蔚鵬飛,高有山,賈廷臣,秦若云,朱 瑞
(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)
當(dāng)今環(huán)境污染嚴(yán)重,而新型綠色環(huán)保成為叉車工業(yè)追求的目標(biāo),而電瓶叉車以其零排放,噪聲小的優(yōu)點(diǎn)將成為叉車行業(yè)的一個(gè)方向,但由于液壓舉升系統(tǒng)較難解決的問題在于油液泄漏,這不僅間接的污染了環(huán)境,也導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的可靠性下降,也給我們廣泛應(yīng)用帶來(lái)了困難,因此設(shè)計(jì)一款新型綠色叉車是叉車行業(yè)迫切追求的。不論叉車是否節(jié)能環(huán)保,其安全問題是不可忽視的。叉車能否正常安全工作,關(guān)系到叉車所參與工程項(xiàng)目能否正常進(jìn)行,保護(hù)裝置則是將可能出現(xiàn)的安全故障進(jìn)行監(jiān)控或者是徹底清除。新型叉車起升系統(tǒng)在可能出現(xiàn)故障的元部件處設(shè)置相應(yīng)的安全保護(hù)裝置,防止斷繩增設(shè)斷繩保護(hù)裝置,防止斷電或組件不可靠等增設(shè)自鎖裝置,防止電機(jī)、系統(tǒng)等突然斷電設(shè)置斷電保護(hù)裝置,防繩尾固定不牢靠增設(shè)繩尾保護(hù)裝置,防止門架傾斜系統(tǒng)機(jī)械零件損壞或松動(dòng)設(shè)置前/后傾保護(hù)裝置。
與傳統(tǒng)的門架系統(tǒng)相比,新型門架系統(tǒng)在一些結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改造,鋼絲繩半自由舉升及電機(jī)驅(qū)動(dòng)傾斜的叉車門架系統(tǒng),它包括貨叉、叉架、叉架滾輪、外門架、內(nèi)門架、下鉸座、門架滾輪和側(cè)滾輪,其中貨叉和叉架滾輪安裝在叉架上,叉架滾輪安放在內(nèi)門架的C型滑道中,門架滾輪裝到外門架上,置于內(nèi)門架的L型滑道中;側(cè)滾輪位于內(nèi)門架滾輪軸內(nèi),門架與下鉸座螺栓連接,其中它還包括起升結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)和傾斜裝置,見圖1叉車簡(jiǎn)圖。
1.貨叉;2.叉架;3.叉架滾輪;4.外門架;5.鋼絲繩Ⅰ;6.1#定滑輪;7.連桿;8.二聯(lián)卷筒;9.減速器;10.電動(dòng)機(jī);11.內(nèi)門架;12.鋼絲繩Ⅱ;13.2#定滑輪;14.3#定滑輪
圖1 新型叉車簡(jiǎn)圖
Fig.1 New forklift diagram
如圖2所述的起升結(jié)構(gòu)包括鋼絲繩Ⅰ、1#定滑輪、鋼絲繩Ⅱ、2#定滑輪 和3#定滑輪,鋼絲繩Ⅰ的一端固定在叉架上,鋼絲繩Ⅰ的另一端越過固定在內(nèi)門架上端梁上的1#定滑輪固定在外門架的上部;鋼絲繩Ⅱ一端固定在內(nèi)門架的下部,鋼絲繩Ⅱ的另一端依次越過2#定滑輪和3#定滑輪與二聯(lián)卷筒連接, 2#定滑輪固定在外門架上端梁上,3#定滑輪固定在外門架下端梁上;
1.貨叉;2.叉架;3.叉架滾輪;4.外門架;5.鋼絲繩Ⅰ;
圖2 門架機(jī)構(gòu)示意圖
Fig.2 Mast mechanism diagram
如圖3所述的傳動(dòng)系統(tǒng)包括二聯(lián)卷筒、減速器、電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器和制動(dòng)器,減速器的輸出軸通過聯(lián)軸器與二聯(lián)卷筒連接,減速器輸入軸端連接制動(dòng)器通過聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)連接;
1.外門架;2.鋼絲繩Ⅰ;3.二聯(lián)卷筒;4.減速器;5.電動(dòng)機(jī);
圖3 門架系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
Fig.3 Mast system diagram
叉架需要起升或下降時(shí),控制系統(tǒng)向電動(dòng)機(jī)發(fā)送控制指令,電動(dòng)機(jī)牽引鋼絲繩實(shí)現(xiàn)門架的起升或下降。門架起升時(shí),控制系統(tǒng)向電動(dòng)機(jī)發(fā)送指令,使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器、二聯(lián)卷筒牽引鋼絲繩使叉架和內(nèi)門架起升。門架降落時(shí),控制系統(tǒng)向電動(dòng)機(jī)發(fā)送指令,使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),電動(dòng)機(jī)牽引鋼絲繩,使叉架和內(nèi)門架下降,當(dāng)叉架和門架降到最低位置時(shí),控制系統(tǒng)向電動(dòng)機(jī)發(fā)送指令,電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
裝貨時(shí),門架前傾角度為5°~6°,門架后傾角度為10°~12°.電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變速器,變速器與齒輪通過聯(lián)軸器連接,齒輪與直齒滑塊嚙合,齒輪正轉(zhuǎn),推動(dòng)直齒滑塊前移,從而推動(dòng)門架向前傾;貨叉到達(dá)能起升貨物的位置時(shí),齒輪反轉(zhuǎn)推動(dòng)直齒滑塊后移,從而推動(dòng)門架向后傾。
傳統(tǒng)叉車門架舉升系統(tǒng)故障多發(fā)生在液壓舉升系統(tǒng),同時(shí)液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)具有隱蔽性、多樣性、不確定性等維修也較為復(fù)雜。新型叉車主要故障有門架升降抖動(dòng)、門架前/后傾抖動(dòng)、滾輪軸承磨損、門架上升下降有卡滯和扭動(dòng)、電壓異常等,由于新型叉車門架是在傳統(tǒng)叉車門架的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)修改的,因此,新型叉車有與傳統(tǒng)叉車相類似的一些故障。
現(xiàn)就新型叉車故障進(jìn)行分析,門架升降抖動(dòng)可能原因有門架間的間隙過大、門架支撐銷軸與銅套間的間隙過大、滾輪磨損過度、鋼絲繩繞過滑輪接觸不良、滑輪固定不牢固在彎軸方向有一定的扭矩、鋼絲繩有一定的僵硬性[1];僵硬性是鋼絲繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜在繞過滑輪時(shí)股與股、絲與絲間相互摩擦并產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)阻礙鋼絲繩沿滑輪彎曲。門架前/后傾抖動(dòng)可能原因是齒條滑塊和動(dòng)力齒輪嚙合不良、齒條滑塊與滑道磨損嚴(yán)重、連桿與門架、齒條滑塊固定不牢靠等;門架上升和下降有卡滯和扭動(dòng)可能原因是連接門架兩側(cè)鋼絲繩長(zhǎng)度不等;滾輪軸承損壞的主要原因是應(yīng)力集中和軸承潤(rùn)滑不良[2-3]; 電池充放電異常可能原因是電池極板硫化,電池使 用中開路電壓明顯降低可能原因是反極或者短路[4];叉車起升機(jī)構(gòu)常見的小故障,如貨叉受驅(qū)動(dòng)力影響起升無(wú)力或不能起升;其次是門架、滑架變形或開焊;門架、滑架的滾輪或?qū)л啿荒苎馗髯缘能壍罎L動(dòng)自如而產(chǎn)生滑移[5],鋼絲繩不能繞滑輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)造成鋼絲繩沿滑輪滑動(dòng)等故障。
新型叉車最主要的故障是鋼絲繩是疲勞斷裂、電機(jī)突然斷電等,而傳統(tǒng)叉車的主要故障是液壓系統(tǒng)導(dǎo)致,叉車液壓系統(tǒng)故障一般并不復(fù)雜,但在大多數(shù)情況下,要具體找出故障點(diǎn)和故障原因并不是件容易的事。因?yàn)樵谝簤合到y(tǒng)中,各種元件和輔助裝置以及油液都封閉在殼體和管道內(nèi),不能像機(jī)械傳動(dòng)那樣直接觀察,而且在測(cè)量方面又不如電路那樣方便。另外,系統(tǒng)只有在運(yùn)行時(shí)才能表現(xiàn)故障現(xiàn)象,同一故障現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是一個(gè)因素,也可能是多種因素的綜合影響,這種液壓系統(tǒng)特有的隱蔽性和復(fù)雜性給檢查和排除故障帶來(lái)一定難度。而新型叉車門架舉升系統(tǒng)在故障點(diǎn)和故障原因查找方面更容易,其零件(如二聯(lián)卷筒、鋼絲繩、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等)成本相對(duì)液壓系統(tǒng)元件(如液壓缸、液壓泵、液壓閥、油管等)的較高;傳統(tǒng)叉車液壓舉升系統(tǒng)缸體的側(cè)面積較新型叉車舉升系統(tǒng)鋼絲繩的側(cè)面積更大,零件側(cè)面積對(duì)駕駛員的可視區(qū)間有一定的局限性,因此在人機(jī)工程方面考慮,鋼絲繩更適合。
斷繩保護(hù)裝置在起重機(jī)械和礦山機(jī)械中經(jīng)常使用,它們常用的結(jié)構(gòu)是楔形塊、彈簧等主要零件組成,但考慮到叉車門架空間有限具體設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,如繼續(xù)使用原有的斷繩保護(hù)裝置,則需要多套斷繩保護(hù)裝置,不論在經(jīng)濟(jì)上、安裝上、門架總體重量上都與預(yù)想的矛盾。但不使用傳統(tǒng)的斷繩保護(hù)裝置就需要設(shè)計(jì)一款適合叉車門架的斷繩保護(hù)裝置,加之鋼絲繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其疲勞斷裂很難確定,也就給裝置設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的問題。受鋼絲繩伸縮性的影響,連接門架與門架、門架與叉架的鋼絲繩伸縮長(zhǎng)度要在允許誤差范圍內(nèi),因此叉車門架起升系統(tǒng)選用鋼絲繩單聯(lián)連接方式,該連接方式需考慮安裝保護(hù)裝置的位置很難確定,若換其它連接方式,叉架(或內(nèi)門架)兩側(cè)鋼絲繩繩長(zhǎng)不等,直接影響舉升貨物的水平度,導(dǎo)致貨物傾斜而滑落,如此問題變得越來(lái)越復(fù)雜。綜合考慮選用雙牽引繩,即單聯(lián)鋼絲繩起牽引作用帶動(dòng)門架的升降;雙聯(lián)鋼絲繩代替門架的斷繩保護(hù)裝置,保護(hù)門架的正常運(yùn)行,它比單聯(lián)鋼絲繩松緊程度要松些。單聯(lián)連接是通過一根鋼絲繩串聯(lián)動(dòng)作門架與叉架兩側(cè)的滑輪,如圖4;雙聯(lián)連接是通過兩根鋼絲繩各串聯(lián)動(dòng)作門架與叉架一側(cè)的滑輪,如圖5.
圖4 單聯(lián)連接圖
Fig.4 Single connection diagram
圖5 雙聯(lián)連接圖
Fig.5 Double connection diagram
此時(shí)的斷繩保護(hù)裝置(鋼絲繩再次連接門架與門架、門架與叉架)需要考慮單聯(lián)鋼絲繩疲勞破斷后叉架及門架所能傾斜的最大角度,并且傾斜后貨物不會(huì)墜落,同時(shí)雙聯(lián)鋼絲繩的繩尾固定是否可靠,能否在傾斜瞬間不被破壞。斷繩后所能傾斜的最大角度,也就確定了雙聯(lián)鋼絲繩的長(zhǎng)度。
該保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,通過鋼絲繩兩種連接方式共同完成,單聯(lián)方式為動(dòng)力連接件,雙聯(lián)方式為保護(hù)件,雙聯(lián)鋼絲繩的單側(cè)長(zhǎng)度大于單聯(lián), 其長(zhǎng)度由貨叉與重物間的摩擦系數(shù)決定。
在外界沖擊很小的情況下,為保證重物斷繩后與貨叉不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),需滿足:
μ>tanθ
(1)
式中:μ—貨物與貨叉間摩擦系數(shù);θ—斷繩后貨叉傾斜的角度,如圖6;
圖6 貨叉傾斜簡(jiǎn)圖
Fig.6 Diagram of the fork tilit
雙聯(lián)鋼絲繩單側(cè)繩長(zhǎng)為
l2=l1+sinθl3
(2)
式中:l1—單聯(lián)鋼絲繩單側(cè)長(zhǎng)度,mm;l2—雙聯(lián)鋼絲繩單側(cè)長(zhǎng)度,mm;l3—鋼絲繩連接叉架兩端的間距,mm;
將(1)式帶入(2)得:
l2 (3) 圖7 斷繩瞬間圖 Fig.7 Broken rope instantaneous map 單聯(lián)鋼絲繩斷裂瞬間,如圖7,虛線代表斷繩后,貨物和貨叉會(huì)像單側(cè)傾斜,通過計(jì)算確定鋼絲繩斷裂瞬間雙聯(lián)鋼絲繩所承受的力F mglcosθ=12mv2 (4) mv=(F-mg)t (5) 式中:m—貨叉、叉架、貨物總的質(zhì)量,kg;l—斷繩后貨物中心偏移距離,mm;v—斷繩后貨物等達(dá)到的最大速度,m/s2;F—雙聯(lián)鋼絲繩承受的力,kN; 由(4)、(5)式得: F=m2glcosθ/t+mg (6) 上述三式描述的是理想狀態(tài)下的能量守恒,但鋼絲繩有一定的伸縮性,部分能量轉(zhuǎn)化為鋼絲繩的彈性勢(shì)能,由于該勢(shì)能較小,所以忽略不計(jì)。如果鋼絲繩受到的張力較大,超出了鋼絲繩的破斷拉力,很可能造成斷裂,鋼絲繩的最小破斷拉力為[6]: F0=KD2R1000 (7) 式中:F0—鋼絲繩的最小破斷拉力,kN; K—鋼絲繩的最小拉力系數(shù); D—鋼絲繩的公稱直徑,mm; R—鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度,MPa; 因此,F(xiàn) 在市面上的斷電保護(hù)裝置多為電控、液壓控制和電磁控制。新型叉車門架系統(tǒng)的控制系統(tǒng)為電控,若其斷電保護(hù)裝置選擇電路控制,該控制僅對(duì)電路原件起到保護(hù)作用,對(duì)于滿載或空載門架系統(tǒng)電控?cái)嚯姳Wo(hù)裝置失效;若其斷電保護(hù)裝置選擇液壓控制,該控制斷電后電控液壓元件復(fù)位,液壓油進(jìn)出系統(tǒng)比較空難,不論門架系統(tǒng)是否空載,門架系統(tǒng)移動(dòng)受液壓系統(tǒng)液壓油可否順利流入流出限制,又液壓元件均復(fù)位,液壓油不可隨意出入液壓系統(tǒng),門架系統(tǒng)也就移動(dòng)受限起到了保護(hù)作用,但選擇液壓控制需另加液壓回路,同時(shí)維修與漏油現(xiàn)象不易控制,與新型門架系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念綠色和便于維修相左,因此不能選液壓控制。通過以上簡(jiǎn)單分析,選擇電磁控制的斷電保護(hù)裝置。 電磁控制的斷電保護(hù)裝置有多種,最常用的制動(dòng)是盤式制動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置運(yùn)用了楔形擠壓、杠桿及電磁同向相吸異向相斥共同作用。楔形為主要承壓面,杠桿為連接原件、省力機(jī)構(gòu),電磁模塊為動(dòng)力部分,設(shè)計(jì)原理圖如圖8. 圖8 斷電保護(hù)裝置簡(jiǎn)圖 Fig.8Brokenelectricityprotectiondevicediagram 楔形模塊為主要工作部位,其接觸面積較大,且制動(dòng)錐面環(huán)面安裝橡膠增加制動(dòng)可靠性,制動(dòng)錐面與制動(dòng)源連接,制動(dòng)錐面角度可變,制動(dòng)錐面下鉸接點(diǎn)固定在保護(hù)裝置上;制動(dòng)盤與卷筒軸連接,制動(dòng)盤內(nèi)錐面角度不可變;制動(dòng)錐面上鉸接點(diǎn)與下鉸接點(diǎn)在同一直線上,只考慮同一平面,可將制動(dòng)錐面看成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。電磁模塊通電后兩塊銜鐵相吸,當(dāng)吸力大于配重和彈簧彈力時(shí),制動(dòng)錐面上鉸接點(diǎn)(類似滑塊)下滑,錐面夾角減小減除制動(dòng);斷電后,杠桿受拉伸彈簧和配重作用,制動(dòng)錐面上鉸接點(diǎn)上移,錐面夾角增大,錐面開始擠壓制動(dòng)盤錐面制動(dòng)。 叉車門架舉升貨物過程中,門架前傾便于裝卸貨物;后傾是防止起升和移動(dòng)時(shí),貨物墜落;因此門架前后傾是叉車工作的又一重要環(huán)節(jié)。前后傾在工作過程中間接牽引貨叉與舉升貨物直接接觸,若前后傾動(dòng)作出現(xiàn)故障,搬運(yùn)或舉升貨物就不能保證放置位置準(zhǔn)確,貨物墜落則事故是不可預(yù)測(cè)的。為保證貨物安放準(zhǔn)確安全,前后傾保護(hù)裝置是有必要添加的。 傾斜裝置包括連桿、直齒滑塊、齒輪,連桿一端與外門架鉸接,連桿的另一端與直齒滑塊鉸接,齒輪固定在叉車的底盤上,齒輪與直齒滑塊相嚙合,如圖9;裝貨時(shí),門架前傾角度為5°~6°,門架后傾角度為10°~12°電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變速器,變速器與齒輪通過聯(lián)軸器連接,齒輪與直齒滑塊嚙合,齒輪正轉(zhuǎn),推動(dòng)直齒滑塊前移,從而推動(dòng)門架向前傾;貨叉到達(dá)能起升貨物的位置時(shí),齒輪反轉(zhuǎn)推動(dòng)直齒滑塊后移,從而推動(dòng)門架向后傾。 4.外門架;7.連桿;12.下鉸座;13.直齒滑塊;14.齒輪。 圖9 門架傾斜原理示意圖 Fig.9Masttiltingprinciplediagram 前后傾保護(hù)裝置是避免門架過傾后造成不可挽回的事故,該裝置在新型傾斜系統(tǒng)中有多個(gè)安裝位置,當(dāng)然保護(hù)制動(dòng)原理和設(shè)計(jì)容易程度也各不相同,現(xiàn)對(duì)直齒滑塊進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,發(fā)現(xiàn)新型保護(hù)裝置安裝在滑塊上較好,但對(duì)滑塊的設(shè)計(jì)和工藝要求也就相對(duì)提高。該保護(hù)裝置主要目的是門架系統(tǒng)前后傾到理想位置后靜置,此時(shí)是不容許出現(xiàn)錯(cuò)誤的,為此在此過程添加保護(hù),將門架穩(wěn)定可靠的靜置在理想位置,直齒滑塊也就靜置,制動(dòng)滑塊可以用擠壓式制動(dòng)、楔形式制動(dòng)、機(jī)械式制動(dòng)等等。本文選擇機(jī)械式制動(dòng),機(jī)械原理圖如圖10.該結(jié)構(gòu)是將滑塊在滑槽滑行部位進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)處理,直接加工特殊直齒滑塊或在滑塊處安裝齒條,運(yùn)用間歇機(jī)構(gòu)的原理,各構(gòu)件相互作用從而達(dá)到直齒滑塊制動(dòng)。 圖10 前后傾保護(hù)裝置簡(jiǎn)圖 Fig.10Schematicdiagramoffrontandreartiltprotectiondevices 該裝置工作原理是滑塊移動(dòng)過程中,機(jī)械手受活動(dòng)銷限制制約滑塊移動(dòng)。當(dāng)滑塊前移時(shí),下活動(dòng)銷電磁吸合到滑槽內(nèi)解除對(duì)機(jī)械手的限制,機(jī)械手每過一個(gè)齒會(huì)受彈簧彈力自動(dòng)復(fù)位,需要滑塊靜置,下活動(dòng)銷彈出限制機(jī)械手繼續(xù)旋轉(zhuǎn)也就對(duì)滑塊起到了制動(dòng)作用。 繩尾固定也是一種保護(hù)裝置,避免因繩尾固定不可靠或門架兩端牽引繩長(zhǎng)度不同導(dǎo)致門架工作裝置振動(dòng)、滑落等。該裝置可快速調(diào)節(jié)兩繩的長(zhǎng)度,也增加了固定可靠性,同時(shí)繩尾用繩卡固定起到了雙重保護(hù)的作用。 傳統(tǒng)的繩尾固定方法有編結(jié)發(fā)、繩卡固定法、鋁合金壓頭法、楔形套筒法、錐形套筒灌鉛法等,在新型叉車門架系統(tǒng)中繩卡固定發(fā)可用,但操作較為復(fù)雜。對(duì)新型叉車門架系統(tǒng)而言,門架兩端的實(shí)際牽引繩長(zhǎng)差應(yīng)在可允許的范圍內(nèi),因此繩卡固定不實(shí)用。實(shí)際牽引繩長(zhǎng)是有效的工作區(qū)間繩長(zhǎng)也就是除去與固定裝置接觸及裝置與繩端的繩長(zhǎng)。繩尾固定裝置需滿足調(diào)節(jié)方便和固定可靠,因此選用楔形擠壓原理來(lái)實(shí)現(xiàn),初步設(shè)想是利用楔形擠壓鋼絲繩壓緊,擠壓的方式是螺帽擠壓,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖11.為了增加固定的可靠性,可將楔形塊設(shè)計(jì)成多楔形擠壓,楔形塊分三階逐級(jí)擠壓,一二階楔形傾斜角度小于楔形槽對(duì)應(yīng)階的角度,三階的角度與楔形槽相對(duì)應(yīng)階的角度相等,具體這樣起到了逐級(jí)擠壓的效果,降低了擠壓沖擊。設(shè)計(jì)后的楔形塊如圖12. 圖11 繩尾固定裝置簡(jiǎn)圖 Fig.11Schematicdiagramoftherope 圖12 楔形塊簡(jiǎn)圖 Fig.12Schematicdiagramofthewedgefasteningdevice 論述了一種新型叉車門架,包括叉車的結(jié)構(gòu)組成、具體實(shí)施方案和相應(yīng)的保護(hù)裝置,提及叉車結(jié)構(gòu)組成和實(shí)施方案是為了便于了解新型叉車門架舉升機(jī)構(gòu)。對(duì)應(yīng)舉升機(jī)構(gòu)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì),會(huì)更好地將門架系統(tǒng)工作中存在的安全隱患控制,提高了門架系統(tǒng)的安全可靠性。5 斷電保護(hù)裝置
5.1 斷電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案
6 前后傾保護(hù)裝置
6.1 新型前后傾裝置
6.2 保護(hù)裝置設(shè)計(jì)思路
7 繩尾固定裝置
8 結(jié)束語(yǔ)