電動叉車舉升機構設計及有限元分析*

張義壯，馮 川

(濱州學院 機電工程學院，山東 濱州 256600)

0 引 言

叉車作為港口作業(yè)、倉庫車間及配送中心等場所主要的短距離運輸工具，可實現(xiàn)貨物的搬運、碼放及裝卸等功能，在城市工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。電動叉車因操作簡單靈活，工作噪聲小及故障率低等特點而被廣泛應用于各類工程領域，加之排放法規(guī)的日趨嚴格和市場監(jiān)管的逐步規(guī)范，更刺激了電動叉車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展[1]。據(jù)中國工程機械工業(yè)協(xié)會工業(yè)車輛分會發(fā)布的叉車銷售數(shù)據(jù)顯示，2019年我國叉車的總銷量達608 341臺，其中電動叉車銷量298 637臺，占比49%，較2018年增長6.24%，電動叉車的市場顯著增加[2]。

由貨叉、叉架和門架組成的舉升機構是電動叉車最主要的工作裝置，承載著運輸貨物的全部載荷，其結構性能對叉車工作時的安全穩(wěn)定有著重要影響[3]。因此，應當對電動叉車舉升機構的力學性能進行必要的計算分析，以滿足日常的使用要求。

1 電動叉車舉升機構選型

1.1 貨 叉

筆者研究的電動叉車主要結構參數(shù)如表1所列。

表1 電動叉車主要結構參數(shù)

貨叉是安裝在叉架前端主要的取物裝置，呈L形，由水平和垂直兩段組成。當叉車叉取貨物時，貨叉的水平段插入貨物底部，承載貨重。垂直段則固定于叉架上，帶動貨叉上下移動，完成貨物的搬移。為減小貨物叉取時的阻礙和干涉，設計時要求貨叉水平段表面需保持平整，且前端呈前窄后寬變化，叉尖兩側由圓弧連接，以避免由于應力集中造成貨叉兩段的開裂。

根據(jù)貨叉與叉架連接方式的不同，貨叉可分為掛鉤式和鉸接式兩種，兩類貨叉結構如圖1和圖2所示。掛鉤型貨叉依靠凹孔中插入的定位銷來實現(xiàn)貨叉的固定，此種貨叉間距的調整需人工手動完成，精度低且難度大。鉸接型貨叉的垂直段頂端設計有圓孔，松套固定在叉架的水平軸上且能繞軸旋轉，貨叉垂直段支靠在叉架的橫梁上。該貨叉結構設計簡單，安裝拆卸方便，又能實現(xiàn)角度的調節(jié)，因此在分析時選用鉸接式貨叉為研究對象。

圖1 掛鉤式貨叉 圖2 鉸接式貨叉 圖3 焊接式鋼板叉架

1.2 叉 架

叉架是貨叉與門架的連接部件，通過門架內側的槽型導軌，帶動貨叉沿軌道上下運動，實現(xiàn)貨物搬運的升降功能。叉架可分為鑄造叉架和焊接叉架兩種，鑄造叉架采用熱處理工藝，通過模型澆注，完成叉架的加工。此方法生產(chǎn)的叉架表面較為粗糙，自重較大，因此本研究選用由鋼板焊接而成的框結構式叉架為研究對象，圖3表示焊接式鋼板叉架的結構圖。

1.3 門 架

門架是叉車貨物搬移中主要的運動機構，通常由內門架和外門架兩部分組成，外門架頂端設計有導槽與滾輪，用于安裝叉架和貨叉，承受貨物的主要載荷。內門架底端固定于叉車底盤處，通過車體支撐整個舉升機構[4]。

常見電動叉車門架結構主要有二級門架和三級門架兩種，結構形式如圖4、5所示。三級門架較二級門架有較大的行程高度，并能實現(xiàn)舉升機構的自由起升[5]。但三級門架結構較為復雜，由于多一級門架機構，使得自身重量有所增加，造成貨物在升高后出現(xiàn)一定傾斜。且制造成本偏高，工作時易出現(xiàn)故障。因此，本文研究的舉升機構選用二級門架設計。

圖4 二級門架 圖5 三級門架

2 電動叉車舉升機構模型建立

2.1 舉升機構參數(shù)確定

設定電動叉車額定舉升質量為Q=3 000 kg，舉升機構的基本參數(shù)如表2所列。

表2 電動叉車舉升機構基本參數(shù)

2.2 舉升機構三維模型建立

根據(jù)表1中主要的結構參數(shù)，在Solidworks中分別建立貨叉、叉架和門架的三維模型，定義貨叉厚度為61 mm，叉架上下鋼板厚度為57 mm、左右鋼板厚度為25 mm、中間兩鋼板厚度為15 mm，門架高度2 800 mm，寬度200 mm，三維模型如圖6～8所示。由配合條件對舉升機構各部分進行裝配，圖9表示整體裝配圖。

圖6 叉車貨叉三維模型 圖7 叉車叉架三維模型 圖8 叉車門架三維模型

圖9 舉升機構裝配 圖10 舉升機構有限元模型三維模型

2.3 舉升機構有限元模型建立

將建立的舉升機構三維模型導入ANSYS中進行有限元分析，有限元模型如圖10所示，其中貨叉材料選用40Cr，叉架和門架材料選用Q235鋼，各材料性能參數(shù)如表3所列。

表3 電動叉車舉升機構各材料性能參數(shù)

在進行有限元網(wǎng)格劃分時，選用四面體網(wǎng)格形式，由于貨叉的叉根部位應力相對集中，故對其進行了網(wǎng)格細化處理，從而獲得更加精確的應力變化。最終得到的電動叉車舉升機構網(wǎng)格劃分如圖11所示，其中網(wǎng)格總數(shù)共22 208個，節(jié)點總數(shù)共22 208個，平均網(wǎng)格質量為0.88。

圖11 舉升機構有限元網(wǎng)格劃分

3 靜力學分析

3.1 貨叉的受力分析

根據(jù)貨叉與叉架的聯(lián)接方式，選用的鉸接式貨叉可簡化為支撐在兩個鉸接支座上的靜定鋼架[6]，在水平段中間位置受一集中載荷P0的作用，圖12表示貨叉簡化后的受力圖。

圖12 貨叉簡化受力分析圖

3.2 貨叉的強度校核

載荷P0由起重貨物的重量決定，同時又受不同載荷系數(shù)的影響，根據(jù)公式(1)計算出貨叉所受的載荷：

P0=K1K2(Q/2)

(1)

式中：Q為額定舉升質量，Q=3 000 kg；K1為動載荷系數(shù)，K1=2.5；K2為偏載荷系數(shù)，K2=2.6。

帶入?yún)?shù)計算得P0=9 750 N。在強度校核時，安全系數(shù)n應滿足以下條件：

n=σs/σ≥3～3.5

選取安全系數(shù)n=3，計算得到許用應力為：

[σ]=σs/n=785/3=261.7 MPa

(2)

由圖12受力分析可知，貨叉水平段受彎矩和剪力作用，垂直段受彎矩和拉力，危險截面位于垂直段下部靠近兩段連接處，其最大應力為[6]：

(3)

式中：P為貨叉所受載荷，P=9 750 N；C為載荷中心距，500 mm；t為貨叉的厚度，t=61 mm；b為貨叉的寬度，b=140 mm。

帶入?yún)?shù)計算可得：

故貨叉強度滿足要求。

3.3 貨叉的剛度校核

在貨叉剛度計算時不考慮偏載系數(shù)與動荷系數(shù)的影響，只取工作時的正常載荷進行分析。貨叉叉尖處的許用撓度為[6]：

(4)

在貨叉叉尖處撓度的計算公式為[6]：

(5)

式中：P0為工作載荷，P0=Q/2；I為貨叉的截面慣性矩，I=t3b/12；E為貨叉材料的彈性模量，E=211 GPa；d為兩支座間距，d=400 mm；e為底部支座距兩段連接處距離，e=160 mm。

帶入?yún)?shù)計算可得：

w=14.13 mm<[w]

故貨叉剛度滿足要求。

中，蘇楠先答應下來。要是真在上海當律師，我完全可以幫你找到。我有個同學，恰好在上海律師協(xié)會工作。她有太多的疑問，最當務之急的是，既是自己的女兒，為什么還要去找？她知道楊小水不會解答她的疑問，只好等著回去問李嶠汝。

綜上所述，通過對貨叉強度和剛度的理論計算可知，貨叉結構設計能夠滿足使用要求。

4 有限元分析

滿載工況是叉車承載額定貨重的特殊狀態(tài)，反映了叉車所能達到的極限能力，因而對研究叉車的使用性能十分重要。利用ANSYS軟件對網(wǎng)格劃分后的舉升機構模型進行有限元分析，得出滿載工況下應力及位移的變化云圖[7]?？紤]到叉車在滿載行駛過程中會發(fā)生上下的振動顛簸，因此在加載前需對載荷增加一定的動載系數(shù)，本研究取值為2.5。

約束的施加方案對有限元分析結果會產(chǎn)生直接影響，關系結論的真實性與合理性[7]。此次研究對舉升機構施加約束的步驟為：

(1) 導入舉升機構的有限元文件后定義材料屬性。

(2) 對門架的上方和底部背板位置進行自由度的約束。

(3) 對叉車貨叉加載相應的集中力，并對整體結構添加重力。

(4) 添加需要求解的應力和位移。

圖13表示滿載工況下電動叉車舉升機構應力變化情況。由圖可知，舉升機構的最大應力為171.54 MPa，出現(xiàn)在貨叉叉根(即水平鋼板和垂直鋼板連接)處。由公式(2)計算可得許用應力為261.7 MPa，最大應力小于許用應力，其強度滿足使用要求。

圖13 滿載工況下應力變化 圖14 滿載工況下位移變化

圖14表示滿載工況下電動叉車舉升機構位移變化情況。由圖可知，舉升機構的最大位移變形為16.466 mm，主要集中在貨叉的叉尖部位，由公式(4)計算可得最大允許的變形量為24 mm，最大變形量小于許用量，其剛度也滿足使用要求。

5 總 結

對電動叉車舉升機構的貨叉、叉架及門架等主要結構進行了選型設計，在Solidworks中建立了三維仿真模型。通過受力分析計算出電動叉車舉升機構的最大應力及變形，完成強度與剛度的理論校核。最后，將建立的模型導入ANSYS中進行了有限元分析。結果表明，電動叉車舉升機構的結構參數(shù)能夠滿足正常的使用要求。分析結論對電動叉車舉升機構的設計研究及機構優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。