叉車轉(zhuǎn)向橋體強(qiáng)度新工況受力分析

摘要：根據(jù)某叉車轉(zhuǎn)向橋斷裂的反饋進(jìn)行分析，判斷橋體斷裂可能原因。建立轉(zhuǎn)向橋限位塊沖擊工況力學(xué)模型，并通過CAE分析對比與現(xiàn)有工況力學(xué)模型的差異，完善轉(zhuǎn)向橋體的受力工況模型，并通過改變限位塊位置來改善橋體受力情況，以達(dá)到提升轉(zhuǎn)向橋可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向橋;受力工況;限位塊沖擊;CAE分析

0" "概述

叉車是在工廠、車間、倉庫或工地完成叉取、鏟運(yùn)、堆垛等作業(yè)的一種工程車輛，具有直線行駛較少、轉(zhuǎn)向頻率較高的作業(yè)特點(diǎn)。轉(zhuǎn)向橋是叉車的關(guān)鍵部件，一般通過緩沖墊或軸承座連接到車架后部尾架上。

叉車一般采用后輪轉(zhuǎn)向，其作用主要包括：承擔(dān)叉車的后部質(zhì)量，叉車空載為后橋負(fù)載為整車質(zhì)量的55%～60%[1];行駛時(shí)，道路對叉車后輪產(chǎn)生各種作用力和力矩，并且吸收振動(dòng)和沖擊;將車架傳來的垂直力、縱向力或橫向力傳給轉(zhuǎn)向輪，以保證叉車能夠正常行駛或轉(zhuǎn)向;當(dāng)車輪通過不平的路面時(shí)，轉(zhuǎn)向橋繞中間軸回轉(zhuǎn)，車輪隨路面高低情況而上下擺動(dòng)，避免車體受路邊影響傾斜。

轉(zhuǎn)向橋在叉車作業(yè)中發(fā)揮著重要作用，且橋體受力情況復(fù)雜。本文針對某型叉車的后橋斷裂問題進(jìn)行分析，并針對一種新的工況進(jìn)行受力分析，以達(dá)到提升轉(zhuǎn)向橋可靠性的目的。

1" "現(xiàn)有分析工況

轉(zhuǎn)向橋的受力簡圖如圖1所示。叉車在路面上行駛時(shí)，作用在左、右轉(zhuǎn)向車輪上的垂直反作用力T₁、T₂可按式（1）計(jì)算。叉車空載通過不平路面時(shí)引起的動(dòng)載荷，使垂直反力達(dá)到最大值，其值與道路不平度、輪胎彈性及行駛速度有關(guān)[2]。

此時(shí)地面對轉(zhuǎn)向輪的垂直反作用力F₁、F₂可按式（2）計(jì)算。式（2）中：δ為動(dòng)載系數(shù)，一般可取3。此種工況分析我們稱之為三倍橋負(fù)載工況，CAE分析時(shí)以橋體旋轉(zhuǎn)中心為固定點(diǎn)，然后在輪胎中心施加F₁、F₂。

T₁=T₂=G_后/2 （1）

F₁=F₂=δ·G_后/2 （2）

2" "叉車轉(zhuǎn)向橋斷裂原因分析

某叉車在客戶使用后發(fā)生后橋斷裂，如圖2所示。針對此情況我們按照現(xiàn)有三倍橋負(fù)載工況進(jìn)行橋體受力分析，后橋負(fù)載為3100kg，F(xiàn)₁、F₂為4650kg。將橋體旋轉(zhuǎn)點(diǎn)作為固定點(diǎn)，通過CAE分析軟件進(jìn)行分析，得到橋體應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。

目前該橋體為鑄造橋體，使用的材質(zhì)為綜合力學(xué)性能較高的QT450-10。該材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度為450MPa，屈服強(qiáng)度為310MPa，許用應(yīng)力為250MPa。從圖3分析結(jié)果可以看出，斷裂處應(yīng)力僅為56MPa。對返回橋體進(jìn)行材質(zhì)分析，金相組織、化學(xué)成分及本體硬度均達(dá)標(biāo)，由此證明正常使用工況該橋體不會(huì)發(fā)生斷裂，需判斷是否為別的原因造成橋體斷裂。

3" "限位塊沖擊工況與分析

目前平衡重式叉車后橋?yàn)殂q接結(jié)構(gòu)，此種轉(zhuǎn)向橋可沿著鉸接點(diǎn)進(jìn)行擺動(dòng)，以保證叉車在不平路面上行駛時(shí)，車輪全部著地。轉(zhuǎn)向橋的擺動(dòng)范圍由橋體上方的限位塊限制，以避免橋體擺動(dòng)過大，造成行駛搖晃、橋體與車體干涉的問題。根據(jù)圖3的應(yīng)力結(jié)果和圖2的斷裂位置，懷疑為橋體受單邊沖擊后，橋體擺動(dòng)到限位塊的位置，并與限位塊發(fā)生沖擊，對橋體帶來較大沖擊，造成橋體此位置斷裂。

3.1" "限位塊沖擊工況

針對限位塊沖擊工況，假設(shè)為右邊輪子受到?jīng)_擊，橋體右上撞擊限位塊。建立受力分析工況模型如圖4所示。后輪距B為980mm，限位塊中心距離橋中心距離L為240mm。

根據(jù)圖4受力工況模型，左側(cè)輪胎為支點(diǎn)，右側(cè)輪胎受到?jīng)_擊力F'₂為3倍該輪胎負(fù)載，計(jì)算公式如式（3）所示。通過力矩平衡可得出，右側(cè)輪胎受到?jīng)_擊力F'₂所產(chǎn)生的力矩，等于限位塊對橋體的沖擊力F'_限所產(chǎn)生的力矩和后橋負(fù)載G_后所產(chǎn)生的力矩之和。由此求出限位塊的沖擊力F'限，計(jì)算公式為式（4）。

F'₂= δ·G_后/2=4650kg （3）

F'_限=（ F'₂·B-G_后·B/2）/（B/2+L）=4160kg （4）

完成橋體限位塊沖擊工況的分析及受力計(jì)算后，以支點(diǎn)為固定點(diǎn)，后側(cè)輪胎處施加沖擊力F'2，橋體旋轉(zhuǎn)點(diǎn)施加后橋負(fù)載G后，在橋體與限位塊接觸面施加沖擊力F'限。通過CAE分析軟件進(jìn)行分析，得出應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，使用限位塊沖擊工況，斷裂點(diǎn)的應(yīng)力值提升了一倍。由此判斷，反饋橋體此處斷裂存在單邊輪受到?jīng)_擊的可能。

3.2" "受力情況改善

通過新增限位塊沖擊工況，橋體在完成CAE分析后，可發(fā)現(xiàn)新的薄弱點(diǎn)。據(jù)此可對橋體進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。同樣由于此工況受力是來源于限位塊帶來的沖擊，我們也可以嘗試不改變橋體，對限位塊的位置進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)一步減少?zèng)_擊力。這樣可避免橋體設(shè)計(jì)參數(shù)裕量過大，增加橋體成本。

通過式（4）可知，限位塊對橋體的沖擊力大小與限位塊距離車體中心的距離L成反比。根據(jù)此橋體結(jié)構(gòu)限制情況，將L從240mm提升至410mm，則橋體的沖擊力F''_限可按照式（5）計(jì)算。

F''_限=（F'₂·B-G_后·B/2）/（B/2+L）=3375kg （5）

由此可見，不改變橋體的結(jié)構(gòu)，可通過限位塊的位置調(diào)整，減少對橋體的限位塊沖擊力。將限位塊中心位置由240mm外擴(kuò)至410mm，可減少19%的沖擊力。

4" "結(jié)論

本文根據(jù)某叉車轉(zhuǎn)向橋斷裂的反饋進(jìn)行分析，判斷橋體斷裂可能。建立轉(zhuǎn)向橋限位塊沖擊工況力學(xué)模型，并通過CAE分析對比與現(xiàn)有工況力學(xué)模型的差異，完善轉(zhuǎn)向橋體的受力工況模型，并通過改變限位塊位置來改善橋體受力情況，以達(dá)到提升轉(zhuǎn)向橋可靠性的目的。目前該方案已經(jīng)被廣泛采用，未再接到過轉(zhuǎn)向橋斷裂反饋。從中可以得到結(jié)論：

針對轉(zhuǎn)向橋受力分析，新增一種轉(zhuǎn)向輪單邊受沖擊并撞擊限位塊的工況，通過針對此工況分析，可發(fā)現(xiàn)橋體的薄弱環(huán)節(jié)。沖擊工況中，可通過優(yōu)化其基礎(chǔ)受力模型來降低整個(gè)機(jī)構(gòu)的受力情況。擴(kuò)大限位塊距離橋體中心的距離，可使得發(fā)生單邊沖擊時(shí)，橋體所受到的限位塊沖擊力降低，整個(gè)轉(zhuǎn)向橋的可靠性得到進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 陶元芳，衛(wèi)良保.叉車構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 陸植.叉車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.