基于SolidWorks 二级自由提升叉车门架的设计

符永映

（桂林明富机器人科技有限公司，广西 桂林 541199）

0 引言

叉车门架的设计关系到整个叉车系统的安全性和可靠性。门架的各项结构零部件的设计形式，是根据其功能和机构的需求，一般采用经典力学和半理论半经验设计或者类比法等传统形式，要结合进行循环式试验设计，来满足产品的设计要求。以上设计形式存在设计开发存在成本高、周期长、反复多、精度差、重量不好控制等缺点。国内外的传统的结构设计在研发过程中缺失仿真分析的步骤，仅依靠设计工程师个人经验或以往的设计基础进行的传统结构设计，设计出来后，进行试制生产过程中没有系统的轻量化设计，等测试发现问题后才不断的改进，此过程既浪费的人力物力财力，又无形中延长了开发周期[1]。随着对环保和能源等因素对其性能及品质要求也日益提高，传统的设计方法已经不能适应轻量化设计、机构优化、材料优化等因素的优化需求[2]。企业若要提高今后的产品的核心竞争力，进行有限元分析优化设计可以大幅提高产品质量、降低成本、缩短研发周期。国外企业有限元分析优化设计已经运用多年，已经是形成常态化。国内企业才刚刚起步，方兴未艾。

1 门架建模

自由提升门架是一种自由提升门架是为了满足有空间限制的环境作业需要而设计的[3]。在一定的高度内可以进行货物装卸的一种新式门架。目前两级自由提升叉车门架一般是由一个中置油缸和两个边置油缸来接力完成举升的。其传动部分相当于一个倒置的动滑轮，链条的一端固定另一工作端。以2.5t 自由提升门架为例说明，门架由外门架、内门架、货叉架、货叉、提升滚轮组、提升链条、货叉架提升油缸、内门架提升油缸等组成，如图1 所示。外门架的作用是承接整个门架和货物的重力，连接至设备支架。内门架可在其导轨槽内上下滑动。构件组成如图2 所示，门架槽钢常用材料20MnSiV、Q335B、16Mn、40Cr 等。利用SolidWorks 软件对外门架零件进行建模后，完成装配。

图1 两级自由提升门架结构图

图2 外门架结构图

内门架作用是承载货叉架和货物的重力，让货叉架可在其导轨槽内上下滑动，它可以在外门架上下滑动，通过提升油缸可以升高一定的距离，加高门架的作用[4]。构件组成如图3 所示，内门架槽钢一般常用材料20MnSiV、Q335B、16Mn、40Cr 等。利用SolidWorks软件对内门架零件进行建模后，完成装配。货叉架的作用是承接整个门架和货物的重力，连接至设备支架。内门架可在其导轨槽内上下滑动，构件组成如图4 所示，货叉架上下导轨一般常用材料Q335B、40Cr、16Mn、20MnSiV 等。利用SolidWorks 软件对货叉架零件进行建模后，完成装配。

图3 内门架结构图

图4 货叉架结构图

2 有限元优化分析

传动的结构设计仅依靠设计工程师个人经验或在已有的设计基础上进行改进。设计出来后，进行试制生产，然后测试，发现问题后不断改进，此过程既浪费的人力、物力和财力，又延长了开发周期。而基于机构分析的结构设计是一边分析一边试制，不停迭代产品，达到最优后，才能完成一个产品周期。而采纳了结构优化方案的结构设计，是在研发阶段就进行了结构优化分析，得出最佳的设计结构后试产，然后完成一个产品周期。可以看出后者是最佳选择。可以缩短开发周期，减少产品迭代次数。各种研发对比如下图5所示。

图5 各种研发形式对比图

2.1 门架槽钢的参数优化

由于受外形尺寸的限制，这里仅对外门架槽钢进行材质参数的优化举例。在外形不变的情况下，在simulation 插件中通过选用多种不同的材质下进行分析优化见表1，最终选择40Cr 材料后达到最佳使用的要求。静应力分析如图6 所示，对比图6 两种材料的应力和最大变形可知，最大屈服力提升77.2%，最大位移减少76%，其详细结果见表2。

表1 外门架槽钢的分析数据

图6 外门架静应力分析图

不受外形限制的零部件可以用参数优化进行外形轮廓优化，在simulation 中对其结果进行优化，内门架油缸顶板和外门架上横梁通过软件自动参数优化后其结果如图7 所示。由7（a）可知，内门架油缸顶板厚度从原来的30 mm 降到25 mm，厚度减少16.7%；顶板直径从60 mm 降到55 mm，直径减小7.5%；重量从11.74 kg 降到9.45 kg，重量减轻19.5%；由图7（b）可知，外门架上横梁通过软件自动参数优化后，板宽从原来的300 mm 降至200 mm，板宽度减少33.3%。厚度从原来的100 mm 降至50 mm，板厚度减少50%；重量原来的41.78 kg 降至17.77 kg，重量减轻57.2%。其具体结果见表2。

表2 优化后前后对比

图7 参数优化结果

2.2 门架的拓扑优化

拓扑优化（topology optimization）是指从最大设计空间开始考虑应用的所有载荷[5]，夹具和制造约束，通过重新分配材料在允许的最大几何体的边界内，在均匀分布材料的设计空间中寻找最佳的分布方案寻求新的材料布局的一种数学方法，示意图详见图8。

图8 拓扑优化示意图

除了门架槽钢，H 型钢，专业上下横梁不可设计部分和不受外形限制的零部件用参数优化，其它选定材质的外形受影响零部件可以通过拓扑优化进行不影响整体外形的减重优化。以下以外门架支座板为例，如图9 所示，通过该结果再返回修改原模型得出新的结构如图10 所示，既能满足强度要求，优化后零件最大屈服应力221 MPa 不变，最大位移几乎不变，重量从2.68 kg 减小到2.2 kg，重量减轻19.5%。

图9 外门架支座拓扑优化结果

图10 外门架支座拓扑优化前后对比图

3 结论

（1）通过对门架槽钢、H 型钢、货叉架的上下横梁进行参数优化，从原来使用Q355B 改成40Cr，在重量不变的情况下，提高了门架的强度，最大屈强度提升了77.2%，最大位移减少76%。

（2）在强度不变的情况下对其他部件进行参数优化和拓扑优化，减少优化部件的厚度，把门架总成的总体重量从696.186 kg 减到了652.566 kg，共减轻了43.62 kg 重量，总重总体减轻6.3%。

（3）改变其研发形式，提高了研发与制造的速度，缩短了周期，也为门架优化设计提供了一些思路与方法。