叉车电驱动举升系统节能技术机械研究

本文是一篇机械毕业论文，笔者通过叉车液压举升系统和电驱动举升系统动力学特性的对比分析，总结了两种系统的运行特点，并详细分析了系统结构特性。设计了基于模糊滑模变结构控制策略的无刷直流电机双闭环调速控制系统。对液压驱动叉车举升系统和电驱动叉车举升系统进行了仿真对比分析。搭建了电驱动叉车举升系统的试验平台，通过试验验证了所提方案的高效性。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
随着社会和经济的进步与发展，工程机械的作用和需求量也越来越大，人们对它们的依赖程度也越来越高。包括铲土运输机械、起重运输机械、路面机械等都成为了节能减排的主要关注对象。叉车作为仅次于装载机的第二大工程机械产品，是工程机械的重要组成部分。作为仓储、车站、机场、码头等场合的重要运输机械，叉车的销量也常年保持不错的业绩。
电动叉车无排放、无污染等特点，使其成为科研院所和生产企业研发的热点车型。目前，电动叉车普遍采用铅酸蓄电池为动力源。一般情况下，蓄电池在连续充电 12 小时后，叉车仅可连续工作 5 小时左右。叉车持续工作的时间限制了电动叉车的普及程度，成为电动叉车发展的瓶颈。这其中有一个重要的原因在于电动叉车的部分能量都消耗在液压系统中。
叉车常常是工作和行走同时进行的，并且负荷变化频繁，装卸频率很高。因此，液压泵产生的高压油除了驱动执行系统动作外，相当一部分能量转换成了油液的热能。液压系统内部和负载之间功率匹配不佳，也会造成能量损失。油液经过弯头、控制阀、过滤器等局部装置时也会造成压力损失。因此，提高叉车的工作效率、降低能量损耗成为近年来科技工作者追求的目标。
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1.2 叉车举升系统
叉车包括门架举升系统、行走系统、制动系统和转向系统。由于叉车对货物的举升是最常见的工况，因此，门架举升系统是叉车最重要的组成部分之一。从叉车发展近百年来的历程看，叉车门架系统从设计之初的无门架到有门架，从 1 级门架到 3 级门架，从货叉不能相对货叉架移动到货叉也能够根据需要相对货叉架移动。现在，由货叉及货叉架、内门架、外门架、举升液压缸、链轮和链条等组成构成的叉车举升系统成为叉车门架系统的主流。少部分叉车在门架系统中用的是缆绳代替了链条，但工作原理是一样的。现代叉车在门架举升系统布置上也做了细致研究。更加突出了确保操作人员视野好，工作舒适等要求，因此，叉车多采用宽视野门架系统。
执行叉车举升动作的核心是门架系统的升降，它的工作效率直接影响叉车的工作性能，同时，也是衡量叉车的主要性能指标。目前，叉车门架举升系统主要采用液压系统进行驱动。图 1.1 所示为液压驱动叉车门架举升系统。它主要由货叉总成、内门架、外门架、举升液压缸和链轮链条系统组成。在叉车货叉总成上升的过程中，作为主要支撑作用的外门架是固定不动的。内门架受到举升液压缸的驱动，沿着外门架的导槽，带动安装在内门架上的链轮一同向上移动。而货叉总成则在链条的牵引下，沿着内门架的导槽向上移动。以最大举升高度为 3m 的叉车为例，内门架上升的最大高度为 1.5m，货叉上升的高度为内门架上升高度的二倍，即 3m。

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第 2 章 叉车液压系统能耗分析与节能策略

2.1 电动叉车液压举升系统的组成
液压系统是叉车行走和工作最核心的控制部分，其举升系统、转向系统和门架倾斜系统都需要液压系统的驱动。图2.1所示为叉车液压系统原理图。图中 1、7、10 构成了叉车门架液压举升单元。

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2.2 电动叉车液压系统能量损耗分析
2.2.1 液压管路与多路阀能耗分析
由于实际液体是存在粘性的，因此，液体在管路中流动时要消耗一定能量来克服粘性阻力。这些被消耗掉的能量即所谓的压力损失。电动叉车在工作过程中同样存在这种压力损失。液体在流动时产生的压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失。
沿程压力损失是指液体在等径直管里流动时因摩擦而产生的压力损失。其计算公式为：

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第 3 章 电驱动举升系统功率流及结构特性分析.................... 31
3.1 基于功率键合图的液压驱动和电驱动举升系统功率流分析 ..... 31
3.1.1 举升系统工作要求 .................................. 31
3.1.2 液压驱动举升系统的参数 ............................ 32
第 4 章 电驱动举升系统控制策略研究............................ 51
4.1 无刷直流电动机动态数学模型 ............................. 51
4.1.1 微分方程模型 ..................... 52
4.1.2 状态方程模型 .................. 53
第 5 章 电驱动举升系统仿真分析与节能性试验验证 ................ 77
5.1 电驱动举升系统仿真分析 ................. 77
5.1.1 电驱动举升系统数学模型 ................. 77
5.1.2 电驱动举升系统仿真模型输入给定及其主要参数 ........ 81

第 5 章 电驱动举升系统仿真分析与节能性试验验证

5.1 电驱动举升系统仿真分析
电驱动举升系统研发初期，对其建立合理而有效的模型并进行仿真分析有助于深入理解系统的工作过程，验证控制策略，减少不必要的样机制造和实车试验。电驱动举升系统仿真模型由输入给定、同步齿形带传动系统、滚珠丝杠副传动系统、参数输出等部分组成。
5.1.1 电驱动举升系统数学模型
系统的数学模型是系统仿真分析的先决条件。电驱动举升系统数学模型及其简图如图 5.1 所示。

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第 6 章 结论与展望

6.1 本文的主要工作
本文的主要创新点总结如下：
(1)提出并设计了一种新型叉车举升机构节能系统，将叉车液压传动的举升系统改变为电传动的举升系统。传统的举升机构传动系统采用液压传动。新型叉车举升机构传动系统的传动链采用：电瓶－电机－滚珠丝杠副－举升机构的形式。传动效率得到大幅度提升。
(2)提出了将无刷直流电机双闭环调速控制系统应用在叉车电驱动举升系统中。区别于传统的电机驱动方式，可实现当电机发生堵转时，仍能够提供足够大转矩来支撑负载，同时限制了电机电枢电流。叉车电驱动举升系统的升降控制的操作性能达到了液压传动相同的水平，且系统的工作性能得到显著提升。
(3)搭建了国内第一台叉车电驱动举升系统试验平台。通过对比试验得到叉车举升系统分别在轻载、中载和满载情况下完成一次升降过程的累计能耗。以载荷 3 吨为例，举升高度为 2.6m 时，叉车液压驱动举升系统的工作效率为 46.1%，而叉车电驱动举升系统的工作效率为 63.1%。叉车电驱动举升系统的工作效率比叉车液压驱动举升系统的工作效率提高了 17%。通过试验验证了所设计的叉车电驱动举升系统具有明显的节能优势。
参考文献（略）