叉車工作裝置強(qiáng)度和剛度的有限元分析

邱偉星

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院龍巖分院，福建 龍巖 364012）

叉車是應(yīng)用廣泛的流動(dòng)式物料搬運(yùn)機(jī)械，其工作裝置包括貨叉、內(nèi)門(mén)架和外門(mén)架[1]，是叉車作業(yè)時(shí)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，起升油缸使內(nèi)門(mén)架沿著外門(mén)架內(nèi)移動(dòng)，內(nèi)門(mén)架通過(guò)貨叉架帶動(dòng)貨物上下運(yùn)動(dòng)，工作裝置承受各種載荷，為了保障叉車工作安全穩(wěn)定，必須對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。

基于有限元軟件，對(duì)最惡劣工況下的工作裝置關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到工作裝置各部分的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，為叉車安全運(yùn)行提供詳實(shí)可靠的設(shè)計(jì)參考。

1 幾何模型的建立和材料參數(shù)確定

1.1 三維模型的建立

為減少計(jì)算量、縮短ANSYS軟件分析時(shí)間，對(duì)分析結(jié)果影響不大的叉車工作裝置各處的倒角和圓角進(jìn)行省略，基于三維軟件平臺(tái)Solidwork2016對(duì)其進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 幾何模型

1.2 各部件材料參數(shù)

叉車工作裝置主要由貨叉、內(nèi)外門(mén)架、貨叉架等組成，其中貨叉材料為40Cr，內(nèi)外門(mén)架材料為Q345，貨叉架材料為Q235。采用文獻(xiàn)[2]中的材料參數(shù)，如表1所示。

表1 力學(xué)性能參數(shù)

2 建立有限元模型

2.1 計(jì)算工況的確定

叉車工作時(shí)有運(yùn)輸工況和高位堆碼（堆垛）工況，根據(jù)實(shí)際情況，將門(mén)架滿載且垂直起升至最大高度作為計(jì)算工況。

2.2 有限元模型

由于叉車工作裝置結(jié)構(gòu)的幾何特征有些比較規(guī)則，有些不規(guī)則，為提高計(jì)算精度，文中采用實(shí)體單元Solid186和Solid187對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分：Solid186是三維20 節(jié)點(diǎn)的六面體塊狀單元，Solid187 是三維10節(jié)點(diǎn)的高階四面體單元[2]。

將形狀比較規(guī)則的零件用六面體單元Solid186劃分，不規(guī)則的形狀用四面體單元Solid187劃分，網(wǎng)格劃分得到單元數(shù)為269714，節(jié)點(diǎn)數(shù)為478988，如圖2所示。

圖2 叉車工作裝置有限元模型

2.3 接觸類型定義

叉車工作裝置是由不同零部件裝配而成，根據(jù)實(shí)際工作情況，將門(mén)架與導(dǎo)軌接觸面設(shè)為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.04，其余接觸設(shè)為綁定接觸。

2.4 邊界條件施加

某叉車的額定起重量為3000kg，貨叉和貨叉架的重量是310.86kg[3]，內(nèi)門(mén)架的重量是194.69kg，額定載荷中心距為400mm。叉車工作裝置各部件力邊界的計(jì)算情況如表2所示。

表2 各部位力邊界計(jì)算結(jié)果表 單位：N

力邊界條件包括貨叉受力F1，鏈條受力和滑輪受力F2，升油缸對(duì)內(nèi)門(mén)架的支持力F3，升油缸對(duì)外門(mén)架的壓力F4。其中F1以遠(yuǎn)端力形式施加在貨叉頂面中心處，距貨叉前臂距離為400mm 處，F(xiàn)2 、F3 、F4 分別施加在實(shí)際受力位置。

位移邊界條件包括外門(mén)架與叉車前車橋固定鉸接，外門(mén)架與傾斜油缸的活動(dòng)鉸接，對(duì)活動(dòng)鉸接用圓柱副約束。施加載荷及約束如圖3所示。

圖3 受力情況

3 結(jié)果分析

3.1 工作裝置分析結(jié)果

工作裝置的等效應(yīng)力云圖如圖4(a)所表示，最大應(yīng)力為241.04MPa，總位移云圖如圖4(b)所示，最大位移為11.22mm。

圖4 工作裝置有限元分析結(jié)果云圖

3.2 外門(mén)架強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果

圖5(a)是外門(mén)架等效應(yīng)力云圖，從圖中可知外門(mén)架的最大應(yīng)力為133.95MPa，發(fā)生在外門(mén)架槽板上部分。對(duì)于塑性工程材料，安全系數(shù)通常取1.5，則在該工況下，外門(mén)架的安全系數(shù)為n=345/133.95≈2.58＞1.5，因此，外門(mén)架強(qiáng)度滿足要求。

圖5(b)是外門(mén)架Z向變形云圖，從圖中可知外門(mén)架變形量由門(mén)架頂端到底部逐漸變小，最大變形量位于外門(mén)架頂部，為1.0716 mm。由外門(mén)架的許用撓度計(jì)算公式[3](H為門(mén)架的起升高度）,代入本分析的叉車最大起升高度是3000mm,得到最大撓度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，滿足剛度條件。

圖5 外門(mén)架有限元分析結(jié)果云圖

3.3 內(nèi)門(mén)架分析結(jié)果

圖6(a)是外門(mén)架等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出內(nèi)門(mén)架的最大應(yīng)力為169.54MPa，位于內(nèi)門(mén)架翼緣。在該工況下，內(nèi)門(mén)架的安全系數(shù)為N=345/169.54≈2.03＞1.5，因此，內(nèi)門(mén)架滿足強(qiáng)度要求。

圖6(b)是內(nèi)門(mén)架Z向變形云圖，從圖中可以看出內(nèi)門(mén)架變形趨勢(shì)是由上端到下端逐漸減小，最大變形量為4.4432mm，大于許用撓度，內(nèi)門(mén)架滿足剛度條件。

圖6 內(nèi)門(mén)架有限元分析結(jié)果云圖

3.4 貨叉有限元分析

圖7(a)是貨叉等效應(yīng)力云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)貨叉的最大應(yīng)力為241.04MPa，發(fā)生在叉架拐彎地方，小于屈服應(yīng)力785Mpa，貨叉的安全系數(shù)為n=785/241.04≈3.26＞1.5，因此，貨叉滿足強(qiáng)度要求。

圖7(b)是貨叉Z向位移云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)貨叉架頂部變形較大，最大值為5.0116mm，由貨叉的許用撓度計(jì)算公式（L為貨叉長(zhǎng)度），代入某叉車貨叉長(zhǎng)度1075 mm，得出的結(jié)果遠(yuǎn)大于1，滿足剛度條件。

圖7 貨叉有限元分析結(jié)果云圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某叉車工作裝置的靜力學(xué)分析，得到其內(nèi)、外門(mén)架和貨叉的等效應(yīng)力和位移云圖；通過(guò)內(nèi)、外門(mén)架和貨叉進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，得到結(jié)論：

（1）內(nèi)、外門(mén)架和貨叉的最大等效應(yīng)力均未超過(guò)對(duì)應(yīng)材料的屈服極限，強(qiáng)度均滿足要求。

（2）內(nèi)、外門(mén)架和貨叉的變形均在許用范圍內(nèi)，剛度均滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李鄂民,王濱,張晨.基于ANSYS的叉車架體有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(9):2078-2081.

[2]沈莉芳.基于ANSYS的叉車門(mén)架結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助分析[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù),2007,3(4):383-385．

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[4]王虎奇,何海釗.基于ANSYS的兩種貨叉力學(xué)性能分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2011(9):38-39.