寧 棟 羅妮娜 潘俊兵 王洪海 徐家忠 夏 青

（1.西安近代化學(xué)研究所；2.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院）

隨著我國(guó)物流市場(chǎng)的高速發(fā)展， 傳統(tǒng)人工搬運(yùn)貨物的方式因勞動(dòng)強(qiáng)度大、 作業(yè)效率低、 成本高，已無(wú)法滿足物流行業(yè)的需求。叉車作為一種體積小、工作靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的搬運(yùn)車輛［1，2］，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各個(gè)場(chǎng)所， 如倉(cāng)庫(kù)、 貨場(chǎng)及車間等。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，叉車在我國(guó)的保有量逐年攀升，2019年我國(guó)叉車總銷量超過(guò)45.68萬(wàn)臺(tái)， 與2018年的43.12萬(wàn)臺(tái)相比，增加了5.95%［3］。 另外，叉車在航空、航天等軍工領(lǐng)域的保有量也在逐年增加［4］。

目前， 叉車前端的運(yùn)貨前叉裝置主要為一體式懸臂梁結(jié)構(gòu)（外伸式）［4～7］， 在非運(yùn)載狀態(tài)行駛時(shí)，易發(fā)生前叉?zhèn)靶腥祟^部的重大安全事故。隨著叉車市場(chǎng)保有量的持續(xù)增加， 由前叉裝置引發(fā)的安全事故屢見(jiàn)報(bào)道［8，9］，前叉裝置已成為貨運(yùn)行業(yè)引發(fā)重大安全事故的主要原因。 為了減少此類事故的發(fā)生， 最大限度地發(fā)揮叉車的貨物搬運(yùn)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種可拆卸式前叉裝置。在非運(yùn)載狀態(tài)行駛時(shí)，可拆除前叉外伸端，使叉車行駛模式變換為類似于小汽車的模式， 可極大地降低前叉碰撞行人頭部的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)叉車的安全系數(shù)。筆者對(duì)該種安全前叉裝置進(jìn)行力學(xué)性能有限元分析， 以期為其設(shè)計(jì)工作提供理論依據(jù)。

1 前叉裝置的結(jié)構(gòu)

前叉裝置位于叉車前端， 與叉車整體的位置關(guān)系如圖1所示。前叉裝置是叉車搬運(yùn)貨物的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由前叉、前叉座和叉架3部分構(gòu)成（圖2）。 前叉和前叉座通過(guò)螺紋連接， 整體安裝在叉架上。前叉座可根據(jù)叉送貨物的尺寸調(diào)整位置，調(diào)整方向如圖2所示，調(diào)整原則是保持前叉座相對(duì)于叉架對(duì)稱。 在非運(yùn)載狀態(tài)下行駛時(shí)，前叉被拆除，叉車行駛模式改變?yōu)轭愃朴谛∑嚨倪\(yùn)行模式，可有效降低叉車對(duì)行人造成傷害的概率。 前插裝置設(shè)計(jì)許用載荷為1 700 kg。

圖1 叉車整體結(jié)構(gòu)

圖2 前叉裝置結(jié)構(gòu)

2 前叉裝置的校核

2.1 前叉裝置的強(qiáng)度校核

前叉裝置在壓力載荷作用下的受力情況如圖3所示。M截面長(zhǎng)a=150 mm，寬b=50 mm，載荷中心距c=623 mm，前叉水平長(zhǎng)l=1250 mm，前叉座與叉架的重合長(zhǎng)度d=510 mm， 前叉座懸臂長(zhǎng)度e=242 mm。

圖3 前叉裝置受力情況

2.2 前叉裝置的剛度校核

由圖3可知，承受載荷過(guò)程中，前叉尖端發(fā)生最大位移，具有最大撓度。 因此對(duì)前叉尖端作撓度校核即可判斷前叉裝置的剛度是否滿足工作要求。 筆者校核前叉尖端的靜撓度，以額定載荷作為計(jì)算載荷，則前叉尖端的撓度f(wàn)E計(jì)算式為：

3 前叉裝置的力學(xué)仿真前處理

有限元分析前，需對(duì)模型進(jìn)行前處理。 用三維建模軟件SolidWorks建立其三維數(shù)字化模型，為模型前處理和SolidWorks Simulation力學(xué)分析模塊進(jìn)行的靜力學(xué)分析做準(zhǔn)備。

3.1 模型簡(jiǎn)化

為了得到高精度的計(jì)算結(jié)果，需對(duì)前叉裝置進(jìn)行高質(zhì)量網(wǎng)格劃分。 為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。 簡(jiǎn)化微結(jié)構(gòu)幾何體，將模型中不受力或受力很小的部件（如螺栓、螺母、墊片及銷釘?shù)龋┻M(jìn)行刪除處理。 刪除后，前叉裝置的結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。

3.2 網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。 劃分網(wǎng)格需遵循以下原則：對(duì)受力位置和應(yīng)力集中位置采用小網(wǎng)格加密， 以提高計(jì)算精度；為了提高網(wǎng)格的適應(yīng)能力，盡量采用正四面體網(wǎng)格。 按上述原則在SolidWorks Simulation力學(xué)分析模塊劃分網(wǎng)格， 得到如圖4所示的網(wǎng)格分布圖，網(wǎng)格參數(shù)見(jiàn)表1。其中，前叉裝置在劃分網(wǎng)格后共包括3 105 506個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 363 908個(gè)網(wǎng)格單元，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.78。 網(wǎng)格質(zhì)量良好，節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元格數(shù)適中，便于快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算。

表1 前叉裝置網(wǎng)格劃分主要參數(shù)

圖4 前叉裝置網(wǎng)格劃分及受力圖

4 力學(xué)仿真及結(jié)果分析

4.1 靜力學(xué)仿真

前叉裝置作為叉車的主要承載部件，受力情況較為復(fù)雜，運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks中的力學(xué)分析模塊SolidWorks Simulation對(duì)已完成前處理的前叉裝置模型進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析［10］。仿真過(guò)程中，前叉裝置的材料特性參數(shù)如下：

彈性模量 210 GPa

泊松比 0.28

抗剪模量 79 GPa

密度 7.7×103kg/m3

張力強(qiáng)度 720 MPa

屈服強(qiáng)度 620 MPa

熱膨脹系數(shù) 1.3×10-5K-1

導(dǎo)熱率 50 W/（m·K）

為了確保裝置的安全， 安全系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值1.25，即設(shè)計(jì)最大載荷為2 125 kg（圖4中紅色箭頭表示的均布載荷），并均布于前叉上。 為保證計(jì)算精度，取計(jì)算迭代次數(shù)為10 000 000，計(jì)算停止閾值為0.000 1，并計(jì)算到收斂，即可獲得前叉裝置的應(yīng)力分布云圖（圖5）和位移分布云圖（圖6）。 圖7為前叉各點(diǎn)位移-應(yīng)力變化圖，即將前叉平均分為13份，以14個(gè)點(diǎn)標(biāo)記，標(biāo)記點(diǎn)依次為a～n，各標(biāo)記點(diǎn)間的距離均為92 mm。

圖5 前叉裝置應(yīng)力分布云圖

圖6 前叉裝置位移分布云圖

圖7 前叉各點(diǎn)位移-應(yīng)力變化

4.2 仿真結(jié)果分析

在靜力學(xué)有限元仿真過(guò)程中，計(jì)算達(dá)到收斂狀態(tài)所需時(shí)間為12 min。 結(jié)合圖5、7可知，應(yīng)力主要集中于前叉座與叉架接觸的下部，最大應(yīng)力可達(dá)25 MPa，即該處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，同時(shí)該處也為最大形變位置。 從a～n點(diǎn)，應(yīng)力逐漸增大，增大趨勢(shì)呈線性變化，前叉尖端應(yīng)力最小。 叉架裝置所選材料的屈服強(qiáng)度為620 MPa，材料的安全系數(shù)為1.5， 因此許用應(yīng)力為410 MPa。 由此可見(jiàn)，叉架裝置的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，具有足夠的安 全 性。 結(jié) 合 圖6、7 可 知，最 大 位 移 量 為1.111 mm，最大位移出現(xiàn)在兩前叉的最前端。 從a～n點(diǎn)的位移量依次減小，減小趨勢(shì)呈線性變化。

結(jié)合圖5～7可以看出，前叉裝置中應(yīng)力、形變最大位置均在前叉座與叉架接觸的下部，其力學(xué)性能對(duì)整車的綜合性能影響較大。 在之后的研究中，將進(jìn)一步研究減小應(yīng)力集中的措施，如利用筋板等結(jié)構(gòu)對(duì)前叉座與叉架接觸的下部進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等。

5 結(jié)束語(yǔ)

可拆卸式安全前叉裝置安裝在叉車的前端，當(dāng)叉車處于非運(yùn)載狀態(tài)行駛時(shí)，可拆除前叉裝置的外伸端，使叉車前端平整，行駛模式變換為類似于小汽車的狀態(tài)，可極大降低叉車對(duì)行人的意外安全事故。 經(jīng)有限元分析可知，該前叉裝置在臨界工況下，應(yīng)力、形變最大的位置均出現(xiàn)在前叉座與叉架接觸的下部， 最大應(yīng)力可達(dá)25 MPa，低于車架材料的屈服強(qiáng)度；最大位移出現(xiàn)在前叉裝置前端，為1.111 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。 該前叉裝置可作為內(nèi)燃機(jī)叉車與電動(dòng)叉車的通用配件，在不影響原叉車作業(yè)效率的同時(shí)，可極大地提高叉車的安全性。