趙子文 張其豐 呂巖軍

（上海海斯特叉車制造有限公司，上海 201206）

叉車在企業(yè)的物流系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色，是物料搬運設備中的主力軍，廣泛應用于車站、港口、機場、工廠以及倉庫等領域，是機械化裝卸、堆垛和短距離運輸?shù)母咝гO備[1-2]。門架是叉車的工作裝置，是叉車實現(xiàn)搬運功能的執(zhí)行器和價值體現(xiàn)的著力點。它的性能好壞直接影響叉車的工作效率和生命財產(chǎn)安全。因此，各大主機廠都對叉車門架的設計分析計算和實驗驗證相當重視。目前，對門架的分析多數(shù)集中在應力分析計算上，基本不涉及剛度或研究不夠深入，沒有對其進行系統(tǒng)性分析[3-4]。也有學者對門架的剛度進行傳統(tǒng)的計算驗證[5]，但由于門架包含貨叉、滑架、內(nèi)外門架、起升機構以及門架傾斜機構等部件，各部件支架又存在相對運動，難以避免人工分析的各種不足。

本文采用常用有限元分析軟件ANSYS，對模型叉車門架整體結構及關鍵零部件進行結構剛度系統(tǒng)計算，以簡化其分析過程，提高分析精度。分別計算門架在滿載狀態(tài)下均載和偏載兩種條件下門架剛度數(shù)據(jù)，并通過實驗實測數(shù)據(jù)進行對比分析驗證其精準度，為叉車門架結構的優(yōu)化設計提供了極具價值的參考。

1 門架剛度有限元分析

1.1 模型建立

以5～7 t標準門架為例進行分析，載荷為68 446 N（7 000 kg）并在最大起升高度。根據(jù)公司門架剛度有限元分析規(guī)則，門架要在滿載的情況下分別在以下兩種條件下進行計算。

第一種情況，標準中心載荷，又叫左右均勻載荷，即載荷左右兩貨叉各承擔50%的重量，相當于貨物重量集中于中心位置，如圖1所示。

第二種情況，偏載，即單叉在極限偏置位置，貨叉處于偏載的極限位置，單只貨叉承擔所有負載，另一貨叉承載為零。圖2為右貨叉偏載。

1.2 材料屬性

剛度的變化量都是在彈性范圍內(nèi)的變形，不允許塑性變形。門架的橫梁均為Q355，屈服極限為355 MPa，密度為7.85×10-9t·mm-3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa。門架槽鋼材料為25MnV，屈服極限為435 MPa，其余材料參數(shù)和橫梁相同。

1.3 邊界條件和網(wǎng)格設置

外門架下部通過A、B兩個安裝點驅(qū)動橋上，外門架中部通過傾斜油缸連接到車架上，其邊界條件和自由度約束設置如圖3和圖4所示。為了簡化和更精確地計算對門架網(wǎng)格尺寸，進行如下劃分和簡化：門架不重要部件采用粗大的15 mm網(wǎng)格，槽鋼采用8 mm網(wǎng)格，滾輪和槽鋼接觸面等采用6 mm網(wǎng)格，焊接區(qū)域采用4 mm網(wǎng)格，焊縫采用2 mm網(wǎng)格，如圖5所示；所有門架焊件均采用實體單元建模，油缸的模型按照標準程序使用簡化的梁單元beam表示，鏈條模型為帶預緊力的彈簧負載滾輪連接到短軸與轉動關節(jié)，摩擦系數(shù)為0.2用于通道界面的摩擦接觸，如圖6所示。

1.4 門架剛度分析細節(jié)位移云圖

根據(jù)以往的分析數(shù)據(jù)累計，中心載荷的剛度變形量基本均小于極限偏載的變形量，無論是門架整體縱橫方向還是門架滾輪接觸擠壓點。中心載荷的縱向整體傾斜量雖然可能大于偏載，但縱向變形不是設計考察的重點。由于篇幅限制，本文只對貨叉極限偏載進行分析。圖7為整體門架剛度變形情況。圖8～圖12是內(nèi)外門架整體和分離變形情況，既有X軸縱方向的變形，也有Z軸橫方向的變形分解。在這些分解計算中已經(jīng)產(chǎn)生了內(nèi)外門架的槽鋼在滾輪安裝位置的變形云圖，其中也呈現(xiàn)了部分細節(jié)。

1.5 分析結果

按照公司的標準分析程序，結果呈現(xiàn)分兩個部分。一部分為整體的宏觀剛度變形統(tǒng)計，即整體門架最大起升高度在滿載狀態(tài)下的前后方向的變形和左右方向的變形，也就是前面提到的縱橫X、Z軸方向的整體剛度變形；另一部分為內(nèi)外門架在滾輪接觸點或傾斜油缸等安裝點的細節(jié)變形。分析對象為起升高度為3 m的5～7 t標準2級門架。圖13和圖14為門架整體在縱向和橫向上的變形，其中圖13顯示門架整體橫向傾斜最大值為71 mm，圖14顯示門架整體前傾最大值33 mm。

下面分析門架槽鋼的變形細節(jié)，結果統(tǒng)計如圖15所示。內(nèi)外門架槽鋼在滾輪各接觸處點位置的變形量最大為4.745 mm，最小為0.340 mm。正值表示為受到的拉伸變形，負值表示為壓縮變形。

根據(jù)公司門架剛度驗收標準，這些數(shù)據(jù)是合格的。以往的經(jīng)驗表明，門架剛度的設計和測試應符合公司門架剛度標準要求，具體表述如下。

（1）橫向傾斜——31.25 mm·m-1的提升高度，即門架每升高1 m，橫向傾斜剛度變形不差過31.25 mm。此結論為數(shù)十萬臺2.0～3.5 t叉車門架的統(tǒng)計規(guī)律，1～2 t叉車門架通常應該更緊，而4.0 t以上叉車的門架可能會稍微放款。

（2）門架槽鋼變形——6 mm（1/4英寸）2.0～3.5 t門架。1～2 t叉車門架通常應該更緊為4 mm左右，而4.0 t以上叉車的門架可能會稍微放寬到7.8 mm。

（3）縱向傾斜——小于橫向傾斜變形量，此項尚未發(fā)生過問題，基本不重點考察。

根據(jù)以上標準，本文分析對象的4 m門架的橫向傾斜為4×31.25=125 mm，因此71 mm的橫向剛度變形可以接受，位于標準范圍內(nèi)；縱向變形為33 mm不到橫向傾斜的1/2，所以也在合格范圍內(nèi)。

2 門架剛度實測實驗

實測實驗和有限元分析的流程相同。首先，測試滿載最大起升高度中心載荷條件下門架縱橫變形量，并測門架槽鋼在滾輪和安裝點的伸出變形量。其次，進行門架滿載最大起升高度貨叉偏載的縱橫變形量和槽鋼在滾輪和安裝點的伸出變形量。門架剛度實測實驗需要角度羅盤和欠錘拉索傳感器測整體變形量，然后需要在內(nèi)外門架槽鋼滾輪接觸點安裝拉線式位移傳感器測。由于中心載荷測試和偏載測試設置基本相同，以偏載測試論述，4 m門架由于數(shù)量較小不好測量。因此，選同類門架6以上門架測試更能反映門架的剛度精準對。實測數(shù)據(jù)如表1所示，起升重物為6 800 kg加上貨叉和鏈條等安全設備總負載為7 t，表1中上半部分為中心載荷的變形量，下半部分為極限偏載的變形量?？梢钥闯?，加載后橫向變形量為85.27 mm小于6×31.25 mm，縱向變形量為56.04 mm小于85.27 mm，都滿足公司的剛度要求標準。

表1 實測門架的整體剛度變形量統(tǒng)計

下面討論內(nèi)外門架的槽鋼在滾輪處的剛度擠壓變化量值，實測變化量如圖16和圖17所示。其中，圖16為各點的變形量值，圖17為槽鋼測試點的位置。從數(shù)據(jù)可以看出，滾輪處的變化量均在6 mm以內(nèi)，只有傾斜油缸處的變化量接近7 mm。但是，由于這個門架在4 t以上門架且起升高度大于6 m，所以7 mm也是可以接受的，處于小于經(jīng)驗值7.8 mm的范圍。

3 結語

通過有限元分析結果和實測試驗測試結果的對比可得，有限元結果與測試結果都真實可信并互為驗證補充，都滿足公司基于大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累行程的設計要求。本文為叉車門架剛度的分析和測試提供了方法和依據(jù)，結合應力分析將為門架的進一步優(yōu)化設計提供堅實的基礎。