陈立华

（龙工（上海）叉车有限公司，上海 201612）

叉车在物流行业扮演着非常重要的角色，是物流搬运设备中的主力军，随着环保要求越来越高，蓄电池叉车越来越受到用户的青睐。本文以1.5 t蓄电池叉车为例，对叉车的设计及优化进行了论述。

1 蓄电池叉车的总体介绍

1.1 蓄电池叉车的结构组成

蓄电池叉车由动力装置、传动装置、转向装置、液压装置、护顶架、平衡重和工作装置组成，其整体结构如图1所示。

图1 蓄电池叉车结构

1.2 应用

蓄电池叉车用于货物的搬运，选择叉车吨位时，如果货物的重心小于或等于叉车的载荷中心距，起升高度为标准的起升高度时，所选的叉车额定起重量等于或大于货物的重量即可，反之，则根据叉车载荷曲线图来确定叉车的吨位。

1.3 蓄电池叉车的工作原理

蓄电池叉车是以蓄电池为动力源，打开钥匙开关，接通电源，负责起升的电机带动齿轮泵工作，齿轮泵从油箱中吸油，通过滤油器排出高压油液，为工作装置及转向系统提供液压油，进而完成起升、倾斜、转向等操作。踩下加速踏板，行走电机通过减速箱降低转速，增大扭矩，为驱动车轮提供动力，带动叉车运行。起升电机和行走电机均由控制器进行控制[1]。

2 蓄电池叉车主要性能参数计算

额定起重量Q=1 500 kg，载荷中心距c=500 mm，最大起升高度H=3 000 mm，轴距L=1 380 mm，门架倾角前倾α=6°，后倾β=8°，前轮自由半径r=270 mm，满载滚动半径约245 mm，前轮距2B=910 mm，前悬距b近似等于1.4r，空载最大行驶速度15 km/h，满载最大行驶速度14 km/h，空载最大起升速度450 mm/s，满载最大起升速度350 mm/s。

2.1 蓄电池叉车自重的估算

蓄电池叉车的设计过程需通过反复校验，对参数不断修正，直至各部件设计完毕。叉车设计初期，为计算电机功率，进行整机稳定性校验等，前悬距可通过收集行业上类似产品资料，或通过桥负荷估算叉车自重。通常，空载时中小吨位叉车后桥负荷占车辆自重的50%～60%，R后’=x’G，满载时后桥负荷占车辆自重的10%～15% ，R后=x(G+Q)。

叉车空载时，对前桥中心取矩：

叉车满载时，对前桥中心取矩：

G为整机自重，kg； 取x’=0.5，x=0.12。

2.2 牵引电机选择

满载时前轮牵引力：F=0.025*（Q+G）*9.8=0.025*（1 500+2 985）*9.8=1 099 N。

满载时前轮的输出力矩：T=F*r’/1 0 0 0=1 099*245/1 000=269 N·m。

满载时电机输出力矩：T电机=T/i=269/20.385=13.2 N·m。

电机转速：n=V*i*1 000*60/3.6/r’/6.28/0.95=3 254 r/min。

电机功率：P=T电机*n/9 550/0.88=13.2*3 254/9 550/0.88=5.11 kW。

式中，V为满载行驶速度；i为传动比；r’为前轮滚动半径。

考虑到爬坡及安全，选取电机功率为1.5倍的系数，故选取的电机功率为8 kW。

2.3 泵电机的选择

货叉及叉架重量：184 kg。内门架重量：114 kg。起升缸缸径：45 mm。

起升缸承载重量：2*（1 500+184）+114=3 482 kg。

起升缸流量：V*3.14*(45/2)2*60/106=33.4 L/min，式中，V为满载起升速度350 mm/s。

油液压力：3 482*9.8/2/[3.14*(45/2)2]=10.7 MPa。

泵的输出功率：（0.5+33.4）*10.7*10/612/0.95=6.2 kW。0.5为优先阀分流量，单位L/min。

考虑到超载，选取泵电机的功率为1.5倍的系数，故选取的泵电机功率为10 kW，额定转速为2 200 r/min。

2.4 齿轮泵的选择

齿轮泵的排量（0.5+33.4）*1 000/2 200/0.9=17.12 mL/r，故选取泵的排量为18 mL/r。

2.5 平衡重重量的验算及设计

通常各部件确定后，需确定平衡重的重量，平衡重的重量及重心决定着整机性能，偏重时，成本增加，偏轻时，满载时后桥荷比偏小，整机稳定性差，一般根据静稳态系数经验值计算平衡重重量。通过三维建模，可计算出空载时整车重心位置h0=328 mm，a0=693 mm，静稳态系数K=Gl0/Q(b+c)=1.57，一般情况下，静稳态系数值在1.4～1.5范围内，额定起重量小的叉车取大值，根据计算得知，平衡重的重量可适当减小。

平衡重设计时，其吊装点应基本与平衡重重心重合，便于平衡重的装配和拆卸。平衡重的安装一般采用悬挂加螺栓固定方式，安装斜块的角度一般取45°～60°，角度越大，配重固定越牢固。平衡重设计时，在结构允许的前提下，尽可能降低重心，提高叉车的稳定性。

2.6 稳定性计算

由于叉车载荷重心位于前轮支撑点之外，在作业过程中有纵向倾翻的危险，或当叉车转弯过急、高速转弯时有横向倾翻的危险，设计过程中必须对叉车进行稳定性计算。根据GB/T 26949.2—2013平衡重式叉车稳定性标准，采用倾翻角度来衡量叉车的四种状态稳定性[2]。

2.6.1 纵向静稳定性实验

门架垂直，前轴与倾斜平台平行，额定载荷，起升到最大高度H=3 000 mm，根据平行力系合成原理，此时满载联合重心：

tgφ=a1/h1=0.12，大于标准规定的4%坡度。

2.6.2 纵向动稳定性实验

门架后倾到底，前轴与倾斜平台平行，额定载荷，起升高度s=300 mm，根据平行力系合成原理，此时满载联合重心：

tgφ=a2/h2=0.37，大于标准规定的18%坡度。

2.6.3 横向静稳定性实验

门架后倾到底，前轮着地点和转向桥中心连线与倾斜平台平行，额定载荷，起升高度H=3 000 mm。

tgφ=e/h2’=0.24，大于标准规定的6%坡度。

式中，e为联合重心距前轮着地点和转向桥中心连线的水平距离；r后为满载时后轮静力半径，r后=205 mm；h2’为联合重心距前轮着地点与转向桥轴线形成平面的垂直距离。

2.6.4 横向动稳定性实验

门架后倾到底，前轮着地点和转向桥中心连线与倾斜平台平行，空载，起升高度s=300 mm，此时，重心位置h0=328 mm，a0=693 mm。此工况下，坡度为（15+1.4V）%=36%；

tgφ=e/h2’=0.93，大于标准规定的36%坡度。

式中：r后’为空载时后轮静力半径，r后’=195 mm；V为空载最大行驶速度，V=15 km/h。

3 多路阀操纵杆的布局优化

作为物料的搬运工具，叉车需要频繁地进行起升、下降等操作，多路阀操纵杆操作的舒适性尤为重要，操纵杆的位置直接影响叉车司机操作的舒适性。如图2所示，传统叉车操纵杆多布置在仪表架上，操纵杆离司机手臂较远，长时间操作会造成手臂疲劳。

改进后叉车操作杆布置在座椅右前方（见图2：改进后多路阀操纵杆布局1），离座椅较近，减轻了司机手臂疲劳度。但此布局方案若达到最佳操作舒适度，会影响电瓶盖板的开启，进而影响蓄电池充电及保养。为更好地提高司机操作舒适性，可将操纵杆做成位置可前后调节式（见图2：改进后多路阀操纵杆布局2），叉车工作时，可将操纵杆调至最舒适的位置，叉车充电或保养时，可将操纵杆推至最前端，以打开电瓶盖板。叉车操纵杆机构中的锁紧手柄可将操纵杆位置停留在适合自身身高的位置[3]。

图2 改进后多路阀操纵杆布局

优化后的操纵杆布局，既满足了不同身高人群的操作舒适度需求，又不影响叉车的充电及保养，图3为最终优化后操纵杆调至最前端和最后端示意图。

图3 优化后操纵杆示意图

4 冷库用电瓶叉车需改善部件

蓄电池叉车，尤其是小吨位蓄电池叉车，根据其环保无污染的特点，在冷库中应用较多，但在冷库环境下，车辆液压及电器元件需满足低温环境下正常使用。液压油和齿轮油需根据不同的温度选用不同牌号的油品。整车管路系统必须选用耐低温高压胶管，尤其是门架运动管路。蓄电池在低温环境中容量和性能降低，不工作时尽量不要长时间停留在冷库里面，更不可在冷库里面停车充电；如选用锂电池，则尽可能选择带加热系统的锂电池。蓄电池在冷库中工作时，护顶架尽可能配置防护网，防止冰块等掉落[4]。

5 蓄电池叉车高温环境使用注意事项

对于铅酸蓄电池，当环境温度较高时，电机和电控可加装散热风扇。温度较高时，电解液易缺水，需定期维护蓄电池，及时补充蒸馏水，或选用带自动补水系统的铅酸电池。对于锂电池，环境温度过高会加速电池内部材料老化，缩短电池使用寿命，当温度达到锂电池的设定报警温度时，车辆会停止工作。

蓄电池叉车充电时，充电机需安装在阴凉通风的环境中，远离火源，当充电环境温度较高时，可增加排风设备达到降温效果，避免充电过程中电池高温报警。

6 结语

从实际应用工况来看，以上电动叉车总体结构的系统分析和计算，平衡重和桥负荷的验算，整机稳定性计算，操纵杆优化和特殊环境处理，是可行的。因此电动叉车设计需要理论结合实际，对产品进行优化改进设计，以提高产品的质量及可靠性。