cpc30型內(nèi)燃平衡重式叉車工作裝置輕量化設計

0叉車產(chǎn)品的市場根據(jù)中國工程機械工業(yè)聯(lián)合會（nationalacademyoftechnologycoordinationcenter）發(fā)布的2018年江淮企業(yè)的銷售數(shù)據(jù)，中國主要商用車制造公司每年實現(xiàn)59.7萬個家庭，并增長20.2%。其中，內(nèi)燃平衡重量車年銷售額為31.6萬元，電動箱年銷售額為28.1萬元。從火爆的叉車銷售市場可見,叉車作為機械化裝卸、堆垛和短距離運輸?shù)墓I(yè)搬運車輛,已然是一種工業(yè)生產(chǎn)非常重要的工具,應用極其廣泛。在保持叉車工作穩(wěn)定性的前提下,對工作裝置進行基于有限元分析的輕量化設計,將在一定程度上提高內(nèi)燃平衡重式叉車的操控性能和發(fā)動機的工作效率,節(jié)約鋼材、降低整車制造成本和使用成本在國家大力倡導綠色制造、節(jié)能環(huán)保的大背景下,叉車工作裝置的輕量化對工業(yè)車輛的研發(fā)制造,以及使用叉車作業(yè)的行業(yè)及企業(yè),都是大有裨益的。1減輕設計車輛操作設備的成本1.1貨叉、外門架、堆場CPC30型內(nèi)燃平衡重式叉車工作裝置主要結構包括貨叉、叉架、內(nèi)門架、外門架、起升油缸、傾斜油缸、起升鏈條、鏈輪及滾輪等貨叉是直接承載貨物的叉形結構,掛裝在叉架上;叉架用來安裝貨叉或其他取物裝置,以帶動貨物垂直升降;外門架是外側固定不升降的部分,是由槽形立柱和橫梁組焊而成的框架結構;內(nèi)門架則是能沿著外門架上下伸縮的活動部件;滾輪是叉架與門架或門架與門架之間導向和傳力的部件,分別安裝在外門架、內(nèi)門架和叉架上1.2建模與有限元分析的對比叉車工作裝置的輕量化設計,主要是通過Creo軟件建模和ANSYS軟件有限元分析交替進行的,利用ANSYS軟件結構靜力分析的結果對工作裝置進行結構上的優(yōu)化設計2元分析和卡換器操作設備2.1裝置實際裝配關系的簡化在Creo軟件中建立精確的叉車工作裝置三維結構,各零/部件按照工作裝置實際的裝配關系進行組裝,并對組裝后的模型適當進行簡化,去掉連接緊固件、小倒角及小圓角等,簡化后的模型包括貨叉、叉架、內(nèi)門架、外門架、滾輪、起升鏈條、鏈輪、起升油缸和傾斜油缸等,幾何模型如圖3所示。2.2結構靜力分析模塊主要對工作裝置做結構靜力分析。結構靜力分析是分析計算固定載荷作用下結構的響應,這種響應包括結構變形、應力分布、約束反力及應變情況,實際不用考慮慣性和阻尼的影響。本文的工作裝置相關分析是采用有限元分析軟件ANSYS的結構靜力分析模塊進行的。工作裝置結構靜力分析主要是分析叉車工作裝置的各個工作位置,在額定載荷條件下的總變形及應力分布情況,并基于此對工作裝置結構進行相應的改進設計。具體考慮工作裝置以下3種工作狀態(tài):1)叉車額定起重量,正常搬運行駛高度的情況(底部位置);2)叉車額定起重量,貨叉剛好處在外門架頂部的情況(中部位置);3)叉車額定起重量,叉架、內(nèi)門架處于伸出極限,最大起升高度的情況(最高位置)。選擇以上3種貨叉工作位置進行分析,是為了對比分析,進而獲取叉車在額定載荷條件下,工作裝置產(chǎn)生最大應力和最大變形的具體位置。2.2.1材料屬性在ANSYS軟件工程數(shù)據(jù)中創(chuàng)建叉車工作裝置主要零/部件所使用的材料,并添加相應的性能參數(shù),材料屬性如表2所示。2.2.2外門架與驅動橋、斜直塔架的連接方式為在完成工作裝置裝配件各零/部件幾何的材料賦予后,接著進行裝配件靜力分析的接觸設置。由于模型省略了車架、驅動橋等固定基礎部分,外門架與驅動橋、傾斜油缸與車架連接位置采用body-ground固定,貨叉與叉架、叉架與內(nèi)外門架以及內(nèi)門架與外門架之間各個平面-平面、平面-曲面以及線-平面接觸位置則添加相應的綁定接觸、不分離等接觸類型。根據(jù)工作裝置結構各個組成部分的形狀及板厚尺寸,分別對各個零件進行適當?shù)姆謱?、相應網(wǎng)格參數(shù)的設定和網(wǎng)格劃分。貨叉處于底部位置時,劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖4所示。2.2.3叉車工作裝置結構強度在貨叉上表面施加額定起重量的均布載荷,CPC30型內(nèi)燃平衡重式叉車的額定起重量為3000kg,標準載荷中心距為500mm。對工作裝置整體進行求解設置的同時,對貨叉、叉架、內(nèi)門架和外門架的變形、應力進行獨立的求解設置。經(jīng)過分析,貨叉處于不同位置(底部位置、中部位置和最高位置)時,工作裝置及主要零/部件等效應力云圖和變形云圖分別如圖5～圖10所示。結果顯示,貨叉處在最高位置時零/部件受到的局部應力有最大值,最大應力發(fā)生在貨叉拐彎處,最大應力值為291.55MPa,此處最大變形為38.486mm。表3所示為貨叉處于不同位置(底部位置、中部位置和最高位置)時主要零/部件最大應力和最大變形,表4所示為工作裝置所用材料計算許用應力。綜合表3工作裝置各主要零/部件的最大應力和表4材料計算許用應力,貨叉最大應力遠小于材料計算許用應力654MPa,叉架、內(nèi)門架和外門架的最大應力也都小于許用應力287.5MPa,也就是說,該叉車工作裝置結構強度是足夠的,是安全的。此外,通過分析發(fā)現(xiàn),叉架最大應力發(fā)生在中間橫梁與滾輪固定板兩側結合部位;內(nèi)門架最大應力發(fā)生在門架中間連接板與兩側槽鋼的連接部位;外門架主要應力則分布在驅動橋安裝板與外門架連接處,外門架下部連接梁與兩側槽鋼結合部也存在較大的應力集中。在輕量化設計過程中,優(yōu)化的重點主要是貨叉、叉架、內(nèi)門架和外門架,在做叉架輕量化設計時,由于其最大應力較接近材料計算許用應力,所以尤其要控制好輕量化設計的尺寸,而對于各種滾輪、起升鏈條、鏈輪及液壓油缸,這里不做考慮與分析。3減輕維護工作設備的設計3.1輕量化設計中的應用叉車工作裝置輕量化設計,是在保證叉車工作裝置強度和安全性的前提下,盡可能地減小工作裝置的質量。以工作裝置原有結構及貨叉處于最高位置時的應力分析結果為基礎,輕量化設計主要采用減小貨叉、內(nèi)門架、外門架和叉架等焊接件的板厚,應力較大的部位采取增加肋板、筋板,并在板材上開孔去除材料等方式輕量化后的結構與原有結構主要零/部件的質量對比如表5所示。輕量化后的結構整體質量比原有結構減輕了36.72kg(781.99-745.27=36.72kg),減輕的質量占原有結構整體質量的比例約為4.70%[(781.99-745.27)/781.99×100%=4.70%]。3.2外門架和貨叉的應力分析對輕量化后的結構再進行有限元分析,根據(jù)對工作裝置原有結構的分析結果,這里取貨叉處于最高位置時的模型為分析對象(該位置時主要零/部件結構應力和變形在3種位置中均最大)。輕量化后的結構貨叉處于最高位置時工作裝置及主要零/部件的等效應力云圖和變形云圖分別如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可知,結構最大應力位置仍然是貨叉表面拐彎處,最大應力為419.51MPa,而內(nèi)門架最大應力為245.30MPa,叉架最大應力為228.44MPa,外門架最大應力為206.57MPa,均小于其材料計算許用應力,是安全的,表明該輕量化設計是有效的、可行的;但從主要零/部件應力具體數(shù)值上看,還有輕量化的空間,可以再對該結構進行進一步的輕量化設計和有限元分析,設計與分析循環(huán)交替進行,直至取得更優(yōu)的設計方案,這里不再做更進一步的優(yōu)化。4各主要零/部件貨叉位所需模擬本文在CPC30型內(nèi)燃平衡重式叉車工作裝置原有結構的基礎上,進行了準確三維建模、結構應力及變形分析,得出工作裝置裝配件各主要零/部件在貨叉處于