叉車內門架力學分析

高 晶，郭建平

（國家工程機械質量監督檢驗中心，北京 120100）

叉車內門架力學分析

高 晶，郭建平

（國家工程機械質量監督檢驗中心，北京 120100）

1 叉車及內門架的結構

叉車主要由車架、起升貨架、液壓系統等幾部分組成，叉車車體前方為兩條帶小車輪的支腿向前伸出，貨叉位于2支腿之間。

叉車門架主要由內門架和外門架組成。它一方面支承起升油缸，從而承受貨物重力等垂直力P；另一方面，貨物給貨叉的力矩，通過起升貨架傳給門架立柱，使門架立拄承受縱向彎矩M，叉車內門架由左右2根立柱及上下橫梁焊接而成。叉車內門架立柱既承受彎矩，又作為起升機構滾輪運動的導軌，它的橫截面形狀可為工字形、槽形、J型、L型等異形截面。

2 叉車內門架的力學分析與計算

從內門架受力分析（圖1）可以看到內門架受到的外載荷作用如下。

圖1 內門架受力分析

1）貨架滾輪作用于內門架立柱翼緣的成對集中力偶(NI和NIII，NII和NIV)及滾輪摩擦力fi(i＝ 1～4)；因每個滾輪摩擦力值較小，在計算中可以忽略。

2）外門架立柱反作用于內門架滾輪的成對集中力偶(NV和NVII，NVI和NVIII)及滾輪運動阻力fj（j＝5～8)；因每個滾輪摩擦力fj值較小，在計算中可以忽略。

3）起升油缸推動內門架上升時對內門架的作用力F。

4）內門架自重F1。

為考慮貨物在貨架上偏置的情況，對于焊接貨架，計入偏載系數M。

其計算載荷為

Q計=MQ （1）

式中 M—貨物偏載系數，M=1.1～1.3。

貨架的受力分析如圖2a所示，根據力矩平衡可得滾輪Ⅰ～Ⅷ的滾輪壓力大小為

圖2 貨架和鏈輪受力分析

由于e值很小，通常計算中，將Se項忽略不計。故滾輪Ⅰ～Ⅷ的滾輪壓力大小為

為了計算內門架滾輪壓力，單獨取內門架為自由體，其受力分析如圖1所示，根據力矩平衡可得滾輪礦Ⅴ～Ⅷ上的壓力大小為

3 內門架立柱的強度計算

3.1 整體彎曲應力分析

計算時可先依據內門架的具體構造，把它簡化為框架形狀。在所取框架簡圖上加上各個作用力，就構成了計算簡圖(圖3)。它以內門架滾輪V～VIII為支座，貨架滾輪I～IV的輪壓力為外載荷。可以把它分解為2個平面剛架的疊加：一個承受對稱作用力系，另一個承受反對稱作用力系，然后分別對它們用力法求解。

圖3 內門架載荷簡圖

對稱作用力只引起彎矩，反對稱作用力既產生彎矩又產生扭矩。具體計算可參照結構力學進行。計算結果表明，反對稱力對框架產生的彎矩要比對稱力產生的彎矩小得多，約是對稱力所產生彎矩的20%，簡化計算時可忽略。

內門架立柱整體受到的彎矩MX(Nm)，彎曲正應力σW為

式中 WX——計算橫截面的抗彎截面模量，m3。

3.2 門架立柱的約束扭矩應力分析

在內門架立柱的約束扭轉計算中，可將左、右立柱作為經受外轉矩作用的受約束的開口薄壁桿件分別單獨進行計算。對于內門架的計算模型因其頂梁比較堅固，故可簡化為一端簡支一端全受有4個由滾輪力產生的轉矩M1～M4，如圖4所示。

圖4 雙力矩圖

內立柱截面中的雙力矩B方程式

式中 Mi—作用于內門架立柱上的扭矩；

l—內門架立柱長度；

K—內門架立柱截面的約束扭矩特性，

G—材料的剪切彈性模量，MPa；

E—材料的抗彎彈性模量，MPa；

IK—截面自由扭轉慣性矩，

bt—內門架立柱截面各部分的長度，m；

tt—門架立柱截面各部分的厚度；

a— 系數，對軋制工字型截面a=1.20；對焊接工字型截面a=1.50；

IW—面扇形慣性矩，m4；

δi— 考慮i點的計算截面相對于原點位置的系數，當Z＞Zi時，δi=1；當Z＜Zi時，δi=0；

Z—計算截面至坐標原點的距離；

Zi— 門架滾輪壓力引起的外扭矩作用位置在Z軸上的坐標；

Sh—雙曲線正弦值。

內門架立柱的約束正應力為

式中 Bmax——內門架立柱的最大雙力矩，Nm；

Iw——內門架立柱截面的扇形慣性矩，m6；

w——內門架立柱截面計算點的扇形坐標。

3.3 門架立柱的組合應力分析

由以上分析可知，其分項應力有整體彎曲正應力σW、約束扭轉正應力σw，其組合應力為

σ組合=σW+σw≤[σ] （8）

3.4 門架立柱的接觸應力分析

門架立柱在滾輪壓力的作用下，除產生上述的各項應力外，在滾輪和立柱翼緣相接觸的表面還產生接觸應力。擠壓應力可用下式計算

式中 R——滾輪的半徑，m；

Pmax——滾輪的最大輪壓力，N；

L—滾輪的厚度，m；

K1，K2，—系數，可近似的認為

μ—材料的泊松比；

E—材料的彈性模量，Pa；

[σ]— 許用接觸應力，對常用的鋼25MnV, 取600MPa。

4 結 語

綜上所述，通過對叉車內門架整體彎曲應力分析，內門架立柱的約束扭矩應力分析，內門架立柱的組合應力校核，內門架立柱的接觸應力校核，提供了叉車內門架進行強度校核的理論計算方法，供設計人員參考。

（編輯 于 洋）

Mechanical analysis of forklift inner portal

GAO Jing, GUO Jian-ping

［中圖分類號］U294.27+2

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0055-03

［收稿日期］2015-04-09