新型电动堆垛机液压系统的设计.pdf

新型电动堆垛机液压系统的设计 田 波 浙江诺 力机械股份有限公司 长兴3 1 3 1 0 0 摘要对一种新型电动堆垛机液压系统的设计进行了探讨 ，通过采用升降液压缸与货叉伸缩液压缸并联 的方法以及手动液压控制阀和电磁阀的有机组合 ， 使该液压系统实现升降和货叉伸缩的功能。通过对 2 种可行 的液压系统方案分析比较 ，最终确定一种最优的方案进行设计试制，取得了满意的效果。 关键词 电动堆垛机；液压系统；升降液压缸 ；货叉伸缩液压缸 中图分 类号 T H 2 4 6 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 2 0 1 0 0 3 9 0 4 Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n o f a n e w e l e c t r i c s t a c k e r i s d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r ． T h r o u g h p a r a l l e l c o n n e c - t i o n o f l i ft i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d f o r k t e l e s c o p i c h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d t h e e f f e c t i v e c o mb i n a t i o n o f ma n u a l h y d r a u l i c c o n t r o l v a l v e s a n d e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e s ，t h e h y d r a u l i c s y s t e m r e ali z e s t h e f u n c t i o n o f g o o d s l i f t i n g a n d f o r k t e l e s c o p i n g ． T h r o u g h a n a l y s i s an d c o mp a r i s o n o f t h e t wo f e a s i b l e h y d r a u l i c s y s t e m s o l u t i o n s ，a n o p t i mu m s o l u t i o n i s u l t i ma t e l y d e t e r mi n e d f o r d e s i g n a n d t ri a l ma n u f a c t u r i n g ，wh i c h a c h i e v e s s a t i s f a c t o r y r e s u l t s ． Ke y wo r d s e l e c t r i c s t a c k e r ；h y d r a u l i c s y s t e m；l i f t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r ；f o r k t e l e s c o p i c h y d r a u l i c c y l i n d e r 电动堆 垛机是 物料 搬运 与仓储 的必要 装备 ， 广泛应用 于工矿 企业 、仓储 物流 、超市 酒店等行 业 。随着工作环境及工作状况 的 日益复杂化 ，客 户对 电动堆垛机的功能要求越来 越多 ，对 操作 的 舒适性 和方 便性 也 提 出更 高 的要 求 ，仅 有 升 降 功能 的 电动 堆 垛 机 已经 不 能 满 足 客 户 的 要 求 。 通过大量 的市场 调研 ，公 司决定 开 发一 种 在原 有升 降功能 的基础 上 增加 货 叉前 后 伸缩 功 能 的 新型电动堆垛机 ，以满足高端客户的需求。本 文通过对 2种 液压 系 统 的 比较提 出 了较 好 的解 决方案 。 1 液压系统的设计 1 ． 1 液压系统设计要求 1 堆垛机堆垛货物时能自由升降； 2 堆垛机升降到任何位置均能实现货叉 的 自 由伸缩 ； 3 为保证安全作业 ，液压系统应设有安全保 护装置 。 1 ． 2 液压系统设计参数 新型电动堆垛机在原堆垛机升降功能的基础 上增加 了货叉伸缩 功能 ，根据设 计经验 ，液压 系 统设计参数大部分相 同。 最大 起 升重 量 含 内 门架 系统 和铲 叉 架 起重运输机械 2 0 1 2 1 1 8 0 0 k g 最大起升高度 3 3 0 0 B i n 液压泵满载出 口压力 l 4 ． 5 MP a 液压 电机额定功率 3 k W 液压电机额定转速 2 6 0 0 r ／ m i n 升降液压缸活塞杆直径 4 2 ． 5 inn 升降液压缸缸筒内径 4 5 mi l l 起升行程 1 6 0 0 m m 满载货叉起升速度 0 ． 1 3 m ／ s 1 ． 3 液压 系统工作原理 新型电动堆垛机结构 如 图 1所示 ，液压系统 原理图见图 2 。 如图 1 所示 ，起 升重物 未画出放 置在货 叉上 ，货叉在其 自带 的伸 缩液压缸的作 用下前伸 或后缩。起升重物在升降液压缸的作用下通过内 门架系统 实现上 升 和下降 的功能。如 图 2所示 ， 上升 、下降和货叉 的前、后伸缩 均通过三位 四通 手动阀 7来控制 。 上升时 ，手动换 向阀 7置 R位 ，电机启动 同 时电磁阀1 Y V通电开启，泵 4排出的液压油经单 向阀6 、手动换向阀7和电磁阀 1 Y V向升降液压缸 9 供油，从而使升降液压缸9的活塞杆带动内门架 系统实现重物的提升。下降时，手动换向阀7 置 L 位 ，电磁阀 1 Y V通电开启，在 自重下液压油经电磁 ～ 3 9 8 1 ．内门架系统2 ．外门架系统3 ．手柄操纵系统4 ．升 降液压缸5 ．机架系统6 ．货叉 内含伸缩液压缸 7 ． 外罩系统8 ．驱动系统 图 1 新型电动堆垛机结构示意图 1 ． 油箱2 ． 过滤器3 ．电机4 ．液压泵5 ．溢流阀 6 ．单向阀7 ．三位四通手动换向阀8 ．二位二通 电磁阀9 ． 升降液压缸1 0 ． 货叉伸缩液压缸 图2 新型堆垛机液压系统原理图 方案 1 阀1 Y v、 手动换向阀7直接回到油箱，从而使升降 液压缸9的活塞杆下降并通过内门架系统实现重物 的下降。若需停在任意位置，手动换 向阀7置 M 位，电磁阀1 Y V断电，同时电机停转。 一 40 一 手动换 向阀 7也用来控制货叉伸缩 液压缸 的 运动方 向。若使货叉前伸 ，则手动换 向阀 7置 R 位 ，电机启 动，同时电磁 阀 2 Y V通 电开启 ，电磁 阀 1 Y V关闭， 使重物停于任意位置，泵 4排出的 液压油经单向阀 6 、手动换向阀7和电磁 阀2 Y V向 货叉伸缩液压缸 l 0的一侧供油 ，货叉伸缩 液压缸 l 0的另一侧的液压油则通过手动换 向阀 7回到油 箱 ，从而使货叉伸缩液压缸 1 0的活塞杆带 动货叉 实现重物的前伸。若使货叉后缩 ，则手动换向阀 7 置 L位 ，电机启 动 ，同时电磁 阀 2 Y V通 电开启 ， 电磁阀 1 Y V关闭 ，泵 4排出的液压油经单 向阀 6 、 手动换向阀7向货叉伸缩液压缸 l 0的相反一侧供 油 ，货叉伸缩液压缸 1 0的另一侧的液压油则通过 电磁阀 2 Y V和手动换 向阀 7回到油箱 ，从 而使货 叉伸缩液压缸 1 0的活塞杆带动货叉实现重物的后 缩 。若要停在 任意位置 ，手动换 向阀 7置 M位 ， 电磁阀 2 Y V断电，同时电机停转 。 通过控制三位 四通手 动换 向阀 7的液压 油通 过截面积 的大小控制液压油流量 ，从而实 现升降 液压缸和货叉伸缩液压缸在设计范 围内 0到最大 速度 的控制 。 溢流阀 5和三位四通手动换向阀 7也起保护作 用 ，工作原理 如果起升 的重物超过堆垛 车的额 定载重量 ，或者液压泵外管路发生严重堵 塞，将 可能导致整车损坏或者管路爆裂 ，发生安全事故。 利用溢流 阀 5可设定允许 的最大压力 ，如果系统 内部压力高 于所设定 的允许最 大压力值 ，则溢流 阀5将 自动打开 ，液压油将通过溢流阀5回流至油 箱 ，从而起到保护作用。增设 三位 四通手动换 向 阀7的作用 当手动换向阀 7置于 M位时 ，油路始 终与油箱贯通，这样就可以保证液压泵在频繁启动 的情况下不易形成背压，使液压泵免受经常性 的突 然冲击，从而保护液压泵 ，延长其使用寿命。 1 ． 4 液压 系统的性能验算 1 ． 4 ． 1 验算 回路 中的压力损失 本液压系统相对较 复杂 ，有多个 液压执行元 件动作 回路 ，其 中环节较多 、管路损失较大 的为 升降液压缸的动作回路，故主要验算升降液压缸 上升时进油管路的压力损失。 1 沿程压力损失 沿程压力损失主要是升降液压缸上升时进油 管路的损 失。管路 长 2 m，管 内径 9 m m，选 用 起重运输机械 2 0 1 2 1 N 3 2 号抗磨液压油，正常运转后油的运动粘度 3 1 ． 1 3 mm ／ s ，油 的密度 P 9 1 8 k g ／ m 。 。 因升降液压缸有 2 个，故快速通过时的流量 Q 2 A 1 1 2 7 r R 1 ram ． 2 3 ． 1 4 X 0 ． 0 4 5 0 ． 1 3 ／ 4 0． 41 3 L／s 式中 A 为单个升降液压缸缸筒面积， 为满 载起升速度。 管路 中油的实际流速 4 Q ／ 丁 c d 4 0 ． 4 1 31 0 一 ／ 3 ． 1 4 X 0 ． 0 0 9 6 ． 5 r n ／s 式 中Q 为 快 速 通 过 时 的流 量 ，d为 油 管 内径。 雷诺系数 R ev d ／ y6 ． 5 x O ． O O 9 ／ 3 ． 1 1 3 X 1 0一 1 8 7 9 1 8 00 k g 升降液压缸的载荷力满足设计要求。 2 货叉伸缩液压缸的载荷力 货叉伸缩过程中，其外载荷主要克服摩擦阻 力 ，基本上可 以认为是水 平运动 ，其载荷力远小 于升降液压缸的载荷力，液压泵能够满足设计要 求 ，故不需验算。 1 ． 4 ． 3 液压系统发热温升的计算 1 计算发热功率 液压系统的功率损失全部转换为热量。由于 本液压系 统 的发 热主要来 自液压 泵 的效率 损失 ， 故只对其进行验算，忽略其他元件。 已知起升行程 s 1 ． 6 m，连续动作的时间 1 s ／ v ／ 2 1 ． 6 ／ O ． 1 3 ／ 2 2 4 ． 6 s 按照电动堆垛机的标准要求在 1 个工作周期 内其液压 泵工作时 间只 占工作周期 的 1 5 ％ 左右 ， 即工作周期 1 ／0 ．1 52 4 ． 6 ／ 0．1 51 6 4 s 已知液压泵 的效率 7 7 0 ． 8 5 ，则液压泵 的功 率损失 1 Z P h 寺∑P 1 一 r ／ p i ￡ t I 1 3 X 10 ． 8 5 X 2 4 ． 6 ／ 1 6 4 0 ． 0 67 5 kW 式中 为单个工作周期的时间，P 为液压 泵的输入功率 ，叼 。 i 为液压泵 的效率 ，t ； 为液压泵 在 1 个周期内的工作时间。 2 计算散热功率 已知油箱长 口2 7 0 m m，宽 b1 9 8 mm，高 h1 7 0 mm，则油箱的散热面积 A 1 ． 8 h 口 6 1 ． 5 a b 1 ． 8 X 0 ． 1 7 X 0 ． 2 7 0 ． 1 9 8 1 ． 5 0 ． 2 7 0 ．1 9 8 0． 2 2 m 因堆 垛机 常处 于行驶 状态 ，通 风条件 一般 ， 故油箱散热系数 K 取 1 5 W／ m ℃ ，油温与环 境温度差 △ 取 3 5 ℃，则油箱的散热功率 P h 。 KA △ 1 5 0 ． 2 2 X 3 5 0．1 1 5 k W 0． 0 6 7 5 k W 由于发热功率小于散热功率，并且实际工作 中油流经管路和升降液压缸时也有一定的散热， 故满足系统的散热要求。 1 ． 5 液压 系统方案 2 液压系统方案 2 如图3 。上升时，二位三通电 一 4】 一 磁阀 8通电接通通往升降液压缸 1 0的管路 ，同时 关闭通往手动换 向阀 9的管路 ，电机启 动，电磁 阀 1 Y V和 2 Y V处于常闭状态 ，泵 4排出的液压油 经单向阀 6 、二位三通 电磁阀 8向升降液压缸 1 0 供油 ，从而使升降液压缸 l 0的活塞杆带动内门架 系统实现重物的提升。慢降时 ，二位三通 电磁阀 8 通电接通通往升降液压缸 1 O的管路，电机停止同 时电磁阀 I Y V通电开启 ，电磁 阀 2 Y V不通 电处 于 关闭状态 ，在 自重下液压油 经二位三通 电磁 阀 8 、 电磁阀 1 Y V直接回到油箱，从而使升降液压缸 1 0 的活塞杆通过内门架系统实现重物的缓慢下降。 快降时，二位三通电磁阀8通电接通通往升降液 压缸 1 0的管路 ，电机停止同时电磁 阀 1 Y V和 2 Y V 通电开启 ，整个 系统在 自重下液压油经二位 三通 电磁阀 8 、电磁 阀 1 Y V和 2 Y V直接 回到油箱 ，从 而使升降液压缸 1 0的活塞杆通过 内门架 系统实现 重物 的快 速下 降。若需 停 在任 意 位 置，电磁 阀 3 Y V断电 ，同时电机停转。 1 ． 油箱2 ． 过滤器3 ．电机4 ．液压泵5 ．溢流阀 6 ． 单向阀7 ． 二位二通电磁阀8 ．二位三通电磁阀 9 ．三位四通手动换向阀1 0 ．升降液压缸 1 1 ． 货叉伸缩液压缸 图3 新型堆垛机液压系统原理图 方案 2 手动换向阀9用来控制货叉伸缩液压缸的运 动方向。若货叉前伸，则手动换向阀 9置 R位， 二位三通 电磁阀 8不通 电接通通往手动换向阀9的 管路，同时关闭通往升降液压缸 1 0的管路，使重 物停于任何位置，同时电机启动，电磁阀 1 Y V和 2 Y V不通电处于常闭状态 ，泵 4排 出的液压油经 单 向阀 6 、二位三通 电磁阀 8 、手动换 向阀 9向货 一 4 2 ～ 又伸缩液压缸 1 1的一侧供油 ，货叉伸缩液压缸 1 1 另一 侧 的液压油则通 过手动换 向阀 9回到油箱 ， 从而使货叉伸缩液压缸 1 1 的活塞杆带动货叉实现 重物的前伸。若 货叉后缩 ，则手动换 向阀 9置 L 位 ，二位三通 电磁 阀 8不通 电接通通往手动换 向 阀9的管路，同时关闭通往升降液压缸 1 0的管路， 使重物可停于任何位置，同时电机启动，电磁阀 1 Y V和 2 Y V不通 电处于常闭状态 ，泵 4排出的液 压油经单 向阀6、二位三通电磁 阀 8 、手动换 向阀 9向货叉伸缩液压缸 1 1相反一侧供油，货叉伸缩 液压缸 1 1 的另一侧的液压油则通过手动换 向阀 9 回到油箱，从而使货叉伸缩液压缸 1 1 的活塞杆带 动货叉实现重物的后缩。若需停在任意位置，手 动换向阀9 置于 M位，同时电机停转。 比较方案1 和方案 2 可知，方案 2比方案 1 多 了 1 个二位三通电磁阀，并且电器联锁相对复杂， 不利于生产成本控制以及系统维护。另外，方案2 的手动换向阀仅能实现货叉伸缩液压缸在设计范围 内0 到最大速度的控制，下降分为慢降和快降，上 升和下降的速度都不能实现任意控制，可操作性不 强。因此采用方案 1 作为最终的液压系统设计方案。 2 总结 本文讨论了一种新 型堆垛机液压系统的设计 ， 给出了液压系统的 2个可行方案。该液压系统通 过手动换向阀实现 了在原升降功能基础上增 加货 叉前后伸缩的新功能，并可任意控制升降及货叉 伸缩的速度，可操作性强。系统考虑了安全保护 功能，液压系统工作平稳，可靠性高。图 2所示 的液压系统 已被应用于公 司的新型堆垛机 ，经过 样机试制和批量生产，取得了满意的效果。 参考文献 [ 1 ]机械设计手册编委会 ．机械设计手册 [ M] ．北京机 械工业 出版社 ，2 0 0 4 ． [ 2 ]杨培元，朱福元 ．液压系统设计简明手册[ M] ．北京 机械工业出版社，2 0 0 3 ． [ 3 ]张利平 ．液压传动系统及设计[ M] ．北京化学工业 出版社，2 0 0 5 ． 作者地址浙江省长兴县经济开发区经一路 5 2 8号浙江诺 力机械股份有限公 司 邮 编 3 1 3 1 0 0 收稿 日期2 0 1 1 0 81 5 起重运输机械 2 0 1 2 1