文 / 丁 亮

杭叉集團股份有限公司叉車門架研究所

叉車是一種工業(yè)搬運車輛，是對貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業(yè)的輪式搬運車的總稱，由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、起升系統(tǒng)等組成。其中，起升系統(tǒng)簡稱“門架”，是叉車的工作裝置，承擔叉取、堆垛貨物的功能。

在叉車設(shè)計中，門架設(shè)計常常是被輕視的一個環(huán)節(jié)。本文根據(jù)實際設(shè)計工作中積累的經(jīng)驗，通過對比各種設(shè)計方案，探討了門架的設(shè)計思路，分析各種方案的優(yōu)勢和缺點。

普通兩級門架結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由貨叉架及貨叉、外門架、內(nèi)門架、起升油缸、鏈輪、鏈條等組成。

圖1 普通兩級門架的構(gòu)造

一、門架的總體布局

門架整體方案設(shè)計初期，首先需要先分析叉車的種類，確定門架具體的設(shè)計要求。內(nèi)燃叉車、電動叉車，以及電動倉儲車輛使用場合和工況不同，對門架的設(shè)計要求也不盡相同。

1.槽鋼的選型和排列布置

內(nèi)、外門架是整個起升組件的骨架，主要依靠槽鋼承受彎曲載荷。

槽鋼一般以橫向排列，依次從外向內(nèi)。以兩級門架為例，根據(jù)不同截面的槽鋼，可以分為C+J、C+H，H+H三種組合方式，如圖2所示。

圖2 槽鋼的排列布置

各種槽鋼組合各有優(yōu)點和缺點，根據(jù)不同叉車選擇最合適的組合方式是關(guān)鍵。一般推薦C+J和C+H結(jié)構(gòu)常用于內(nèi)燃或者電動平衡重式叉車，H+H結(jié)構(gòu)常用于倉儲物流設(shè)備。各種槽鋼排列的優(yōu)劣對比，見表1。

表1 各種槽鋼組排列布置的對比

2.起升油缸的布置和結(jié)構(gòu)選擇

（1）油缸在門架中的位置

門架起升原理是鏈輪和鏈條組成的動滑輪機構(gòu)，依靠起升油缸頂升帶動貨叉上升。

方案設(shè)計中，如圖3所示，油缸可以布置在門架槽鋼后端、槽鋼兩側(cè)和槽鋼前端三處位置。根據(jù)不同的車型需要，選擇最合理油缸的布局。

圖3 油缸在門架中的位置

平衡重式叉車：門架兩側(cè)需要連接傾斜油缸，起升油缸只能在門架后端。油缸布置在門架后端，可以使門架結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且不減少內(nèi)門架的視線空間，缺點是油缸頂升內(nèi)門架時，內(nèi)門架產(chǎn)生一個前翻的彎矩，門架額外增加一個負載。

倉儲堆垛車輛：兩側(cè)沒有傾斜油缸，起升油缸可以布置在門架左右兩側(cè)，活塞桿支撐在內(nèi)門架兩側(cè)，使得內(nèi)門架更加穩(wěn)定，缺點是增加了門架橫向?qū)挾?，減小門架的視線空間。起升油缸在門架前方，主要用于高位揀選車車輛。

（2）油缸類型的選擇

門架下降依靠自重反推油缸排出液壓油，因此選用單作用油缸。按結(jié)構(gòu)不同，可以選擇活塞式或者柱塞式。

活塞式油缸作用力面積為活塞。相同缸筒外徑的情況下，活塞式油缸輸出力遠大于柱塞式油缸，所以一般常用載荷較大的平衡重式叉車門架。

柱塞式油缸作用力面積為活塞桿。由于倉儲車輛載荷較小，油缸缸筒外徑較細，選用柱塞式油缸，缸筒外徑大于活塞式油缸，反而使得油缸有足夠的穩(wěn)定性。所以，柱塞式油缸常用于倉儲車輛門架，增加油缸的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)壓力加快門架升降速度。

3.鏈輪和鏈條的結(jié)構(gòu)布置

鏈輪和鏈條是配套零件，鏈輪的布置決定了鏈條的走向。常見兩種布置方案，見圖4。

圖4 鏈輪和鏈條的結(jié)構(gòu)布置

橫向布置鏈輪（圖4左圖），結(jié)構(gòu)緊湊，相關(guān)零件制造成本相對較低?？v向布置鏈輪（圖4右圖）外形輪廓相對較大，但門架內(nèi)部空間充足，可以布置相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

鏈條長度貫穿整個門架，在鏈條途徑的位置都不能有任何阻擋的零件?？v向布置方案可以增加一個加強橫梁，以此提高門架的剛性；橫向布置方案，加強橫梁位置被鏈條占用，高起升門架無法對中門架結(jié)構(gòu)進行加強，這也是該方案的最大缺點。

兩級門架由于結(jié)構(gòu)特點，鏈輪只能縱向布置。三級門架的鏈輪，既可縱向布置，也可橫向布置。基于兩級門架結(jié)構(gòu)限制于縱向布置，如三級門架采用不同布置方式，使得同系列的門架零件通用性較差，難以形成系列化的結(jié)構(gòu)和零件，因此設(shè)計方案優(yōu)先選擇相同布置方式。

綜合分析，鏈輪選擇縱向布置方案，雖然成本相對較高，但是提高了零件通用化，但大批量生產(chǎn)后可以抵消成本較高的不利因素。目前的高起升門架均采用縱向布置，最高門架起升高度達到14m以上。

二、門架技術(shù)性能要求

1.前懸距尺寸

平衡重式叉車的特點，就是整個門架依靠下鉸座鉸接在驅(qū)動橋上，門架重心處于車輪中心之外，在叉去貨物時，貨物以前橋為軸心產(chǎn)生一個向前的傾翻力矩。貨叉垂直段前表面至前橋中心的距離稱為叉車前懸距。前懸距越小，叉車載重后產(chǎn)生的向前傾翻力矩也越小，叉車載荷能力就越大?？s短前懸距，同時也減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高車輛的通過性能。

減小前懸距需要門架結(jié)構(gòu)更為緊湊，主要可以從槽鋼和油缸的布置兩方面考慮。第一，由于內(nèi)門架承受的載荷小于外門架，因此內(nèi)門架槽鋼載荷能力可以小于外門架（圖5），相比傳統(tǒng)的圖1中C+J結(jié)構(gòu)，圖5中所示的C+J組合方式，內(nèi)門架不凸出外門架，門架不會增加前懸尺寸。油缸布置門架兩側(cè)，騰出圖1中原來的油缸位置，實現(xiàn)減小前懸尺寸的目的。

圖5 槽鋼布置的優(yōu)化

2.門架靜止高度、離地間隙

同一起升高度，門架靜止高度越低，通過性能越好，可以在低矮的倉庫內(nèi)自由通行。如果在不平整的場地，需要提高門架的離地間隙，才能獲得良好的通過性能。門架靜止高度和離地高度是一對客觀存在的矛盾。不考慮門架受力情況，直接降低門架靜止高度，使得滾輪支撐槽鋼的力臂減短，降低了門架承受彎曲的能力。因此，需要根據(jù)車輛設(shè)計的載荷能力，對這一矛盾做一個取舍，兩者取一個優(yōu)先考慮。比如，越野型叉車為了適應(yīng)野外的工況，設(shè)計上優(yōu)先選擇高離地間隙；室內(nèi)電動叉車需要在倉庫內(nèi)通行，而且倉庫地面相對平整，設(shè)計上優(yōu)先考慮離地間隙的要求。

3.滿載狀態(tài)的最大起升高度

滿載最大起升高度與叉車重心有關(guān)，但門架剛性也是非常重要的影響因素。車輛載重后，門架承受縱向彎曲載荷，而且地面不平整和貨物偏載時也承受橫向載荷。當門架高起升后槽鋼發(fā)生彎曲變形，門架載核中心偏離原來的位置，增加了叉車的傾翻力矩，減小整機的承載能力。在提高門架剛性以外，槽鋼與滾輪配合存在間隙，滾輪間隙也增加了內(nèi)外門架這間擾度，因此，滾輪配合間隙也是至關(guān)重要的因素，一般要求控制0.6mm以內(nèi)。

4.最大起升速度

常規(guī)叉車液壓系統(tǒng)提供的最大工作壓力在18Mpa左右，隨著液壓技術(shù)發(fā)展，如今叉車液壓系統(tǒng)的最大壓力能達到25Mpa，高壓系統(tǒng)可能減小門架起升油缸直徑，提高門架的起升速度，提高叉車工作能效等級。門架依靠自重的反作用力下降，油缸減小后，增加了下降的工作壓力，也加快門架下降的速度。因此，在設(shè)計新能源叉車門架時，門架必須能適應(yīng)高壓系統(tǒng)的要求。

三、人機工程學方面

1.舒適性

全自由門架油缸的起升順序：先起升中間油缸到頂后，再起升左右油缸。設(shè)計上，按照經(jīng)驗估算油缸面積的比值，中間油缸工作壓力小于左右起升油缸，在同一液壓系統(tǒng)中，工作壓力小的中間油缸才會先起升。由于存在壓力差，兩組油缸起升切換過程時，液壓系統(tǒng)的壓力波動給門架帶來一個較大的沖擊，影響駕駛員的乘駕舒適性。

兩級全自由門架為例，中間油缸頂升貨叉架和貨叉，左右油缸多頂升一級內(nèi)門架，在方案設(shè)計中必須詳細計算各個組件的自重，盡量減小壓力差值，一般不超過2MPa。在保證門架的起升順序情況下，盡量減小壓力差值，使油缸切換更加平穩(wěn)，提高駕駛舒適性。

2.外觀整潔、美觀

安裝多聯(lián)屬具油路后，是影響門架整潔、美觀主要因素，凌亂的油路也阻擋了駕駛員的視線。兩級寬視野門架由于本身視線非常開闊，安裝油路后幾乎不影響操作視線。三級全自由門架增加了中門架和中間油缸，本身操作視線不佳，安裝屬具油路后對門架視線影響非常大。

特別是中間油缸上的必須繞過多組油管，直接擋住駕駛和操作視線。因此，需要根據(jù)不同的門架選擇布置方案，當門架內(nèi)橫向空間不足時（圖6左圖），油路滑輪組件纏繞在鏈輪座上端，在中間油缸兩側(cè)還能保留足夠的空間。當門架內(nèi)高度空間不足，橫向?qū)挾瘸渥銜r（圖6右圖），油路纏繞在鏈輪座兩側(cè)，不遮擋鏈輪座以上的空間，使門架仍然能保持一個相對較好的駕駛視線。

圖6 中間油缸上的油管

四、安全性

安全性不僅指門架結(jié)構(gòu)的安全，還有駕駛員的操作視線，包括車輛行走時的視線和堆垛貨物時的視線。設(shè)計中，通過優(yōu)化槽鋼、油缸的布置，提高操作視線。比如，一般情況外門架越寬視線越好，但在實際中，門架槽鋼同小轎車的AB柱阻擋著視線，總有一些位置處于視線盲區(qū)，必須結(jié)合叉車的整體設(shè)計，選擇合理的外門架寬度，并不是外門架越寬越好。

良好的視野，為叉車作業(yè)者提高良好的工作環(huán)境，既能提高效率，同時確保駕駛員安全。人性化的設(shè)計，能夠使駕駛員保持良好的心情，減少操作失誤。

五、結(jié)束語

本文探討了叉車門架設(shè)計中經(jīng)驗總結(jié)，分析門架布局中各種方案的優(yōu)勢和劣勢，例舉門架設(shè)計的主要技術(shù)要求以及對整機性能影響，介紹人機工程方面的設(shè)計要求。通過優(yōu)化起升系統(tǒng)的設(shè)計，為叉車的載荷大、起升高、操作舒適提供配套技術(shù)支持。