基于Solidworks的小型電瓶叉車創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究*

趙金廣

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫交通分院，江蘇無錫 214046)

0 引言

近年來，三維軟件在企業(yè)研發(fā)過程中得到廣泛應(yīng)用，不僅有效解決一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)改造難題，而且相比人員手工設(shè)計(jì)可以大幅度地提高設(shè)計(jì)效率、縮短產(chǎn)品的制造裝配周期，從而滿足了客戶對新產(chǎn)品的急需;作為自行式裝卸搬運(yùn)機(jī)械的叉車在物流行業(yè)中多用于裝卸堆放貨物，它的重要工作裝置是門架與貨叉;隨著科技的發(fā)展和工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展，人們在對叉車的功能和靈活上提出了更高的要求。本文應(yīng)用三維軟件Solidworks對叉車進(jìn)行了三維建模、虛擬裝配和產(chǎn)品性能研發(fā)。

1 研究現(xiàn)狀

近年來，隨著物流業(yè)的迅猛發(fā)展，我國叉車的需求量越來越大，叉車生產(chǎn)和銷售都在世界的前列，但是叉車市場競爭日趨加劇，我國還不是叉車的制造強(qiáng)國，所以我國叉車企業(yè)在面對機(jī)遇和挑戰(zhàn)的同時(shí)更要努力加快自身的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，未來叉車發(fā)展技術(shù)趨勢［1］。

(1)節(jié)能降耗的輕量化設(shè)計(jì)將是叉車設(shè)計(jì)的重要準(zhǔn)則之一。

(2)具有特殊用途的專用叉車將會被不斷開發(fā)。

(3)為了避免門架對駕駛員的遮擋，通過駕駛室旋轉(zhuǎn)或其它方式實(shí)現(xiàn)司機(jī)的正向行駛的特殊叉車，有可能被開發(fā)出來。

我國對叉車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程，使工程師能在設(shè)計(jì)階段就采取優(yōu)化方法，解決許多問題，這樣就能縮短開發(fā)時(shí)間和成本。盡管如此，與國外的叉車車身結(jié)構(gòu)分析相比，國內(nèi)企業(yè)還存在著許多不足［2］，如車身主體結(jié)構(gòu)的開發(fā)主要依賴經(jīng)驗(yàn)，或者對進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單修改。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改主要用來解決樣車試驗(yàn)后遇到的問題，設(shè)計(jì)與分析未能真正做到并行，這樣在后期改進(jìn)中遇到的問題很可能需要大量修改原有設(shè)計(jì)，無形中加大了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期與成本。

通過調(diào)研，走訪了無錫市幾家輕工企業(yè)了解到，在作業(yè)過程中叉車存在下坡翻車、倒車撞人、損壞貨物等安全問題;以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的叉車最大的不足之處就是排放和噪聲污染嚴(yán)重，危害人類健康。而小型電瓶叉車:它體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、污染小、造價(jià)低、操作靈活，可以在工作場地狹小的空間作業(yè)，受到廣大客戶的歡迎。

2 參數(shù)化建模及產(chǎn)品虛擬裝配

在傳統(tǒng)的三維產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中，一般利用固定的尺寸進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)體造型，這樣做的缺點(diǎn)，就是其中某一個(gè)零件尺寸發(fā)生變化，相對應(yīng)的幾何模型要重新繪制。如果利用參數(shù)化建模不僅可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)使圖形的修改變得方便的多，而且可以使用參數(shù)快速構(gòu)造提高設(shè)計(jì)效率。利用Solidworks軟件對叉車零部件進(jìn)行參數(shù)化建模，設(shè)計(jì)的電瓶叉車主要結(jié)構(gòu):車體、起升機(jī)構(gòu)和駕駛室、驅(qū)動(dòng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等。

虛擬裝配是進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，首先進(jìn)行零部件三維造型建模，然后裝配、干涉分析等協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，最后修改實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化處理，完成產(chǎn)品模型的最終設(shè)計(jì)，其具體流程如圖1所示。利用Solidworks軟件功能，進(jìn)行裝配零件之間的動(dòng)、靜態(tài)干涉檢查，目的是找出設(shè)計(jì)缺陷，及時(shí)調(diào)整與修改設(shè)計(jì)圖紙，從而可縮短產(chǎn)品制造與裝配生產(chǎn)過程時(shí)間，降低產(chǎn)品裝配成本［3］。

圖1 叉車虛擬裝配的設(shè)計(jì)過程

借鑒目前叉車特點(diǎn)，基于Solidworks軟件設(shè)計(jì)出了一款輕便、靈活、環(huán)保、多功能叉車，總體設(shè)計(jì)三維裝配造型圖及工程圖，分別見圖2與3。

圖2 叉車三維造型圖

3 叉車的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)特點(diǎn)1:車體部分可以360°旋轉(zhuǎn)(圖4)。

為了更好的提高工作效率，車體上部分設(shè)計(jì)為可以360°旋轉(zhuǎn)，借鑒坦克炮塔的旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。叉車主體的上下連接體之間利用滾動(dòng)軸承，以便上體旋轉(zhuǎn)，上體伸入下體的部分裝有一個(gè)比上體座圈粗的圓環(huán)，使上體牢固附著在車體上，內(nèi)部利用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，鑒于行星齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)是體積小，承載能力大，工作平穩(wěn)，所以采用行星齒輪傳動(dòng)。

圖3 叉車二維工程圖

圖4 旋轉(zhuǎn)裝置

(2)特點(diǎn)2:多功能可更換機(jī)械手設(shè)計(jì)。

叉車屬具是相當(dāng)于掛裝在叉車上的機(jī)械手，使叉車成為一種多用途高效率的物料搬運(yùn)工具，能對幾乎任何可以想象到的搬運(yùn)對象進(jìn)行叉、夾、推、拉、側(cè)移和旋轉(zhuǎn)等作業(yè)，從而提高物流效率，降低生產(chǎn)成本，避免產(chǎn)品破損，節(jié)省倉儲空間;為了滿足多功能需要，我們設(shè)計(jì)出可更換機(jī)械手功能，見圖5(a)適用于那些稍大一些的圓形貨物，如卷紙，油桶等。圖5(b)適用于搬運(yùn)容易掉落的圓長型貨物，如一堆鋼管，卷絲。圖5(c)適用于推、或者裝一些較重、散狀的貨物。

圖5 貨叉

(3)特點(diǎn)3:無配重及電瓶驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

相對于傳統(tǒng)叉車，我們增加了液壓地腳支撐(見圖6)，省去了傳統(tǒng)的配重設(shè)計(jì)，從而減少了對車體的負(fù)荷，節(jié)省了能源消耗。

電動(dòng)叉車動(dòng)力源以鉛酸蓄電池等為主，相對于內(nèi)燃叉車它具有低噪聲、低維修成本的優(yōu)勢，所以在一些西歐發(fā)達(dá)國家很受重視，電動(dòng)叉車所占的比例達(dá)到50%左右。因此電動(dòng)叉車越來越受到用戶的青睞［4］。本款叉車的動(dòng)力裝置是由蓄電池－AC電動(dòng)機(jī)組成的。其中蓄電池采用高容量24 V蓄電池(240－420 Ah)。

圖6 液壓地腳支撐

4 關(guān)鍵部件的有限元分析

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，液壓缸是很重要的部件之一，必須對其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核［5］，是因?yàn)橐簤焊椎膭?dòng)作可靠性的高低直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)工作性能優(yōu)劣，缸體在高壓環(huán)境工作時(shí)，必須能承受多種載荷(拉力、壓力、沖擊)作用，因此對支撐腳液壓缸厚壁缸筒進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證在限定載荷下設(shè)計(jì)其剛度情況，取液壓地腳頂部載荷重量取2 T，底座底面為固定約束，液壓缸厚壁缸筒內(nèi)壁承受壓力6.3e7 Pa，可取圓筒進(jìn)行有限元分析，厚壁缸筒材料屬性:45鋼:彈性模量取E=210 GPa，泊松比u=0.269，密度7 890 kg/m3，抗拉強(qiáng)度取600 MPa，屈服強(qiáng)度取 355 MPa。計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 Von Mises應(yīng)力分布

通過圖7可看出Von Mises應(yīng)力分布情況，在分析過程中的最大變形量為418E－03 m，最大的應(yīng)力為994E+08 Pa，最小應(yīng)力為257E+09 Pa。應(yīng)力在內(nèi)表面較大，所以在生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)內(nèi)表面材料的強(qiáng)度。

圖8表示分別缸壁沿軸向、徑向靜力分析情況，圖中橫軸為徑向尺寸(m)，縱軸為應(yīng)力(Pa)，橫軸的零點(diǎn)對應(yīng)著缸筒的內(nèi)徑徑向切應(yīng)力和切向應(yīng)力最大值分別為193 MPa、62.7 MPa。結(jié)果表明，都在需用應(yīng)力范圍內(nèi)，剛度足夠。

圖8 分別沿軸向、徑向靜力分析情況

5 結(jié)語

通過本文對叉車的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及虛擬裝配，從安全性、靈活性、多功能性進(jìn)行了分析，另外介紹了對叉車關(guān)鍵部件進(jìn)行了工程分析驗(yàn)證。研究結(jié)果，為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品提供了理論依據(jù)，同時(shí)能夠縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高企業(yè)市場的競爭力。

［1］ 雷曉衛(wèi).我國叉車行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r分析和趨勢展望［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2014(4):108－109.

［2］ 許 暢.叉車主體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與減振設(shè)計(jì)［D］.杭州:中國計(jì)量學(xué)院，2012.

［3］ 王學(xué)軍.基于3D的鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)及其虛擬裝配設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003(4):10.

［4］ 楊 敏.燃料電池叉車的最新發(fā)展應(yīng)用［J］.叉車技術(shù)，2013(4):1－2.

［5］ 陳保倫.液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電氣制造，2009(4):48－54.