手动液压叉车制动装置研究与设计

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14.3cm～17.2cm，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：TH 242" " " " 文献标志码：A

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） 2～2.5 2～2.5

叉长（mm） 1220 1150

货叉内宽（mm） 365 230

货叉外宽（mm） 685 550

货叉宽（mm） 160 160

货叉最大起升高度（mm） 200 185

货叉最低放高度（mm） 80 75

把手离地高度（mm） 1230 1230

小轮直径（mm） 70 70

大轮直径（mm） 170 170

摇杆长（mm） 950 950

1.2 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。

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=R·F（Mk为叉车空载时制动性能所需的力矩，N·m；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。

（1）

式中：S为叉车空载时制动距离，m；α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，N·m。

叉车制动时会对车轮产生摩擦力f摩，有f摩=μF（μ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43kg～50kg（据1kg=9.8N可知，43kg～50kg为421.4N～490N），成年女性的握力为27kg～31kg（264.6N～303.8N）[3]。在手动液压叉车的使用中，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43kg～50kg（421.4N～490N）的握力按动把手时，相应也可看成是制动装置以43kg～50kg（421.4N～490N）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0.4～0.45。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35kg～55kg（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。

（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14.3cm～17.2cm，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.