廖春琴

摘 ? 要：由于我國的叉車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面都十分單一，同時(shí)在結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面缺乏全面、系統(tǒng)地考慮，這就造成了叉車在實(shí)際工作過程中，容易出現(xiàn)非常明顯的振動(dòng)，這一問題在國外同類產(chǎn)品里面是很少出現(xiàn)的，差距一目了然。叉車在當(dāng)今工程建設(shè)、運(yùn)輸、道路、交通、水電等方面運(yùn)用得非常廣泛，起到了關(guān)鍵性的作用。對叉車構(gòu)成進(jìn)行分析，護(hù)頂架的主要作用主要是為了保護(hù)駕駛員的安全，因此其結(jié)構(gòu)的安全性十分重要。該文將對叉車護(hù)頂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其安全性能進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：叉車護(hù)頂架;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);安全性能

中圖分類號：TH113 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 叉車護(hù)頂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

在叉車運(yùn)行的過程中，叉車護(hù)頂架的主要功能就是防止貨物突然跌落可能對駕駛員造成的損傷。根據(jù)《工業(yè)車輛 護(hù)頂架 技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》的規(guī)定，叉車制造廠家在生產(chǎn)制造的過程中，必須要進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)，保證其護(hù)頂架滿足其他各項(xiàng)功能的要求，確保駕駛員的人身安全。

在叉車護(hù)頂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)把握，明確其受力點(diǎn)以及核心結(jié)構(gòu)件，在整體分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化，同時(shí)產(chǎn)品制造的經(jīng)濟(jì)性也是需要重點(diǎn)考慮的因素之一。需要特別注意的是，不同噸位不同型號系列的叉車，其安全棚的尺寸也存在一定的差異性，這使實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的問題也有所區(qū)別。

1.2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及安全性能分析

該文選取圓管型材叉車護(hù)頂架結(jié)構(gòu)作為范例，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。目前圓管型材的護(hù)頂架一般都是采用了4根支撐腿，而且屬于圓形薄壁型材。圓管外徑為50 mm，壁厚為3 mm，使用Q235材料制成。同時(shí)，設(shè)置有左右等距離分布的5根橫梁。支撐腿和車架之間采用焊接的方式進(jìn)行連接固定。

可以以ISO6055，也就是《工業(yè)車輛護(hù)頂架技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》為標(biāo)準(zhǔn)，來對叉車的安全性能進(jìn)行測試。具體的測試類型為動(dòng)載試驗(yàn)，選擇一定質(zhì)量和體積的正方體形成載塊進(jìn)行測試，一直提升至叉車護(hù)頂架上面1.5 m的位置，然后降落下來，落點(diǎn)可以安排到駕駛員座椅位的正上面及其周邊600 mm直徑圓范圍內(nèi)。結(jié)合10次下落試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)落點(diǎn)處于垂直正上方時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較為顯著的變形，已經(jīng)會(huì)對駕駛員安全產(chǎn)生威脅，有必要進(jìn)行安全性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 頂棚設(shè)計(jì)

頂棚是叉車運(yùn)行過程中，跌落物撞擊的直接受力部件，基于圓形管材叉車護(hù)頂架的實(shí)際情況，共提出了2種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

其一，對頂棚功能區(qū)域進(jìn)行深度細(xì)分，分成前后2個(gè)。橫梁部分使用了3個(gè)以上的方管或者扁鋼，這樣可以盡可能地確保中間區(qū)域的強(qiáng)度。頂棚后半部分進(jìn)行完全封閉式設(shè)計(jì)。

其二，選用田字形布局方式，進(jìn)行完全鏤空設(shè)計(jì)。橫梁依舊選用的是3個(gè)以上的方管或者扁鋼，根據(jù)前面、中部、后方的布局順序進(jìn)行設(shè)置，縱梁主要選擇的是樹根扁鋼，形成一種前后分別拉伸結(jié)構(gòu)體系。

為了確定最終方案，對上述2種方案進(jìn)行了比對，首先，方案一加強(qiáng)了對橫梁強(qiáng)度的程度，讓叉車的安全性能得到了更大提升。再就是前方采用了鏤空設(shè)計(jì)方案，這樣可以讓駕駛員的視野更加開闊，不會(huì)造成盲區(qū)。后面采取的是全封閉形式的設(shè)計(jì)方案，則使安全防護(hù)的全面性更強(qiáng)。但是其結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，且對工藝的要求較高。而方案二由于結(jié)構(gòu)簡單，裝配焊接的難度偏低，但對小體積落物的防護(hù)力度則稍顯不足。綜合分析后選擇了方案一。

1.4 支撐腿設(shè)計(jì)

叉車護(hù)頂架支撐腿設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于3個(gè)方面，首先，支撐管型材的選擇。該文擬定了3種厚度、形狀、直徑不同的備選型材方管。通過對三種型材受力性能的模擬比對來看，在施加力量相同的情況下，第一種型材的屈服應(yīng)力和變形量分別是394.55 MPa以及16.553 mm，遠(yuǎn)低于型材二和型材三。這說明型材一的受力性能更加優(yōu)越，因此選擇其作為支撐腿的材料。

其次，在支撐管折彎角度設(shè)計(jì)中，需要充分考慮到實(shí)際生產(chǎn)中可能會(huì)出現(xiàn)的的管坯截面畸變現(xiàn)象，這就需要設(shè)計(jì)人員對彎折工藝過程中造成畸變對整體的影響進(jìn)行把握]。根據(jù)目前常用的芯冷拉彎工藝，模具型芯可以在彎曲過程中對管壁起到一定的支撐作用。綜合工藝水平和實(shí)際折彎效果，將其折彎內(nèi)圓角定為R270 mm。

最后，支撐腿后撐座設(shè)計(jì)。綜合變形、外觀等方面的要求后，重新對支撐腿后面的支撐組建進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)在支撐組建上面安裝了一個(gè)內(nèi)嵌套管，主要使用的是厚度為10 mm規(guī)格的板材拼接以后進(jìn)行焊接制成的。

1.5 叉車頂棚到支撐腿之間的安裝方式

進(jìn)行叉車制造過程中，對叉車的頂棚到支撐腿之間的安裝方式有很多，該文根據(jù)圓管型材叉車護(hù)頂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求提出了以下2種方案，分別是完全焊接式安裝以及螺栓連接安裝。綜合分析上述2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)之后，發(fā)現(xiàn)方案二使用螺栓將頂棚和各個(gè)支撐腿之間連接起來的方式雖然在操作上較為方便，但是卻容易留下隱患。例如，為了固定螺栓，需要在縱梁和支撐腿的接觸部位開出工藝圓孔，這會(huì)對縱梁的整體性能造成影響。因此綜合考慮后，最終選擇了方案一。

2 叉車護(hù)頂架安全性能的改進(jìn)方案

2.1 落物碰撞時(shí)的安全狀態(tài)

第一，對叉車護(hù)頂架模型進(jìn)行簡化。叉車護(hù)頂架在遭遇碰撞時(shí)會(huì)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生較大的變形，因?yàn)榉蔷€性變化在計(jì)算上難度比較大，如果想要減少計(jì)算量和技術(shù)的難度，可以對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，以此為依據(jù)繪制三維圖。

碰撞實(shí)驗(yàn)采用的是質(zhì)量為45 kg的鐵質(zhì)重物，結(jié)合落物高度計(jì)算出其與叉車護(hù)頂架接觸時(shí)的速度大約為5.4 m/s。該次實(shí)驗(yàn)一共設(shè)定了10個(gè)落點(diǎn)，第一次落點(diǎn)設(shè)置在駕駛員座椅的垂直正上方，測點(diǎn)則選取了14個(gè)。

經(jīng)過顯示動(dòng)力計(jì)算分析落點(diǎn)在每一處的最大位移距離，之后將改進(jìn)前后的叉車數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計(jì)算測點(diǎn)的位移大小。為叉車護(hù)頂架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的位移仿真數(shù)據(jù)。

通過統(tǒng)計(jì)表里的相關(guān)數(shù)據(jù)我們可以指導(dǎo)，對叉車護(hù)頂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)之后，變形量比之前平均可以至少減少0.45 mm，可見其安全性能經(jīng)過改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了有效的提升。

2.2 改進(jìn)后安全性能分析

首先，在側(cè)向承載和能量載荷方面，根據(jù)側(cè)向力加載后的方針計(jì)算結(jié)果來看，發(fā)生的位移為3.058 mm，不會(huì)對人體造成威脅。同時(shí)結(jié)合叉車護(hù)頂架側(cè)向能量荷載分析，以公式15000×（M/10000）1.25計(jì)算得出的能量為6 306 J，而其重量為 5 000 kg，可以滿足側(cè)向能量載荷的要求。

其次，在縱向載荷和能量荷載方面，根據(jù)公式F=68000×（M/10000）1.2計(jì)算得出的其縱向力結(jié)果是29.6 kN，通過這個(gè)結(jié)果我們可以看到，盡管叉車的護(hù)頂架出現(xiàn)了明顯的變形，但是落物不能夠?qū)︸{駛員產(chǎn)生非常大的安全威脅，不會(huì)落到駕駛員的位置上。

最后，在垂直承載能力方面，叉車翻車時(shí)護(hù)頂架必須滿足常在整車重量的能力，根據(jù)公式F=2Mg計(jì)算為100 kN。根據(jù)垂直力仿真計(jì)算，加載后發(fā)生的最大位移為13.58 mm，不會(huì)威脅到駕駛員。

3 結(jié)語

綜上所述，該文以圓管型材叉車護(hù)頂架為例進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)，并通過動(dòng)載試驗(yàn)、沖擊下落試驗(yàn)等驗(yàn)證了其安全性能，對于我國叉車生產(chǎn)制造的發(fā)展可以起到一定的推動(dòng)作用。

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