龔志才，何柳洋，付會鵬，陳 超，相曙峰，王宇坤，周 航，林亥博，李 寧，寧曉斌*

(1.杭叉集團股份有限公司，浙江 杭州 311305；2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310032)

0 引 言

叉車作為物流領(lǐng)域的主要搬運工具，遍布于國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中[1]。驅(qū)動橋殼作為組成叉車的主要零部件，不僅支撐主減速器、差速器、半軸，而且是車架與車輪之間重要的承載結(jié)構(gòu)件。

朱崢濤[2]通過靜力學、模態(tài)和疲勞分析，結(jié)合實際工況做了叉車橋殼失效分析，對叉車橋殼的設計提供了參考依據(jù)；許黎明[3]以某3 t叉車驅(qū)動橋整體作為研究對象，建立了叉車驅(qū)動橋的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，對該剛?cè)狁詈蟿恿W模型進行了仿真分析；陳立[4]對某后橋的結(jié)構(gòu)進行了彈塑性靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析，提出了提高后橋強度的改進方案；李亮[5]基于某型驅(qū)動橋殼的有限元模型進行了該橋殼的靜強度計算，在此基礎(chǔ)上進行了橋殼和焊縫的疲勞壽命分析，有限元仿真結(jié)果與臺架實驗結(jié)果相一致；提出了橋殼優(yōu)化設計的方案；鄭燕萍[6]按國家驅(qū)動橋殼臺架試驗的標準，在計算機中采用有限元方法模擬了其垂直彎曲剛性試驗、垂直彎曲靜強度試驗和垂直彎曲疲勞試驗。結(jié)果表明，用有限元模型模擬臺架試驗的方法是可行的，能實現(xiàn)在設計階段對試驗結(jié)果的預測；盧劍偉[7]通過有限元方法，對路面隨機激勵下驅(qū)動橋殼的疲勞可靠性進行了分析和優(yōu)化；黃豐云[8]以某后驅(qū)驅(qū)動橋殼為研究對象，運用有限元理論對驅(qū)動橋殼進行了仿真分析、優(yōu)化分析；鄧震[9]應用有限元對驅(qū)動橋殼進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，在滿足橋殼強度和剛度的前提下，減少了橋殼的質(zhì)量，同時其應力和變形分布也更加合理；王星[10]應用結(jié)構(gòu)有限元分析方法，對橋殼進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；TOPAC[11]研究了后橋箱體在垂直疲勞試驗中，在預期載荷循環(huán)之前發(fā)生的過早失效問題，用有限元法進行了應力和疲勞分析，確定了疲勞裂紋萌生位置和失效萌生前的最小載荷循環(huán)數(shù)，并將試驗結(jié)果與分析結(jié)果進行了比較，提出了提高殼體疲勞壽命的設計改進方案；SHAO[12]提出了一種基于實際礦山路面條件的動應變測量與有限元分析相結(jié)合的分析方法，通過對車輛在礦山正常路面條件下行駛時的橋殼應變測量，得到了驅(qū)動橋殼的動態(tài)應變和應力。結(jié)果表明，所提出的分析方法是分析汽車橋殼失效原因的有效工具。

現(xiàn)有驅(qū)動橋橋殼載荷的研究，主要是針對工程車輛及小噸位叉車在路面行駛的動態(tài)載荷，缺乏對國標要求叉車舉升、過顛簸路面行駛等工況動態(tài)載荷的研究。而重型叉車對驅(qū)動橋殼強度和剛度提出了更高的要求，需要研究多種動態(tài)工況下叉車驅(qū)動橋的動態(tài)載荷，以及驅(qū)動橋橋殼強度。

筆者對重型叉車前驅(qū)動橋橋殼進行結(jié)構(gòu)強度研究，并提出多體動力學和有限元結(jié)合的方法。

1 叉車多體動力學建模與分析

1.1 叉車多體動力學模型

為實現(xiàn)某重型叉車前驅(qū)動橋國產(chǎn)化，筆者建立了叉車動力學模型，分析了叉車前驅(qū)動橋動態(tài)載荷。

筆者采用多體動力學軟件MSC.ADAMS建立了叉車模型，叉車模型包括前叉、門架、車身、車橋、輪胎。其中，叉車前叉、門架三維模型由SolidWorks導入ADAMS.View成為實體部件；叉車車身部件簡化為集中質(zhì)量，按照部件實際位置放置在叉車車身上，最后建立了輪胎和車橋；前叉、門架之間約束為移動副，門架與車身之間為固定副，車身與前驅(qū)動橋8個螺栓連接處，施加了bush連接車架和前驅(qū)動橋，車身與后橋用固定副連接。

某重型叉車多體動力學模型如圖1所示。

圖1 某重型叉車多體動力學模型

1.2 叉車作業(yè)工況動力學分析

1.2.1 叉車滿載快速起升工況

重型叉車滿載25 t貨物，貨叉快速在0.1 s內(nèi)從0 mm/s舉升到最大速度280 mm/s。仿真結(jié)束后，筆者整理了數(shù)據(jù)，得到了叉車滿載快速舉升驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩，如表1所示。

表1 叉車滿載快速舉升驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩

叉車滿載快速起升工況時，驅(qū)動橋橋殼主要受到地面垂向載荷、繞橋殼軸線方向的扭矩。

此時螺栓5動態(tài)載荷如圖2所示。

圖2 螺栓5動態(tài)載荷實線—螺栓5垂直載荷Fy；虛線—螺栓5繞橋殼軸線方向的扭矩Tx

1.2.2 叉車滿載緊急制動工況

叉車滿載25 t貨物，貨叉距離地面高度350 mm，門架后傾10°，叉車初速度29 km/h，叉車每個制動盤施加68 000 Nm的制動力矩緊急制動。仿真結(jié)束后筆者整理了數(shù)據(jù)，得到了叉車滿載緊急制動驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩，如表2所示。

表2 叉車滿載緊急制動驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩

由表2可以看出：叉車滿載緊急制動工況時，驅(qū)動橋橋殼主要受到地面垂向載荷、繞橋殼軸線方向扭矩。

1.2.3 叉車滿載過顛簸塊障礙物工況

叉車滿載25 t貨物，貨叉距離地面高度350 mm，門架后傾10°，叉車以5 km/h的速度通過高度為9 cm的顛簸塊，顛簸塊按照國標建模。仿真結(jié)束后筆者整理了數(shù)據(jù)，得到了叉車滿載過顛簸塊驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩，如表3所示。

表3 叉車滿載過顛簸塊驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩

由表3可以看出：叉車滿載過顛簸塊障礙物工況時，驅(qū)動橋橋殼主要受到地面垂向載荷、繞橋殼軸線方向扭矩。

叉車急加速工況、急轉(zhuǎn)彎工況，行駛過程中，并且貨叉快速舉升時突然緊急制動的復合工況，叉車急轉(zhuǎn)彎行駛并且貨叉快速舉升時的復合工況等，前驅(qū)動橋橋殼最大載荷等，本文不再一一列出計算結(jié)果。

2 叉車前驅(qū)動橋橋殼強度分析

筆者采用有限元計算方法，分析重型叉車驅(qū)動橋殼各工況應力、應變。

重型叉車的前驅(qū)動橋殼是復雜的焊接式殼體結(jié)構(gòu)，橋殼兩端分別焊有三角形制動鉗支架，叉車制動鉗通過螺栓與三角形制動鉗支架連接。將叉車前驅(qū)動橋殼三維CAD模型導入Hypermesh劃分網(wǎng)格，采用rbe2單元作為前驅(qū)動橋殼體與車身的螺栓連接。

筆者建成驅(qū)動橋殼的有限元模型采用四面體單元，共計7 304 446個單元，1 389 130個節(jié)點。在有限元分析模型中，按照各工況下叉車前驅(qū)動橋所受最大載荷、約束，分別加載到叉車前驅(qū)動橋殼有限元模型上，依次進行有限元求解。

叉車滿載快速舉升工況橋殼應力如圖3所示。

圖3 叉車滿載快速舉升工況橋殼應力

叉車滿載緊急制動工況橋殼應力如圖4所示。

圖4 叉車滿載緊急制動工況橋殼應力

叉車滿載過顛簸塊工況橋殼應力如圖5所示。

圖5 叉車滿載過顛簸塊工況橋殼應力

由圖(3～5)可以看出：在3種工況下，橋殼應力分布云圖、應變分布云圖基本一致；叉車在過顛簸塊工況時，應力、應變達到最大值，最大應力為340 MPa。

橋殼的最大變形出現(xiàn)在叉車過顛簸塊工況時，最大變形位置出現(xiàn)在主減速器殼處，橋殼的最大變形值為2.5 mm，而前驅(qū)動橋輪距為2 614 mm，故每米輪距變形量為0.98 mm/m。國家標準規(guī)定，當驅(qū)動橋承受滿載負荷時，橋殼最大形變量不超過1.5 mm/m[13]。因此，重型叉車前驅(qū)動橋殼的變形量符合國家標準要求。

叉車急加速工況、叉車急轉(zhuǎn)彎工況、叉車行駛過程中并且貨叉快速舉升時突然緊急制動的復合工況、叉車急轉(zhuǎn)彎行駛并且貨叉快速舉升時的復合工況等橋殼應力、應變計算結(jié)果，本文不再一一列出計算結(jié)果。

3 叉車前驅(qū)動橋橋殼應力測試

實測叉車前驅(qū)動橋應力，在叉車前驅(qū)動橋裸露的4個位置貼應變片，三維驅(qū)動橋橋殼應變片布置如圖6所示。

圖6 三維驅(qū)動橋橋殼應變片布置

實車驅(qū)動橋橋殼應變片布置如圖7所示。

圖7 實車驅(qū)動橋橋殼應變片布置

應變片在橋殼上的布置位置與三維橋殼模型所標注的應變片位置對應，采用東華動態(tài)應力應變測試儀DH5902N采集測試數(shù)據(jù)。

按照國標制作顛簸塊，叉車前驅(qū)動橋應力測試過程如圖8所示。

圖8 叉車前驅(qū)動橋應力測試過程

整理叉車前驅(qū)動橋橋殼應力有限元計算結(jié)果以及實際測量結(jié)果，可以得到叉車實車測量與有限元計算結(jié)果對比，如表4所示。

表4 叉車實車測量與有限元計算結(jié)果對比(單位： MPa)

由表4看出：

貨叉達到最大速度的舉升時間、緊急制動初速度、過顛簸塊的速度，叉車前驅(qū)動橋橋殼應力實測與有限元計算存在一定誤差，平均誤差4.8%；但通過計算與測試結(jié)果對比表明，采用CAE計算叉車前驅(qū)動橋橋殼應力，具有較高的可信度，模型也由前驅(qū)動橋橋殼的設計強度驗證。

同時，叉車急加速工況、叉車急轉(zhuǎn)彎工況，叉車行駛過程中并且貨叉快速舉升時突然緊急制動的復合工況，叉車急轉(zhuǎn)彎行駛并且貨叉快速舉升時的復合工況等，橋殼應力、應變計算結(jié)果，應力、應變均在容許范圍內(nèi)。

4 叉車過載前驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)強度

國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)強度，不僅需要通過叉車正常作業(yè)工況驗證，而且需要過載工況下驗證其結(jié)構(gòu)強度。

筆者進行叉車動力學分析，當叉車滿載以15 km/h速度行駛通過國標顛簸快，叉車前驅(qū)動橋最大載荷達到2.5倍動載荷，進行實車相應的試驗，國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼在其端軸與橋殼箱體焊接處出現(xiàn)斷裂，橋殼斷裂截面如圖9所示。

圖9 橋殼斷裂截面

為了提高橋殼斷裂處的剛強度，進一步改善國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋整體結(jié)構(gòu)強度和耐久性，筆者對叉車前驅(qū)動橋橋殼進行研究，在橋殼端軸與橋殼箱體焊接處內(nèi)部，焊接安裝了一個正方體的桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 桁架結(jié)構(gòu)

桁架結(jié)構(gòu)具體布置如圖11所示。

圖11 桁架結(jié)構(gòu)具體布置

筆者對提出的強化后的國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼進行有限元分析，改進叉車過載過顛簸塊工況橋殼應力如圖12所示。

圖12 改進叉車過載過顛簸塊工況橋殼應力

由圖12可以看出：優(yōu)化后的前驅(qū)動橋殼在發(fā)生斷裂處的最大應力為471 MPa，前驅(qū)動橋橋殼強度達到要求。

5 結(jié)束語

筆者對重型叉車前驅(qū)動橋橋殼進行了結(jié)構(gòu)強度研究，并提出多體動力學和有限元結(jié)合的方法，得到如下結(jié)論：

(1)采用多體動力學方法分析叉車前驅(qū)動橋多工況動態(tài)載荷，采用有限元分析方法分析驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)強度，分析結(jié)果基本與實際相符；結(jié)合多體動力學方法與有限元方法是重型叉車國產(chǎn)化前驅(qū)動橋設計的重要計算方法；

(2)全面分析叉車多種作業(yè)工況，如平順路面行駛工況、貨叉快速舉升、過顛簸塊等工況，貨叉快速舉升和轉(zhuǎn)彎同時進行的復合工況、貨叉快速舉升與緊急制動同時進行的復合工況，計算每種工況橋殼動態(tài)載荷，全面分析各種工況下橋殼的應力、應變，才能判斷橋殼設計是否達到強度要求；

(3)國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)強度還應通過極端工況檢驗，在叉車過載過顛簸塊工況下，進行設計研究，在橋殼斷裂處增加新型強化結(jié)構(gòu)，通過有限元分析，改進后的橋殼結(jié)構(gòu)強度得到進一步改善，能夠滿足國產(chǎn)化要求。