叉車(chē)門(mén)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/王茂兵（安徽合力股份有限公司）

近年來(lái)，隨著物流業(yè)的發(fā)展和勞動(dòng)力成本的提高，叉車(chē)越來(lái)越被廣泛使用到各種場(chǎng)合。在一些特殊場(chǎng)合要求叉車(chē)門(mén)架在保證一定起升高度的同時(shí)落地高度比較低，即通過(guò)性要好，通過(guò)性漸漸成為考核叉車(chē)主要性能的指標(biāo)之一。而目前叉車(chē)門(mén)架結(jié)構(gòu)由于采用主滾輪控制縱向受力、側(cè)滾輪控制橫向的形式，普遍存在下列問(wèn)題：門(mén)架落地高度較高、叉車(chē)通過(guò)性不好；結(jié)構(gòu)受力較差，側(cè)滾輪的焊接位置容易疲勞斷裂；制造工藝復(fù)雜，需要切割、打孔、攻絲等多道工序；組裝調(diào)試流程繁瑣，產(chǎn)品成本較高。

要解決上述問(wèn)題，需要在降低門(mén)架落地高度（減小槽鋼的重疊距）的同時(shí)保證足夠強(qiáng)度和剛度。但槽鋼重疊距減小意味著滾輪距減小，會(huì)使槽鋼局部應(yīng)力變大，結(jié)構(gòu)疲勞壽命降低，滾輪易損壞。本文探討在滿(mǎn)足一定落地高度的同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少門(mén)架的應(yīng)力集中，提高使用壽命。該方案也可以在滿(mǎn)足使用壽命的同時(shí)，降低門(mén)架的落地高度，提高叉車(chē)的通過(guò)性。

一、現(xiàn)有狀況

1.整體情況

圖1是現(xiàn)有起升高度3m基本型門(mén)架[1]結(jié)構(gòu)示意圖。搭載到整車(chē)作業(yè)時(shí)，在重物的作用下，內(nèi)外門(mén)架縱向受力通過(guò)主滾輪傳遞，受力大小是f1；門(mén)架橫向受力通過(guò)側(cè)滾輪傳遞，受力大小是f2，其中，主、側(cè)滾輪都在門(mén)架重疊距L內(nèi)。

圖1 門(mén)架結(jié)構(gòu)視圖和受力

門(mén)架設(shè)計(jì)需要在保證一定起升高度的同時(shí)，落地高度盡可能小（更加容易進(jìn)比較低矮的倉(cāng)庫(kù)門(mén)），落地高度越小意味著門(mén)架重疊距L變小。通過(guò)圖1可以看出，L變小影響主滾輪距A和側(cè)滾輪距C，這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：側(cè)滾輪受力f2和主滾輪受力f1變大，滾輪容易損壞；槽鋼輥道面接觸應(yīng)力變大，造成槽鋼局部應(yīng)力和變形大，疲勞壽命降低，提前撕裂的可能性增大。

2.滾輪受力分析

以起升高度3m門(mén)架為例，A=500mm、C=300mm、承載4t計(jì)算滾輪受力：

主滾輪受力f1=50500N，主滾輪Cor=38500N，安全系數(shù)N1=Cor/f1=38500/50500=0.762≥0.7（N=0.7 是設(shè)計(jì)推薦值）；

側(cè)滾輪受力f2=20050N，側(cè)滾輪Cor=24190N，安全系數(shù)N2=Cor/f2=24190/20050=1.18≥0.7（N=0.7是設(shè)計(jì)推薦值）。

3.槽鋼受力分析

直接用 ANSYS軟件[2]進(jìn)行分析，A=500mm、C=300mm，承載4t計(jì)算槽鋼受力，總體和局部受力分析情況見(jiàn)圖2。

圖2 總體應(yīng)力分布和局部應(yīng)力視圖

從圖2中可以看出，局部應(yīng)力值達(dá)429MPa，接近材質(zhì)的屈服極限480MPa。為了解決這個(gè)問(wèn)題，起初采用在滾輪軸周?chē)蛹訌?qiáng)筋，并分析受力，分析結(jié)果如圖3?？梢钥闯鼍植繎?yīng)力大大減少，降低到248MPa。但這種方案帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題，在門(mén)架槽鋼自動(dòng)生產(chǎn)線上需加一個(gè)焊接工位，進(jìn)行該筋板的焊接，影響生產(chǎn)效率。

圖3 加筋板后局部應(yīng)力圖

二、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.優(yōu)化主滾輪的結(jié)構(gòu)

如上所述，門(mén)架的重疊距L對(duì)滾輪的受力影響較大，雖然理論上可以增加重疊距來(lái)改善槽鋼和滾輪受力，但是會(huì)增大門(mén)架的落地高度。如果采用加筋板方式，會(huì)影響生產(chǎn)線的效率?，F(xiàn)通過(guò)優(yōu)化主滾輪的結(jié)構(gòu)，利用深溝球軸承具有承受較大側(cè)向力的能力，使其同時(shí)承受縱向力和橫向力，這樣就可以取消側(cè)滾輪，主滾輪斜置α=2°，具體變化如圖4。這樣從圖5就可以看出主滾輪距A等于側(cè)滾輪距C，長(zhǎng)度都是500mm。

圖5 優(yōu)化后滾輪距示意圖

2.滾輪受力分析

以起升高度3m門(mén)架為例，相同工況下，計(jì)算A為500mm、承載4t時(shí)的滾輪受力。

主滾輪徑向受力f1=50500N，主滾輪Cor=38500N、安全系數(shù)N1=Cor/f1=38500/50500=0.762≥0.7（N=0.7是設(shè)計(jì)推薦值）；

主滾輪側(cè)向受力f2=12000N；側(cè)向Cor=19250N、安全系數(shù)N2=Cor/f2=19250/12000=1.60≥0.7（N=0.7是設(shè)計(jì)推薦值）。

3.槽鋼受力分析

用ANSYS軟件[2]分析承載4t計(jì)算槽鋼受力?？傮w受力情況見(jiàn)圖6，可以看出優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域由429MPa降低到241MPa?？梢钥闯?，該方案不僅能夠增加側(cè)滾輪距來(lái)減少應(yīng)力，而且門(mén)架槽鋼的側(cè)向受力點(diǎn)在腹板根部，減輕滾輪焊接處槽鋼腹板的應(yīng)力集中。取消側(cè)滾輪后，腹板上不要加工槽孔，進(jìn)一步降低應(yīng)力集中，效果非常明顯。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)門(mén)架受力圖

三、小結(jié)

通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以發(fā)現(xiàn)，取消側(cè)滾輪，用主滾輪代替?zhèn)葷L輪承受橫向力，能夠保證在相同重疊距的情況下，增加側(cè)滾輪的距離，槽鋼整體變形減少和局部應(yīng)力變小，提高整個(gè)門(mén)架的穩(wěn)定性；同時(shí)取消側(cè)滾輪能夠降低采購(gòu)成本，取消側(cè)滾輪割口和螺栓安裝孔可以節(jié)省加工成本。