电动升降车技术研究.docx
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电动升降车技术研究
前言
电动升降车是用来存取货物并以直流电源(蓄电池组)为动力,具有能量转换效率高、噪声小、无污染、小巧灵活等优点,在车间、仓库以及食品、制药、微电子、仪器仪表等对环境条件要求较高的场所得到了广泛应用,成为室内、货车取物、物料搬运的首选工具。
近几十年来在我国的电动升降车有了很大的发展,已经有满足不同吨位的升降车大批量生产,技术也很成熟。
我的设计是额定载荷为500KG的电动升降车,希望在小吨位车型领域做出我的一点贡献。
设计结合了叉取货物、升降和牵引的功能。
不仅在技术方面有创新,制造成本也大大降低。
小巧的体积在空间狭窄和环境要求较高的工作场所能满足500Kg以下的货物进出、取用自如。
1概述
1.1工程车辆
用于工业生产、制造、运输的车辆通常称为工程车辆。
一般工程车辆又包括叉车、搬运车、牵引车、升降车和挂车等。
升降车是用来将货物垂直输送到所需位置,叉车则是将货物叉取并安放到一定位置,牵引车顾名思义就是起牵引的作用。
这三种工程车辆在工厂、车间、仓库或工地运用广泛,可以说已是现代工厂不可缺少的工具。
我的设计就是将这三种车辆结合。
起到一车的多用的作用。
1.2工程车辆的特点
一般小吨位工程车辆往往采用内燃机或蓄电池加直流电动机作为动力装置,而通常由无轨轮式底盘与工作装置两大部分组成。
这使小吨位工程车辆与用交流电为动力的起重运输机械在构造方面有很大的差异,而与工程机械有很多相同之处。
这种车辆通常只在工厂、车间、仓库或工地服务。
不上公路行驶,也无需驾驶牌照,有别于汽车一类的交通运输车辆,使用者只需熟悉持有工作证即可。
1.3升降车的分类
升降车按提供动力的装置分为内燃升降车与电动升降车两大类,目前市场以内燃升降车为主。
电动升降车大部分限于小吨位阶段,但发展很迅速。
按升降方式可分为曲臂式、剪式、门架式等种类繁多。
按吨位有500Kg、600Kg、1t等等
1.4升降车的发展趋势
结合计算机和电子技术的快速发展,融合与应用在工业制造中,工程车辆技术也相应得到了很大的提高,升降车也不例外。
1、强化了安全性能。
如装设转向稳定系统,改善作业视野等
2、电子集成化。
减小了体积,控制更加方便快捷等
3、专业化程度加强。
多品种满足更多用户需求,开发新结构、新类型工程车辆
4、统一化。
配件容易,维修方便
5、绿色环保。
环保和劳动卫生法规的加强,低排放、噪声小的工程车辆得到了很快发展。
如电动车辆、使用液化石油气或天然气的内燃机车辆也受到用户的欢迎。
1.5升降车的选用
选用升降车要考虑到其经济性和实用性,如:
维修是否方便,生产率多少和可靠性能要求等多种因素。
对于工厂、车间、仓库使用的升降车,由于工作并不繁忙,使用频率不大,货物大小不一,可选用机械传动、人力传动、人力机械传动或有标准门架的内燃升降车。
这种升降车起重量较大,适应性强,价格低,维修方便。
对环境有特殊要求的场合,比如在室内或食品车间、冷库、制药、微电子及仪器仪表等必须选用无排放、无污染的电动升降车。
对于仓库内部重量不大的小件物品搬运也可选用电动升降车。
应发展的需求我设计一款能够在工作空间狭窄和环境要求较高的场所并能满足500Kg以下的货物存取的多功能升降车。
2本设计的任务要求及基本参数
2.1任务要求
1.电动升降车需满足额定起升重量为500kg,满载起步速度为200mm/s,升起高度为
4100mm.
2.所设计的电动升降车操作简单灵活、体积小、取货运输方便,提升平稳。
3.在空间狭窄的工作场所满足重量不超过500kg的货物存取。
4.设计技术性能先进,在满足可靠性的前提下具有一定创新性。
技术资料正确。
5.撰写的研究报告具有一定的理论性、实用性和独创性。
6.所设计的整机基本参数符合《机械工程师手册》和《现代机械设备设计手册》的标准。
2.2基本参数[1][2]
升降车的设计是以基本参数为依据,并且反应出工作能力。
其基本参数主要有:
1.额定起重量:
升降车运行时允许安全起升或搬运货物的最大质量
2.起重高度:
货叉或载货平台垂直升起的最高位置,货叉或载货平台水平段上表面距离地面的垂直距离
3.载荷中心距:
简单来说就是指的是货叉叉起货物的重心位置。
4.自由提升高度:
即内门架在外门架内货叉或载货平台可自由提升的高度
5.满载行驶速度:
升降车满载时在平直干硬的道路上行驶所能够达到的最高稳定速度
6.满载起升速度:
升降操纵杆及动力操纵装置处于最大位置且额定载荷时起升的速度。
7.最小转弯半径:
当转向盘转到极限位置,升降车以最低稳定车速转向行驶时,外侧转向轮的中心平面在支承平面上滚过的轨迹圆半径。
8.满载爬坡度:
在额定载荷下,按规定的稳定速度所能爬越的最大坡度。
反应了车辆的动力性能和通过性。
这个参数偏小则动力过低,加速性能不好。
偏大则造成能源浪费。
升降车内燃机多为20º,电动多为15º
9.车长:
货叉顶部到车尾部的全部距离。
10.车宽:
升降车两侧面的距离
11.车高:
正常状态下门架顶部到地面的距离。
12.轴距:
前后车轮中心线之间的距离
13.轮距:
车轮在车辆支承平面(一般就是地面)上留下的轨迹的中心线之间的距离。
14.最小离地间隙:
汽车在满载(允许最大荷载质量)的情况下,其底盘最突出部位与水平地面的距离
15.质量:
升降车的总重量
经查《机械工程师手册》、《现代机械设备设计手册》和《叉车设计》500KG电动升降车的基本参数如下:
额定起重量/kg
载荷中心距/mm
起重高度/mm
质量/kg
500
400
3000
1000
满载起升速度/(mm/s)
满载行驶速度/(km/h)
最小转弯半径/mm
满载爬坡度/%
200
6.8
1000
6°
车长/mm
车宽/mm
车高/mm
轴距/mm
2000
800
2100
1000
轮距/mm
最小离地间隙/mm
700
100
3电动升降车结构简介
升降车的主要组成部分有动力装置、转向装置、工作装置、液压提升装置和制动装置。
下图为升降车的主视图。
图1-1500kg电动升降车主视总图
3.1动力装置
为升降车提供动力的装置。
原动机有内燃机和蓄电池-电动机两种。
由于我设计的是无污染,无排放的车辆固采用蓄电池-电动机作为动力。
直流串励电动机的选用使整车动力随阻力的变化而变化。
蓄电池更耐久,寿命更长。
3.2传动装置
由原动机提供动力传递至驱动轮,传动转置大致有:
机械传动装置由离合器,手动变速箱,驱动桥组成。
液力传动装置由变矩器,液力变速箱和驱动桥组成。
液压传动装置由液压泵、阀和液压马达等组成。
电传动装置由电池组、马达,电控单元等组成。
各中传动转置各有其优缺点,按其用途要求不同选用不同的方式。
本电动升降车传动装置采用电动机直接传动差速器的设计占用体积小,造价成本很低,前进、后退速度大致相同且反应速度迅速控制灵活。
3.3转向装置
用来控制升降车的行驶方向,小吨位车型一般采用机械转向,1t以上一般采用动力转向器或液压转向器。
本升降车一般采用机械转向,将转向轮设在车体后部实现短距离转向且方便灵活。
三级减速转置使工作人员转向更轻松、快捷。
且结构简单,安全可靠,制造成本低,维修方便。
3.4工作装置
提升货物和取运货物的机构,又称为门架。
由内门架、外门架、货叉架、链轮、链条、起升油缸和倾斜油缸等组成。
由于普通门架构造密集,使工作者叉取货物时难于看到前面的货物,因此本设计采用了宽视野门架。
应用创新的结构原理,使系统构架简化,减低成本又安全可靠。
3.5液压系统
为叉货平台升降及门架倾斜提供动力,由油泵、换向阀和液压油缸和管路等组成。
采用单作用活塞缸,提升时同时供油避免了偏载门架变型的工况。
3.6制动装置
为车提供刹车制动的装置。
升降车采用常闭鼓式刹车,制动器分布在驱动轮上。
当踩下刹车的时候升降车可以自由移动,在停放或工作的时候自动刹车增加工作的安全性。
3.7牵引装置
拉动其他车辆或物体移动。
牵引功能可以为其他车辆行驶动力,如爬坡等。
还可以拉动体积较大的物体使其引动到所需的位置。
4驱动系统
4.1动力装置作用要求
本升降车动力装置是以蓄电池组和电动机组成,其作用是:
1.为车辆的行驶提供充足的驱动力
2.为工作装置提供足够的动力,如提升液压缸、倾斜油缸等
3.为本车提供一定的牵引力
且动力装置满足以下要求:
1.为满足整车的协调性,各系统有独立驱动装置互不干涉,随时处于准备状态
2.在一定范围内转矩能随运动阻力的变化而变化,减少了能量损耗
3.重量轻,比功率高。
减少了升降车自身重量对能量的消耗
4.造价低廉,在500Kg升降车领域内以低廉的价格优势易于推广
5.便于维修,且可靠耐用。
6.噪声低,没有内燃机轰鸣的发动机声音给工作人员一个较佳的工作环境,以提高工作效率。
4.2电动机
电动升降车都采用蓄电池组和低压直流电动机作为原动机。
驱动行驶机构和工作装置液压泵运转电机采用分别驱动。
驱动运行机构的电动机称为牵引电动机,一般是直流串励电动机,其具有的机械特性适应升降车运行的要求且比较经济。
串励电动机的机械特性
如图4-2(a)中的横坐标为电动机电枢电流,纵坐标分别为电动机的转矩、转速和效率,图4-2(b)中,横坐标为转矩,纵坐标分别为以电枢电流、转速、功率及效率。
两种表示方法可以根据不同作用互相转换。
图中可以看出,串励电动机的转矩增大时,其转速降低;转矩减小时,转速增高,且转矩和转速的变化范围都较大。
a)b)
图4-2串励电动机的机械特性
串励电动机的特性是可以调节的。
调节的方法可以采用改变电枢电压或改变磁通。
过去一般采用在电枢电路中串联不同电阻而同时改变电枢电压及磁通来调节。
如下图4-2(c):
图4-2(c)用串联电阻调节串励电动机的机械特性
图4-2(c)中T为转矩,n为转速。
曲线1为未串联电阻的电动机自然特性曲线,曲线2、3、4为分别串联了依次增大的电阻人为特性曲线。
电动机起动时或要求低速运转时使用人为特性。
这种电动机可以有载起动,起动转矩大。
采用电阻调节的方法电能损失较大,现在多采用晶闸管调速系统,他以高频脉冲供电方法来控制电动机的端电压,以调节电动机的机械特性。
晶闸管调速系统由于没有附加电阻,固不会引起能量损失,可以节约电能[3]。
电动机的励磁绕组与电枢绕组串联如图4-2(d),电枢电流增大时,磁极的磁通也增加,电动机的转矩会根据电枢电流、磁通的增大而提高,在磁极磁通未饱和的情况下,电动机转矩几乎和电枢电流的平方成正比,因此,可在电枢电流较小(与其他励磁型式的电动机比较)的情况下获的较大的转矩。
这种特性减小蓄电池的放电电流也充分利用蓄电池容量,提高了蓄电池组的利用率也增加了使用时长。
图4-2(d)串励电动机电路
市场调查各种直流串励电动机能满足不同吨位电动车,根据蓄电池组额定电压为24V可选用1.5kw的济南科亚电子科技有限公司的DC系列低压直流大功率马达中的串励DC24-1.5电动机。
以满足车辆重载起动,满载爬坡及平路高速运行等多种工况,而不需借助机械变速来实现。
实物如下图4-3:
图4-3串励DC24-1.5实图
DC系列低压直流大功率马达足以满足车辆重载起动,满载爬坡及平路高速运行等多种工况,而不需借助机械变速来实现。
适用于蓄电池供电的各种电动车辆,如电动车、叉车、搬运车、堆垛车、电动摩托等作行走用电动机
1.型号说明
DC24-1.5低压大功率直流电机
1DC表示DC串励(励磁方式)电机,DT表示DC他励(励磁方式)电机.
②24表示额定电压.
③1.5表示额定功率.
2.安装格式
一般来说这类电机采用法兰安装和底脚安装。
安装尺寸如下图4-4:
图4-4串励DC24-1.5的外形及安装尺寸
3.使用条件
①海拔不超过4000米。
2环境温度:
-25度到40度。
③相对湿度:
小于等于95度。
④在海拔不超过1000米时,不超过75K.
4.型号和技术参数如下图4-5:
型号
励磁方式
额定电压
/V
额定功率
/kw
额定电流
/A
额定转速
/
额定转矩
/
DC24-1.5
串励
24
1.5
74
2800
5.3
图4-5串励DC24-1.5的外形及安装尺寸
4.3蓄电池及蓄电池组的选用
市场上出售的蓄电池可以说是千姿百态,人们在选用蓄电池时总希望它体积小、重量轻、耐用、便宜、方便。
可是到目前为止,还没有哪一个蓄电池同时具有上述各种优点。
每种蓄电池都有它的长处,但同时又有其局限性,即使是同样电化学反应体系的蓄电池,也会因结构设计和工艺的变革而使其性能截然不同。
因而首先了解各种蓄电池的特点,方可结合电器产品的实际使用要求和条件去合理选用蓄电池。
从1859年第一个铅蓄电池问世到今天已近150年。
在历史上,不论是军用领域还是民用领域,它都是功不可没的。
即使到今天,铅蓄电池在国民经济的许多领域内仍然高居霸主地位。
在我国几乎所有的工程车辆都使用铅蓄电池,其用途不同有:
起动用铅蓄电池、牵引用铅蓄电池、固定用铅蓄电池、携带用铅蓄电池等。
牵引用铅蓄电池作为动力电源多应用在电动叉车、电动升降车等工程车上。
其特点是:
1.电池的生产工艺成熟可靠、采购方便。
2.价格低廉,这是任何一种蓄电池都无法比拟的。
尤其是作为大型动力电源,
3.电池的均匀性较好。
由于蓄电池大多是成组使用的,各单个电池的均匀性是供电电源可靠性和安全性的根本保证
4.无记忆效应,既可以随时充电,也可以随时放电,使维护工作比较简单,耐滥用性比较好,使用寿命比较长。
5.化学方程式:
负极材料:
Pb正极材料:
PbSO4电解质溶液:
H2SO4
放电过程负极:
Pb-2e-+SO42-=PbSO4
正极:
PbO2+2e-+SO42-+4H+=PbSO4+2H2O
总反应:
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
充电过程阴极:
PbSO4+2e-=Pb+SO42-
阳极:
PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-
总反应:
2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
国产铅蓄电池的型号表示如下:
检查蓄电池外客上的标签,即可知道蓄电池的额定电压、额定容量等参数。
生产日期一般烫印在电池外壳上,根据JB2599-85部颁标准,铅酸蓄电池型号分了段,其安排及含义如下:
串联的单体电池数——电池的类型和特征——额定电量单体电池,电池数量为一,第一段可略,电池的类型根据主要用途划分,代号用汉语拼音的第一个字母,电池特征字母为附加部分,仅在同类型用途的产品中具有某些特征而型号中又必须加以区别时采用,例如:
6-QA-195
6:
表示蓄电池的串联个数
QA:
表示蓄电池的用途和极板类型,特殊结构
195:
表示蓄电池的额定容量
寿命:
蓄电池的使用年限或按制造厂家规定充放电循环数称电池的寿命。
蓄电池的容量下降到额定容量的70-80%时,就认为它的寿命已经终结。
平时维护的好,寿命就长些,反之就短些。
若干个单体蓄电池串联起来就构成蓄电池组。
蓄电池组拥有两项技术参数:
额定电压和额定容量。
为制造电动机和电器规格的统一,我国标准规定蓄电池组额定电压为24V、48V、和72V。
电压高,功率大蓄电池个数也多,体积和重量均增加,同时增大车辆体积和功率消耗。
蓄电池组的额定电压应根据升降车的额定起重量选择。
重量轻,需要的功率也小,一般采用24V。
起重量为1-2t的电动升降车,一般采用48V,重型升降车采用72V或更高。
而500kg的电动升降车则选择蓄电池组额定电压为24V。
本车用一个蓄电池组为电动机和工作油泵电动机供电,则所需总功率:
=
=2.4857≈2.49kw
式中
、
—分别表示运行电动机和工作油泵电动机功率,[
]、[
]单位均为kw;
、
——分别为运行电动机和工作油泵电动机的有效效率;
——油泵电动机工作持续率(以百分数计),即升降车一个作业循环中,油泵电动机工作持续时间与升降车工作循环时间比值。
根据功率则蓄电池组容量:
=
=
式中T——每个工作日内车辆的工作时间;
U——蓄电池组额定电压;
0.9——蓄电池放电时电压降低系数[3]。
根据功率为2.49kw容量为920Ah市场调查选用无锡市霞客叉车蓄电池有限公司制造型号为12PZS960的蓄电池组
无锡市霞客叉车蓄电池12PZS960数据如下表:
型号
额定容量
/Ah
最大尺寸/mm
参考重量/kg
5%
极柱数量
长
宽
高
总高
L
W
H
H
无液
带液
12PZS960
960
227
198
430
470
38.4
52.8
4
5传动系统
5.1升降车行走传动系统
升降车传动系统中原动机将产生的转矩传递到驱动轮,使其克服外界阻力推动升降车前进或后退并具有一定的牵引力。
升降车工作环境不同,行驶阻力也不同。
在平坦的良好路面(沥青路面、混凝土路面)行驶时,阻力小,坡度阻力近似零,总行驶阻力只有升降车总重力的1.5%-2%左右。
若升降车爬行较大的坡度(20%左右),总阻力就大,可达到30%-35%左右。
由于工作环境多样且随时变化,因此升降车各时间段所受的阻力也不同,并且变化的幅度较大,直流串励电动机使升降车的牵引力随外界阻力变化而变化,同时行驶速度也相应变化。
一般当行驶阻力小时,以高速度行驶;行驶阻力大时,以低速行驶[3]。
其次电控单元使升降车能在较大范围内无极调速,并适应升降车作业时前进和后退速度对等、行驶机会几乎相等的情况。
电动升降车采用三支点式,即前轮为驱动轮,后轮为单轮作为转向轮。
如下图5-1:
图5-1三支点式简图
升降车在拐弯时车轮的轨线是圆弧,如果向左转弯,圆弧的中心点在左侧,在相同的时间里,右侧轮子走的弧线比左侧轮子长,为了平衡这个差异,就要左边轮子慢一点,右边轮子快一点,用不同的转速来弥补距离的差异。
差速器的作用就是在向两边半轴传递动力的同时,允许两边半轴以不同的转速旋转,满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶,减少轮胎与地面的摩擦。
差速器原理如下图5-2:
图5-2差速器原理图
如果前轮轴做成一个整体,就无法做到两侧轮子的转速差异,也就是做不到自动调整。
对三点支撑的车辆或许有翻车的危险,所以升降车的驱动桥采用差速器在曲线行驶时能协调地将转矩按一定的比例分配给左右驱动车轮。
如下图5-3:
图5-3驱动桥
5.2升降车升降传动系统
升降车工作装置的升降是靠液压缸的伸缩带动叉货架和内门架上下运动。
叉货架运用滑轮提升重物原理,将链条两端分别固定在叉货架和外门架上并绕过固定在内门架的链轮上,为增大视野设计两个液压油缸分别固定在内门架上。
当液压缸顶起内门架沿导程杆上升的同时链条也拉动叉货架上升。
当内门架到达极限位置时叉货架也到达极限位置。
叉货架的上升速度是油缸上升速度和内门架上升速度的2倍。
V货架=2V内门架
6转向系统
6.1升降车转向系统的作用及要求
升降车转向系统是改变或保持车的行驶方向,其性能直接关系到整车的安全和灵活性,也影响到工作人员的工作效率和疲劳强度。
为此对升降车做一下要求:
1.性能可靠转向系统各零部件应足够的强度、刚度和寿命。
且各件之间协调安全。
2.升降车转弯时使转向轮有较大的偏转角,并且所有车轮不能打滑以纯滚动方式行驶。
3.操纵轻便升降车工作时转向频繁,在狭小空间内常常常以很小的转弯半径转向,故要求操纵轻便且反应灵活,施加在方向盘上的力不应太大,方向盘的回转圈数也不宜过多。
一般在三圈左右。
转向空转不超过15°
4.为防止转向轮过度转向造成系统零件承受过大冲击,应设计制约转置。
5系统调整、维修方便。
6.2升降车转向方式
电动升降车的工作装置位于升降车前方,并且外门架固定在前桥上,作业时前桥负荷大,结构布置限制了前轮的偏转角,故采用偏转后轮来控制车的行驶方向。
这样就大大减小了升降车的最小转弯半径,提高了灵活性。
如图6-1(a)中对于三支点升降车,不论转向轮为一个车轮或两个并置的车轮,转向轮都同时绕一根垂直与地面的轴线在偏转,故称单轴线式转向方式。
转向前、后轮轴线延长总是交于一点,才能满足所有车轮不打滑纯滚动的要求。
(a)(b)
图6-1升降车的转向方式
图6-1(b)可知,对于四支点升降车,两个转向轮分别绕各自的主销轴线偏转,称为双轴线式转向方式。
两个车轮旋转轴线的延长线交于一点,所以两个转向轮的偏转角不同,且满足以下的关系。
式中:
α、β——为外侧、内侧车轮的偏转角;
M、L——为轮距矩、轴距。
上式表明,偏转角α、β间的关系满足该式时才能保证各个车轮作纯滚动。
因为设计小吨位的升降车,三支点式不仅满足其转向且造价低廉,所以选取三支点式,后轮转向。
6.3电动升降车转向系统的结构原理
对于小吨位的升降车纯机械转向原理简单不仅安全可靠而且易于修理。
升降车的转向机构简图【如图6-3】
图6-3转向机构简图
转向手轮
(1)安装在十字万向节
(2)上使转向手轮
(1)在可大范围内应对外壳安装孔径的不同位置安装固定,减低了安装难度和外壳的加工精度从而节约成本。
扭矩由通过万向十字节传递至一级主动转向齿轮(3)并与一级驱动齿轮(4)采用斜齿啮合,因为斜齿重合度大,传动平稳,轴向力可靠且噪声低。
一级驱动齿轮(4)将扭矩再通过双联减速轴(5)传递至其下端二级减速齿轮(6),双联减速轴(5)的作用是将一级减速器扭矩过度至二级减速器,同时也起到减速器的作用。
再由二级减速齿轮(6)通过斜齿传动转至二级扇形转向链轮(8)。
(3)和(4)采用链条连接是因为链条的张紧度不同,转向轮(10)与地面的震动反馈到转向手轮的程度也不同,如不同操作者适应路感不同,颠簸的路面与平坦的路面振动情况也不相同。
所以可通过调节链条(7)的张紧度来应对不同操作者或不同的路况。
最后由车轮回转盘(9)将二级扇形转向链轮(8)的转矩作用到转向轮(10)达到转向的目的。
扇形驱动齿轮(8)齿面两端鼓起当二级减速齿轮(6)转动至其两端时鼓起部分自动将(6)卡住阻止其方向转动,于此同时转向轮也达到极限从而使驾驶员感知其位置。
其具体计算如下:
按图中顺序,R1=10cm,R3=2cm,R4=10cm,R6=4cm,R8=12cm.
力矩比:
1和2与4和6为同轴传动。
力矩与力臂成反比,所以其力矩比:
=
=
;
=
=
3和4为齿轮传动,6和8为链传动,力矩与力臂成正比。
所以其传动比:
=
=
;
=
=
则
=
车中1000Kg平均分配到前后轮为500Kg,后轮为胶皮轮摩擦系数取0.8。
后轮所受的阻力为ƒ=µFn=0.8×5000=4000n
则M1=
≈21n
所以驾驶员用21牛顿力就可以转动转向手轮。
设计转向轮从左至右转向手轮须转两圈。
扇形圆周长为S8=Πr8=62.8cm;S6=Πr6=12.56cm
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