對(duì)某叉車車架變形過大的分析及優(yōu)化

何霞　胡麗琴

一、 故障現(xiàn)象：

我公司某叉車樣車，車架前立板在車輛使用一段時(shí)間后發(fā)生形變，與司機(jī)室發(fā)生干涉，導(dǎo)致司機(jī)室損壞。

二、故障分析（有限元法）

1、 車架結(jié)構(gòu)及計(jì)算載荷

1.1車架結(jié)構(gòu)

車架結(jié)構(gòu)形式多樣，無論是框架式、脊梁式還是綜合式都是由縱橫梁連接而成，其中縱梁是主要承載元件?？v梁有直有曲，斷面沿長度有變有不變。縱梁斷面形式有槽形、工字形、箱形和Z字形等。某叉車縱梁多用焊接結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)成閉口斷面形式或型材。橫梁與縱梁連接成整體，從而保證車架有足夠的抗彎和抗扭剛度。

1.2 車架載荷

車架是整個(gè)叉車的基體，車架承受著來自路面及裝載的各種載荷的作用力，成為一個(gè)承受著復(fù)雜空間力系的框架結(jié)構(gòu)，車架變形主要表現(xiàn)為彎、扭兩種狀態(tài)。若用經(jīng)典力學(xué)方法來計(jì)算車架強(qiáng)度和剛度或進(jìn)行動(dòng)力分析，則需要做很多的簡化和假設(shè)，計(jì)算精度很低。但車架承受的載荷總的來說可以分為自身載荷和有效載荷兩類：自身載荷是指車架自重、駕駛室、各總成及設(shè)備重（工作裝置、配重、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器等）；有效載荷是工作裝置的偏載，它們以集中或分布載荷的形式作用在車架上。叉車車架計(jì)算主要考慮彎曲強(qiáng)度計(jì)算，彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算。

2、 車架的有限元分析

首先選取車架受力最惡劣的工況，對(duì)于叉車車架而言，車架受到叉車工作裝置、液壓缸和工作載荷的作用力，且在計(jì)算過程中，車架及液壓缸等部件本身的質(zhì)量及重心會(huì)對(duì)整個(gè)計(jì)算產(chǎn)生較大的影響，因此，必須考慮整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，通過以上工況及受力分析，用MSC-PATRAN及MSC-NASTRAN對(duì)車架進(jìn)行有限元分析。

2.1 有限元建模

為了更能真實(shí)地反映車架的受力情況，將工作裝置液壓缸及車架全部建模，并在臂架與車架連接的節(jié)點(diǎn)處、伸縮臂的鉸接處、油缸鉸接處均通過耦合模擬連接，為節(jié)省工作量，將叉車上所有的銷軸、貨叉及油缸都看作鉸接件，建模時(shí)用BEAM梁單元模擬，其它板筋件用SHELL殼單元模擬，鑄件用SOLID實(shí)體單元模擬，不考慮各工藝孔，簡化某些工序的工藝余量，并在輪胎安裝孔處建立剛性節(jié)點(diǎn)，力求更真實(shí)地對(duì)約束情況進(jìn)行模擬。

2.2邊界條件及負(fù)載

2.2.1邊界條件及負(fù)載

結(jié)合實(shí)際工作工況，如下圖4所示，在輪胎安裝位置完全約束，在貨叉處施加工作載荷F=25000N的集中載荷，在上部結(jié)構(gòu)其它總成的重心處施加載荷F=65000N的集中載荷。

3.1.2 結(jié)果分析

由應(yīng)力云圖可看出，車架最大應(yīng)力為σMAX=522MPa

材料選用的是Q690D ，根據(jù)相關(guān)資料查出Q690D的屈服強(qiáng)度σs=690MPa 根據(jù)《液壓挖掘機(jī)》所列出液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)推薦知車架、行走架安全系數(shù)n為1.5～2

車架安全系數(shù)：<1.5

車架變形量： δMAX=23.2mm

由分析結(jié)果可看出車架應(yīng)力應(yīng)變過大，結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。

4 應(yīng)力、應(yīng)變云圖

按照相同的邊界條件及負(fù)載條件對(duì)修改結(jié)構(gòu)做有限元分析，應(yīng)力、應(yīng)變云圖如下圖1、圖2所示：

4.3 結(jié)果分析

車架安全系數(shù)： >2

車架變形量： δMAX=5.32mm

由分析結(jié)果可看出該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，能滿足使用要求。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)叉車車架的有限元分析，得出車架在工作過程中的應(yīng)力分布情況，對(duì)樣機(jī)試制階段發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)缺陷提出理論依據(jù)，指導(dǎo)了車架設(shè)計(jì)的后續(xù)改進(jìn)，提高了車架可靠性。改進(jìn)后的車架經(jīng)過5萬公里行駛測試和1000小時(shí)作業(yè)測試，該部位未出現(xiàn)變形故障，驗(yàn)證了本次應(yīng)力分析的正確性。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 周京平.中文版Pro/ENGINEER wildfire 3.0完全自學(xué)手冊—北京：科學(xué)出版社，2007

[3] 中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典編委會(huì).中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典：第二卷—南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002

[4] 液壓挖掘機(jī)（原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、計(jì)算）—武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.10

作者簡介：

何霞，2003年畢業(yè)至今，一直從事機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面的分析工作，幾乎參與了近幾年公司所有結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)校核和設(shè)計(jì)改進(jìn)。