叉车门架结构优化设计

文/王茂兵（安徽合力股份有限公司）

近年来，随着物流业的发展和劳动力成本的提高，叉车越来越被广泛使用到各种场合。在一些特殊场合要求叉车门架在保证一定起升高度的同时落地高度比较低，即通过性要好，通过性渐渐成为考核叉车主要性能的指标之一。而目前叉车门架结构由于采用主滚轮控制纵向受力、侧滚轮控制横向的形式，普遍存在下列问题：门架落地高度较高、叉车通过性不好；结构受力较差，侧滚轮的焊接位置容易疲劳断裂；制造工艺复杂，需要切割、打孔、攻丝等多道工序；组装调试流程繁琐，产品成本较高。

要解决上述问题，需要在降低门架落地高度（减小槽钢的重叠距）的同时保证足够强度和刚度。但槽钢重叠距减小意味着滚轮距减小，会使槽钢局部应力变大，结构疲劳寿命降低，滚轮易损坏。本文探讨在满足一定落地高度的同时，通过优化结构减少门架的应力集中，提高使用寿命。该方案也可以在满足使用寿命的同时，降低门架的落地高度，提高叉车的通过性。

一、现有状况

1.整体情况

图1是现有起升高度3m基本型门架[1]结构示意图。搭载到整车作业时，在重物的作用下，内外门架纵向受力通过主滚轮传递，受力大小是f1；门架横向受力通过侧滚轮传递，受力大小是f2，其中，主、侧滚轮都在门架重叠距L内。

图1 门架结构视图和受力

门架设计需要在保证一定起升高度的同时，落地高度尽可能小（更加容易进比较低矮的仓库门），落地高度越小意味着门架重叠距L变小。通过图1可以看出，L变小影响主滚轮距A和侧滚轮距C，这会带来两个问题：侧滚轮受力f2和主滚轮受力f1变大，滚轮容易损坏；槽钢辊道面接触应力变大，造成槽钢局部应力和变形大，疲劳寿命降低，提前撕裂的可能性增大。

2.滚轮受力分析

以起升高度3m门架为例，A=500mm、C=300mm、承载4t计算滚轮受力：

主滚轮受力f1=50500N，主滚轮Cor=38500N，安全系数N1=Cor/f1=38500/50500=0.762≥0.7（N=0.7 是设计推荐值）；

侧滚轮受力f2=20050N，侧滚轮Cor=24190N，安全系数N2=Cor/f2=24190/20050=1.18≥0.7（N=0.7是设计推荐值）。

3.槽钢受力分析

直接用 ANSYS软件[2]进行分析，A=500mm、C=300mm，承载4t计算槽钢受力，总体和局部受力分析情况见图2。

图2 总体应力分布和局部应力视图

从图2中可以看出，局部应力值达429MPa，接近材质的屈服极限480MPa。为了解决这个问题，起初采用在滚轮轴周围加加强筋，并分析受力，分析结果如图3。可以看出局部应力大大减少，降低到248MPa。但这种方案带来另外一个问题，在门架槽钢自动生产线上需加一个焊接工位，进行该筋板的焊接，影响生产效率。

图3 加筋板后局部应力图

二、结构优化

1.优化主滚轮的结构

如上所述，门架的重叠距L对滚轮的受力影响较大，虽然理论上可以增加重叠距来改善槽钢和滚轮受力，但是会增大门架的落地高度。如果采用加筋板方式，会影响生产线的效率。现通过优化主滚轮的结构，利用深沟球轴承具有承受较大侧向力的能力，使其同时承受纵向力和横向力，这样就可以取消侧滚轮，主滚轮斜置α=2°，具体变化如图4。这样从图5就可以看出主滚轮距A等于侧滚轮距C，长度都是500mm。

图5 优化后滚轮距示意图

2.滚轮受力分析

以起升高度3m门架为例，相同工况下，计算A为500mm、承载4t时的滚轮受力。

主滚轮径向受力f1=50500N，主滚轮Cor=38500N、安全系数N1=Cor/f1=38500/50500=0.762≥0.7（N=0.7是设计推荐值）；

主滚轮侧向受力f2=12000N；侧向Cor=19250N、安全系数N2=Cor/f2=19250/12000=1.60≥0.7（N=0.7是设计推荐值）。

3.槽钢受力分析

用ANSYS软件[2]分析承载4t计算槽钢受力。总体受力情况见图6，可以看出优化结构后，危险应力区域由429MPa降低到241MPa。可以看出，该方案不仅能够增加侧滚轮距来减少应力，而且门架槽钢的侧向受力点在腹板根部，减轻滚轮焊接处槽钢腹板的应力集中。取消侧滚轮后，腹板上不要加工槽孔，进一步降低应力集中，效果非常明显。

图6 优化结构门架受力图

三、小结

通过结构优化可以发现，取消侧滚轮，用主滚轮代替侧滚轮承受横向力，能够保证在相同重叠距的情况下，增加侧滚轮的距离，槽钢整体变形减少和局部应力变小，提高整个门架的稳定性；同时取消侧滚轮能够降低采购成本，取消侧滚轮割口和螺栓安装孔可以节省加工成本。