■ 南京環(huán)達(dá)裝飾工程有限公司 (江蘇南京 210000) 張 波
叉車是一種用于貨物裝卸、堆垛以及短途運(yùn)輸?shù)奈锪习徇\(yùn)工具。由于其可根據(jù)實(shí)際工作需要安裝相應(yīng)的屬具,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),隨著物流業(yè)的發(fā)展,叉車得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。叉車按其結(jié)構(gòu)部位和功能可分為貨叉(包括貨叉架)、門架、車架、護(hù)頂架、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部件。其中,貨叉作為叉車的重要承載部件,直接承受貨物的載荷,其結(jié)構(gòu)性能直接影響叉車的使用安全。貨叉工作時(shí)受到交變應(yīng)力作用,極易產(chǎn)生疲勞破壞。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)貨叉的強(qiáng)度和剛度有著嚴(yán)格的要求。
有限元法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬,傳統(tǒng)的叉車設(shè)計(jì)大多依靠經(jīng)驗(yàn)以及模型試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證叉車的強(qiáng)度和剛度,隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,越來(lái)越多的工程技術(shù)人員采用有限元的方法來(lái)提高設(shè)計(jì)效率,縮短產(chǎn)品研制的周期,降低成本。
本文采用UG軟件建立了某型7t叉車貨叉的三維實(shí)體模型,通過(guò)有限元法驗(yàn)算其強(qiáng)度和剛度,為貨叉的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。
貨叉是叉車主要的受力部件,包括貨叉和支撐結(jié)構(gòu)(貨叉架)。叉車貨叉按其安裝方式可分為溝槽式貨叉和環(huán)眼式貨叉。溝槽式貨叉通過(guò)兩個(gè)楔形槽與貨叉架固定,環(huán)眼式貨叉通過(guò)叉柄上的圓孔與貨叉架上的固定軸相連,使用過(guò)程中貨叉可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。小噸位叉車多采用溝槽式貨叉,而大噸位叉車以環(huán)眼式貨叉為主。7t叉車貨叉采用環(huán)眼式貨叉,其三維模型如圖1所示。
貨叉工作時(shí)要承受較大的載荷,因此對(duì)其強(qiáng)度性能要求較高,一般由合金鋼45Cr鍛造而成。貨叉架采用Q235鋼板厚鋼板焊接而成。貨叉材料力學(xué)性能見(jiàn)表1。
圖1 某型7t叉車貨叉三維模型
表1 貨叉材料力學(xué)性能
(1)網(wǎng)格劃分 采用四面體網(wǎng)格對(duì)貨叉進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,如焊縫位置,進(jìn)行適當(dāng)加密,以提高有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。而對(duì)于受力較小的部位,采用較大的單元尺寸,以提高計(jì)算的速度。采用BEAM單元模擬固定軸。劃分后的貨叉有限元模型如圖2所示。
圖2 貨叉有限元模型
(2)約束與載荷 根據(jù)貨叉的實(shí)際受力情況,在貨叉架的滾輪位置施加前后和左右方向的移動(dòng)約束;在貨叉架鏈條位置施加上下方向的約束;釋放貨叉與連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;在貨叉與貨叉架接觸位置添加接觸副。
本文采用靜力學(xué)分析的方法計(jì)算貨叉的強(qiáng)度,但是實(shí)際的貨叉受力過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,因而需要在施加載荷的時(shí)候添加一個(gè)適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。這個(gè)安全系數(shù)一般取1.4,則7t叉車進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)添加的載荷為:F=7000×1.4×10=98 000(N)。
利用Nastran求解器對(duì)上述貨叉有限元模型進(jìn)行求解,得到7t貨叉在1.4倍安全系數(shù)載荷下的位移云圖如圖3所示。其最大位移發(fā)生在貨叉尖部,最大位移為62.31mm。
貨叉架應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由圖4可知,貨叉架最大應(yīng)力位于貨叉安裝軸上方橫梁與立柱焊縫位置,最大應(yīng)力值為213MPa,小于貨叉架材料Q235的屈服強(qiáng)度235MPa,因而貨叉架的強(qiáng)度滿足使用要求。
貨叉的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。貨叉的最大應(yīng)力位于貨叉根部轉(zhuǎn)彎處,為拉應(yīng)力,大小為664.57MPa,小于貨叉材料45Cr的屈服強(qiáng)度835MPa,因此強(qiáng)度滿足要求。
圖3 貨叉位移云圖
圖4 貨叉架應(yīng)力分布云圖
圖5 貨叉應(yīng)力分布云圖
本文采用UG NX軟件建立了某型7t貨叉的三維模型,并對(duì)其進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的貨叉強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)使用要求。為叉車貨叉的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。