基于ANSYS的某叉車轉(zhuǎn)向橋分析

卓納麟

(安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

叉車由于承載要求及操控要求，使用前輪驅(qū)動、后輪轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)向橋作為叉車上重要的運(yùn)動部件，需要承受整車的后方重力，在叉車空載時轉(zhuǎn)向橋承載最大，隨著叉車起重量的增加，轉(zhuǎn)向橋承載減小，當(dāng)叉車滿載時轉(zhuǎn)向橋承載最小，因此對轉(zhuǎn)向橋的強(qiáng)度校核必不可少。

叉車上使用的轉(zhuǎn)向橋機(jī)構(gòu)包括多種結(jié)構(gòu)類型，其中橫置油缸轉(zhuǎn)向橋由于結(jié)構(gòu)簡單、制造維護(hù)方便，成為了最廣泛使用的類型[1,2]，它的驅(qū)動單元為一橫向放置的油缸，執(zhí)行單元為轉(zhuǎn)向節(jié)，油缸的活塞桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過連桿連接，相互之間使用銷軸連接，形成轉(zhuǎn)動副，整個轉(zhuǎn)向橋構(gòu)成了多連桿機(jī)構(gòu)，通過控制油缸的活塞桿運(yùn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，這樣的多連桿結(jié)構(gòu)想要實現(xiàn)理想的運(yùn)動關(guān)系，需要經(jīng)過復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計合理設(shè)計各個連桿的桿長[3,4]。

進(jìn)行轉(zhuǎn)向橋中各零件的校核時首先需要確定惡劣受力工況，然而由于轉(zhuǎn)向橋需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向動作，轉(zhuǎn)向橋中與轉(zhuǎn)向運(yùn)動相關(guān)的零件的受力工況隨轉(zhuǎn)角不同而變化，通過理論分析難以找到它們的惡劣受力工況，多體動力學(xué)分析則能很好地解決這一問題，本文正是通過剛體動力學(xué)分析的方法確定它們的受力惡劣工況并實現(xiàn)分析校核。

1 轉(zhuǎn)向橋體分析

1.1 有限元模型建立

為了反映模型中接觸關(guān)系造成的影響，使用包含轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷與轉(zhuǎn)向油缸等主要承載件的裝配體作為分析對象，同時由于考慮工況下轉(zhuǎn)向油缸及連桿基本不受力，對轉(zhuǎn)向節(jié)也沒有作用力，因此對其忽略不作考慮。對于轉(zhuǎn)向橋體等焊接件，通過ANSYS 中的Spaceclaim軟件進(jìn)行幾何簡化，并將裝配體零件進(jìn)行組合，成為一個零件，這樣就不再需要建立綁定接觸；其他有裝配關(guān)系的零件按照實際的接觸狀態(tài)來建立接觸關(guān)系，本模型中其他所有接觸都為可動連接，建立有摩擦接觸，摩擦因數(shù)取0.1。

轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷及主銷座網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8 mm，其它部分的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格控制方法控制網(wǎng)格形狀，最終得到的網(wǎng)格模型如圖1所示，包含129 079個單元、221 671個節(jié)點(diǎn)。

圖1 轉(zhuǎn)向橋網(wǎng)格模型

分析考慮叉車空載時后橋受力工況，并取3倍動載系數(shù)[5]。在該工況下，后橋在與車架相連的軸座處受到來自車架的重力作用，自身還受到重力的作用，在輪胎處受到來自地面的支撐力作用。在模型中施加車架對轉(zhuǎn)向橋軸座的作用力，使用遠(yuǎn)程力實現(xiàn)，力的作用點(diǎn)在軸座中心的連線上，且位于通過轉(zhuǎn)向輪中心的豎直面內(nèi)，力的大小近似設(shè)為考慮動載系數(shù)的叉車空載時的后橋負(fù)荷141 700 N，這樣把轉(zhuǎn)向橋自身的重力也包括在其中；輪胎受到的地面支撐力則使用約束替代，分別在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)處建立遠(yuǎn)程約束，約束點(diǎn)為輪胎中心點(diǎn)，最終得到的轉(zhuǎn)向橋裝配體的加載約束模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向橋加載約束模型

1.2 轉(zhuǎn)向橋分析結(jié)果

進(jìn)行求解分析，可以得到轉(zhuǎn)向橋裝配體的分析結(jié)果，轉(zhuǎn)向橋體和轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力分析結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出：轉(zhuǎn)向橋體的最大應(yīng)力位于外側(cè)筋板的圓角位置，大小為269 MPa，該筋板材質(zhì)使用Q345，因此安全系數(shù)為1.32；轉(zhuǎn)向節(jié)材質(zhì)為45鋼，屈服強(qiáng)度355 MPa，轉(zhuǎn)向節(jié)在主銷孔上方產(chǎn)生了最大應(yīng)力414 MPa，該位置以壓應(yīng)力為主，不容易造成損壞，不做評價，在主銷孔下方產(chǎn)生了第二大應(yīng)力336 MPa，該位置以拉應(yīng)力為主，安全系數(shù)為1.06，在軸頭的圓角位置產(chǎn)生了大應(yīng)力183 MPa，此處的安全系數(shù)為1.94。根據(jù)這些分析結(jié)果可以看出，在分析的工況下，轉(zhuǎn)向橋和轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度滿足要求。

圖3 轉(zhuǎn)向橋體應(yīng)力分析結(jié)果

2 活塞桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向主銷與連桿分析

前文的分析工況下，由于轉(zhuǎn)向油缸和連桿基本不受力，沒有考慮到分析模型中，不能對它們進(jìn)行強(qiáng)度校核。為了對它們進(jìn)行強(qiáng)度校核，選擇原地轉(zhuǎn)向工況對它們進(jìn)行分析校核，因為在該工況下它們會受較大的作用力，但是在整個轉(zhuǎn)向過程中，不同位置受力大小和方向是不一樣的，需要通過一定的方法確定最大受力的大小與方向，以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)角狀態(tài)。本文使用剛體動力學(xué)方法，對轉(zhuǎn)向橋形成的多連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，以獲得最大載荷，再單獨(dú)對各個零件單體進(jìn)行分析并校核它們的強(qiáng)度。

2.1 剛體動力學(xué)模型建立

使用ANSYS Workbench中的Rigid Dynamics模塊進(jìn)行建模分析。使用轉(zhuǎn)向橋靜力學(xué)分析中簡化得到的裝配體模型作為分析對象，此次分析同時考慮轉(zhuǎn)向油缸和連桿，將所有幾何體都設(shè)置為剛體。模型中相對固定的連接位置都建立綁定接觸，在銷軸連接的兩零件鉸接位置建立鉸鏈運(yùn)動副，在油缸與缸筒之間建立活塞運(yùn)動副[6]。將轉(zhuǎn)向橋的初始狀態(tài)調(diào)整到一側(cè)最大轉(zhuǎn)角位置，在兩轉(zhuǎn)向節(jié)與主銷的鉸接副上施加原地轉(zhuǎn)向時輪胎所受到地面的摩擦力矩1119 700 Nmm(這個摩擦力矩通過理論公式計算得到)，在油缸與缸筒之間的活塞運(yùn)動副上施加一速度60 mm/s。建好的模型用來模擬活塞桿帶動轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向的運(yùn)動過程，通過設(shè)置合適的速度和分析時間長度，使轉(zhuǎn)向節(jié)剛好從一側(cè)最大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到另一側(cè)最大轉(zhuǎn)角，建立好的剛體動力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向橋剛體動力學(xué)模型

2.2 剛體動力學(xué)分析結(jié)果

在ANSYS Workbench的Rigid Dynamics模塊中對模型進(jìn)行分析求解，通過“Joint Probe”結(jié)果便可以得到一側(cè)連桿的鉸接孔受力大小隨時間的變化曲線，如圖6所示。圖6中，縱坐標(biāo)為力的大小，方向沿著連桿兩端銷軸孔連線方向。從圖6可以看出，最大作用力產(chǎn)生于0.4 029 s時刻，大小為18 384 N，該時刻轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)角狀態(tài)如圖7所示，根據(jù)作用力的分力可以計算得到力的方向。另一側(cè)連桿的受力曲線與之呈對稱規(guī)律。

圖6 連桿受力曲線

圖7 連桿受力最大時的轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)角狀態(tài)

2.3 重要零件強(qiáng)度分析與結(jié)果

使用剛體動力學(xué)分析結(jié)果中的最大力18 384 N作為載荷條件，分別對油缸活塞桿、連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)單體進(jìn)行加載分析，得到它們的應(yīng)力分析結(jié)果，如圖8、圖9和圖10所示。3個零件的材料都是45鋼，屈服強(qiáng)度為355 MPa。由圖8～圖10可以看出：油缸活塞桿最大應(yīng)力為217.4 MPa，安全系數(shù)為1.63；連桿最大應(yīng)力為136.2 MPa，安全系數(shù)為2.61；轉(zhuǎn)向節(jié)臂的最大應(yīng)力為269.3 MPa，安全系數(shù)為1.32，它們的最大應(yīng)力都產(chǎn)生于銷軸孔的內(nèi)側(cè)，強(qiáng)度滿足原地轉(zhuǎn)向工況的使用要求。

圖8 活塞桿應(yīng)力分析結(jié)果 圖9 連桿應(yīng)力分析結(jié)果 圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)臂應(yīng)力分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文以ANSYS軟件為分析工具，綜合運(yùn)用多種分析方法，實現(xiàn)了對某叉車轉(zhuǎn)向橋較完整的分析校核。具體過程為：首先使用考慮接觸關(guān)系的裝配體模型通過靜力學(xué)分析方法分析校核了轉(zhuǎn)向橋體與轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度；然后使用剛體動力學(xué)方法建立轉(zhuǎn)向橋中運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型，分析得到了連桿的最大受力與最大受力時轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)角狀態(tài)；最后再通過靜力學(xué)分析方法校核了油缸活塞桿、連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度。

對于包含運(yùn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)，單獨(dú)使用靜力學(xué)分析方法難以實現(xiàn)對所有重要零件的分析校核，因為與轉(zhuǎn)向運(yùn)動相關(guān)的零件的惡劣受力工況難以確定，結(jié)合剛體動力學(xué)分析方法則可以很好地解決這一問題，可以快速準(zhǔn)確地得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動零件的惡劣工況，進(jìn)而對其進(jìn)行分析校核。