重型叉車前驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)強度研究*

龔志才，何柳洋，付會鵬，陳 超，相曙峰，王宇坤，周 航，林亥博，李 寧，寧曉斌*

(1.杭叉集團股份有限公司，浙江 杭州 311305；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310032)

0 引 言

叉車作為物流領(lǐng)域的主要搬運工具，遍布于國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中[1]。驅(qū)動橋殼作為組成叉車的主要零部件，不僅支撐主減速器、差速器、半軸，而且是車架與車輪之間重要的承載結(jié)構(gòu)件。

朱崢濤[2]通過靜力學(xué)、模態(tài)和疲勞分析，結(jié)合實際工況做了叉車橋殼失效分析，對叉車橋殼的設(shè)計提供了參考依據(jù)；許黎明[3]以某3 t叉車驅(qū)動橋整體作為研究對象，建立了叉車驅(qū)動橋的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，對該剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型進行了仿真分析；陳立[4]對某后橋的結(jié)構(gòu)進行了彈塑性靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析，提出了提高后橋強度的改進方案；李亮[5]基于某型驅(qū)動橋殼的有限元模型進行了該橋殼的靜強度計算，在此基礎(chǔ)上進行了橋殼和焊縫的疲勞壽命分析，有限元仿真結(jié)果與臺架實驗結(jié)果相一致；提出了橋殼優(yōu)化設(shè)計的方案；鄭燕萍[6]按國家驅(qū)動橋殼臺架試驗的標(biāo)準(zhǔn)，在計算機中采用有限元方法模擬了其垂直彎曲剛性試驗、垂直彎曲靜強度試驗和垂直彎曲疲勞試驗。結(jié)果表明，用有限元模型模擬臺架試驗的方法是可行的，能實現(xiàn)在設(shè)計階段對試驗結(jié)果的預(yù)測；盧劍偉[7]通過有限元方法，對路面隨機激勵下驅(qū)動橋殼的疲勞可靠性進行了分析和優(yōu)化；黃豐云[8]以某后驅(qū)驅(qū)動橋殼為研究對象，運用有限元理論對驅(qū)動橋殼進行了仿真分析、優(yōu)化分析；鄧震[9]應(yīng)用有限元對驅(qū)動橋殼進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在滿足橋殼強度和剛度的前提下，減少了橋殼的質(zhì)量，同時其應(yīng)力和變形分布也更加合理；王星[10]應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元分析方法，對橋殼進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；TOPAC[11]研究了后橋箱體在垂直疲勞試驗中，在預(yù)期載荷循環(huán)之前發(fā)生的過早失效問題，用有限元法進行了應(yīng)力和疲勞分析，確定了疲勞裂紋萌生位置和失效萌生前的最小載荷循環(huán)數(shù)，并將試驗結(jié)果與分析結(jié)果進行了比較，提出了提高殼體疲勞壽命的設(shè)計改進方案；SHAO[12]提出了一種基于實際礦山路面條件的動應(yīng)變測量與有限元分析相結(jié)合的分析方法，通過對車輛在礦山正常路面條件下行駛時的橋殼應(yīng)變測量，得到了驅(qū)動橋殼的動態(tài)應(yīng)變和應(yīng)力。結(jié)果表明，所提出的分析方法是分析汽車橋殼失效原因的有效工具。

現(xiàn)有驅(qū)動橋橋殼載荷的研究，主要是針對工程車輛及小噸位叉車在路面行駛的動態(tài)載荷，缺乏對國標(biāo)要求叉車舉升、過顛簸路面行駛等工況動態(tài)載荷的研究。而重型叉車對驅(qū)動橋殼強度和剛度提出了更高的要求，需要研究多種動態(tài)工況下叉車驅(qū)動橋的動態(tài)載荷，以及驅(qū)動橋橋殼強度。

筆者對重型叉車前驅(qū)動橋橋殼進行結(jié)構(gòu)強度研究，并提出多體動力學(xué)和有限元結(jié)合的方法。

1 叉車多體動力學(xué)建模與分析

1.1 叉車多體動力學(xué)模型

為實現(xiàn)某重型叉車前驅(qū)動橋國產(chǎn)化，筆者建立了叉車動力學(xué)模型，分析了叉車前驅(qū)動橋動態(tài)載荷。

筆者采用多體動力學(xué)軟件MSC.ADAMS建立了叉車模型，叉車模型包括前叉、門架、車身、車橋、輪胎。其中，叉車前叉、門架三維模型由SolidWorks導(dǎo)入ADAMS.View成為實體部件；叉車車身部件簡化為集中質(zhì)量，按照部件實際位置放置在叉車車身上，最后建立了輪胎和車橋；前叉、門架之間約束為移動副，門架與車身之間為固定副，車身與前驅(qū)動橋8個螺栓連接處，施加了bush連接車架和前驅(qū)動橋，車身與后橋用固定副連接。

某重型叉車多體動力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 某重型叉車多體動力學(xué)模型

1.2 叉車作業(yè)工況動力學(xué)分析

1.2.1 叉車滿載快速起升工況

重型叉車滿載25 t貨物，貨叉快速在0.1 s內(nèi)從0 mm/s舉升到最大速度280 mm/s。仿真結(jié)束后，筆者整理了數(shù)據(jù)，得到了叉車滿載快速舉升驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩，如表1所示。

表1 叉車滿載快速舉升驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩

叉車滿載快速起升工況時，驅(qū)動橋橋殼主要受到地面垂向載荷、繞橋殼軸線方向的扭矩。

此時螺栓5動態(tài)載荷如圖2所示。

圖2 螺栓5動態(tài)載荷實線—螺栓5垂直載荷Fy；虛線—螺栓5繞橋殼軸線方向的扭矩Tx

1.2.2 叉車滿載緊急制動工況

叉車滿載25 t貨物，貨叉距離地面高度350 mm，門架后傾10°，叉車初速度29 km/h，叉車每個制動盤施加68 000 Nm的制動力矩緊急制動。仿真結(jié)束后筆者整理了數(shù)據(jù)，得到了叉車滿載緊急制動驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩，如表2所示。

表2 叉車滿載緊急制動驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩

由表2可以看出：叉車滿載緊急制動工況時，驅(qū)動橋橋殼主要受到地面垂向載荷、繞橋殼軸線方向扭矩。

1.2.3 叉車滿載過顛簸塊障礙物工況

叉車滿載25 t貨物，貨叉距離地面高度350 mm，門架后傾10°，叉車以5 km/h的速度通過高度為9 cm的顛簸塊，顛簸塊按照國標(biāo)建模。仿真結(jié)束后筆者整理了數(shù)據(jù)，得到了叉車滿載過顛簸塊驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩，如表3所示。

表3 叉車滿載過顛簸塊驅(qū)動橋橋殼最大載荷與扭矩

由表3可以看出：叉車滿載過顛簸塊障礙物工況時，驅(qū)動橋橋殼主要受到地面垂向載荷、繞橋殼軸線方向扭矩。

叉車急加速工況、急轉(zhuǎn)彎工況，行駛過程中，并且貨叉快速舉升時突然緊急制動的復(fù)合工況，叉車急轉(zhuǎn)彎行駛并且貨叉快速舉升時的復(fù)合工況等，前驅(qū)動橋橋殼最大載荷等，本文不再一一列出計算結(jié)果。

2 叉車前驅(qū)動橋橋殼強度分析

筆者采用有限元計算方法，分析重型叉車驅(qū)動橋殼各工況應(yīng)力、應(yīng)變。

重型叉車的前驅(qū)動橋殼是復(fù)雜的焊接式殼體結(jié)構(gòu)，橋殼兩端分別焊有三角形制動鉗支架，叉車制動鉗通過螺栓與三角形制動鉗支架連接。將叉車前驅(qū)動橋殼三維CAD模型導(dǎo)入Hypermesh劃分網(wǎng)格，采用rbe2單元作為前驅(qū)動橋殼體與車身的螺栓連接。

筆者建成驅(qū)動橋殼的有限元模型采用四面體單元，共計7 304 446個單元，1 389 130個節(jié)點。在有限元分析模型中，按照各工況下叉車前驅(qū)動橋所受最大載荷、約束，分別加載到叉車前驅(qū)動橋殼有限元模型上，依次進行有限元求解。

叉車滿載快速舉升工況橋殼應(yīng)力如圖3所示。

圖3 叉車滿載快速舉升工況橋殼應(yīng)力

叉車滿載緊急制動工況橋殼應(yīng)力如圖4所示。

圖4 叉車滿載緊急制動工況橋殼應(yīng)力

叉車滿載過顛簸塊工況橋殼應(yīng)力如圖5所示。

圖5 叉車滿載過顛簸塊工況橋殼應(yīng)力

由圖(3～5)可以看出：在3種工況下，橋殼應(yīng)力分布云圖、應(yīng)變分布云圖基本一致；叉車在過顛簸塊工況時，應(yīng)力、應(yīng)變達到最大值，最大應(yīng)力為340 MPa。

橋殼的最大變形出現(xiàn)在叉車過顛簸塊工況時，最大變形位置出現(xiàn)在主減速器殼處，橋殼的最大變形值為2.5 mm，而前驅(qū)動橋輪距為2 614 mm，故每米輪距變形量為0.98 mm/m。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)驅(qū)動橋承受滿載負荷時，橋殼最大形變量不超過1.5 mm/m[13]。因此，重型叉車前驅(qū)動橋殼的變形量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

叉車急加速工況、叉車急轉(zhuǎn)彎工況、叉車行駛過程中并且貨叉快速舉升時突然緊急制動的復(fù)合工況、叉車急轉(zhuǎn)彎行駛并且貨叉快速舉升時的復(fù)合工況等橋殼應(yīng)力、應(yīng)變計算結(jié)果，本文不再一一列出計算結(jié)果。

3 叉車前驅(qū)動橋橋殼應(yīng)力測試

實測叉車前驅(qū)動橋應(yīng)力，在叉車前驅(qū)動橋裸露的4個位置貼應(yīng)變片，三維驅(qū)動橋橋殼應(yīng)變片布置如圖6所示。

圖6 三維驅(qū)動橋橋殼應(yīng)變片布置

實車驅(qū)動橋橋殼應(yīng)變片布置如圖7所示。

圖7 實車驅(qū)動橋橋殼應(yīng)變片布置

應(yīng)變片在橋殼上的布置位置與三維橋殼模型所標(biāo)注的應(yīng)變片位置對應(yīng)，采用東華動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試儀DH5902N采集測試數(shù)據(jù)。

按照國標(biāo)制作顛簸塊，叉車前驅(qū)動橋應(yīng)力測試過程如圖8所示。

圖8 叉車前驅(qū)動橋應(yīng)力測試過程

整理叉車前驅(qū)動橋橋殼應(yīng)力有限元計算結(jié)果以及實際測量結(jié)果，可以得到叉車實車測量與有限元計算結(jié)果對比，如表4所示。

表4 叉車實車測量與有限元計算結(jié)果對比(單位： MPa)

由表4看出：

貨叉達到最大速度的舉升時間、緊急制動初速度、過顛簸塊的速度，叉車前驅(qū)動橋橋殼應(yīng)力實測與有限元計算存在一定誤差，平均誤差4.8%；但通過計算與測試結(jié)果對比表明，采用CAE計算叉車前驅(qū)動橋橋殼應(yīng)力，具有較高的可信度，模型也由前驅(qū)動橋橋殼的設(shè)計強度驗證。

同時，叉車急加速工況、叉車急轉(zhuǎn)彎工況，叉車行駛過程中并且貨叉快速舉升時突然緊急制動的復(fù)合工況，叉車急轉(zhuǎn)彎行駛并且貨叉快速舉升時的復(fù)合工況等，橋殼應(yīng)力、應(yīng)變計算結(jié)果，應(yīng)力、應(yīng)變均在容許范圍內(nèi)。

4 叉車過載前驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)強度

國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)強度，不僅需要通過叉車正常作業(yè)工況驗證，而且需要過載工況下驗證其結(jié)構(gòu)強度。

筆者進行叉車動力學(xué)分析，當(dāng)叉車滿載以15 km/h速度行駛通過國標(biāo)顛簸快，叉車前驅(qū)動橋最大載荷達到2.5倍動載荷，進行實車相應(yīng)的試驗，國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼在其端軸與橋殼箱體焊接處出現(xiàn)斷裂，橋殼斷裂截面如圖9所示。

圖9 橋殼斷裂截面

為了提高橋殼斷裂處的剛強度，進一步改善國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋整體結(jié)構(gòu)強度和耐久性，筆者對叉車前驅(qū)動橋橋殼進行研究，在橋殼端軸與橋殼箱體焊接處內(nèi)部，焊接安裝了一個正方體的桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 桁架結(jié)構(gòu)

桁架結(jié)構(gòu)具體布置如圖11所示。

圖11 桁架結(jié)構(gòu)具體布置

筆者對提出的強化后的國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼進行有限元分析，改進叉車過載過顛簸塊工況橋殼應(yīng)力如圖12所示。

圖12 改進叉車過載過顛簸塊工況橋殼應(yīng)力

由圖12可以看出：優(yōu)化后的前驅(qū)動橋殼在發(fā)生斷裂處的最大應(yīng)力為471 MPa，前驅(qū)動橋橋殼強度達到要求。

5 結(jié)束語

筆者對重型叉車前驅(qū)動橋橋殼進行了結(jié)構(gòu)強度研究，并提出多體動力學(xué)和有限元結(jié)合的方法，得到如下結(jié)論：

(1)采用多體動力學(xué)方法分析叉車前驅(qū)動橋多工況動態(tài)載荷，采用有限元分析方法分析驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)強度，分析結(jié)果基本與實際相符；結(jié)合多體動力學(xué)方法與有限元方法是重型叉車國產(chǎn)化前驅(qū)動橋設(shè)計的重要計算方法；

(2)全面分析叉車多種作業(yè)工況，如平順路面行駛工況、貨叉快速舉升、過顛簸塊等工況，貨叉快速舉升和轉(zhuǎn)彎同時進行的復(fù)合工況、貨叉快速舉升與緊急制動同時進行的復(fù)合工況，計算每種工況橋殼動態(tài)載荷，全面分析各種工況下橋殼的應(yīng)力、應(yīng)變，才能判斷橋殼設(shè)計是否達到強度要求；

(3)國產(chǎn)叉車前驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)強度還應(yīng)通過極端工況檢驗，在叉車過載過顛簸塊工況下，進行設(shè)計研究，在橋殼斷裂處增加新型強化結(jié)構(gòu)，通過有限元分析，改進后的橋殼結(jié)構(gòu)強度得到進一步改善，能夠滿足國產(chǎn)化要求。