某装载机草叉叉齿断裂分析与改进

徐诗瑶，区思榜，沈洪伟

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

装载机草叉多用在农场、发电厂、造纸厂，主要用于草料的抱夹、运输、堆垛和喂料等工况。草叉主要由上、下叉体和驱动上叉体动作的液压系统组成，液压系统包括先导阀、分配阀、油缸及控制管路等，通过液压油路控制油缸的伸缩实现草叉上叉体的张合。草叉叉齿多由圆形棒料制成，棒料形状长而尖，草叉作业时插入阻力小，便于分离堆积的草料，它的结构强度关系到草叉的使用寿命及叉草的使用效果。研究草叉叉齿的设计结构对应力的影响，提出一种无台阶结构，进一步降低叉齿应力，仿真及试验结果表明，无台阶叉齿结构稳定、可靠，可推广应用。

1 问题的提出

根据用户反馈，某机型装载机草叉在某发电厂铲运废纸、草料时，在使用几十个小时后就出现了草叉叉齿断裂的情况，严重影响了用户的正常使用，导致插入阻力变大，无法分离堆积的草料，草叉和叉齿断裂位置如图1、图2 所示。

图1 草叉边叉齿断裂

图2 草叉断齿断口

2 原因分析

该用户是造纸厂，主要的工况是用装载机叉草铲运废纸、草料等。当卡车运输草料进场后，装载机草叉将物料从卡车上卸下来，再运送到仓库集中堆放。针对装载机草叉在使用几十小时后出现叉齿断裂的问题，主要原因分析如下：

（1）草叉叉齿结构设计不合理及强度不足；

（2）草叉叉齿焊接工艺问题；

（3）草叉叉齿质量问题。

因此，对草叉叉齿的设计强度进行有限元分析，同时分析草叉叉齿制造焊接的工艺是否存在问题，检测同一批次叉齿是否有质量问题。

3 故障排查

3.1 草叉叉齿设计强度分析

使用有限元对草叉下叉体结构进行有限元建模[1-3]，找到叉齿应力大的区域，对比与实际开裂的位置是否一致，找到开裂的原因，并给出优化改进方案。网格模型采用六面体网格单元进行划分，整体网格大小为15 mm，网格单元数79596，节点数492859，如图3 所示。

图3 草叉下叉体网格模型

草叉下叉体共6 个叉齿，叉齿材料为35#钢（抗拉强度315 MPa[2]），叉齿直径45 mm，草叉在作业时可看作正载工况，理论上草叉所受的力由6 个叉齿均分。在草叉与工作装置连接区域约束其X、Y、Z方向自由度，在草叉上施加工作装置的力，约束叉尖[1，3]；如图4 所示，在A、B 点约束其自由度，在C 点施加力，方向指向工作装置，在D 点增加约束。

图4 草叉有限元模型

由ANSYS 模拟计算，应力云图如图5、图6 所示，草叉左右边上的两根叉齿所受应力最大值，分别为268.13 MPa 和262.73 MPa，虽然未超过35#钢的抗拉强度315 MPa，安全系数为1.17 和1.2，相对偏低。由图6 可知，叉齿应力最大处在叉齿与底板连接处。

图5 下叉体应力分析（整体）

图6 下叉体应力分析（叉齿）

为了使叉齿和底板方便拼搭和焊接，在叉齿棒料与底板的连接处割了一个“台阶”，如图7 所示。由图6 可知，由于叉齿的“台阶”突然过度，故所受应力最大值处在“台阶”附近，“台阶”处是叉齿的应力集中点，叉齿受力后容易从“台阶”此处开裂，甚至断裂，分析结果与实际反馈一致，叉齿断裂后，影响装载机草叉的正常使用。

图7 叉齿与底板连接处

3.2 制造焊接工艺分析

该叉齿材料为35#钢，35#钢属于中碳钢，虽然有较好的冲击韧性，但是其焊接性能较差。35#钢与Q345 钢的性能见表1。

表1 35#钢与Q345 钢的性能

在草叉的制造焊接过程中，如果焊缝周边有水、油渍、锈蚀等杂质很容易形成热裂纹；同时底板和叉齿之间的连接处有一个很小“台阶”构造，焊接时熔合比大，很容易造成热裂纹；在拼搭时，由于制造误差，底板与叉齿尖存在较大的间隙，焊接时焊缝成型差，造成焊接时“台阶”处局部应力集中，焊缝在焊接完成时就立即产生了热裂纹。

3.3 叉齿质量问题分析

（1）硬度：35#钢未进行调质处理的硬度要求为HB200 以下，经过对整机上及现场未拼焊的叉齿进行抽样检测，硬度为HB185-190，叉齿硬度符合要求。

（2）材质：材质化验把样件送到计量室进行检测，叉齿材质符合要求。

4 改进方案

从叉齿的设计强度上：将叉齿的材料由35#钢更换为焊接性能较好且屈服强度更高的Q345 钢，同时增大叉齿的尺寸、取消“台阶”等薄弱处[1]。

在制造工艺上，要求焊接前打底，清理周边的油渍、锈蚀等杂质，严格控制拼搭间隙，焊接参数等。由ANSYS 模拟计算[2]，改进后的叉齿应力云图如图8、图9 所示。叉齿最大应力值为81.73 MPa,其强度符合要求，安全系数为4.22，较改进前的1.17 有了极大提升。

图8 改进后下叉体应力分析（整体）

图9 改进后下叉体应力分析（叉齿）

5 改进效果

（1）理论分析[3]。在叉齿上取相同位置点（图5、图8）进行应力对比，结果见表2。

表2 下叉体改进前后应力对比

从表2 看出，D 位置的安全系数由1.17 提到了4.01，应力值由268.13 MPa 下降至了182.07 MPa，应力降幅67.9%，其他位置降幅也相似，改进方案有效。

（2）客户反馈。结合理论分析和制造工艺对草叉进行改进后[1]，新草叉发运给该客户试用。客户试用后反馈改进后的草叉可靠性强，使用效率高，改进效果显著，未出现过草叉叉齿断裂的现象。

6 结语

根据市场反馈某装载机草叉叉齿断裂的问题进行原因分析和故障排查，结合应力分析和制造的工艺性提出改进建议，草叉改进后获得了客户的认可。草叉是装载机的作业工具，草叉的设计强度和使用寿命直接关系到装载机的使用效率，因此草叉的可靠性是需要优先考虑的；在产品设计前，要充分了解草叉的使用工况，针对特定的工况展开设计，并对草叉进行有限元分析，应该尽量避免出现“锐角”“台阶”等容易造成应力集中，影响焊接性能的方案。