cpc30型內(nèi)燃平衡重式叉車工作裝置輕量化設(shè)計(jì)

cpc30型內(nèi)燃平衡重式叉車工作裝置輕量化設(shè)計(jì)

0叉車產(chǎn)品的市場(chǎng)根據(jù)中國工程機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)（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(shí)現(xiàn)59.7萬個(gè)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(dòng)箱年銷售額為28.1萬元。從火爆的叉車銷售市場(chǎng)可見,叉車作為機(jī)械化裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸?shù)墓I(yè)搬運(yùn)車輛,已然是一種工業(yè)生產(chǎn)非常重要的工具,應(yīng)用極其廣泛。在保持叉車工作穩(wěn)定性的前提下,對(duì)工作裝置進(jìn)行基于有限元分析的輕量化設(shè)計(jì),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(dòng)機(jī)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(dǎo)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(duì)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(shè)計(jì)車輛操作設(shè)備的成本1.1貨叉、外門架、堆場(chǎng)CPC30型內(nèi)燃平衡重式叉車工作裝置主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),掛裝在叉架上;叉架用來安裝貨叉或其他取物裝置,以帶動(dòng)貨物垂直升降;外門架是外側(cè)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(jié)構(gòu);內(nèi)門架則是能沿著外門架上下伸縮的活動(dòng)部件;滾輪是叉架與門架或門架與門架之間導(dǎo)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(duì)比叉車工作裝置的輕量化設(shè)計(jì),主要是通過Creo軟件建模和ANSYS軟件有限元分析交替進(jìn)行的,利用ANSYS軟件結(jié)構(gòu)靜力分析的結(jié)果對(duì)工作裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)2元分析和卡換器操作設(shè)備2.1裝置實(shí)際裝配關(guān)系的簡(jiǎn)化在Creo軟件中建立精確的叉車工作裝置三維結(jié)構(gòu),各零/部件按照工作裝置實(shí)際的裝配關(guān)系進(jìn)行組裝,并對(duì)組裝后的模型適當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,去掉連接緊固件、小倒角及小圓角等,簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)靜力分析模塊主要對(duì)工作裝置做結(jié)構(gòu)靜力分析。結(jié)構(gòu)靜力分析是分析計(jì)算固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng),這種響應(yīng)包括結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布、約束反力及應(yīng)變情況,實(shí)際不用考慮慣性和阻尼的影響。本文的工作裝置相關(guān)分析是采用有限元分析軟件ANSYS的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊進(jìn)行的。工作裝置結(jié)構(gòu)靜力分析主要是分析叉車工作裝置的各個(gè)工作位置,在額定載荷條件下的總變形及應(yīng)力分布情況,并基于此對(duì)工作裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。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(yùn)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(jìn)行分析,是為了對(duì)比分析,進(jìn)而獲取叉車在額定載荷條件下,工作裝置產(chǎn)生最大應(yīng)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(yīng)的性能參數(shù),材料屬性如表2所示。2.2.2外門架與驅(qū)動(dòng)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(jìn)行裝配件靜力分析的接觸設(shè)置。由于模型省略了車架、驅(qū)動(dòng)橋等固定基礎(chǔ)部分,外門架與驅(qū)動(dòng)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(gè)平面-平面、平面-曲面以及線-平面接觸位置則添加相應(yīng)的綁定接觸、不分離等接觸類型。根據(jù)工作裝置結(jié)構(gòu)各個(gè)組成部分的形狀及板厚尺寸,分別對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謱印⑾鄳?yīng)網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定和網(wǎng)格劃分。貨叉處于底部位置時(shí),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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)載荷中心距為500mm。對(duì)工作裝置整體進(jìn)行求解設(shè)置的同時(shí),對(duì)貨叉、叉架、內(nèi)門架和外門架的變形、應(yīng)力進(jìn)行獨(dú)立的求解設(shè)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(shí),工作裝置及主要零/部件等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖5～圖10所示。結(jié)果顯示,貨叉處在最高位置時(shí)零/部件受到的局部應(yīng)力有最大值,最大應(yīng)力發(fā)生在貨叉拐彎處,最大應(yīng)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(shí)主要零/部件最大應(yīng)力和最大變形,表4所示為工作裝置所用材料計(jì)算許用應(yīng)力。綜合表3工作裝置各主要零/部件的最大應(yīng)力和表4材料計(jì)算許用應(yīng)力,貨叉最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料計(jì)算許用應(yīng)力654MPa,叉架、內(nèi)門架和外門架的最大應(yīng)力也都小于許用應(yīng)力287.5MPa,也就是說,該叉車工作裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的,是安全的。此外,通過分析發(fā)現(xiàn),叉架最大應(yīng)力發(fā)生在中間橫梁與滾輪固定板兩側(cè)結(jié)合部位;內(nèi)門架最大應(yīng)力發(fā)生在門架中間連接板與兩側(cè)槽鋼的連接部位;外門架主要應(yīng)力則分布在驅(qū)動(dòng)橋安裝板與外門架連接處,外門架下部連接梁與兩側(cè)槽鋼結(jié)合部也存在較大的應(yīng)力集中。在輕量化設(shè)計(jì)過程中,優(yōu)化的重點(diǎn)主要是貨叉、叉架、內(nèi)門架和外門架,在做叉架輕量化設(shè)計(jì)時(shí),由于其最大應(yīng)力較接近材料計(jì)算許用應(yīng)力,所以尤其要控制好輕量化設(shè)計(jì)的尺寸,而對(duì)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(hù)工作設(shè)備的設(shè)計(jì)3.1輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用叉車工作裝置輕量化設(shè)計(jì),是在保證叉車工作裝置強(qiáng)度和安全性的前提下,盡可能地減小工作裝置的質(zhì)量。以工作裝置原有結(jié)構(gòu)及貨叉處于最高位置時(shí)的應(yīng)力分析結(jié)果為基礎(chǔ),輕量化設(shè)計(jì)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(yīng)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(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)主要零/部件的質(zhì)量對(duì)比如表5所示。輕量化后的結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量比原有結(jié)構(gòu)減輕了36.72kg(781.99-745.27=36.72kg),減輕的質(zhì)量占原有結(jié)構(gòu)整體質(zhì)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(yīng)力分析對(duì)輕量化后的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行有限元分析,根據(jù)對(duì)工作裝置原有結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果,這里取貨叉處于最高位置時(shí)的模型為分析對(duì)象(該位置時(shí)主要零/部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形在3種位置中均最大)。輕量化后的結(jié)構(gòu)貨叉處于最高位置時(shí)工作裝置及主要零/部件的等效應(yīng)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(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置仍然是貨叉表面拐彎處,最大應(yīng)力為419.51MPa,而內(nèi)門架最大應(yīng)力為245.30MPa,叉架最大應(yīng)力為228.44MPa,外門架最大應(yīng)力為206.57MPa,均小于其材料計(jì)算許用應(yīng)力,是安全的,表明該輕量化設(shè)計(jì)是有效的、可行的;但從主要零/部件應(yīng)力具體數(shù)值上看,還有輕量化的空間,可以再對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)和有限元分析,設(shè)計(jì)與分析循環(huán)交替進(jìn)行,直至取得更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,這里不再做更進(jìn)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了準(zhǔn)確三維建模、結(jié)構(gòu)應(yīng)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