高速伸縮臂叉車整體車架受力分析

王勇， 王丹， 劉珂

（32181部隊(duì)，西安 710032）

0 引 言

高速伸縮臂叉車[1-2]是一種在特殊環(huán)境條件下使用的裝卸搬運(yùn)設(shè)備，相對(duì)于普通及市面上通用的伸縮臂叉裝車而言，高速伸縮臂叉車主要用于特殊環(huán)境、沙灘、泥濘、山區(qū)及無(wú)路狀態(tài)下不平路面區(qū)域裝卸搬運(yùn)所需物資，具有通常意義下的越野作業(yè)功能，是一種新型多功能物料搬運(yùn)設(shè)備。一方面，它是普通搬運(yùn)設(shè)備，將汽車起重機(jī)的伸縮臂結(jié)構(gòu)形式與普通傳統(tǒng)叉車[3]的裝卸搬運(yùn)功能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，可以通過(guò)不斷改變其伸縮臂長(zhǎng)度和角度的方法來(lái)達(dá)到要求的作業(yè)高度和距離，配合不同的作業(yè)屬具，能夠以叉車、起重機(jī)、高空作業(yè)車等多種模式，完成所需單元物資的裝卸搬運(yùn)、高空或跨障作業(yè)[4]；另一方面，它又具備汽車的基本功能，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況場(chǎng)地及完成物料裝卸搬運(yùn)所需時(shí)間進(jìn)行綜合衡量，啟用高速行駛功能時(shí)能夠達(dá)到85 km/h的速度，具備公路上跟隨運(yùn)輸車隊(duì)行進(jìn)的速度要求[5-6]。

高速伸縮臂叉車要滿足低速裝卸搬運(yùn)設(shè)備與高速汽車[7]兩方面的特殊用途，整體設(shè)計(jì)階段需要綜合考慮裝卸搬運(yùn)機(jī)械和汽車兩方面的功能需求，特別是整車車架是整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和主要關(guān)鍵件，對(duì)于車架材料的選取、車架結(jié)構(gòu)形狀及受力情況應(yīng)該放到第一需求高度進(jìn)行考量，在初始設(shè)計(jì)階段就要采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行各個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元模型受力分析，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化整體車架結(jié)構(gòu)尺寸和自重的效果[5]。

1 整體車架材料的基本參數(shù)

高速伸縮臂叉車整體車架設(shè)計(jì)[8-9]要考慮各種結(jié)構(gòu)形狀的合理規(guī)劃和材料所受應(yīng)力應(yīng)變情況。這是因?yàn)檐嚰苁钦麄€(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)，是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、工作裝置等各個(gè)部件的承重體，因此要重點(diǎn)考慮車架的選用材料、車架的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和整體車架受力分析情況。

通過(guò)類比法并參考通用伸縮臂叉車的材料選用原則，高速伸縮臂叉車根據(jù)所用特殊環(huán)境對(duì)設(shè)備受力可能產(chǎn)生的影響等要求，設(shè)計(jì)階段整車車架及工作裝置選用的材料相同，整體車架選用材料[10]的基本參數(shù)如下：材料牌號(hào)為Q690D，當(dāng)厚度δ≤16 mm時(shí)，屈服點(diǎn)σs=690 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=770～940 MPa；當(dāng)厚度δ=16～40 mm時(shí)；屈服點(diǎn)σs=670 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=770～940 MPa[5]。

2 整體車架結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

高速伸縮臂叉車整體車架設(shè)計(jì)階段根據(jù)各種使用工況可設(shè)計(jì)3種結(jié)構(gòu)供選擇，分別為整體車架初始原本結(jié)構(gòu)，整體車架局部加高結(jié)構(gòu)，整體車架加厚，局部加高結(jié)構(gòu)。下面對(duì)3種車架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元建模和應(yīng)力應(yīng)變分析[11-12]，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果選擇合理的整體車架結(jié)構(gòu)。

2.1 3種車架結(jié)構(gòu)有限元模型

3種車架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1～圖3所示。

2.2 3種車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

3種車架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖4～圖6所示。根據(jù)上述3種整體車架結(jié)構(gòu)形狀的有限元分析，計(jì)算結(jié)果如下：

1）初始原本結(jié)構(gòu)：最大應(yīng)力σMAX=643 MPa，最大應(yīng)變?chǔ)腗AX=28 mm。2）局部加高結(jié)構(gòu)：最大應(yīng)力σMAX=337 MPa，最大應(yīng)變?chǔ)腗AX=6.08 mm。3）整體加厚、局部加高結(jié)構(gòu)：最大應(yīng)力σMAX=250 MPa，最大應(yīng)變?chǔ)腗AX=5.32 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整體車架結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化采用整體加厚、局部加高結(jié)構(gòu)，可以在滿足選用車架材料設(shè)計(jì)要求情況下，整體車架結(jié)構(gòu)形狀的強(qiáng)度剛度變化量最小。

圖1 整體車架初始原本結(jié)構(gòu)

圖2 整體車架局部加高結(jié)構(gòu)

圖3 整體車架加厚、局部加高結(jié)構(gòu)

圖4 整體車架初始原本結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

上述優(yōu)化結(jié)果是采用多個(gè)初始邊界條件反復(fù)進(jìn)行模擬計(jì)算得出的結(jié)論。

3 整體車架受力分析

高速伸縮臂叉車由于伸縮臂工作裝置的特殊性，伸縮臂有伸出與收回等多個(gè)作業(yè)工況，對(duì)整體車架的受力影響作用也不一樣，因此，本文重點(diǎn)考慮極限作業(yè)工況下，高速伸縮臂叉車處于最大負(fù)載情況下整體車架極限受力情況[11-12]，考慮到上述在極限作業(yè)受力工況下，只要初始邊界條件設(shè)置合理，模型數(shù)據(jù)通過(guò)試驗(yàn)采集真實(shí)可靠，反復(fù)計(jì)算結(jié)果都能說(shuō)明整體車架的有限元應(yīng)力計(jì)算小于材料的許用應(yīng)力，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，就能達(dá)到優(yōu)化整體車架結(jié)構(gòu)尺寸和自重的效果。

圖5 整體車架局部加高結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

圖6 整體車架加厚、局部加高結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

最大負(fù)載工況下整體車架的有限元模型如圖7所示。

圖7 最大負(fù)載作業(yè)時(shí)整體車架有限元模型

最大負(fù)載作業(yè)工況下整體車架的應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知，最大負(fù)載工況下，整體車架的最大應(yīng)力為322 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 最大負(fù)載作業(yè)時(shí)整體車架應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

通過(guò)上述三維仿真模擬分析及有限元模型分析計(jì)算，設(shè)計(jì)階段的高速伸縮臂叉車[13]整體車架結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)及受力分析計(jì)算材料選用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選擇的材料為Q690D，屈服極限為690 MPa。

通過(guò)有限元模型應(yīng)力應(yīng)變分析計(jì)算表明：高速伸縮臂叉車整體車架結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)及受力分析設(shè)計(jì)所選用的材料符合設(shè)計(jì)要求[14]，為設(shè)備的生產(chǎn)、檢驗(yàn)及驗(yàn)收提供了參考依據(jù)[15]。后續(xù)實(shí)際加工、生產(chǎn)、制造，可選用上述計(jì)算結(jié)果對(duì)相應(yīng)的樣機(jī)檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證參考。