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伸缩臂叉车工作装置设计pdf

作者:九州网址  来源:九州网址  时间:2019-09-19 15:30  点击:

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  目录 第一章 绪论 1 1.1 伸缩臂叉装车简介 1 1.1.1 伸缩臂叉装车 1 1.1.2 伸缩臂叉装机专用术语 2 1.1.3 国内、外相关标准 3 1.2 国内外伸缩臂叉装车发展简介 3 1.2.1 国外伸缩臂叉装车发展简介 3 1.2.2 国内伸缩臂叉装车发展简介 4 1.3 课题研究内容 5 第二章 需求分析与总体设计 6 2.1 伸缩臂叉装车需求分析 6 2.2 产品可行性分析 7 2.3 伸缩臂叉装车产品的总体设计 11 2.3.1 伸缩臂叉装机系统分类 11 2.3.2 技术方案及特点 12 2.3.3 设计参数 14 2.3.4 伸缩臂叉装车电控系统 15 2.3.5 伸缩臂叉装车液压系统 15 2.3.6 整机尺寸及布局 16 2.3.7 作业高度及其幅度计算 17 2.4 本章小结 19 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 20 3.1 货叉平动机构的设计 20 3.2 翻转油缸及其铰点的设计及计算 21 3.2.1 翻转油缸的设计要求 21 3.2.2 翻转油缸力的确定 22 3.2.3 翻转油缸行程的确定 23 3.2.4 翻转油缸举升和下降的时间 23 3.3 变幅油缸及其铰点的设计及计算 24 3.3.1 变幅油缸的设计要求 24 3.3.2 变幅油缸力的确定 25 3.3.3 变幅油缸行程的确定 25 III 3.3.4 变幅油缸举升和下降的时间 26 3.4 随动油缸及其铰点的设计及计算 26 3.4.1 随动油缸的缸径杆径 27 3.4.2 随动油缸的行程与铰接点确定 28 3.5 货叉的设计 36 3.6 伸缩臂的结构设计及其计算 37 3.6.1 伸缩臂的机构设计 37 3.6.2 伸缩臂的理论计算 39 3.7 伸缩臂的有限元分析 45 3.7.1 建立三维几何模型 45 3.7.2 有限元网格划分 45 3.7.3 载荷及施加约束 46 3.7.4 分析结果 47 3.7.5 结构改进 47 3.8 本章小结 48 第四章 整机稳定性计算与三维设计 49 4.1 整机稳定性计算 45 4.2 伸缩臂叉装车三维设计 52 4.3 本章小结 56 第五章 伸缩臂叉装车试制总结 58 第六章 结论与展望 61 6.1 结论 61 6.2 展望 62 参考文献 63 参加科研情况 66 致 谢 67 IV 第一章 绪论 第一章 绪 论 1.1 伸缩臂叉装车简介 1.1.1 伸缩臂叉装车 伸缩臂叉装车也被称为伸缩臂叉车,是一种具有越野性能带伸缩臂的多用 途叉车。1981年,由法国Manitou公司推向市场。 伸缩臂叉装车既具有普通叉车搬运物料的功能,又有臂架式起重机的特征, 可配备多种作业属具,更有野外作业的能力。伸缩臂叉装车具有可伸缩的臂式 工作装置,是自行式作业机械,它将叉车、装载机、高空作业平台、小型起重 机乃至农用拖拉机的功能集于一身,是一种多功能搬运、举升设备,是现在建 筑业、工业、农牧业理想的多功能装卸搬运机具。 伸缩臂叉装车按结构型式主要分为回转式和非回转式。伸缩臂装置是伸缩 臂叉装车的核心,按着伸缩臂布置的方式不同,可以分为伸缩臂中置、伸缩臂 侧置和伸缩臂前置。本文主要阐述非回转伸缩臂中置式伸缩臂叉装车。非回转 式伸缩臂叉装车的结构分为上车和下车。上车主要包括臂架、连接装置、调平 装置、附属装置等。下车主要包括驾驶室、底盘、发动机等。 伸缩臂叉装车具有独特的优点,主要用在建筑工地、工矿企业仓库和其他 工地上起升、运输、堆放砖头、木材、钢材和其他物料。伸缩臂叉装车能够利 用多种附属装置,有效完成多种不同作业,真正成为多功能工程机械。伸缩臂 [1] 叉装车的特点有 : 1.灵活性 伸缩臂叉装车采用四轮驱动型式,有三种转向模式(前轮转向、四轮转向、 斜行行走),双速齿轮变速箱,转弯半径小,能在狭小的空间灵活、快速、准 确作业。 2.多用性 伸缩臂叉装车用途广泛,可长时间连续作业。有一系列可快速更换的附属 装置供选择,包括货叉、铲斗、桁架臂、立式门架等。无需购买其他机型,只 需在机器上增加几个可用附件,就可以提升叉装车的生产能力、灵活性及工作 效率。 3.稳定性及安全性 1 第一章 绪论 伸缩臂叉装车轴距长、重心低、车架前部可安装稳定支腿且臂架具有伸出、 降低自动锁定功能、发动机置于车架纵向中心,使其在山坡和崎岖地带可以保 持稳定;重量分布均匀,四轮驱动,改善了在泥泞地、岩石地带、沙土及雪地 上的机动性;视野开阔。 1.1.2 伸缩臂叉装机专用术语 额定载重量:指货叉上的货物重心位于规定的载荷中心距上时,伸缩臂叉 装机应能举升的最大重量,单位kg 。 最大外伸距时举升重量:伸缩臂外伸至最大位置时,伸缩臂叉装机应能举 升的最大重量,单位kg 。 操作质量:指装载机装备应有的工作装置和随机工具,加足燃油,润滑系 统、液压系统和冷却系统亦加足液体,并且带有规定形式和尺寸的空载铲斗和 司机标定质量(75kg±3kg )时的主机质量。它关系到装载机使用的经济性、可 靠性和附着性能,单位为kg 。 载荷中心距:指货物重心到货叉垂直段前端面的规定距离。 国家规定: Q (代表载重量)<1t 时为400mm ;1 ≤ Q < 5 时为500mm ; 5 ≤ Q ≤ 10 时为600mm;12 ≤ Q ≤18 时为900mm;20 ≤ Q ≤42 时为1250mm 最大外伸距离:指伸缩臂外伸至最大所能伸长的距离,单位为mm 。 最大举升高度:指伸缩臂叉装机位于水平坚实地面,门架垂直放置且承受 有额定起重量货物时,货叉所能起升的最大高度——货叉上平面至地面的垂直 距离。 最小转弯半径:指将伸缩臂叉装机的转向轮转至极限位置,并以最低稳定 速度做转弯运动时,其瞬时中心距车体最外侧的距离。 平动性偏差角(不往前倾):指伸缩臂叉装机货叉从其底面位置向上举升 至最大高度时,货叉相对于水平所出现的角度偏差,此偏差不允许向前倾斜, 防止货物掉落。 轴距:前桥中心到后桥中心的垂直距离。 轮距:同轴心两轮中心的垂直距离。 桥载:驱动桥和转向桥各自所承受的整车重量,它有满载桥负荷和空载桥 负荷之分。 最小离地间隙:指伸缩臂叉装机在无载或满载情况下,除直接与车轮相连 接的零件外,车体上最低点距地面的最小垂直间隙。 2 第一章 绪论 最大行驶速度:指变速器在最高档位时,伸缩臂叉装机在平直干硬道路上 行驶能达到的最高行驶速度。 最大制动距离:伸缩臂叉装机在无载状态下,以最大速度行驶时的制动距 离,国家标准规定,伸缩臂叉装机的最大制动距离不得大于6m 。 1.1.3 国内、外相关标准 国内相关标准为《伸缩臂叉装车规范(GJB4555—2003 )》,其于2003 年 12 月3 日由中国人民解放军总后勤部公布。该规范规定了伸缩臂叉装车的要求, 适用于OCS2002-3 伸缩臂叉装车。该标准分为6 部分—范围、引用文件、要求、 质量保证规定、交货准备和说明事项。要求主要包括:基本参数、产品质量及 技术要求、叉装车动力性能、稳定性、作业可靠性、行驶可靠性、噪音等。质 量保证规定主要包括:检验分类、基本参数测定、产品质量检验、动力性能测 试、试验载荷、行驶可靠性等。 在国外,美国伸缩臂叉装车标准为《Rough Terrain Fork Lifts (ANSI B 56.6 )》,澳洲伸缩臂叉装车标准为AS1418-19for Telehandlers,欧洲伸缩臂叉 装车标准为《Safety of industrial trucks - Self-propelled variable reachtrucks (EN 1459)》。 1.2 国内外伸缩臂叉装车发展简介 1.2.1 国外伸缩臂叉装车发展简介 伸缩臂叉装车在欧美发达国家经过几十年的发展,产品技术成熟、生产配 套体系完善,并有成熟的使用群体和市场。伸缩臂叉装车的发展受制于基础元 器件的水平,发动机、传动装置、液压元件等均为外购产品。所以伸缩臂叉装 车产品的性能、质量、价格等因素,不但取决于主机生产厂的设计水平,而且 更取决于基础工业和配套件的水平。欧美国家基础工业水平高,为伸缩臂叉装 车的技术发展提供了广阔的空间。由于这些国家农牧业的发展而产生了对伸缩 臂叉装车的需求,使得群体的自然存在促进其产品化的进程;而产品的多行业、 [17] 多领域使用,又进一步拓宽了应用范围,刺激其像更高层次发展 。 国外伸缩臂叉装车增长速度非常快,仅在美国,伸缩臂叉装车市场每年增 长25 %。在欧洲市场,伸缩臂叉装车继2004 年需求市场再一次发展良好之后, 2005 年的销售量也显著提高,达到每年2.1 万台,市场曾经预测其销售量只能 达到每年2.1 万台,但2006 年销售量剧增14%,市场的需求量超过2.6 万台。 3 第一章 绪论 来自租赁公司特别是英国和法国租赁公司的巨大需求将使该产品有良好的市场 [44] 前景。预计未来5 年的销售量每年有可能稳定在2.3 万~2.4 万台的水平 。 国外主要生产商绝大部分集中在欧美,如美国的 JLG 、Genie 、Terex 、 Case 、Upright 、Bobcat ,英国的 JCB ,法国的 Haulotte 、Manitou ,意大利的 Faresin、NewHolland ,德国的Merlo,加拿大的Carelift 等生产厂家。 美国JLG 有限公司成立于 1969 年,是全球最大的高空作业设备专业生产 厂家。其生产工厂分布在美国和比利时。JLG 伸缩臂叉装机的主要对象不是建 [12] 筑工程,而是类似化工厂的工厂以及工厂仓库等 。 2005 年JLG 与Caterpillart (卡特彼勒)签订协议,合作生产伸缩臂叉装车, 并于2007 年推出了TH360B 系列伸缩臂叉装车,该系列产品起重量3.5t—5t, 起升高度6.1m— 17m[44] 。 JLG 伸缩臂叉装车家族中分四大类:Skytrack、Gradall、Lall 、JLG 。 意大利制造商Faresin集团下属7个子公司,职能包括设计、生产、销售等行 业。其中,Faresin Handles Spa是于2006年6月Faresin收购PingvelHaulotte后组成 [44] 的新公司,主要生产伸缩臂叉装车 。 法国Manitou 公司产品遍布20 个国家,有500 个销售网点和23 家子公司。 其生产基地分别位于法国、意大利、中国、美国。其产品品牌系列化,如伸缩 臂叉装车品牌为Maniscopic、车载式叉装车Manitransi 。法国的Manitou 伸缩臂 叉装车系列分为5 大系列:BT 系列、MT 系列、MRT 系列、MHT 系列、MLT-MLA [44] 系列 。 1.2.2 国内伸缩臂叉装车发展简介 虽然近年来我国工程机械行业发展迅速,尤其是叉车等产品的产需水平不 断提高,但作为一种小型机械,伸缩臂叉装机在我国的发展非常缓慢,甚至可 以说市场基本还处于空白状态。 中国伸缩臂叉装机市场需求是决定行业发展的关键因素。在我国乃至整个 亚洲对于中国伸缩臂叉装机的认可都还处于萌芽阶段。造成这一局面的主要原 因在于适合中国伸缩臂叉装机生存的中国伸缩臂叉装机市场环境还有待进一步 改善。作为一种小型工程机械,中国伸缩臂叉装机的价格相对昂贵,国内中国 伸缩臂叉装机市场消费能力有限。虽然也有一些企业看好中国伸缩臂叉装机的 中国伸缩臂叉装机市场,但都不愿成为试验者进行初期的中国伸缩臂叉装机市 场开拓,从而导致中国伸缩臂叉装机行业整体中国伸缩臂叉装机市场开拓力度 不够的现状。 4 第一章 绪论 中国伸缩臂叉装车制造史要追溯到1989 年,是由厦门嘉丰机械厂与同济大 [12] 学联合设计生产出第一台伸缩臂叉装车 。中国的伸缩臂叉装车起步晚,但是 经过这几年的发展,其技术已经有了长足的进步。国内不少于8 家公司已经制 [17] 造出伸缩臂叉装车或者正在进入该行业 。在2007 年CONEXPO 亚洲工程机 械博览会上,中国湖南山河智能公司更是展示出高技术的三节臂的伸缩臂叉装 车,代表了国内的先进水平。现在主要的生产厂家有湖南的山河智能、山东滨 [17] 州胜利特种叉车厂、厦门的夏嘉、夏虎和三家乐等公司 。 1.3 课题研究内容 通过对国内外研究现状的了解,设计研制我国高性能的伸缩臂叉装车对于 满足国内的市场需求是非常必要的。为此,本文通过分析市场上对高举升、大 卸距、一机多能的装载机械的特定性能的需求,结合汽车起重机和叉车技术, 对伸缩臂叉装车关键部件设计技术进行研究,在此基础上设计与开发我国高性 能的伸缩臂叉装车产品。 本文主要研究内容如下: 1)对伸缩臂叉车进行需求分析,应用质量屋(HOQ )工具将用户的需求 转换为产品技术需求,从而得到零部件的技术性能指标,并以此为参照进行总 体设计。 2 )对伸缩臂叉车主要部件的功能进行研究,介绍了核心零部件的选型及其 功能特点,讲解了电气、液压、传动系统的设计思路。 3 )借鉴国外先进样机,并结合企业实际情况,对伸缩臂叉车整车及关键零 部件进行了详细设计,包括伸缩臂叉车工作装置的整体布局,作业范围计算, 货叉和臂架结构设计,臂架强度、刚度和稳定性计算等。 4 )采用Pro/E 软件TOP-DOWN 设计方法、Mechanica 模块的有限元分析功 能、实体造型功能完成了伸缩臂叉车的三维设计,并最终将其转换为二维工程 图。 5 第二章 需求分析与总体设计 第二章 需求分析与总体设计 2.1 伸缩臂叉装车需求分析 随着国内物流、安装等行业顺应国际潮流而快速发展,市场上对高举升、 大卸距装载机械的需求日趋迫切。由于伸缩臂叉装车具有超常的大作业范围、 优越的平动升降、大行程的伸展功能以及独特的小净空结构,其应用范围主要 有: 1)物流行业货物流通过程中的仓储、装卸、搬运环节; 2 )工业垃圾收集、储运及预处理行业; 3 )农村对农作物的晾晒、收集、包装、储运及处理作业; 4 )农村小型土、石方工程; 5 )露天工程、设施的设备安装作业; 6 )道路、市政工程、邮电及电力设施的设备安装作业; 7 )石材流通领域中石板材、石雕产品货柜的装卸; 8 )工厂企业中的物资装卸及设备维护; 9 )船舱物资的装卸作业; 10)园林企业的树木维护; 11)低层建筑的物料搬运。 国内不同行业对伸缩臂叉装车的使用要求也不同,具体为: 1)国内存在大量的小型煤炭、砂石料、饲料等散状物料储运相关企业, 大都采用中小型装载机进行物料的搬运和堆积。 2 )随着铁路高帮敞车和公路高帮货车及厢式货车的普及使用,目前常规 装载机与叉车的作业范围与实际作业需求不相适应。 3 )对于一些常见的非常规的特殊装卸、搬运作业,如在非固定场所进行 以下各种散装作业:敞开或盛装液体容器等不可倾斜物料的装卸、 “隔墙”装 卸、越沟作业、 “腹下”小净空安装工程、高温物料的装卸等等,一直以来, 都需要采用特定的配套装备和操作工艺,耗费人力、物力资源,作业周期长。 而采用伸缩臂叉装车,可以轻而易举地实现高效率、低成本。 另外,从INTERMAT 2006 国际建筑及土木工程机械博览会可以看出,参 [44] 展的小型工程机械种类中,伸缩臂装载机、伸缩臂叉车等产品明显增多 。其 6 第二章 需求分析与总体设计 主要原因是由于欧美等发达国家大规模的建设时期已经过去,施工建设以维护 为主,因此,对小型机械的需求较大。 未来的中国,一方面大规模的经济建设仍将继续,另一方面,维护改造的 工程会不断增加,伸缩臂叉装车的优势可以充分的发挥出来。未来四年国内市 场需求高速增长,每年增长将维持在千台以上。 通过综上所述,中国的伸缩臂叉装车未来几年内必然会有良好的市场前景。 2.2 产品可行性分析 伸缩臂叉装机作为往高空输送物料的复合型多功能机械设备,用途十分广 泛。国内市场正处于发展初期阶段。开发DT9A30 伸缩臂叉装车,为我公司增 添一种新型产品,以大大低于进口相同机型的价格占领市场。 在当今社会市场竞争日趋激烈。以产品为主导的卖方市场正逐渐被以顾客 为中心的买方市场所取代。产品的质量能否满足客户的需求,以及是否具有快 速的市场反应速度,决定了产品的市场竞争能力。质量屋正是一种将顾客的需 求信息合理有效的转换为产品设计开发等阶段的技术目标的方法。它综合考虑 客户要求、技术指标、市场状况及其相互间的作用关系对产品的质量功能的影 响。根据质量屋的分析结果,设计开发人员可以看出初始方案中各要求之间的 优先次序。找出不足,从而对初始方案进行取舍、调整、修改和优化。使设计出 的产品更能在质量功能上同时兼顾客户、生产商和社会三者之间的要求。 质量屋通常以形似房屋的图形构成,其各要素由以下几个广义矩阵组成。 如图2-1 所示。 图2-1 质量屋结构图 7 第二章 需求分析与总体设计 左墙:客户的质量要求,表示需求什么,即WHATS 矩阵; 天花板:技术指标,表示针对客户的需求怎么样去做,即HOWS 矩阵; 房间:关系矩阵,表示WHATS 项与HOWS 项之间的相互关系; 屋顶:HOWS 之间的相互关系矩阵,表示HOWS 矩阵内各项的相互关系; 地板:表示HOWS 项的组织度,又称为评价矩阵; 右墙:竞争性或竞争力分析比较,从顾客的角度评估产品在市场上的竞争 力; 地下室:竞争的技术能力评估。 质量屋的生成过程如下: 1)通过对客户反馈的使用信息进行分析,得到用户对产品的主要质量要 i 求,列于质量屋的左墙。按用户对质量要求的重要度打分,经统计处理后第 项 x (i 1,2,3,...,n)  用户要求质量的平均值为 i ,第 i 项用户要求质量的权数 为: i n  x / x (2-1) i i i i 1 把客户对质量要求以及对应权数列在图的左墙。 2 )根据对用户的要求质量进行分析,列出满足用户要求质量的技术指标, 并将各技术指标要素列在质量屋的天花板上 3 )确定质量屋的关系矩阵。 根据用户的质量要求与对应的技术指标之间的关系以及强弱的程度,用下 列符号列于质量屋的房间内: @——强相关 #——相关 &——弱相关 空白——不相关 在第 i 项用户要求质量所在行与第 j 项技术指标所在列的交会格中, 填 上表示两者关系强弱的符号, 就形成质量屋的关系矩阵。 4 )进一步确定质量要素的重要程度。 QFD方法通过加权评分把质量要素的重要度予以量化。其方法为: 对关系 符号按强弱给分。一般要根据实践情况结合经验给出分数。例如此处给分如下: @——5分 #——3分 &——1分 空白——0分 8 第二章 需求分析与总体设计   R R j 这样关系矩阵就化为配分矩阵 , 是第 项用户要求质量与第 项质 i ij ij j m R 量要素的关系分配。于是第 项质量要素的重要度 为各 的加权之 和,  j ij i 即: n m  R (2-2 ) j i ij i 1 j  把它们规范化为质量要素的权数,第 项质量要素的权数 为: j n  m / m (2-3 ) j j j j 1  把质量要素的各权数 记于质量屋的地面上,据这些质量要素的各权数就 i 可以定出哪些是关键、重要的质量要素。 5 )确定质量计划。 确定质量计划的第一步是进行比较分析。 对于新产品来说,要把企业当前的产品与市场竞争对手的同类产品的质量 进行比较,从用户的角度来比较优劣。作为新产品质量计划的依据。 确定质量计划的第二步是制定新产品的质量计划。 通过本企业产品的要求质量与其它同类产品的要求质量达到的水平。确定 本企业新产品要达到的质量水平,即新产品的计划质量。 6 )各质量要素的相关矩阵。 三角形的相关矩阵构成“屋顶”此三角形矩阵描述各质量要素之间的相关 性,相关程度由有经验的专家组予以评定。 7 )确定设计质量。 质量要素只说要做某件设计工作,需要明确做到什么程度,应该有一个量 化的目标。对每一项质量要素,有一个具体的设计质量。各设计质量构成地板。 8 )技术竞争能力评估。 设计质量反映新产品技术措施达到的水平。它们还需要与其它企业的同类 产品的设计质量相比较,分析新产品在市场上的技术竞争能力。一般把某些设 计质量达到的水平分为五级,最低为一级,最高为五级。技术竞争能力本来就 是一个相对量,所以不予规范化。 本文将采用质量屋的图解法建立顾客需求和技术设计需求之间的相互联 系。如图2-2 所示。 该质量屋由以下几要素组成: 左墙:顾客需求,表示客户需求什么,例如:性能优良、价格合理、使用 安全等各种客户在选择产品时需要考虑的因素,并且以权重的形式给出了客户 对各种需求的关注程度。 9 第二章 需求分析与总体设计 天花板:技术指标,表示针对需求怎么去做,例如:传动系统、平衡系统、 操纵系统等各种技术措施以满足客户需求。 房间:相关关系矩阵,表示技术指标与顾客需求之间的关系。分别有四种 关系:&——弱相关、#——相关、@——强相关、空白——不相关。并分别给 出其分值。 地板:技术指标评价,表示各项技术指标相对于顾客需求所占的重要程度。 通过公式 (2-2 )可以计算得到各项技术指标所得绝对重要性数值,然后再通过 公式 (2-3 )可以计算得到各项各项技术指标得相对重要性数值。 图2-2 质量屋结构图 10 第二章 需求分析与总体设计 右墙:竞争性分析,表示现在市场上国产伸缩臂叉装车产品的竞争力。 地下室:竞争技术指标,列举了三种国产伸缩臂叉装车产品:A——山河 智能、B——胜利、C——夏嘉,在各项技术指标设计质量达到的水平。共分为 五级,最低为一级,最高为五级。 屋顶:各技术指标之间的相互关系。 通过技术指标评价的分析可以知道各项技术指标需要明确做到什么程度。 以满足客户的需求。 从图2-2 质量屋结构图分析结果确定公司开发的DT9A30 伸缩臂叉装车主 要目标: 1)强劲有力的传动系统。采用性能卓越的康明斯发动机,DANA车桥和变 速箱,动力强劲,传动高效,性能可靠,节能环保。 2 )性能优良的悬挂系统。前桥调平,后桥浮动,后桥的刚性锁死以及前 桥的车架调平功能,极大提高越野性能和驾驶舒适性。 3 )轻便灵活的转向系统。具有可任意切换的三种转向模式,能满足各种 作业工况需求。 4 )整机左右偏摆±10°的功能。通过操控偏摆功能调校角度,使上机体 处于水平位置。 5 )低动臂设计可增强稳定性扩大视野。 6 )单柄先导控制装置可最有效地控制动臂和附件。使各种动作具有良好 的微动性、平稳性,极大的降低了操作者的操作难度。 7 )行车湿式制动系统,使制动更加可靠安全。 8 )配置前部稳定器,使作业更加安全可靠。 9 )工作属具具有自动放平功能,避免了操纵人员的误操作带来的危险和 损失。 2.3 伸缩臂叉装车产品的总体设计 2.3.1 伸缩臂叉装机系统分类 伸缩臂叉装车系统一般分为:发动机系统;变速箱系统;操纵系统;转向 液压系统;手制动系统;变矩器系统;驱动桥系统;工作液压系统;脚制动系 统;车架系统;工作装置系统;驾驶室系统;覆盖件系统;标识系统;电气系 统; 发动机系统的作用是给车辆提供用以行走和工作的动力,包括: 发动机、 发动机附件、冷却系统、进、排气系统、加速及熄火系统。 11 第二章 需求分析与总体设计 变速箱系统作用是将变矩器输出的动力传递给驱动车轮,并根据车辆行驶 条件的变化,相应的改变驱动车轮旋转方向,主要由变速箱及其安装支架组成。 操纵系统的作用是操纵装载机进行前进后退行驶和完成各种作业动作,由 变速操纵和工作操纵两部分组成。 转向液压系统的作用是驱动整机进行左右转向,主要由转向器和转向油缸 及连接液压管路组成。 手制动系统作用是保证整机在停止作业时处于相对静止状态,一般是由变 速箱自带的手刹盘通过操纵手柄来实现。 变矩器系统作用是将发动机系统提供的动力传递给变速箱,并根据车辆行 驶条件的变化,相应的改变驱动车轮的扭矩和转速,包括:变矩器、安装支架、 连接管路。 驱动桥系统作用是将变速箱传递过来的动力进行减速,驱动整机前进或后 退,包括前驱桥、后驱动桥、传动轴。 工作液压系统的机械能转化为油液的压力能,再将压力能通过油缸转化为 机械能,它是一种能量转换装置,它包括:液压泵;多路阀;转向器;下降阀; 液压管路系统。 车架系统的作用是给发动机系统、变速箱系统、变矩器系统、驱动桥系统、 工作装置系统等以可靠的载体,并将这些系统合理的分布固定,以发挥其最大 效用。 工作装置系统的作用是直接承受货物的重量,完成货物的叉取卸放,升降 堆码等装卸作业,它包括:基本臂、伸缩臂,框架总成,货叉总成,倾翻油缸 等组成。 驾驶室系统的作作用是在保障人身安全的前提下,辅助驾驶员舒适的驾驭 车辆,包括驾驶室、仪表盘、座椅等。 覆盖件系统的作用是用保护各内部部件,对个旋转部件进行防护,并使车 辆拥有靓丽的外观,它包括:机罩;挡泥板;液压油箱、燃油箱、平衡重等。 标识系统主要是辅助驾驶员对整机操作和保养进行了解,警告人员可能出 现的危险,产品的标示。 电气系统的作用是给动力系统和照明、提醒等辅助设备提供电力,它包括: 蓄电池;线束;辅助照明设备等等。 2.3.2 技术方案及特点 借鉴国内外伸缩臂叉装车的先进技术,并通过质量屋的分析,我公司的伸 缩臂叉装车采用东风康明斯发动机,DANA 湿式制动车桥、DANA 全自动电控 12 第二章 需求分析与总体设计 变速箱;双泵合分流液压系统,转向优先,先导操纵;货叉自动调平装置,前 桥调平,后桥浮动及后桥的刚性轴锁功能。从而开发研制出价格适中,技术先 进,结构可靠,满足市场要求的DT9A30 伸缩臂叉装车。 借鉴国内外伸缩臂叉装车的先进技术和质量屋的分析,设计开发 DT9A30 伸缩臂叉装车。主要采用以下方案: 1)强劲有力的传动系统 采用性能卓越的东风康明斯发动机,DANA 车 桥、DANA 变速箱,动力强劲,传动高效,性能可靠,节能环保。 图2-3 所示为DANA 公司伸缩臂叉车驱动桥(212 ),其特点是: ① 前后桥可转向摆动驱动车桥; ② 行车制动采用前后桥湿式制动; ③ 驻车制动采用后桥湿式制动。 图2-3 DANA 驱动桥 DANA 公司伸缩臂自动换档变速箱(1104FVDT12465S,见图2-4 )具有如 下特点: ① 自动电控换档功能 ② 换档缓冲功能,消除换档冲击。 ③ 配有微动阀,主要是实现对离合器的降压,随着微动阀的逐步打开,离 合器压力持续下降,摩擦片开始打滑,实现微动效果。 图2-4 DANA 变速箱 13 第二章 需求分析与总体设计 2 )性能优良的悬挂系统 3 )前桥调平,后桥浮动,使得该机具有极佳的缓冲和吸振效果,后桥的 刚性 “轴锁”以及前桥的车架调平功能,极大提高越野性能和驾驶舒适性。 4 )采用双泵合流,转向优先的液压系统,主要液压元件采用国际成熟的 伸缩臂叉装车配置产品。 5 )轻便灵活的转向系统。具有可任意切换的三种转向模式 (前轮转向、 四轮转向和蟹行转向),能满足各种作业工况需求;再加上轻便灵巧的液压油 缸助力转向功能,大大提升了该机的机动性和灵活性。 6 )整机左右偏摆±10°的功能。通过操控偏摆功能调校角度,使上机体处 于水平位置。 7 )低动臂设计可增强稳定性扩大视野。 8 )单柄先导控制装置可最有效地控制动臂和附件。使各种动作具有良好 的微动性、平稳性,极大的降低了操作者的操作难度。 9 )湿式制动系统,使制动更加可靠安全。 10)配置前部稳定器,使作业更加安全可靠。 11)工作属具具有自动放平功能。伸缩臂在进行变幅动作时,工作装置不 需要任何操纵,始终保持与地面的平行。既保证了工作效率的持续性和快速性, 同时又保障了安全生产的重要性,避免了操纵人员的误操作带来的危险和损失。 12)配置空调系统。采用风道输送方式。 2.3.3 设计参数 最大承有效载荷 (N ):30000 ; 水平位外伸最大有效载荷 (N ):12500 ; 最大举升高度 (mm ):6500 ; 水平位最大外伸长度 (mm ):3500 ; 整机重量 (kg ):8200; 传动方式:液力机械传动; 驱动模式:四轮驱动; 节臂数量:2 ; 整机长度(mm ):5050 ; 整机宽度(mm ):2270 ; 整机高度(mm ):2420 ; 轴距(mm ):2850 ; 14 第二章 需求分析与总体设计 轮距(mm ):1860; 最小离地间隙(mm ):430 ; 转向模式:三种模式; 最大行驶速度(km/h ):32 ; 发动机额定功率(kW ):74 ; 货叉翻转角度(°):118; 向上/ 向下变幅(s):7.1 /4.1 ; 伸出/ 回缩(s):8.1/5.1 ; 转弯半径 (轮胎外侧) (mm ):3960 。 2.3.4 伸缩臂叉装车电控系统 电控系统分为3 个子系统:工作系统、底盘系统和安全系统。 工作系统的主要功能是实现伸缩臂叉装车的叉装、吊运、载人等。底盘部 分主要完成车辆行走的基本功能,如行走、转向(三种转向模式:前轮转向、 四轮转向和蟹行转向) )、制动以及照明等。 安全部分主要为了满足安全性的需要。 1)采用 3B6 公司的控制器及其力矩限制器的力矩控制系统。伸缩臂叉装 车的力矩限制系统能够在负载产生的倾翻力矩使叉车纵向稳定性出现危险时, 以声音和显示信号向操作人员发出警示。当倾翻力矩达到设定的极限值时,系 统可以自动关闭使纵向稳定性继续恶化的操作即伸缩臂伸出或降低,但允许其 他的操作。这时只有将伸缩臂举升或缩回,才能解除液压操作的锁定。 2 )在第一节臂上安装限位开关在伸缩臂伸出到最大长度时限位开关动作, 使伸缩臂停止伸长。 3 )伸缩臂变幅举升达到58 度角时,接近开关将会自动断开举升的油缸的 电磁阀,使其停止举升,使机器保持其稳定性达到机器的安全作业的目的。 4 )后桥轴锁当机器作业时,举升变幅达到30 度时,由开关控制电磁阀使 后桥油缸动作使后桥处于支撑状态,使机器后桥锁死而不能摆动,以此增强了 机器的稳定性,当机器行走时使后桥处于浮动状态。 2.3.5 伸缩臂叉装车液压系统 伸缩臂叉装车液压系统采用定量泵系统。该系统由:作业液压系统、转向液 压系统、制动液压系统、先导液压系统组成。 作业液压系统由齿轮泵、阀、油缸、管路等组成,主要功能是实现伸缩臂 叉装车的叉装、吊运、载人等作业。 15 第二章 需求分析与总体设计 作业液压系统的油缸主要包括: 1)变幅油缸 (1 个); 2 )随动油缸 (2 个); 3 )伸缩油缸 (1 个); 4 )翻斗油缸 (1 个)。 工作装置的油缸布置如图2-5 所示。 图2-5 油缸布置图 1-变幅油缸;2 -随动油缸;3-伸缩油缸;4 -翻斗油缸 转向液压系统有三种转向模式:前轮转向,四轮转向,蟹行转向。转向液 压系统有包括优先阀,油缸 (在桥上),转向器,管路等 制动液压系统分为行车制动和驻车制动。制动液压系统分包括制动泵,充 液阀,蓄能器,制动器等,选用micro 品牌。 根据 DANA 提供的数据制动油液体积 8.6CC 压力 40Bar ,驻车制动压力 40Bar , 先导液压系统包括先导油源块、先导手柄、管路等。 一个十字先导手柄控制两片多路阀工作片,再通过两个电切换阀用同样的 手柄控制另外两片。先导手柄带一个两位翘板开关。 调平液压系统包括前后桥支撑油缸、支腿油缸、液压锁、后桥浮动阀块等。 2.3.6 整机尺寸及布局 根据设计要求,参照曼尼通公司的MT-X 1030 型号伸缩臂叉装车的外形 尺寸,设计伸缩臂叉装车整机尺寸如图2-6 所示。 主要结构参数如下: 总长:5050mm 总宽:2270mm 16 第二章 需求分析与总体设计 总高:2420mm 车架离地间隙:430mm 轮距:1860mm; 轴距:2850mm ; 整机质量:约8.2 t。 图2-6 伸缩臂叉装车整体布局简图 2.3.7 作业高度及其幅度计算 根据叉装车特点,为了方便分析,各个铰点的坐标是以两轴中心线与变幅 平面交点的中点为原点坐标建立的。建立数学模型如图2-7 所示。 根据《BS_EN_1459-1999》对作业高度的要求: h h (l sl) sin() h (2-4 ) o1 1 p 1 h h 1675 式中: ——臂架后铰点到地面的高度, o1 mm ; o1 17 第二章 需求分析与总体设计 l ——臂架全缩时臂架后铰点与货叉与臂头连接铰点的距离, 1 l 4512mm ; 1 sl ——油缸伸长量,sl 2300 mm ; max h ——货叉与臂头连接铰点距货叉顶面高度,h 352 mm ; p 1 p 1 α ——臂架仰角,α变化范围为-4°~60°;α =-4°,α =60°。 f y 当油缸全伸,臂架仰角达最大值时,货叉达到最大作业高度时: hmax=6722mm 图2-7 数学模型图 根据《BS_EN_1459-1999》对幅度的规定,按以下公式计算: R (l1 sl) cos() Hk sin() loo1 lp 1 (2-5 ) 式中:α——臂架仰角,其变化范围为 4~ ; -4; 60; 60 f y sl——油缸伸长量,sl 2300 mm ; max l ——臂头铰点到后铰点的距离(平行臂架方向),全缩时为4512mm ; 1 HK——臂头铰点到臂架后铰点垂直臂架方向的距离845mm; l —— 后铰点到前支腿边缘的距离,l =4431mm ; oo 1 oo 1 18 第二章 需求分析与总体设计 l ——— l 为载荷重心到前铰点的距离,l =845mm ; p 1 p 1 p 1 当臂架水平全伸时幅度为最大R=3225mm ,此时油缸伸长量为2300mm 。 2.4 本章小结 本章通过对伸缩臂叉装车市场的需求进行分析,得出未来几年中国的伸缩 臂叉装车将有良好的市场前景。利用质量屋方法讲顾客需求转换为产品技术需 求,最终得到零部件的技术特性指标,为整车总体设计提供主要参考。本章分 析了该车型的技术方案及其特点。列出来该车型的设计参数;介绍了该车型的 电控系统、液压系统;给出了整机尺寸、整机布局、作业高度、作业幅度。 19 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 3.1 货叉平动机构的设计 伸缩臂叉装车可以完成物资装卸载、吊装、堆码垛、集装箱装掏箱、高空 或跨障碍输送、吊装等作业。该车的多种作业是通过伸缩臂的变幅来实现的, 但是在伸缩臂变幅的过程中,其前端货叉的水平角度也随之改变。若在变幅的 过程中不能一直保持货叉的水平状态,就会发生货物的滑落事故,因此货叉调 平机构是该车是否能够保证顺利完成作业,并保证货物及人生安全的重要机构。 货叉调平的形式主要有两种方式,既电子调平和机械式调平。 电子调平方法,是在伸缩臂销轴和货叉销轴处设置若干个角度位移传感器, 并与控制器和液压系统组成一个闭环控制系统,当伸缩臂变幅时,传感器采集 角位移信息并传送至控制器,控制器根据该信息指令液压系统对货叉架翻转液 压缸的缸杆或无杆腔进行补油,控制货叉架进行相应的调整,调整信息由货叉 架销轴处的传感器采集并反馈到传感器,控制器计算比较两个销轴处的角位移 信息,自动调整对翻转液压缸的补油流速,从而在伸缩臂变幅过程中使货叉时 钟保持水平或者预先调定的角度。该方法的有点是调平精度高,但是由于货叉 主要在野外作业,作业环境恶劣,其可靠性和寿命存在问题,且成本较高,目 前应用不多。 机械调平是根据液压补偿原理达到自动调平的目的。该方法的优点是结构 简单,可靠性高,环境适应性高,成本低,寿命长,是目前采用较多的方法。 本次设计的DT9A30 伸缩臂叉装车采用机械调平,其机构如图3-1 所示, 液压原理如图3-2 所示。 图3- 1 调平机构示意图 1-翻转油缸;2 -伸缩臂;3-变幅油缸;4 -机架;5-随动油缸 20 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 图3-2 机械调平液压原理图 1-翻转油缸;2 -随动油缸 随动油缸的有杆腔和翻转油缸的有杆腔相通,随动油缸的无杆腔和翻转油 缸的无杆腔相通。 当伸缩臂在变幅油缸的推力下逆时针变幅时,随动油缸受到拉力变长,有 杆腔在拉力的作用下将液压油压入翻转油缸的有杆腔,使得翻转油缸收缩,货 叉按顺时针方向运动,同时其无杆腔中液压油受到压进入随动油缸的无杆腔。 当伸缩臂在液压系统和重力作用下做顺时针运动时,随动油缸受压回缩, 其无杆腔中液压油被压入翻转油缸的无杆腔中,使得翻转油缸伸长,货叉做逆 时针。 这样就可以实现货叉的调平动作。在理想状态下如果能使货叉转动角度与 伸缩臂的转动角度保持一致。则就能使货叉一直保持水平状态。无需驾驶员刻 意操作就可以保证货物及人员的安全。 3.2 翻转油缸及其铰点的设计及计算 3.2.1 翻转油缸的设计要求 1)翻转油缸需要承受的力 该车最大有效载荷为30000N,及在货叉翻转的角度范围内都必须能够支持 起货物及货叉的重量之和。 2 )货叉翻转的角度 货叉在水平位置最低时,仰角大于10°,在伸缩臂变幅角度最大时及60°仰 角时候货叉俯角为大于40°。 3 )货叉的举升和下降的时间 货叉的举升时间为3.5s-4s 之间;货叉的下降时间为2s-2.5s 之间。 最终设计完成如图3-3 (伸缩臂在最低位置)所示。 21 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 图3-3 翻转油缸示意图 3.2.2 翻转油缸力的确定 货叉与伸缩臂铰接点:A 点; 翻转油缸最长时与货叉铰接点:B 点; 翻转油缸最短时与货叉铰接点:C 点; 翻转油缸与伸缩臂铰接点:D 点; 货物质量:Ghw 3000kg ; 货叉质量:Ghc 500kg ; 货物重心点到点A 水平距离:lhw 765mm ; 货叉重心点到点A 水平距离:lhc 190mm ; 如图所示B 点,C 点与D 点处于一条直线上面,则A 点到该直线的距离为 翻转油缸力臂最短距离:h 126mm ; fx 翻转油缸承受的最大作用力: G g l G g l f c hw hw hc hc 186 (kN) (3-1) h fx 翻转油缸的无杆腔直径:Df 150mm ; 翻转油缸的杆径:df 100mm ; 翻转油缸系统压力:P 19MPa ; fx 翻转油缸无杆腔推力: 22 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 D F ( f )2 P 335.758 (kN) (3-2 ) fw 2 fx 翻转油缸有杆腔推力:  Df 2 df 2  F ( )  ) P 186.532 (kN) (3-3 ) fy   fx  2 2  由以上公式(3-1)与(3-2 )可知f c Ffw ,由此可见翻转油缸在受力方面 满足设计要求。 3.2.3 翻转油缸行程的确定 图3-3 中:伸缩臂最低时货叉最大仰角: 12; fy 伸缩臂最低时货叉最大俯角: 107; ff   10满足设计要求; fy 伸缩臂最大俯角: -4; f 伸缩臂最大仰角: 60; y  - ( -) 4340满足设计要求; f f y f 由以上计算可知翻转油缸在货叉翻转角度方面满足第2 条设计要求。 翻转油缸的行程:   Lf 2 hfx tan( fy 2 ff ) 431 (mm) (3-4 ) 根据设计手册以及油缸厂确认后确定了翻转油缸的最短尺寸为: Lfd 791 (mm) 3.2.4 翻转油缸举升和下降的时间 系统流量: R =131.46L/min; x 系统流量系数:S 0.9 ; x 翻转油缸举升时间: 2 D   f L    f   2   T 3.863 (s) (3-5 ) fs R S x x 翻转油缸下降时间: 23 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计  D 2 d 2      f f      L    f      2 2       T 2.146 (s) (3-6 ) fj R S x x 由公式(3-5 )、(3-6 )分别求得翻转油缸举升时间与下降时间结合设计要 求可知 3.5s T 4s fs 2s T 2.5s fj 由此可知翻转油缸的举升和下降动作所需要消耗的时间满足设计要求。 3.3 变幅油缸及其铰点的设计及计算 3.3.1 变幅油缸的设计要求 (1)油缸需要承受的力 该车最大有效载荷为3000kg,在伸缩臂收缩且变幅位置最低时,需能举升 起3000kg 的货物。 (2 )伸缩臂变幅的角度 根据设计要求伸缩臂的变幅角度为:伸缩臂最大俯角f -4、伸缩臂最 大仰角: ,所以变幅油缸的行程必须确保 与 的数值。  60   y f y (3 )伸缩臂的举升和下降的时间 伸缩臂的举升时间为7s-7.5s 之间;货叉的下降时间为4s-4.5s 之间。 最终设计完成如图3-4 (伸缩臂在水平位置)所示。 图3-4 变幅油缸示意图 24 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 3.3.2 变幅油缸力的确定 机架与伸缩臂铰接点:O 点; 货物质量:Ghw 3000kg ; 货叉质量:Ghc 496kg ; 伸缩臂重量:Ghc 500kg ; 货物重心点到点O 水平距离:lhb 5305mm ; 货叉重心点到点O 水平距离:lcb 4675mm ; 伸缩臂重心点到点O 水平距离:lsb 2223mm 如图3-4 所示在伸缩臂处于水平状态时,货物、货叉及伸缩臂的重量对O 点产生的力矩最大,该状态下变幅油缸轴心线相对于 O 点力臂为: hsb 816mm ; 变幅油缸承受的最大作用力: Ghw g lhb Ghc g lcb Gss g lsb f b 262.6 (kN) (3-7 ) h sb 变幅油缸的无杆腔直径:Db 140mm ; 变幅油缸的杆径:db 90mm ; 变幅油缸系统压力:P 26MPa ; bx 变幅油缸无杆腔推力: 2 D   F b πP 400.292 (kN) (3-8 ) bw   bx 2   变幅油缸有杆腔推力:  D 2 d 2      F b - b πP 234.834 (kN) (3-9 ) by      bx 2 2      由以上公式(3-7 )与(3-8 )可知f b Fbw ,由此可见变幅油缸在受力方 面满足设计要求。 3.3.3 变幅油缸行程的确定 图3-4 中: 伸缩臂最大俯角:α -4; f 伸缩臂最大仰角:α 60; y α l 1343mm 伸缩臂最大俯角 时,油缸最短: ; f bd 25 第三章 伸缩臂叉装车关键部件设计 α 伸缩臂最大仰角 时,油缸最长:l 2272mm ; y bc 变幅油缸的行程: L L L 929 (mm) (3-10 ) b bc bd α 由上可知为了确保伸缩臂的最大俯角 与最大仰角 ,变幅油缸的行程 α f y 必须确保为929mm。以确保伸缩臂的变幅角度。 3.3.4 变幅油缸举升和下降的时间 系统流量:R 131.46 L / min ; x 系统流量系数:S 0.9 ; x 变幅油缸举升时间: 2 D   L  b π b 

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