趙金廣
(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院無錫交通分院,江蘇無錫 214046)
近年來,三維軟件在企業(yè)研發(fā)過程中得到廣泛應用,不僅有效解決一些關鍵結構技術改造難題,而且相比人員手工設計可以大幅度地提高設計效率、縮短產(chǎn)品的制造裝配周期,從而滿足了客戶對新產(chǎn)品的急需;作為自行式裝卸搬運機械的叉車在物流行業(yè)中多用于裝卸堆放貨物,它的重要工作裝置是門架與貨叉;隨著科技的發(fā)展和工業(yè)設計的發(fā)展,人們在對叉車的功能和靈活上提出了更高的要求。本文應用三維軟件Solidworks對叉車進行了三維建模、虛擬裝配和產(chǎn)品性能研發(fā)。
近年來,隨著物流業(yè)的迅猛發(fā)展,我國叉車的需求量越來越大,叉車生產(chǎn)和銷售都在世界的前列,但是叉車市場競爭日趨加劇,我國還不是叉車的制造強國,所以我國叉車企業(yè)在面對機遇和挑戰(zhàn)的同時更要努力加快自身的技術轉型升級,未來叉車發(fā)展技術趨勢[1]。
(1)節(jié)能降耗的輕量化設計將是叉車設計的重要準則之一。
(2)具有特殊用途的專用叉車將會被不斷開發(fā)。
(3)為了避免門架對駕駛員的遮擋,通過駕駛室旋轉或其它方式實現(xiàn)司機的正向行駛的特殊叉車,有可能被開發(fā)出來。
我國對叉車結構的設計也積累了一些經(jīng)驗,同時,CAE仿真技術的應用改變了傳統(tǒng)的設計方法和流程,使工程師能在設計階段就采取優(yōu)化方法,解決許多問題,這樣就能縮短開發(fā)時間和成本。盡管如此,與國外的叉車車身結構分析相比,國內(nèi)企業(yè)還存在著許多不足[2],如車身主體結構的開發(fā)主要依賴經(jīng)驗,或者對進口結構進行簡單修改。結構動力學修改主要用來解決樣車試驗后遇到的問題,設計與分析未能真正做到并行,這樣在后期改進中遇到的問題很可能需要大量修改原有設計,無形中加大了產(chǎn)品的設計周期與成本。
通過調(diào)研,走訪了無錫市幾家輕工企業(yè)了解到,在作業(yè)過程中叉車存在下坡翻車、倒車撞人、損壞貨物等安全問題;以內(nèi)燃機為動力的叉車最大的不足之處就是排放和噪聲污染嚴重,危害人類健康。而小型電瓶叉車:它體積小、重量輕、結構緊湊、噪音低、污染小、造價低、操作靈活,可以在工作場地狹小的空間作業(yè),受到廣大客戶的歡迎。
在傳統(tǒng)的三維產(chǎn)品造型設計中,一般利用固定的尺寸進行產(chǎn)品實體造型,這樣做的缺點,就是其中某一個零件尺寸發(fā)生變化,相對應的幾何模型要重新繪制。如果利用參數(shù)化建模不僅可以彌補這一缺點使圖形的修改變得方便的多,而且可以使用參數(shù)快速構造提高設計效率。利用Solidworks軟件對叉車零部件進行參數(shù)化建模,設計的電瓶叉車主要結構:車體、起升機構和駕駛室、驅動、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等。
虛擬裝配是進行產(chǎn)品的三維設計中關鍵的環(huán)節(jié)之一,首先進行零部件三維造型建模,然后裝配、干涉分析等協(xié)調(diào)設計,最后修改實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化處理,完成產(chǎn)品模型的最終設計,其具體流程如圖1所示。利用Solidworks軟件功能,進行裝配零件之間的動、靜態(tài)干涉檢查,目的是找出設計缺陷,及時調(diào)整與修改設計圖紙,從而可縮短產(chǎn)品制造與裝配生產(chǎn)過程時間,降低產(chǎn)品裝配成本[3]。
圖1 叉車虛擬裝配的設計過程
借鑒目前叉車特點,基于Solidworks軟件設計出了一款輕便、靈活、環(huán)保、多功能叉車,總體設計三維裝配造型圖及工程圖,分別見圖2與3。
圖2 叉車三維造型圖
(1)特點1:車體部分可以360°旋轉(圖4)。
為了更好的提高工作效率,車體上部分設計為可以360°旋轉,借鑒坦克炮塔的旋轉方式進行設計。叉車主體的上下連接體之間利用滾動軸承,以便上體旋轉,上體伸入下體的部分裝有一個比上體座圈粗的圓環(huán),使上體牢固附著在車體上,內(nèi)部利用旋轉馬達驅動,鑒于行星齒輪傳動的主要特點是體積小,承載能力大,工作平穩(wěn),所以采用行星齒輪傳動。
圖3 叉車二維工程圖
圖4 旋轉裝置
(2)特點2:多功能可更換機械手設計。
叉車屬具是相當于掛裝在叉車上的機械手,使叉車成為一種多用途高效率的物料搬運工具,能對幾乎任何可以想象到的搬運對象進行叉、夾、推、拉、側移和旋轉等作業(yè),從而提高物流效率,降低生產(chǎn)成本,避免產(chǎn)品破損,節(jié)省倉儲空間;為了滿足多功能需要,我們設計出可更換機械手功能,見圖5(a)適用于那些稍大一些的圓形貨物,如卷紙,油桶等。圖5(b)適用于搬運容易掉落的圓長型貨物,如一堆鋼管,卷絲。圖5(c)適用于推、或者裝一些較重、散狀的貨物。
圖5 貨叉
(3)特點3:無配重及電瓶驅動設計。
相對于傳統(tǒng)叉車,我們增加了液壓地腳支撐(見圖6),省去了傳統(tǒng)的配重設計,從而減少了對車體的負荷,節(jié)省了能源消耗。
電動叉車動力源以鉛酸蓄電池等為主,相對于內(nèi)燃叉車它具有低噪聲、低維修成本的優(yōu)勢,所以在一些西歐發(fā)達國家很受重視,電動叉車所占的比例達到50%左右。因此電動叉車越來越受到用戶的青睞[4]。本款叉車的動力裝置是由蓄電池-AC電動機組成的。其中蓄電池采用高容量24 V蓄電池(240-420 Ah)。
圖6 液壓地腳支撐
在液壓傳動系統(tǒng)中,液壓缸是很重要的部件之一,必須對其強度和剛度進行校核[5],是因為液壓缸的動作可靠性的高低直接關系到液壓系統(tǒng)工作性能優(yōu)劣,缸體在高壓環(huán)境工作時,必須能承受多種載荷(拉力、壓力、沖擊)作用,因此對支撐腳液壓缸厚壁缸筒進行有限元分析,驗證在限定載荷下設計其剛度情況,取液壓地腳頂部載荷重量取2 T,底座底面為固定約束,液壓缸厚壁缸筒內(nèi)壁承受壓力6.3e7 Pa,可取圓筒進行有限元分析,厚壁缸筒材料屬性:45鋼:彈性模量取E=210 GPa,泊松比u=0.269,密度7 890 kg/m3,抗拉強度取600 MPa,屈服強度取 355 MPa。計算結果如圖7。
圖7 Von Mises應力分布
通過圖7可看出Von Mises應力分布情況,在分析過程中的最大變形量為418E-03 m,最大的應力為994E+08 Pa,最小應力為257E+09 Pa。應力在內(nèi)表面較大,所以在生產(chǎn)中應加強內(nèi)表面材料的強度。
圖8表示分別缸壁沿軸向、徑向靜力分析情況,圖中橫軸為徑向尺寸(m),縱軸為應力(Pa),橫軸的零點對應著缸筒的內(nèi)徑徑向切應力和切向應力最大值分別為193 MPa、62.7 MPa。結果表明,都在需用應力范圍內(nèi),剛度足夠。
圖8 分別沿軸向、徑向靜力分析情況
通過本文對叉車的外形及內(nèi)部結構的創(chuàng)新設計及虛擬裝配,從安全性、靈活性、多功能性進行了分析,另外介紹了對叉車關鍵部件進行了工程分析驗證。研究結果,為進一步優(yōu)化產(chǎn)品提供了理論依據(jù),同時能夠縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期,降低研發(fā)成本,提高企業(yè)市場的競爭力。
[1] 雷曉衛(wèi).我國叉車行業(yè)發(fā)展狀況分析和趨勢展望[J].物流技術與應用,2014(4):108-109.
[2] 許 暢.叉車主體結構模態(tài)分析與減振設計[D].杭州:中國計量學院,2012.
[3] 王學軍.基于3D的鼓風機參數(shù)化設計及其虛擬裝配設計[J].機械設計與制造,2003(4):10.
[4] 楊 敏.燃料電池叉車的最新發(fā)展應用[J].叉車技術,2013(4):1-2.
[5] 陳保倫.液壓操動機構設計[J].電氣制造,2009(4):48-54.