手动液压叉车制动装置研究与设计.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-52-工 业 技 术根据图 4 可知，当未加装 GPSS 的汽轮机调速系统受到扰动时，出现低频振荡情况，并且转子角速度偏差波动较大，直至 6s 也未完全稳定；安装常规蚁狮优化的 GPSS 参数后，转子角速度偏差波动缩小，在 3s 左右趋于稳定，然而加装改进型蚁狮优化的 GPSS 参数后，汽轮机调速系统的稳定性更好，转子角速度偏差在 2s 左右趋于稳定。说明在汽轮机调速系统中加装改进型蚁狮优化的 GPSS 参数能够很好地抑制低频振荡情况。3 结论当汽轮机调速系统固有的低频振荡频率和汽轮机功率的变化频率相近时，会引发共振机理的低频振荡，如果不及时抑制处理，就会影响汽轮机调速系统的稳定性。本文将未加装 GPSS、安装常规蚁狮优化的 GPSS 参数后加装改进型蚁狮优化的 GPSS 参数后的汽轮机调速系统进行比较，对比三者的阻尼特性，试验结果显示，未加装 GPSS 参数时的最小阻尼比为 0.049，安装常规蚁狮优化 GPSS 参数后的最小阻尼比为 0.171，加装改进型蚁狮优化的 GPSS 参数后的最小阻尼比为 0.248，说明本文方法的阻尼特性好。参考文献1 谢昌亚，朱龙飞，胡娱欧，等.660MW 超临界火电机组汽轮机及其调速系统精细化模型研究和应用 J.热能动力工程，2023，38（6）：58-67.2 易建波，张国洲，张鹏，等.超低频振荡阻尼控制中的水轮机调速系统参数双层优化策略 J.电工技术学报，2022，37（5）：1219-1228.3 方日升，林耀东，徐振华，等.基于录波曲线的电力系统低频振荡事故原因分析与抑制策略 J.中国电力，2021，54（11）：104-114.4 熊鸿韬，汪宗恒，尚磊，等.一种用于电力系统低频振荡抑制的新能源电站阻尼注入控制器设计及特性分析 J.电网技术，2022，46（7）：2690-2700.5 冯鼎元，康英伟.汽轮机侧机网耦合系统低频振荡特性与抑制策略研究 J.河南科技大学学报（自然科学版），2022，43（3）：45-54，7.作为在物流中广泛应用的搬运设备，叉车在物品搬运、货物运输和起重方面具有不可替代的作用。手动液压叉车通过摇动摇杆，使摇杆与下面的液压缸连接，并通过液压缸带动货叉起升来实现货物的装卸和搬运，然后操作人员将叉车搬运到指定位置。该设备属于物流设备中搬运托盘的最简便、最常见的装卸搬运设备1。随着中国经济的快速发展，叉车需求逐步增加。现有手动液压叉车规格单一，适用范围局限，存在宽度不可调、无法应对仓库作业的不同需求、手动液压叉车使用效率低2以及不能进行制动等问题。本文在手动液压叉车原有的基础上进行改进，为手动液压叉车设计制动系统，目的是为了出现意外或特殊情况时，能够第一时间将叉车停住，保障使用人员和货物的安全。1 手动液压叉车制动装置设计1.1 手动叉车参数现在市面上根据货叉的长度和内宽不同分为窄型叉车和宽型叉车。2 种叉车的基本参数见表 1。表 1 宽型叉车和窄型叉车技术参数参数型号宽型窄型载质量（t）22.522.5叉长（mm）12201150货叉内宽（mm）365230货叉外宽（mm）685550货叉宽（mm）160160货叉最大起升高度（mm）200185货叉最低放高度（mm）8075把手离地高度（mm）12301230小轮直径（mm）7070大轮直径（mm）170170摇杆长（mm）9509501.2 制动装置的设计手动液压叉车因小巧灵活而被广泛应用于货物短距离装卸搬运，其承载能力在 1t 左右，动力来源主要为人力驱动。在保留手动叉车原有优点的基础上，在手柄处增设制动装置，可使操作人员在运输过程中利用手柄处的制动装置进行紧急制动，提高手动叉车在作业过程中的安全性，保障货物和操作人员安全，同时该制动装置适用于宽、窄型 2 类叉手动液压叉车制动装置研究与设计陈佳陈范堂（西南交通大学希望学院，四川 成都 610499）摘 要：针对手动液压叉车在实际使用过程中货物过重、惯性过大，无法及时控制从而造成人货损坏的问题，本文采用 NAO 型摩擦材料，并使用 V 式制动器设计了一款具有制动装置的手动液压叉车，并通过可行性分析，得出在装有制动装置的情况下，能有效减少制动距离14.3cm17.2cm，从而减少叉车安全事故的有效结论。手动液压叉车制动装置的研究与设计可为相关研究提供一定参考。关键词：手动液压叉车；制动装置；V 式制动器；NAO 型摩擦材料；创新设计中图分类号：TH242文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-53-工 业 技 术车。装置设计具体包括 3 个方面。1）在叉车手柄处安装制动控制刹车把手，通过把手带动刹车线作用在将要制动的车轮上。2）在把手后通过刹车线将刹车线从按钮处连接到将要进行制动的车轮处，并在车轮上方设置 V 刹型制动装置，通过杠杆原理来制动。3）改进叉车车轮和用于支撑车轮的轴，将按叉车车轮周长在轮圈处装一圈用于增加摩擦的橡胶套。将车轮轴最外沿与车轮轮廓接触处进行改进，改成带有摩擦性材料的轴，将其用于制动，支撑整个车轮并能够进行伸缩。1.3 手动叉车制动装置结构通过研究 V 刹装置来设计叉车的制动装置。该装置的基本构造由制动把手、连接制动装置和把手的刹车线以及装有摩擦材料的制动装置组成，通过这 3 个零部件对手动液压叉车进行制动，达到安全生产、运作的目的。1.3.1 V 式制动器的组成V 式制动器结构简单、质量轻、造价低廉且性价比高，常用于自行车上的制动装置。V 式制动装置主要由刹车臂、刹车皮和张力弹簧等结构组成。1）刹车皮。刹车皮材质一般为塑料或树脂，有些刹车皮里面会添加一些金属沫或陶瓷沫。2）刹车臂。本文刹车臂设计成“S”状或“C”状，左、右刹车臂为连续且不断开的整体，顶端有连接刹车线的的小孔，能够固定住刹车线，使钢索在内部滑动，端向轮圈的一侧固定刹车皮，外侧与车架固定。3）张力弹簧。张力弹簧是连接 2 块刹车臂的装置，当作用力结束后能够复原并返回原来的位置。1.3.2 V 式制动器的工作原理V 式制动器常用于自行车制动，目前被广泛应用。该装置有 2 个形如剪刀状交叉的刹车臂。该刹车臂组装后形状如“V”形，刹车臂的两边固定在支撑车轮的轴上2。该装置的制动原理类似杠杆作用，只需要捏紧自行车的手柄，驱动刹车线，将刹车臂拉到轮辋附近，并在接触后产生摩擦即可刹车。1.3.3 制动把手模仿自行车制动把手进行叉车制动把手设计。由于手动液压叉车的把手大都呈圆柱状且液压释放手闸在把手圈内，因此本文设计的制动把手将放置在装有液压释放手闸的另一侧。该制动把手将安装在叉车把手上，制动把手的末端用螺丝固定在叉车把手上，可呈 30 度角旋转。在制动把手的末端放置张力弹簧，能够在一次制动完后将制动把手弹回原位，方便下一次制动。制动把手末端还需要与刹车线进行连接，通过刹车线带动制动装置进行制动。详细设计如图 1 所示。注：1-把手摇杆；2-刹车线；3-刹车把手转动装置。图 1 制动把手简图1.3.4 刹车线刹车线由橡胶管及其装载橡胶管的钢索组成。橡胶管内壁设置多个径向凸起，钢索与橡胶管间填充有润滑物，避免叉车在运作中出现刹车线弯折，进而破坏制动过程。橡胶管可由氯丁橡胶、乙丙橡胶和聚氯脂橡胶制成，橡胶管内还装有润滑油，可为油脂或滑石粉，方便钢索在橡胶管内运动。刹车线的两端连接制动把手和车轮制动装置，主要功能是将制动把手的作用力传输给制动装置，从而进行制动。刹车线共 2 条，分别连接货叉下面 2个车轮上的制动装置，设计长度取决于摇杆和货叉长度。1.3.5 制动装置制动装置为本文设计的核心装置。该装置设计模仿 V 刹装置。考虑叉车货叉需要进行起降，同时车轮架需要支撑叉车的运行，因此该装置将设计在与叉车货叉连接以支撑车轮车架的内部，并将装置固定在车架横杆上。该制动装置的主要构成包括刹车臂、张力弹簧以及安装于刹车臂上的刹车皮。刹车臂安装在叉车货叉上，同时起到支撑货叉搬运货物的作用。在 2 块刹车臂的连接处放置张力弹簧，能够在一次制动后恢复原样，并同时防止刹车臂连接处变形。在与车轮接触并固定车轮的轴上安装刹车皮。该刹车皮主要为 NAO 型摩擦材料。本文设计的装置能够在满足货物装卸搬运的同时对叉车进行制动。详细设计如图 2 所示。1.4 设计详情与参数根据上述设计得到如下设计模型及其设计参数：叉车摇杆高为 95cm，货车长为 114cm，叉车摇杆底部到货叉的斜线距离为 35cm，所需刹车线的长度为 95+114+35=244cm，一共需要 2 根刹车线，总长度为 488cm。具体模型参数如图 3 图5 所示。首先，改进后的叉车小轮和具体参数如图 3 所示。其次，制动把手具体安装位置和参数图如图 4 所示。刹车把手末端连接刹车线，内部装有张力弹簧，可使刹车把手恢复原位。最后，将制动装置、制动把手和刹车线安装于手动叉车上，具体模型如图 5 所示。2 手动叉车制动装置工作原理手动叉车制动装置工作原理与自行车 V 刹相似，在需要进行制动的情况下，将力作用于刹车把手上，通过刹车线传导到“V”形装置上，再通过“V”形装置作用于车架并抱紧车轮来制动，制动作用点在车轮内圈上。车架两边具有摩擦型材注：1-刹车线；2-左刹车臂；3-摩擦片；4-转动装置；5-右刹车臂。图 2 制动装置简图中国新技术新产品2024 NO.4（上）-54-工 业 技 术料的刹车材料与车轮产生摩擦，进而达到制动效果。该制动装置放置于车架内部，在制动过程中不会对叉车的正常起升和运行造成影响。制动装置原理图如图 6 所示，可以将 2 个制动臂视为 2 个异性杠杆，左侧的制动臂是相等的杠杆，右侧的制动是省力的杠杆。拉动制动拉索时，图右侧的制动臂会受向上拉动的力，并开始移向轮辋。左侧的刹车臂受反作用力，也开始向车圈内运动。同时刹车皮开始作用于车轮内圈上，对车轮内圈摩擦并减慢叉车的运行速度，从而达到制动的目的。3 手动叉车制动装置应用分析在装有制动装置的情况下，叉车操作人员按动制动把手就能将叉车进行制动或减速，同时制动装置也会对叉车后小轮施加压力，使车轮摩擦制动。该过程中施加的压力会对车轮产生绕转动轴向外运动的趋向，该趋向就是转动力矩。力矩的表达式为 Mk=RF（Mk为叉车空载时制动性能所需的力矩，Nm；R 为制动轮胎空载滚动半径，m；F 为制动装置对车轮的作用力，N）。将叉车从运动状态下进行制动到叉车停止，通常情况下可根据动能定理变形得出叉车在空载情况下的制动距离 S，如公式（1）所示。22KGRVSM=（1）式中：S 为叉车空载时制动距离，m；为转动惯量换算系数，取 1.03；G 为叉车空载时整车质量，kg；R 为制动轮胎空载滚动半径，m；V 为叉车空载时车速（成人行驶速度 5km/h），m/s；MK为叉车空载时制动性能所需的力矩，Nm。叉车制动时会对车轮产生摩擦力 f摩，有 f摩=F（为摩擦系数（一般的摩擦系数 1）；F 为制动装置对车轮的作用力）。据资料显示，一般成年男性的握力为 43kg50kg（据1kg=9.8N 可知，43kg50kg 为 421.4N490N），成年女性的握力为 27kg31kg（264.6N303.8N）3。在手动液压叉车的使用图 4 制动把手（cm）刹车把手叉车把手R8R4402204R1，2R1，5R12R8R4R26，283，4712，553，442，185，352，1242，4225，9314，35注：R为制动轮胎空载滚动半径。图 3 设计后的叉车小轮（cm）R2R1，4R3，5R3，54，1215483中国新技术新产品2024 NO.4（上）-55-工 业 技 术中，成年男性居多，因此本次只分析成年男性在叉车使用过程中的制动情况。当操作人员以 43kg50kg（421.4N490N）的握力按动把手时，相应也可看成是制动装置以 43kg50kg（421.4N490N）的力作用在车轮上。制动装置所用的 NAO型摩擦材料的摩擦系数为 0.40.45。根据实际测量可知，叉车后小轮的直径为 7cm，则轮胎滚动半径为 3.5cm。一般的手动液压叉车质量为 35kg55kg（本次计算采用 35kg），操作人员拉动叉车的速度为 5km/h，约为 1.39m/s（根据手动液压叉车操作规范 手动液压叉车安全操作规程）。在不考虑车轮抱死的情况下，将动能定理公式、力矩公式、摩擦力公式三者联立可得制动距离 S，如公式（2）所示。22=KKGRVSMMRfSfF=摩摩（2）由此可知，当摩擦系数最小、施加的力为 43kg（421.4N）时制动距离 S1=20.7cm。当摩擦系数最小、施加的力为 50kg（490N）且不考虑车轮抱死时，制动距离 S2=17.8cm。由此可知，与未装制动装置的手动叉车相比，装有制动装置的手动叉车能有效减少制动距离 14.3cm17.2cm，从而减少叉车安全事故的发生。手动液压叉车在载重运行的情况下能够保障货物和人员的安全。但在现实操作中，如果叉车载重运行时发生紧急情况，操作人员没有及时反应，货物就会由惯性作用带动叉车继续前进，此时操作人员想依靠叉车进行制动为时已晚，进而发生生产安全事故。而手动叉车装有制动装置，只需要按动把手即可进行制动，可有效避免事故发生。4 结语本文针对目前手动液压叉车应用广泛但未设置安全制动装置的问题，对手动液压叉车进行制动进行了研究。基于自行车 V 式制动器制动原理来设计叉车的制动装置，为手动液压叉车的创新设计与研究提供了新的研究方向。参考文献1 靳斐.基于 TRIZ 的新型叉车的创新设计与研究 D.山东：山东建筑大学，2016.2 王尚林.UGNX6.0三维建模实训教程 M.北京：中国电力出版社，2017.3 国家体育总局.国民体质测定标准手册 M.北京：人民体育出版社，2003.注：1-叉车把手；2-叉车摇杆；3-刹车线；4-叉车板体；5-大车轮；6-小车轮；7-液压泵；8-货叉；9-制动装置；10-制动把手；11-制动把手固定装置（内有张力弹簧）；12-液压释放把手；13-制动装置固定装置（内有张力弹簧）；14-刹车线固定装置；15-摩擦材料。图 5 手动液压叉车制动装置整体模型图 6 制动装置原理图基金项目：20212023年四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“紧跟产业精准培养协同育人的物流工程创新应用型人才培养模式探索与实践”（项目编号：JG2021-1541）；四川省大学生创新创业训练计划项目“手动液压叉车制动装置研究与设计”（项目编号：S202314262137）。