叉车内门架力学分析

高 晶，郭建平

（国家工程机械质量监督检验中心，北京 120100）

叉车内门架力学分析

高 晶，郭建平

（国家工程机械质量监督检验中心，北京 120100）

1 叉车及内门架的结构

叉车主要由车架、起升货架、液压系统等几部分组成，叉车车体前方为两条带小车轮的支腿向前伸出，货叉位于2支腿之间。

叉车门架主要由内门架和外门架组成。它一方面支承起升油缸，从而承受货物重力等垂直力P；另一方面，货物给货叉的力矩，通过起升货架传给门架立柱，使门架立拄承受纵向弯矩M，叉车内门架由左右2根立柱及上下横梁焊接而成。叉车内门架立柱既承受弯矩，又作为起升机构滚轮运动的导轨，它的横截面形状可为工字形、槽形、J型、L型等异形截面。

2 叉车内门架的力学分析与计算

从内门架受力分析（图1）可以看到内门架受到的外载荷作用如下。

图1 内门架受力分析

1）货架滚轮作用于内门架立柱翼缘的成对集中力偶(NI和NIII，NII和NIV)及滚轮摩擦力fi(i＝ 1～4)；因每个滚轮摩擦力值较小，在计算中可以忽略。

2）外门架立柱反作用于内门架滚轮的成对集中力偶(NV和NVII，NVI和NVIII)及滚轮运动阻力fj（j＝5～8)；因每个滚轮摩擦力fj值较小，在计算中可以忽略。

3）起升油缸推动内门架上升时对内门架的作用力F。

4）内门架自重F1。

为考虑货物在货架上偏置的情况，对于焊接货架，计入偏载系数M。

其计算载荷为

Q计=MQ （1）

式中 M—货物偏载系数，M=1.1～1.3。

货架的受力分析如图2a所示，根据力矩平衡可得滚轮Ⅰ～Ⅷ的滚轮压力大小为

图2 货架和链轮受力分析

由于e值很小，通常计算中，将Se项忽略不计。故滚轮Ⅰ～Ⅷ的滚轮压力大小为

为了计算内门架滚轮压力，单独取内门架为自由体，其受力分析如图1所示，根据力矩平衡可得滚轮矿Ⅴ～Ⅷ上的压力大小为

3 内门架立柱的强度计算

3.1 整体弯曲应力分析

计算时可先依据内门架的具体构造，把它简化为框架形状。在所取框架简图上加上各个作用力，就构成了计算简图(图3)。它以内门架滚轮V～VIII为支座，货架滚轮I～IV的轮压力为外载荷。可以把它分解为2个平面刚架的叠加：一个承受对称作用力系，另一个承受反对称作用力系，然后分别对它们用力法求解。

图3 内门架载荷简图

对称作用力只引起弯矩，反对称作用力既产生弯矩又产生扭矩。具体计算可参照结构力学进行。计算结果表明，反对称力对框架产生的弯矩要比对称力产生的弯矩小得多，约是对称力所产生弯矩的20%，简化计算时可忽略。

内门架立柱整体受到的弯矩MX(Nm)，弯曲正应力σW为

式中 WX——计算横截面的抗弯截面模量，m3。

3.2 门架立柱的约束扭矩应力分析

在内门架立柱的约束扭转计算中，可将左、右立柱作为经受外转矩作用的受约束的开口薄壁杆件分别单独进行计算。对于内门架的计算模型因其顶梁比较坚固，故可简化为一端简支一端全受有4个由滚轮力产生的转矩M1～M4，如图4所示。

图4 双力矩图

内立柱截面中的双力矩B方程式

式中 Mi—作用于内门架立柱上的扭矩；

l—内门架立柱长度；

K—内门架立柱截面的约束扭矩特性，

G—材料的剪切弹性模量，MPa；

E—材料的抗弯弹性模量，MPa；

IK—截面自由扭转惯性矩，

bt—内门架立柱截面各部分的长度，m；

tt—门架立柱截面各部分的厚度；

a— 系数，对轧制工字型截面a=1.20；对焊接工字型截面a=1.50；

IW—面扇形惯性矩，m4；

δi— 考虑i点的计算截面相对于原点位置的系数，当Z＞Zi时，δi=1；当Z＜Zi时，δi=0；

Z—计算截面至坐标原点的距离；

Zi— 门架滚轮压力引起的外扭矩作用位置在Z轴上的坐标；

Sh—双曲线正弦值。

内门架立柱的约束正应力为

式中 Bmax——内门架立柱的最大双力矩，Nm；

Iw——内门架立柱截面的扇形惯性矩，m6；

w——内门架立柱截面计算点的扇形坐标。

3.3 门架立柱的组合应力分析

由以上分析可知，其分项应力有整体弯曲正应力σW、约束扭转正应力σw，其组合应力为

σ组合=σW+σw≤[σ] （8）

3.4 门架立柱的接触应力分析

门架立柱在滚轮压力的作用下，除产生上述的各项应力外，在滚轮和立柱翼缘相接触的表面还产生接触应力。挤压应力可用下式计算

式中 R——滚轮的半径，m；

Pmax——滚轮的最大轮压力，N；

L—滚轮的厚度，m；

K1，K2，—系数，可近似的认为

μ—材料的泊松比；

E—材料的弹性模量，Pa；

[σ]— 许用接触应力，对常用的钢25MnV, 取600MPa。

4 结 语

综上所述，通过对叉车内门架整体弯曲应力分析，内门架立柱的约束扭矩应力分析，内门架立柱的组合应力校核，内门架立柱的接触应力校核，提供了叉车内门架进行强度校核的理论计算方法，供设计人员参考。

（编辑 于 洋）

Mechanical analysis of forklift inner portal

GAO Jing, GUO Jian-ping

［中图分类号］U294.27+2

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)06-0055-03

［收稿日期］2015-04-09