=1866mm、H1=1830mm、H=3211mm C0=380mm、C1=300mm、l0=665mm、l1=260mm。 滑架通過滾輪傳給內門架和力按下式計算，參看圖5.6 圖5.6 門架計算簡圖 可以把力P1、P2對門架的作用分解為一個力偶與一個集中力，內門架端部力偶以M1表示，外門架端部的力偶以M0來表示 伸縮式門架在端部力偶和集中力作用下，端部產生的水平位移f（撓度）是由三部分組成的：外門架端部水平位移f0、內門架端部水平位移f1和內門架繞外門架端部轉動角在內門架端部引起的水平位移，。 式中 、——力偶M作用在外門架端部產生水平位移和轉角； 、——集中力P1-P2作用在外門架端部產生水平位移和轉角； 、——由力偶M及集中力P1-P2作用在內門 圖5-7 轉動簡圖 架端部的產生的水平位移。 5.7.2 確定門架端部產生的各水平位移 由圖5-10彎矩圖用圖乘法可求出在力偶M0作用下外門架端部產生水平位移fM0: （式5-14） 圖5.8 外門架計算簡圖 同樣，由力偶M1作用在內門架端部產生的水平位移fM1為： （式5-15） 力偶M0作用下，內門架繞外門架端部轉動角度可參照圖5-10用圖乘法來求。 由集中力P1-P2和作用，在外門架端部引起和水平位移f0p為： 同理，由力P1-P2的作用引起的內門架端部水平位移f1p為： 由于集中力P1-P2的作用，在外門架的端部使內門架繞外門架端部而轉動產生的角度為： （式5-16） 5.7.3 校核撓度 通過上面的計算，可以求出伸縮式門架在端部力偶和集中力作用下端部產生的水平位移f（撓度）。其值為： （式5-17） 其許用撓度值為： （式5-18） 由知，滿足剛度要求。 5.8 小結 1. 叉車門架是由開口薄壁桿組成的薄壁剛架。立柱是叉車門架直接承受滾輪壓力作用的構件。由于滾輪壓力不通過立柱截面彎心，必然產生約束扭轉。計算表明，約束扭轉的正應力與整體彎曲正應力為同一量級，不容忽視。 2.內、外門架的計算簡圖與橫梁數目和橫梁剛度有關。內門架按形薄壁剛架和一端鉸支、一端自由的薄壁桿計算，約束扭轉正應力的差別不大于10%。為減少計算工作量，可按單根薄壁桿計算。將外門架簡化為單根薄壁桿計算時，支座約束的假定對約束扭轉正應力影響不大，差值一般在3～10%的范圍內，因此可按比較簡單的二跨連續(xù)梁的簡圖計算。 3.立柱截面中的剪應力與正應力相比，數值較小，約束扭轉剪應力更可忽略不計?？紤]到滾輪壓力對立柱冀緣還要產生局部彎曲作用，因此門架立柱截面應在滿足制造工藝要求的條件下，使腹板減薄，冀緣加厚。 4.叉車門架端部的水平撓度主要是由外門架的變形引起的，因為外門架是內門架的基礎，外門架端部的水平變位和轉角都會導致內門架端部的水平位移。因此從增強門架剛性的要求出發(fā)，外門架應采用比較剛強的結構。 6 滾輪組件的安裝及計 6.1 內門架與外門架滾輪的設計 導行滾輪分為縱向及側向兩組，各由四個滾輪組成。前者在垂直于門架的平面內，而后者在門架自身的平面內起傳力和導行作用。它們的構造示于圖6-1上?？v向滾輪受力較大，故直徑也大且用滾動軸承，側向滾輪受力小，直徑也小，故用動 軸承或滾針 。 （a）縱向滾輪 （b）側向滾輪 圖6.1 滾輪構造 6.1.1 軸的計算 滾輪軸在門架上升或下降時主要受切應力，所以要根據軸的切應力條件來計算。對于圓形截面梁，由切應力互等定理可以知道，在橫截面邊緣各點處切應力與周邊相切。因此即使在平行于中性軸的同一橫線上，各點處切應力也不盡相同，但經過分析表明，圓截面上最大彎曲切應力仍發(fā)生在其中性軸上，并可近似認為在中性軸上各點處的切應力平行于剪力，且沿中性軸均勻分布，于是得圓截面梁的最大彎曲切應力為： 已知 及 于是可得 式中 R——圓形截面的半徑，mm； IZ——圓形截面對中性軸的慣性矩，mm3； SZ,max——半圓截面對中性軸的靜矩，mm3； 40 該軸的材料選用45號鋼，根據《機械設計手冊》可以查到[]=30～40MPa，取[]=35 MPa。由 于是得到 考慮到門架的重量，選擇半徑為12.5mm，則滾輪軸的直徑為25mm。 6.1.2 軸承的選擇 根據《機械設計手冊》選擇深溝球軸承，代號為6405，尺寸見表6.1： 表6.1 6405軸承相關尺寸 名稱 單位 符號 量值 基本尺寸 mm d 25 Ｄ 80 B 21 da(min) 34 Da(max) 71 ra(max) 1.5 其他尺寸 mm d2≈ 42.3 D2≈ 62.7 r(min) 1.5 基本額定靜載荷 KN Co 38.2 基本額定動載荷 KN C 19.2 極限轉速 (r/min) 脂 8500 極限轉速 (r/min) 油 11000 重量 kg W≈ 0.529 6.1.3 導輪的設計 門架的寬度為121mm，軸承的外徑為80mm，為了使門架在運動時能夠平穩(wěn)，故此導輪的的內徑為80mm，外徑為120mm 6.1.4 軸用擋圈 根據軸的尺寸選擇軸用擋圈，尺寸參數如表6.2： 軸徑 d0 25 mm d 基本尺寸 23.2 mm 極限偏差 (+0.21,-0.42) s 基本尺寸 1.2 mm 極限偏差 (+0.05,-0.13) d1 2 mm b 3.32 mm h 3.32 mm 溝槽 d2 基本尺寸 23.9 mm 極限偏差 (0,-0.21) 溝槽 m 基本尺寸 1.3 mm 極限偏差 (+0.14,0) 溝槽 n ≥ 1.7 mm 孔 d3 ≥ 35 mm 表6.2 軸用擋圈尺寸 6.1.5 孔用擋圈 根據導輪內徑的尺寸選擇孔用擋圈，其尺寸如表6.3： 表6.3 孔用擋圈尺寸 孔徑 d0 80 mm D 基本尺寸 85.5 mm 極限偏差 (+1.30,-0.54) S 基本尺寸 2.5 mm 極限偏差 (+0.07,-0.22) d1 3 mm b 6.8 mm 溝槽 d2 基本尺寸 83.5 mm 極限偏差 (+0.35,0) 溝槽 m 基本尺寸 2.7 mm 極限偏差 (+0.14,0) 軸d3 ≤ 63 mm 7 起升液壓系統(tǒng)設計 7.1 液壓系統(tǒng)簡介 液壓系統(tǒng)除油箱及其管路外，由工作/ 轉向油泵和電機作為動力元件，多路換向閥，限速閥等作為控制元件，油缸作為執(zhí)行元件。 液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件主要可分三部分： （1）為了升降貨物配有起升油缸。 （2）為使裝貨的框架能前后傾斜，以利于搬運和行走方便使用傾斜油缸。 （3）轉向油缸和全液壓轉向器。 油泵輸出的壓力油分別進入到工作裝置和轉向操縱機構，通過前后傾手柄使多路換向閥的滑閥移動以改變液壓油的流動方向，從而控制升降油缸與門架傾斜油缸，實現起重貨架和門架的前后傾斜。另一個油路是油液經轉向油泵與電機到全液壓轉向器控制轉向油缸；最后油液將再度重返油箱如此不斷循環(huán)，液壓系統(tǒng)是叉車工作過程中的重要環(huán)節(jié)。 7.2 設計方案 雙泵驅動即工作裝置與轉向裝置均采用齒輪泵（成本低）變轉速調節(jié)，雙作用活塞式傾斜油缸，油路布置為：開式油箱與非上置式泵站分布于兩側，兩個傾斜油缸布置于外門架兩側，兩個起升油缸位于門架兩側（視野開闊），控制閥位于駕駛員右方（操縱方便）；出油口采用網式濾油器（結構簡單，通油能力大，壓力損失小，清洗方便）。 表7.1 2.0t液壓叉車液壓系統(tǒng)技術參數 額定起重量Q 2000Kg 載荷中心距C 500mm 起升高度H 3000mm 門架傾角（前傾α/后傾β） 6°/10° 最大起升速度(滿載)V升 300～400mm/s 最大運行速度(滿載)V行 10Km/h 最小離地間隙δ 100mm （