叉車安全前叉裝置力學性能的有限元分析

寧 棟 羅妮娜 潘俊兵 王洪海 徐家忠 夏 青

（1.西安近代化學研究所；2.陜西國防工業職業技術學院智能制造學院）

隨著我國物流市場的高速發展， 傳統人工搬運貨物的方式因勞動強度大、 作業效率低、 成本高，已無法滿足物流行業的需求。叉車作為一種體積小、工作靈活、機動性強的搬運車輛［1，2］，廣泛應用于化工生產的各個場所， 如倉庫、 貨場及車間等。 據統計，叉車在我國的保有量逐年攀升，2019年我國叉車總銷量超過45.68萬臺， 與2018年的43.12萬臺相比，增加了5.95%［3］。 另外，叉車在航空、航天等軍工領域的保有量也在逐年增加［4］。

目前， 叉車前端的運貨前叉裝置主要為一體式懸臂梁結構（外伸式）［4～7］， 在非運載狀態行駛時，易發生前叉傷及行人頭部的重大安全事故。隨著叉車市場保有量的持續增加， 由前叉裝置引發的安全事故屢見報道［8，9］，前叉裝置已成為貨運行業引發重大安全事故的主要原因。 為了減少此類事故的發生， 最大限度地發揮叉車的貨物搬運優勢，設計了一種可拆卸式前叉裝置。在非運載狀態行駛時，可拆除前叉外伸端，使叉車行駛模式變換為類似于小汽車的模式， 可極大地降低前叉碰撞行人頭部的風險，增強叉車的安全系數。筆者對該種安全前叉裝置進行力學性能有限元分析， 以期為其設計工作提供理論依據。

1 前叉裝置的結構

前叉裝置位于叉車前端， 與叉車整體的位置關系如圖1所示。前叉裝置是叉車搬運貨物的執行機構，主要由前叉、前叉座和叉架3部分構成（圖2）。 前叉和前叉座通過螺紋連接， 整體安裝在叉架上。前叉座可根據叉送貨物的尺寸調整位置，調整方向如圖2所示，調整原則是保持前叉座相對于叉架對稱。 在非運載狀態下行駛時，前叉被拆除，叉車行駛模式改變為類似于小汽車的運行模式，可有效降低叉車對行人造成傷害的概率。 前插裝置設計許用載荷為1 700 kg。

圖1 叉車整體結構

圖2 前叉裝置結構

2 前叉裝置的校核

2.1 前叉裝置的強度校核

前叉裝置在壓力載荷作用下的受力情況如圖3所示。M截面長a=150 mm，寬b=50 mm，載荷中心距c=623 mm，前叉水平長l=1250 mm，前叉座與叉架的重合長度d=510 mm， 前叉座懸臂長度e=242 mm。

圖3 前叉裝置受力情況

2.2 前叉裝置的剛度校核

由圖3可知，承受載荷過程中，前叉尖端發生最大位移，具有最大撓度。 因此對前叉尖端作撓度校核即可判斷前叉裝置的剛度是否滿足工作要求。 筆者校核前叉尖端的靜撓度，以額定載荷作為計算載荷，則前叉尖端的撓度fE計算式為：

3 前叉裝置的力學仿真前處理

有限元分析前，需對模型進行前處理。 用三維建模軟件SolidWorks建立其三維數字化模型，為模型前處理和SolidWorks Simulation力學分析模塊進行的靜力學分析做準備。

3.1 模型簡化

為了得到高精度的計算結果，需對前叉裝置進行高質量網格劃分。 為了提高網格質量，需對模型進行簡化處理。 簡化微結構幾何體，將模型中不受力或受力很小的部件（如螺栓、螺母、墊片及銷釘等）進行刪除處理。 刪除后，前叉裝置的結構未發生明顯變化。

3.2 網格劃分

為了提高網格質量，同時降低計算機的運行負荷。 劃分網格需遵循以下原則：對受力位置和應力集中位置采用小網格加密， 以提高計算精度；為了提高網格的適應能力，盡量采用正四面體網格。 按上述原則在SolidWorks Simulation力學分析模塊劃分網格， 得到如圖4所示的網格分布圖，網格參數見表1。其中，前叉裝置在劃分網格后共包括3 105 506個節點和2 363 908個網格單元，平均網格質量為0.78。 網格質量良好，節點數與單元格數適中，便于快速、準確的進行工程計算。

表1 前叉裝置網格劃分主要參數

圖4 前叉裝置網格劃分及受力圖

4 力學仿真及結果分析

4.1 靜力學仿真

前叉裝置作為叉車的主要承載部件，受力情況較為復雜，運用三維建模軟件SolidWorks中的力學分析模塊SolidWorks Simulation對已完成前處理的前叉裝置模型進行靜力學有限元分析［10］。仿真過程中，前叉裝置的材料特性參數如下：

彈性模量 210 GPa

泊松比 0.28

抗剪模量 79 GPa

密度 7.7×103kg/m3

張力強度 720 MPa

屈服強度 620 MPa

熱膨脹系數 1.3×10-5K-1

導熱率 50 W/（m·K）

為了確保裝置的安全， 安全系數取經驗值1.25，即設計最大載荷為2 125 kg（圖4中紅色箭頭表示的均布載荷），并均布于前叉上。 為保證計算精度，取計算迭代次數為10 000 000，計算停止閾值為0.000 1，并計算到收斂，即可獲得前叉裝置的應力分布云圖（圖5）和位移分布云圖（圖6）。 圖7為前叉各點位移-應力變化圖，即將前叉平均分為13份，以14個點標記，標記點依次為a～n，各標記點間的距離均為92 mm。

圖5 前叉裝置應力分布云圖

圖6 前叉裝置位移分布云圖

圖7 前叉各點位移-應力變化

4.2 仿真結果分析

在靜力學有限元仿真過程中，計算達到收斂狀態所需時間為12 min。 結合圖5、7可知，應力主要集中于前叉座與叉架接觸的下部，最大應力可達25 MPa，即該處存在應力集中的現象，同時該處也為最大形變位置。 從a～n點，應力逐漸增大，增大趨勢呈線性變化，前叉尖端應力最小。 叉架裝置所選材料的屈服強度為620 MPa，材料的安全系數為1.5， 因此許用應力為410 MPa。 由此可見，叉架裝置的強度滿足設計要求，具有足夠的安 全 性。 結 合 圖6、7 可 知，最 大 位 移 量 為1.111 mm，最大位移出現在兩前叉的最前端。 從a～n點的位移量依次減小，減小趨勢呈線性變化。

結合圖5～7可以看出，前叉裝置中應力、形變最大位置均在前叉座與叉架接觸的下部，其力學性能對整車的綜合性能影響較大。 在之后的研究中，將進一步研究減小應力集中的措施，如利用筋板等結構對前叉座與叉架接觸的下部進行結構強化等。

5 結束語

可拆卸式安全前叉裝置安裝在叉車的前端，當叉車處于非運載狀態行駛時，可拆除前叉裝置的外伸端，使叉車前端平整，行駛模式變換為類似于小汽車的狀態，可極大降低叉車對行人的意外安全事故。 經有限元分析可知，該前叉裝置在臨界工況下，應力、形變最大的位置均出現在前叉座與叉架接觸的下部， 最大應力可達25 MPa，低于車架材料的屈服強度；最大位移出現在前叉裝置前端，為1.111 mm，滿足設計要求。 該前叉裝置可作為內燃機叉車與電動叉車的通用配件，在不影響原叉車作業效率的同時，可極大地提高叉車的安全性。