叉车工作装置强度和刚度的有限元分析

邱伟星

（福建省特种设备检验研究院龙岩分院，福建 龙岩 364012）

叉车是应用广泛的流动式物料搬运机械，其工作装置包括货叉、内门架和外门架[1]，是叉车作业时的执行结构。工作时，起升油缸使内门架沿着外门架内移动，内门架通过货叉架带动货物上下运动，工作装置承受各种载荷，为了保障叉车工作安全稳定，必须对其强度和刚度进行校核。

基于有限元软件，对最恶劣工况下的工作装置关键零部件进行静力学分析，得到工作装置各部分的应力、应变和位移，根据相关标准对其强度和刚度进行校核，为叉车安全运行提供详实可靠的设计参考。

1 几何模型的建立和材料参数确定

1.1 三维模型的建立

为减少计算量、缩短ANSYS软件分析时间，对分析结果影响不大的叉车工作装置各处的倒角和圆角进行省略，基于三维软件平台Solidwork2016对其进行三维建模，如图1所示。

图1 几何模型

1.2 各部件材料参数

叉车工作装置主要由货叉、内外门架、货叉架等组成，其中货叉材料为40Cr，内外门架材料为Q345，货叉架材料为Q235。采用文献[2]中的材料参数，如表1所示。

表1 力学性能参数

2 建立有限元模型

2.1 计算工况的确定

叉车工作时有运输工况和高位堆码（堆垛）工况，根据实际情况，将门架满载且垂直起升至最大高度作为计算工况。

2.2 有限元模型

由于叉车工作装置结构的几何特征有些比较规则，有些不规则，为提高计算精度，文中采用实体单元Solid186和Solid187对其进行网格划分：Solid186是三维20 节点的六面体块状单元，Solid187 是三维10节点的高阶四面体单元[2]。

将形状比较规则的零件用六面体单元Solid186划分，不规则的形状用四面体单元Solid187划分，网格划分得到单元数为269714，节点数为478988，如图2所示。

图2 叉车工作装置有限元模型

2.3 接触类型定义

叉车工作装置是由不同零部件装配而成，根据实际工作情况，将门架与导轨接触面设为摩擦接触，摩擦系数为0.04，其余接触设为绑定接触。

2.4 边界条件施加

某叉车的额定起重量为3000kg，货叉和货叉架的重量是310.86kg[3]，内门架的重量是194.69kg，额定载荷中心距为400mm。叉车工作装置各部件力边界的计算情况如表2所示。

表2 各部位力边界计算结果表 单位：N

力边界条件包括货叉受力F1，链条受力和滑轮受力F2，升油缸对内门架的支持力F3，升油缸对外门架的压力F4。其中F1以远端力形式施加在货叉顶面中心处，距货叉前臂距离为400mm 处，F2 、F3 、F4 分别施加在实际受力位置。

位移边界条件包括外门架与叉车前车桥固定铰接，外门架与倾斜油缸的活动铰接，对活动铰接用圆柱副约束。施加载荷及约束如图3所示。

图3 受力情况

3 结果分析

3.1 工作装置分析结果

工作装置的等效应力云图如图4(a)所表示，最大应力为241.04MPa，总位移云图如图4(b)所示，最大位移为11.22mm。

图4 工作装置有限元分析结果云图

3.2 外门架强度和刚度分析结果

图5(a)是外门架等效应力云图，从图中可知外门架的最大应力为133.95MPa，发生在外门架槽板上部分。对于塑性工程材料，安全系数通常取1.5，则在该工况下，外门架的安全系数为n=345/133.95≈2.58＞1.5，因此，外门架强度满足要求。

图5(b)是外门架Z向变形云图，从图中可知外门架变形量由门架顶端到底部逐渐变小，最大变形量位于外门架顶部，为1.0716 mm。由外门架的许用挠度计算公式[3](H为门架的起升高度）,代入本分析的叉车最大起升高度是3000mm,得到最大挠度，远远大于1，满足刚度条件。

图5 外门架有限元分析结果云图

3.3 内门架分析结果

图6(a)是外门架等效应力云图，从图中可以看出内门架的最大应力为169.54MPa，位于内门架翼缘。在该工况下，内门架的安全系数为N=345/169.54≈2.03＞1.5，因此，内门架满足强度要求。

图6(b)是内门架Z向变形云图，从图中可以看出内门架变形趋势是由上端到下端逐渐减小，最大变形量为4.4432mm，大于许用挠度，内门架满足刚度条件。

图6 内门架有限元分析结果云图

3.4 货叉有限元分析

图7(a)是货叉等效应力云图，从图中可以发现货叉的最大应力为241.04MPa，发生在叉架拐弯地方，小于屈服应力785Mpa，货叉的安全系数为n=785/241.04≈3.26＞1.5，因此，货叉满足强度要求。

图7(b)是货叉Z向位移云图，从图中可以发现货叉架顶部变形较大，最大值为5.0116mm，由货叉的许用挠度计算公式（L为货叉长度），代入某叉车货叉长度1075 mm，得出的结果远大于1，满足刚度条件。

图7 货叉有限元分析结果云图

4 结论

通过对某叉车工作装置的静力学分析，得到其内、外门架和货叉的等效应力和位移云图；通过内、外门架和货叉进行强度和刚度分析，得到结论：

（1）内、外门架和货叉的最大等效应力均未超过对应材料的屈服极限，强度均满足要求。

（2）内、外门架和货叉的变形均在许用范围内，刚度均满足要求。

参考文献

[1]李鄂民,王滨,张晨.基于ANSYS的叉车架体有限元分析[J].科学技术与工程,2011,11(9):2078-2081.

[2]沈莉芳.基于ANSYS的叉车门架结构计算机辅助分析[J].计算机工程应用技术,2007,3(4):383-385．

[3]罗丽.叉车工作装置仿真研究[D].淄博:山东理工大学,2015.

[4]王虎奇,何海钊.基于ANSYS的两种货叉力学性能分析与设计改进术[J].机械设计与制造.2011(9):38-39.