某裝載機草叉叉齒斷裂分析與改進

徐詩瑤，區思榜，沈洪偉

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

裝載機草叉多用在農場、發電廠、造紙廠，主要用于草料的抱夾、運輸、堆垛和喂料等工況。草叉主要由上、下叉體和驅動上叉體動作的液壓系統組成，液壓系統包括先導閥、分配閥、油缸及控制管路等，通過液壓油路控制油缸的伸縮實現草叉上叉體的張合。草叉叉齒多由圓形棒料制成，棒料形狀長而尖，草叉作業時插入阻力小，便于分離堆積的草料，它的結構強度關系到草叉的使用壽命及叉草的使用效果。研究草叉叉齒的設計結構對應力的影響，提出一種無臺階結構，進一步降低叉齒應力，仿真及試驗結果表明，無臺階叉齒結構穩定、可靠，可推廣應用。

1 問題的提出

根據用戶反饋，某機型裝載機草叉在某發電廠鏟運廢紙、草料時，在使用幾十個小時后就出現了草叉叉齒斷裂的情況，嚴重影響了用戶的正常使用，導致插入阻力變大，無法分離堆積的草料，草叉和叉齒斷裂位置如圖1、圖2 所示。

圖1 草叉邊叉齒斷裂

圖2 草叉斷齒斷口

2 原因分析

該用戶是造紙廠，主要的工況是用裝載機叉草鏟運廢紙、草料等。當卡車運輸草料進場后，裝載機草叉將物料從卡車上卸下來，再運送到倉庫集中堆放。針對裝載機草叉在使用幾十小時后出現叉齒斷裂的問題，主要原因分析如下：

（1）草叉叉齒結構設計不合理及強度不足；

（2）草叉叉齒焊接工藝問題；

（3）草叉叉齒質量問題。

因此，對草叉叉齒的設計強度進行有限元分析，同時分析草叉叉齒制造焊接的工藝是否存在問題，檢測同一批次叉齒是否有質量問題。

3 故障排查

3.1 草叉叉齒設計強度分析

使用有限元對草叉下叉體結構進行有限元建模[1-3]，找到叉齒應力大的區域，對比與實際開裂的位置是否一致，找到開裂的原因，并給出優化改進方案。網格模型采用六面體網格單元進行劃分，整體網格大小為15 mm，網格單元數79596，節點數492859，如圖3 所示。

圖3 草叉下叉體網格模型

草叉下叉體共6 個叉齒，叉齒材料為35#鋼（抗拉強度315 MPa[2]），叉齒直徑45 mm，草叉在作業時可看作正載工況，理論上草叉所受的力由6 個叉齒均分。在草叉與工作裝置連接區域約束其X、Y、Z方向自由度，在草叉上施加工作裝置的力，約束叉尖[1，3]；如圖4 所示，在A、B 點約束其自由度，在C 點施加力，方向指向工作裝置，在D 點增加約束。

圖4 草叉有限元模型

由ANSYS 模擬計算，應力云圖如圖5、圖6 所示，草叉左右邊上的兩根叉齒所受應力最大值，分別為268.13 MPa 和262.73 MPa，雖然未超過35#鋼的抗拉強度315 MPa，安全系數為1.17 和1.2，相對偏低。由圖6 可知，叉齒應力最大處在叉齒與底板連接處。

圖5 下叉體應力分析（整體）

圖6 下叉體應力分析（叉齒）

為了使叉齒和底板方便拼搭和焊接，在叉齒棒料與底板的連接處割了一個“臺階”，如圖7 所示。由圖6 可知，由于叉齒的“臺階”突然過度，故所受應力最大值處在“臺階”附近，“臺階”處是叉齒的應力集中點，叉齒受力后容易從“臺階”此處開裂，甚至斷裂，分析結果與實際反饋一致，叉齒斷裂后，影響裝載機草叉的正常使用。

圖7 叉齒與底板連接處

3.2 制造焊接工藝分析

該叉齒材料為35#鋼，35#鋼屬于中碳鋼，雖然有較好的沖擊韌性，但是其焊接性能較差。35#鋼與Q345 鋼的性能見表1。

表1 35#鋼與Q345 鋼的性能

在草叉的制造焊接過程中，如果焊縫周邊有水、油漬、銹蝕等雜質很容易形成熱裂紋；同時底板和叉齒之間的連接處有一個很小“臺階”構造，焊接時熔合比大，很容易造成熱裂紋；在拼搭時，由于制造誤差，底板與叉齒尖存在較大的間隙，焊接時焊縫成型差，造成焊接時“臺階”處局部應力集中，焊縫在焊接完成時就立即產生了熱裂紋。

3.3 叉齒質量問題分析

（1）硬度：35#鋼未進行調質處理的硬度要求為HB200 以下，經過對整機上及現場未拼焊的叉齒進行抽樣檢測，硬度為HB185-190，叉齒硬度符合要求。

（2）材質：材質化驗把樣件送到計量室進行檢測，叉齒材質符合要求。

4 改進方案

從叉齒的設計強度上：將叉齒的材料由35#鋼更換為焊接性能較好且屈服強度更高的Q345 鋼，同時增大叉齒的尺寸、取消“臺階”等薄弱處[1]。

在制造工藝上，要求焊接前打底，清理周邊的油漬、銹蝕等雜質，嚴格控制拼搭間隙，焊接參數等。由ANSYS 模擬計算[2]，改進后的叉齒應力云圖如圖8、圖9 所示。叉齒最大應力值為81.73 MPa,其強度符合要求，安全系數為4.22，較改進前的1.17 有了極大提升。

圖8 改進后下叉體應力分析（整體）

圖9 改進后下叉體應力分析（叉齒）

5 改進效果

（1）理論分析[3]。在叉齒上取相同位置點（圖5、圖8）進行應力對比，結果見表2。

表2 下叉體改進前后應力對比

從表2 看出，D 位置的安全系數由1.17 提到了4.01，應力值由268.13 MPa 下降至了182.07 MPa，應力降幅67.9%，其他位置降幅也相似，改進方案有效。

（2）客戶反饋。結合理論分析和制造工藝對草叉進行改進后[1]，新草叉發運給該客戶試用。客戶試用后反饋改進后的草叉可靠性強，使用效率高，改進效果顯著，未出現過草叉叉齒斷裂的現象。

6 結語

根據市場反饋某裝載機草叉叉齒斷裂的問題進行原因分析和故障排查，結合應力分析和制造的工藝性提出改進建議，草叉改進后獲得了客戶的認可。草叉是裝載機的作業工具，草叉的設計強度和使用壽命直接關系到裝載機的使用效率，因此草叉的可靠性是需要優先考慮的；在產品設計前，要充分了解草叉的使用工況，針對特定的工況展開設計，并對草叉進行有限元分析，應該盡量避免出現“銳角”“臺階”等容易造成應力集中，影響焊接性能的方案。