高速伸缩臂叉车整体车架受力分析

2020-05-08王勇王丹刘珂

机械工程师 2020年4期

王勇，王丹，刘珂

（32181部队，西安 710032）

0 引言

高速伸缩臂叉车[1-2]是一种在特殊环境条件下使用的装卸搬运设备，相对于普通及市面上通用的伸缩臂叉装车而言，高速伸缩臂叉车主要用于特殊环境、沙滩、泥泞、山区及无路状态下不平路面区域装卸搬运所需物资，具有通常意义下的越野作业功能，是一种新型多功能物料搬运设备。一方面，它是普通搬运设备，将汽车起重机的伸缩臂结构形式与普通传统叉车[3]的装卸搬运功能有机结合起来，可以通过不断改变其伸缩臂长度和角度的方法来达到要求的作业高度和距离，配合不同的作业属具，能够以叉车、起重机、高空作业车等多种模式，完成所需单元物资的装卸搬运、高空或跨障作业[4]；另一方面，它又具备汽车的基本功能，可根据实际作业工况场地及完成物料装卸搬运所需时间进行综合衡量，启用高速行驶功能时能够达到85 km/h的速度，具备公路上跟随运输车队行进的速度要求[5-6]。

高速伸缩臂叉车要满足低速装卸搬运设备与高速汽车[7]两方面的特殊用途，整体设计阶段需要综合考虑装卸搬运机械和汽车两方面的功能需求，特别是整车车架是整体设计的基础和主要关键件，对于车架材料的选取、车架结构形状及受力情况应该放到第一需求高度进行考量，在初始设计阶段就要采用三维设计软件进行各个结构的有限元模型受力分析，通过优化设计，达到优化整体车架结构尺寸和自重的效果[5]。

1 整体车架材料的基本参数

高速伸缩臂叉车整体车架设计[8-9]要考虑各种结构形状的合理规划和材料所受应力应变情况。这是因为车架是整个设备的基础，是发动机、变速箱、工作装置等各个部件的承重体，因此要重点考虑车架的选用材料、车架的结构形状优化和整体车架受力分析情况。

通过类比法并参考通用伸缩臂叉车的材料选用原则，高速伸缩臂叉车根据所用特殊环境对设备受力可能产生的影响等要求，设计阶段整车车架及工作装置选用的材料相同，整体车架选用材料[10]的基本参数如下：材料牌号为Q690D，当厚度δ≤16 mm时，屈服点σs=690 MPa，抗拉强度σb=770～940 MPa；当厚度δ=16～40 mm时；屈服点σs=670 MPa，抗拉强度σb=770～940 MPa[5]。

2 整体车架结构形状优化设计

高速伸缩臂叉车整体车架设计阶段根据各种使用工况可设计3种结构供选择，分别为整体车架初始原本结构，整体车架局部加高结构，整体车架加厚，局部加高结构。下面对3种车架结构分别进行有限元建模和应力应变分析[11-12]，根据分析计算结果选择合理的整体车架结构。

2.1 3种车架结构有限元模型

3种车架结构有限元模型如图1～图3所示。

2.2 3种车架结构应力、应变云图

3种车架结构结构应力、应变云图如图4～图6所示。根据上述3种整体车架结构形状的有限元分析，计算结果如下：

1）初始原本结构：最大应力σMAX=643 MPa，最大应变δMAX=28 mm。2）局部加高结构：最大应力σMAX=337 MPa，最大应变δMAX=6.08 mm。3）整体加厚、局部加高结构：最大应力σMAX=250 MPa，最大应变δMAX=5.32 mm。

根据计算结果，整体车架结构形状优化采用整体加厚、局部加高结构，可以在满足选用车架材料设计要求情况下，整体车架结构形状的强度刚度变化量最小。

图1 整体车架初始原本结构

图2 整体车架局部加高结构

图3 整体车架加厚、局部加高结构

图4 整体车架初始原本结构应力应变云图

上述优化结果是采用多个初始边界条件反复进行模拟计算得出的结论。

3 整体车架受力分析

高速伸缩臂叉车由于伸缩臂工作装置的特殊性，伸缩臂有伸出与收回等多个作业工况，对整体车架的受力影响作用也不一样，因此，本文重点考虑极限作业工况下，高速伸缩臂叉车处于最大负载情况下整体车架极限受力情况[11-12]，考虑到上述在极限作业受力工况下，只要初始边界条件设置合理，模型数据通过试验采集真实可靠，反复计算结果都能说明整体车架的有限元应力计算小于材料的许用应力，从设计角度出发，就能达到优化整体车架结构尺寸和自重的效果。