蓄电池铲板式支架搬运车的铲叉设计*

肖洪彬

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

蓄电池铲板式支架搬运车主要是为煤矿井下综采工作面搬家倒面而设计，设计最大承载能力80 t。作为搬家倒面的主要设备，其主要用于将支架拖拽或摆放到工作面。另外，该车也是长距离运输重物的主要设备，包括联合搬运采煤机、刮板输送机、带式输送机机头、破碎机、移变、泵站等大件设备。铲叉作为蓄电池铲板式支架搬运车搬运重物时的承载部件，是支架搬运车的关键元部件之一，铲叉的承载能力大，使用工况比地面叉车恶劣。本文对铲叉选择的材料和加工工艺进行研究，对铲叉在实际使用过程中的受力进行简化，验证铲叉的强度和刚度。采用SolidWorks对铲叉进行三维建模和受力分析，为铲叉的设计和改进提供依据。

1 铲叉的结构形式及参数

铲叉是铲板式支架搬运车的承载部件，形状呈L型，采用铰接形式。水平段用来叉取和承载液压支架等重物，水平段的上表面平直、光滑，下面的前端有斜度，保证铲叉叉取液压支架时倾斜处与地面接触，便于叉取重物，叉尖较薄、较窄，两侧带有圆弧[1]。

铲叉的基本结构如图1所示，铲叉的额定起重量Q/2为40 t,铲叉长度L为2 100 mm，铲叉的载荷中心距c为1 500 mm，铲叉竖直两铰支点距离h为1 000 mm，下铰支点距下叉面距离e为200 mm，铲叉的宽度a为450 mm，铲叉的厚度b为200 mm。

图1 铲叉的结构

2 铲叉的材料和制造工艺

地面叉车的货叉材料一般选用40Cr，支架车的铲叉铲取的载荷大，工况较地面叉车恶劣，故铲叉的材料选用强度更高的42CrMo。铲叉制造时先锻造成长坯状，局部加热煨弯成L型，然后加工上铰接耳孔，最后进行调质热处理，从而提高铲叉的综合机械性能，增加水平段的表面硬度，提高耐磨性能[2]。具体的制造工艺如下：

1) 采用圆钢或型材锻造成与铲叉截面相同的长条形毛坯，并切出所需斜面。

2) 在毛坯折弯处局部加热，煨弯镦粗成铲叉状。

3) 锻造铰接耳孔。

4) 超声波探伤，确定毛坯内部是否有气孔、裂纹、夹渣、白点等缺陷。

5) 退火处理。加热到800 ℃，保温2～3 h，炉冷至600 ℃后空冷。

6) 调质热处理。淬火加热到860 ℃，保温2 h，油冷。回火加热到540 ℃，保温2.5 h，水冷。调质后硬度HB 280～320。

7) 硬度和裂缝测试。

3 铲叉的理论计算

3.1 铲叉的受力分析

铲叉与连接座的连接形式为铰接，铲叉可绕铰接销轴相对转动。在铲叉的背面，连接座上有一限位板，限制铲叉的转动。因此上铰接简化为固定铰支座，下限位板简化为滑动铰支座，如图2(a)所示。铲叉在集中载荷P的作用下，竖直段受拉力和弯矩，水平段受剪力和弯矩，其受力图如图2所示[3]。

3.2 铲叉的强度验算

铲叉下铰支点以下的竖直段所受的弯矩和拉应力相同，都属于危险截面，其最大的主应力为：

σmax=σ1+σ2=Pc/W+P/A

(1)

式中:σ1为弯曲应力；σ2为拉应力；P为铲叉的计算载荷；W为铲叉截面的抗弯模量，W=ab2/6；A为铲叉竖直段截面积，A=ab。

(a) 铲叉受力分析图

计算载荷P为:

P=K1K2(Q/2)

(2)

式中:K1为动载荷系数，取K1=1.1；K2为偏载系数，取K2=1.3。

通过计算可得出P=560.5 kN。

因此，铲叉的最大拉应力为:

σmax=280.2+6.3=286.5 MPa。

铲叉的材料为42CrMo，调质处理后，铲叉厚度161～250 mm，屈服应力σs=500 MPa。

铲叉的安全系数与额定起重量、载荷中心距、动载荷系数K1和偏载系数K2密切相关。因动载荷系数K1和偏载系数K2是根据地面叉车的经验选取，蓄电池铲板支架车的车速低，动载荷系数余量较大，从而计算载荷会有较大裕量。铲板车铲叉的载荷中心距通常选取600 mm，该铲叉选取1 500 mm，大部分时间不会工作在此工况，从而最大弯曲应力会降低。因此，安全系数可以取较小值，通常选取安全系数n≥1.5，铲叉取n=1.5。

铲叉的安全系数:

n=σs/σmax=500/286.5=1.75≥1.5。

故设计的铲叉满足强度要求。从上式中可知，铲叉竖直段的长度不影响铲叉的强度，增加铲叉的厚度比增加铲叉的宽度更容易提高铲叉强度。

3.3 铲叉的刚度校核

铲叉的刚度校核是验算铲尖处的挠度，挠度越小，铲叉的刚度越大。校核铲叉刚度时，通常不考虑动载和偏载，按额定起重量计算。计算方法采用弯矩图乘法，铲尖处的挠度为：

(3)

式中:E为钢的弹性模量，E=206 GPa；I为铲叉截面的惯性矩，按等截面计算，I=ab3/12；P为铲叉的额定载荷，P=392 kN;e为下铰支点距下叉面的距离。

经计算可得出f=22 mm。

通常铲尖的许用挠度[fE]=L/50=42 mm，因f≤[fE]，故设计的铲叉满足刚度要求。从公式(3)可知，增加铲叉的厚度比增加铲叉的宽度更容易提高铲叉刚度，减小铲叉的高度，特别是减少下铰支点距下叉面距离，会显著提高铲叉的刚度。

4 铲叉的有限元分析

通过理论计算可知，设计的铲叉满足强度和刚度要求。铲叉在铲取重物时会产生应力集中现象，应力集中主要出现在铲叉根部。根据参考文献[4]中试验成果，应力集中的影响因素主要有：内圆角R1、外圆角R2、铲叉厚度b，其中内圆角R1影响因素最大。参考类似铲板车的铲叉厚度，同时满足铲叉的强度和刚度要求，铲叉的厚度b不变。外圆角R2对应力集中的影响因素较小，外圆角也不再变化，选为100 mm。通过合理的选定内圆角R1大小，使铲叉的应力集中降到允许的安全范围内，应力集中没有专门的计算公式，需采用有限元进行数值模拟[5]。

在SolidWorks中建立铲叉的三维模型，按照理论计算在SolidWorks Simulation中添加约束和载荷。材料选合金钢，弹性模量E为206 GPa，泊松比为0.3。在安全系数选取1.5的情况下，铲叉的最大应力为

σmax=σS/n=500/3=333.3 MPa。

内圆角R1分别选取50 mm、80 mm和110 mm进行仿真模拟，其应力分布如图3～图5所示。

图3 内圆角R1为50 mm的应力分布

通过分析上图可知，内圆角R1为50 mm时，最大应力在铲叉根部，最大应力为407.2 MPa;内圆角R1为80 mm时，最大应力为367.9 MPa;内圆角R1为110 mm时，最大应力为329.1 MPa，此时满足铲叉的强度要求，其余两种情况不满足强度要求。在内圆角R1为110 mm时，铲叉的挠度变形如图6所示，从图中可知，铲叉的最大变形为22.8 mm，最大变形在铲尖处，理论计算的铲尖变形为22 mm，有限元模拟和理论计算十分接近，满足铲叉的刚度要求。

图4 内圆角R1为80 mm的应力分布

图5 内圆角R1为110 mm的应力分布

图6 内圆角R1为110 mm的挠度变形

5 结论

为了设计出高可靠性的蓄电池铲板式支架搬运车铲叉，以铲叉为研究对象，建立铲叉的受力简化模型，通过理论计算铲叉的刚度和强度。将简化的受力模型导入SolidWorks Simulation中对铲叉进行数值模拟，对铲叉的应力集中和刚度进行校核。通过对铲叉的理论计算和数值模拟进行比较可知，对于刚度计算，理论计算和数值模拟的结果相差不大，通过理论计算可以验证铲叉的宽度和厚度是否满足设计要求，若无法计算铲叉根部的应力集中，铲叉的应力集中需要通过数值模拟。本文可为铲叉的设计和仿真提供参考。