叉车门架刚度有限元分析

2022-03-19赵子文张其丰吕岩军

现代制造技术与装备 2022年2期

赵子文张其丰吕岩军

（上海海斯特叉车制造有限公司，上海 201206）

叉车在企业的物流系统中扮演着极其重要的角色，是物料搬运设备中的主力军，广泛应用于车站、港口、机场、工厂以及仓库等领域，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备[1-2]。门架是叉车的工作装置，是叉车实现搬运功能的执行器和价值体现的着力点。它的性能好坏直接影响叉车的工作效率和生命财产安全。因此，各大主机厂都对叉车门架的设计分析计算和实验验证相当重视。目前，对门架的分析多数集中在应力分析计算上，基本不涉及刚度或研究不够深入，没有对其进行系统性分析[3-4]。也有学者对门架的刚度进行传统的计算验证[5]，但由于门架包含货叉、滑架、内外门架、起升机构以及门架倾斜机构等部件，各部件支架又存在相对运动，难以避免人工分析的各种不足。

本文采用常用有限元分析软件ANSYS，对模型叉车门架整体结构及关键零部件进行结构刚度系统计算，以简化其分析过程，提高分析精度。分别计算门架在满载状态下均载和偏载两种条件下门架刚度数据，并通过实验实测数据进行对比分析验证其精准度，为叉车门架结构的优化设计提供了极具价值的参考。

1 门架刚度有限元分析

1.1 模型建立

以5～7 t标准门架为例进行分析，载荷为68 446 N（7 000 kg）并在最大起升高度。根据公司门架刚度有限元分析规则，门架要在满载的情况下分别在以下两种条件下进行计算。

第一种情况，标准中心载荷，又叫左右均匀载荷，即载荷左右两货叉各承担50%的重量，相当于货物重量集中于中心位置，如图1所示。

第二种情况，偏载，即单叉在极限偏置位置，货叉处于偏载的极限位置，单只货叉承担所有负载，另一货叉承载为零。图2为右货叉偏载。

1.2 材料属性

刚度的变化量都是在弹性范围内的变形，不允许塑性变形。门架的横梁均为Q355，屈服极限为355 MPa，密度为7.85×10-9t·mm-3，泊松比为0.3，弹性模量为2.1×105MPa。门架槽钢材料为25MnV，屈服极限为435 MPa，其余材料参数和横梁相同。

1.3 边界条件和网格设置

外门架下部通过A、B两个安装点驱动桥上，外门架中部通过倾斜油缸连接到车架上，其边界条件和自由度约束设置如图3和图4所示。为了简化和更精确地计算对门架网格尺寸，进行如下划分和简化：门架不重要部件采用粗大的15 mm网格，槽钢采用8 mm网格，滚轮和槽钢接触面等采用6 mm网格，焊接区域采用4 mm网格，焊缝采用2 mm网格，如图5所示；所有门架焊件均采用实体单元建模，油缸的模型按照标准程序使用简化的梁单元beam表示，链条模型为带预紧力的弹簧负载滚轮连接到短轴与转动关节，摩擦系数为0.2用于通道界面的摩擦接触，如图6所示。

1.4 门架刚度分析细节位移云图

根据以往的分析数据累计，中心载荷的刚度变形量基本均小于极限偏载的变形量，无论是门架整体纵横方向还是门架滚轮接触挤压点。中心载荷的纵向整体倾斜量虽然可能大于偏载，但纵向变形不是设计考察的重点。由于篇幅限制，本文只对货叉极限偏载进行分析。图7为整体门架刚度变形情况。图8～图12是内外门架整体和分离变形情况，既有X轴纵方向的变形，也有Z轴横方向的变形分解。在这些分解计算中已经产生了内外门架的槽钢在滚轮安装位置的变形云图，其中也呈现了部分细节。

1.5 分析结果

按照公司的标准分析程序，结果呈现分两个部分。一部分为整体的宏观刚度变形统计，即整体门架最大起升高度在满载状态下的前后方向的变形和左右方向的变形，也就是前面提到的纵横X、Z轴方向的整体刚度变形；另一部分为内外门架在滚轮接触点或倾斜油缸等安装点的细节变形。分析对象为起升高度为3 m的5～7 t标准2级门架。图13和图14为门架整体在纵向和横向上的变形，其中图13显示门架整体横向倾斜最大值为71 mm，图14显示门架整体前倾最大值33 mm。

下面分析门架槽钢的变形细节，结果统计如图15所示。内外门架槽钢在滚轮各接触处点位置的变形量最大为4.745 mm，最小为0.340 mm。正值表示为受到的拉伸变形，负值表示为压缩变形。

根据公司门架刚度验收标准，这些数据是合格的。以往的经验表明，门架刚度的设计和测试应符合公司门架刚度标准要求，具体表述如下。

（1）横向倾斜——31.25 mm·m-1的提升高度，即门架每升高1 m，横向倾斜刚度变形不差过31.25 mm。此结论为数十万台2.0～3.5 t叉车门架的统计规律，1～2 t叉车门架通常应该更紧，而4.0 t以上叉车的门架可能会稍微放款。

（2）门架槽钢变形——6 mm（1/4英寸）2.0～3.5 t门架。1～2 t叉车门架通常应该更紧为4 mm左右，而4.0 t以上叉车的门架可能会稍微放宽到7.8 mm。

（3）纵向倾斜——小于横向倾斜变形量，此项尚未发生过问题，基本不重点考察。

根据以上标准，本文分析对象的4 m门架的横向倾斜为4×31.25=125 mm，因此71 mm的横向刚度变形可以接受，位于标准范围内；纵向变形为33 mm不到横向倾斜的1/2，所以也在合格范围内。

2 门架刚度实测实验

实测实验和有限元分析的流程相同。首先，测试满载最大起升高度中心载荷条件下门架纵横变形量，并测门架槽钢在滚轮和安装点的伸出变形量。其次，进行门架满载最大起升高度货叉偏载的纵横变形量和槽钢在滚轮和安装点的伸出变形量。门架刚度实测实验需要角度罗盘和欠锤拉索传感器测整体变形量，然后需要在内外门架槽钢滚轮接触点安装拉线式位移传感器测。由于中心载荷测试和偏载测试设置基本相同，以偏载测试论述，4 m门架由于数量较小不好测量。因此，选同类门架6以上门架测试更能反映门架的刚度精准对。实测数据如表1所示，起升重物为6 800 kg加上货叉和链条等安全设备总负载为7 t，表1中上半部分为中心载荷的变形量，下半部分为极限偏载的变形量。可以看出，加载后横向变形量为85.27 mm小于6×31.25 mm，纵向变形量为56.04 mm小于85.27 mm，都满足公司的刚度要求标准。

表1 实测门架的整体刚度变形量统计

下面讨论内外门架的槽钢在滚轮处的刚度挤压变化量值，实测变化量如图16和图17所示。其中，图16为各点的变形量值，图17为槽钢测试点的位置。从数据可以看出，滚轮处的变化量均在6 mm以内，只有倾斜油缸处的变化量接近7 mm。但是，由于这个门架在4 t以上门架且起升高度大于6 m，所以7 mm也是可以接受的，处于小于经验值7.8 mm的范围。