對某叉車車架變形過大的分析及優化

何霞　胡麗琴

一、 故障現象：

我公司某叉車樣車，車架前立板在車輛使用一段時間后發生形變，與司機室發生干涉，導致司機室損壞。

二、故障分析（有限元法）

1、 車架結構及計算載荷

1.1車架結構

車架結構形式多樣，無論是框架式、脊梁式還是綜合式都是由縱橫梁連接而成，其中縱梁是主要承載元件。縱梁有直有曲，斷面沿長度有變有不變。縱梁斷面形式有槽形、工字形、箱形和Z字形等。某叉車縱梁多用焊接結構并加強成閉口斷面形式或型材。橫梁與縱梁連接成整體，從而保證車架有足夠的抗彎和抗扭剛度。

1.2 車架載荷

車架是整個叉車的基體，車架承受著來自路面及裝載的各種載荷的作用力，成為一個承受著復雜空間力系的框架結構，車架變形主要表現為彎、扭兩種狀態。若用經典力學方法來計算車架強度和剛度或進行動力分析，則需要做很多的簡化和假設，計算精度很低。但車架承受的載荷總的來說可以分為自身載荷和有效載荷兩類：自身載荷是指車架自重、駕駛室、各總成及設備重（工作裝置、配重、發動機、變速器、離合器等）；有效載荷是工作裝置的偏載，它們以集中或分布載荷的形式作用在車架上。叉車車架計算主要考慮彎曲強度計算，彎曲剛度和扭轉剛度計算。

2、 車架的有限元分析

首先選取車架受力最惡劣的工況，對于叉車車架而言，車架受到叉車工作裝置、液壓缸和工作載荷的作用力，且在計算過程中，車架及液壓缸等部件本身的質量及重心會對整個計算產生較大的影響，因此，必須考慮整個上部結構的質量，通過以上工況及受力分析，用MSC-PATRAN及MSC-NASTRAN對車架進行有限元分析。

2.1 有限元建模

為了更能真實地反映車架的受力情況，將工作裝置液壓缸及車架全部建模，并在臂架與車架連接的節點處、伸縮臂的鉸接處、油缸鉸接處均通過耦合模擬連接，為節省工作量，將叉車上所有的銷軸、貨叉及油缸都看作鉸接件，建模時用BEAM梁單元模擬，其它板筋件用SHELL殼單元模擬，鑄件用SOLID實體單元模擬，不考慮各工藝孔，簡化某些工序的工藝余量，并在輪胎安裝孔處建立剛性節點，力求更真實地對約束情況進行模擬。

2.2邊界條件及負載

2.2.1邊界條件及負載

結合實際工作工況，如下圖4所示，在輪胎安裝位置完全約束，在貨叉處施加工作載荷F=25000N的集中載荷，在上部結構其它總成的重心處施加載荷F=65000N的集中載荷。

3.1.2 結果分析

由應力云圖可看出，車架最大應力為σMAX=522MPa

材料選用的是Q690D ，根據相關資料查出Q690D的屈服強度σs=690MPa 根據《液壓挖掘機》所列出液壓挖掘機結構件安全系數推薦知車架、行走架安全系數n為1.5～2

車架安全系數：<1.5

車架變形量： δMAX=23.2mm

由分析結果可看出車架應力應變過大，結構有待改進。

4 應力、應變云圖

按照相同的邊界條件及負載條件對修改結構做有限元分析，應力、應變云圖如下圖1、圖2所示：

4.3 結果分析

車架安全系數： >2

車架變形量： δMAX=5.32mm

由分析結果可看出該結構設計安全可靠，能滿足使用要求。

5 結束語

本文通過對叉車車架的有限元分析，得出車架在工作過程中的應力分布情況，對樣機試制階段發現的設計缺陷提出理論依據，指導了車架設計的后續改進，提高了車架可靠性。改進后的車架經過5萬公里行駛測試和1000小時作業測試，該部位未出現變形故障，驗證了本次應力分析的正確性。

參考文獻：

[1] 馬愛軍，周傳月，王旭/Patran和Nastran有限元分析軟件專業教程.—北京：清華大學出版社，2005

[2] 周京平.中文版Pro/ENGINEER wildfire 3.0完全自學手冊—北京：科學出版社，2007

[3] 中國機械設計大典編委會.中國機械設計大典：第二卷—南昌：江西科學技術出版社，2002

[4] 液壓挖掘機（原理、結構、設計、計算）—武漢：華中科技大學出版社，2011.10

作者簡介：

何霞，2003年畢業至今，一直從事機械結構力學性能方面的分析工作，幾乎參與了近幾年公司所有結構件的設計校核和設計改進。