張義壯，馮 川

(濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濱州 256600)

0 引 言

叉車作為港口作業(yè)、倉(cāng)庫(kù)車間及配送中心等場(chǎng)所主要的短距離運(yùn)輸工具，可實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)、碼放及裝卸等功能，在城市工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。電動(dòng)叉車因操作簡(jiǎn)單靈活，工作噪聲小及故障率低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各類工程領(lǐng)域，加之排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和市場(chǎng)監(jiān)管的逐步規(guī)范，更刺激了電動(dòng)叉車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展[1]。據(jù)中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)工業(yè)車輛分會(huì)發(fā)布的叉車銷售數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)叉車的總銷量達(dá)608 341臺(tái)，其中電動(dòng)叉車銷量298 637臺(tái)，占比49%，較2018年增長(zhǎng)6.24%，電動(dòng)叉車的市場(chǎng)顯著增加[2]。

由貨叉、叉架和門(mén)架組成的舉升機(jī)構(gòu)是電動(dòng)叉車最主要的工作裝置，承載著運(yùn)輸貨物的全部載荷，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)叉車工作時(shí)的安全穩(wěn)定有著重要影響[3]。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行必要的計(jì)算分析，以滿足日常的使用要求。

1 電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)選型

1.1 貨 叉

筆者研究的電動(dòng)叉車主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列。

表1 電動(dòng)叉車主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

貨叉是安裝在叉架前端主要的取物裝置，呈L形，由水平和垂直兩段組成。當(dāng)叉車叉取貨物時(shí)，貨叉的水平段插入貨物底部，承載貨重。垂直段則固定于叉架上，帶動(dòng)貨叉上下移動(dòng)，完成貨物的搬移。為減小貨物叉取時(shí)的阻礙和干涉，設(shè)計(jì)時(shí)要求貨叉水平段表面需保持平整，且前端呈前窄后寬變化，叉尖兩側(cè)由圓弧連接，以避免由于應(yīng)力集中造成貨叉兩段的開(kāi)裂。

根據(jù)貨叉與叉架連接方式的不同，貨叉可分為掛鉤式和鉸接式兩種，兩類貨叉結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。掛鉤型貨叉依靠凹孔中插入的定位銷來(lái)實(shí)現(xiàn)貨叉的固定，此種貨叉間距的調(diào)整需人工手動(dòng)完成，精度低且難度大。鉸接型貨叉的垂直段頂端設(shè)計(jì)有圓孔，松套固定在叉架的水平軸上且能繞軸旋轉(zhuǎn)，貨叉垂直段支靠在叉架的橫梁上。該貨叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝拆卸方便，又能實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)，因此在分析時(shí)選用鉸接式貨叉為研究對(duì)象。

圖1 掛鉤式貨叉 圖2 鉸接式貨叉 圖3 焊接式鋼板叉架

1.2 叉 架

叉架是貨叉與門(mén)架的連接部件，通過(guò)門(mén)架內(nèi)側(cè)的槽型導(dǎo)軌，帶動(dòng)貨叉沿軌道上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)的升降功能。叉架可分為鑄造叉架和焊接叉架兩種，鑄造叉架采用熱處理工藝，通過(guò)模型澆注，完成叉架的加工。此方法生產(chǎn)的叉架表面較為粗糙，自重較大，因此本研究選用由鋼板焊接而成的框結(jié)構(gòu)式叉架為研究對(duì)象，圖3表示焊接式鋼板叉架的結(jié)構(gòu)圖。

1.3 門(mén) 架

門(mén)架是叉車貨物搬移中主要的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常由內(nèi)門(mén)架和外門(mén)架兩部分組成，外門(mén)架頂端設(shè)計(jì)有導(dǎo)槽與滾輪，用于安裝叉架和貨叉，承受貨物的主要載荷。內(nèi)門(mén)架底端固定于叉車底盤(pán)處，通過(guò)車體支撐整個(gè)舉升機(jī)構(gòu)[4]。

常見(jiàn)電動(dòng)叉車門(mén)架結(jié)構(gòu)主要有二級(jí)門(mén)架和三級(jí)門(mén)架兩種，結(jié)構(gòu)形式如圖4、5所示。三級(jí)門(mén)架較二級(jí)門(mén)架有較大的行程高度，并能實(shí)現(xiàn)舉升機(jī)構(gòu)的自由起升[5]。但三級(jí)門(mén)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由于多一級(jí)門(mén)架機(jī)構(gòu)，使得自身重量有所增加，造成貨物在升高后出現(xiàn)一定傾斜。且制造成本偏高，工作時(shí)易出現(xiàn)故障。因此，本文研究的舉升機(jī)構(gòu)選用二級(jí)門(mén)架設(shè)計(jì)。

圖4 二級(jí)門(mén)架 圖5 三級(jí)門(mén)架

2 電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)模型建立

2.1 舉升機(jī)構(gòu)參數(shù)確定

設(shè)定電動(dòng)叉車額定舉升質(zhì)量為Q=3 000 kg，舉升機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)如表2所列。

表2 電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)基本參數(shù)

2.2 舉升機(jī)構(gòu)三維模型建立

根據(jù)表1中主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Solidworks中分別建立貨叉、叉架和門(mén)架的三維模型，定義貨叉厚度為61 mm，叉架上下鋼板厚度為57 mm、左右鋼板厚度為25 mm、中間兩鋼板厚度為15 mm，門(mén)架高度2 800 mm，寬度200 mm，三維模型如圖6～8所示。由配合條件對(duì)舉升機(jī)構(gòu)各部分進(jìn)行裝配，圖9表示整體裝配圖。

圖6 叉車貨叉三維模型 圖7 叉車叉架三維模型 圖8 叉車門(mén)架三維模型

圖9 舉升機(jī)構(gòu)裝配 圖10 舉升機(jī)構(gòu)有限元模型三維模型

2.3 舉升機(jī)構(gòu)有限元模型建立

將建立的舉升機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析，有限元模型如圖10所示，其中貨叉材料選用40Cr，叉架和門(mén)架材料選用Q235鋼，各材料性能參數(shù)如表3所列。

表3 電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)各材料性能參數(shù)

在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，選用四面體網(wǎng)格形式，由于貨叉的叉根部位應(yīng)力相對(duì)集中，故對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化處理，從而獲得更加精確的應(yīng)力變化。最終得到的電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖11所示，其中網(wǎng)格總數(shù)共22 208個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)共22 208個(gè)，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.88。

圖11 舉升機(jī)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分

3 靜力學(xué)分析

3.1 貨叉的受力分析

根據(jù)貨叉與叉架的聯(lián)接方式，選用的鉸接式貨叉可簡(jiǎn)化為支撐在兩個(gè)鉸接支座上的靜定鋼架[6]，在水平段中間位置受一集中載荷P0的作用，圖12表示貨叉簡(jiǎn)化后的受力圖。

圖12 貨叉簡(jiǎn)化受力分析圖

3.2 貨叉的強(qiáng)度校核

載荷P0由起重貨物的重量決定，同時(shí)又受不同載荷系數(shù)的影響，根據(jù)公式(1)計(jì)算出貨叉所受的載荷：

P0=K1K2(Q/2)

(1)

式中：Q為額定舉升質(zhì)量，Q=3 000 kg；K1為動(dòng)載荷系數(shù)，K1=2.5；K2為偏載荷系數(shù)，K2=2.6。

帶入?yún)?shù)計(jì)算得P0=9 750 N。在強(qiáng)度校核時(shí)，安全系數(shù)n應(yīng)滿足以下條件：

n=σs/σ≥3～3.5

選取安全系數(shù)n=3，計(jì)算得到許用應(yīng)力為：

[σ]=σs/n=785/3=261.7 MPa

(2)

由圖12受力分析可知，貨叉水平段受彎矩和剪力作用，垂直段受彎矩和拉力，危險(xiǎn)截面位于垂直段下部靠近兩段連接處，其最大應(yīng)力為[6]：

(3)

式中：P為貨叉所受載荷，P=9 750 N；C為載荷中心距，500 mm；t為貨叉的厚度，t=61 mm；b為貨叉的寬度，b=140 mm。

帶入?yún)?shù)計(jì)算可得：

故貨叉強(qiáng)度滿足要求。

3.3 貨叉的剛度校核

在貨叉剛度計(jì)算時(shí)不考慮偏載系數(shù)與動(dòng)荷系數(shù)的影響，只取工作時(shí)的正常載荷進(jìn)行分析。貨叉叉尖處的許用撓度為[6]：

(4)

在貨叉叉尖處撓度的計(jì)算公式為[6]：

(5)

式中：P0為工作載荷，P0=Q/2；I為貨叉的截面慣性矩，I=t3b/12；E為貨叉材料的彈性模量，E=211 GPa；d為兩支座間距，d=400 mm；e為底部支座距兩段連接處距離，e=160 mm。

帶入?yún)?shù)計(jì)算可得：

w=14.13 mm<[w]

故貨叉剛度滿足要求。

中，蘇楠先答應(yīng)下來(lái)。要是真在上海當(dāng)律師，我完全可以幫你找到。我有個(gè)同學(xué)，恰好在上海律師協(xié)會(huì)工作。她有太多的疑問(wèn)，最當(dāng)務(wù)之急的是，既是自己的女兒，為什么還要去找？她知道楊小水不會(huì)解答她的疑問(wèn)，只好等著回去問(wèn)李嶠汝。

綜上所述，通過(guò)對(duì)貨叉強(qiáng)度和剛度的理論計(jì)算可知，貨叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求。

4 有限元分析

滿載工況是叉車承載額定貨重的特殊狀態(tài)，反映了叉車所能達(dá)到的極限能力，因而對(duì)研究叉車的使用性能十分重要。利用ANSYS軟件對(duì)網(wǎng)格劃分后的舉升機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析，得出滿載工況下應(yīng)力及位移的變化云圖[7]。考慮到叉車在滿載行駛過(guò)程中會(huì)發(fā)生上下的振動(dòng)顛簸，因此在加載前需對(duì)載荷增加一定的動(dòng)載系數(shù)，本研究取值為2.5。

約束的施加方案對(duì)有限元分析結(jié)果會(huì)產(chǎn)生直接影響，關(guān)系結(jié)論的真實(shí)性與合理性[7]。此次研究對(duì)舉升機(jī)構(gòu)施加約束的步驟為：

(1) 導(dǎo)入舉升機(jī)構(gòu)的有限元文件后定義材料屬性。

(2) 對(duì)門(mén)架的上方和底部背板位置進(jìn)行自由度的約束。

(3) 對(duì)叉車貨叉加載相應(yīng)的集中力，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)添加重力。

(4) 添加需要求解的應(yīng)力和位移。

圖13表示滿載工況下電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)力變化情況。由圖可知，舉升機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為171.54 MPa，出現(xiàn)在貨叉叉根(即水平鋼板和垂直鋼板連接)處。由公式(2)計(jì)算可得許用應(yīng)力為261.7 MPa，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，其強(qiáng)度滿足使用要求。

圖13 滿載工況下應(yīng)力變化 圖14 滿載工況下位移變化

圖14表示滿載工況下電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)位移變化情況。由圖可知，舉升機(jī)構(gòu)的最大位移變形為16.466 mm，主要集中在貨叉的叉尖部位，由公式(4)計(jì)算可得最大允許的變形量為24 mm，最大變形量小于許用量，其剛度也滿足使用要求。

5 總 結(jié)

對(duì)電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)的貨叉、叉架及門(mén)架等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，在Solidworks中建立了三維仿真模型。通過(guò)受力分析計(jì)算出電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力及變形，完成強(qiáng)度與剛度的理論校核。最后，將建立的模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠滿足正常的使用要求。分析結(jié)論對(duì)電動(dòng)叉車舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究及機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。