叉車前叉裝置的改良設(shè)計(jì)*

張互杰，張正濤，唐 冶

（安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

自1917年世界首臺(tái)叉車問(wèn)世以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與支撐下，叉車的應(yīng)用與發(fā)展早已趨于成熟。高度發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家物料運(yùn)輸成本很低，說(shuō)明叉車的應(yīng)用在現(xiàn)代化工業(yè)及智能化降低成本等方面都具有重要意義；然而我國(guó)工業(yè)起步較晚，在叉車的應(yīng)用與研發(fā)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力稍弱。由于叉車在工作過(guò)程中的操作誤差和未知的環(huán)境變化，叉車碰撞不可避免，因此叉車的工作安全性、穩(wěn)定性等問(wèn)題引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-2]。

2007年，王志強(qiáng)等[3]設(shè)計(jì)了一種側(cè)面叉車側(cè)板承載框架式車架結(jié)構(gòu)；2016年，孫彬彬等[4]采用ANSYS軟件分析了一種叉舉式貨叉的穩(wěn)定性；2020年，賀篤貴[5]以林德某叉車為研究對(duì)象，開(kāi)展了在激光引導(dǎo)方式下的自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）叉車性能仿真的研究，由此提供了一種全自動(dòng)叉車行進(jìn)路線，并實(shí)現(xiàn)工廠無(wú)人化的設(shè)想；2020年，徐興[6]提出了在AGV自主轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中使用間隔型-2模糊邏輯對(duì)雙電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，提高了叉車工作的安全性能。

本文應(yīng)用三維建模軟件建立叉車的三維實(shí)體模型，提出增加阻尼結(jié)構(gòu)調(diào)控叉車前叉系統(tǒng)力學(xué)特性，通過(guò)Hyperwork有限元分析軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，為進(jìn)一步優(yōu)化叉車前叉結(jié)構(gòu)提供參考。

1 叉車前叉三維實(shí)體模型的建立

1.1 前叉三維實(shí)體模型的建立

貨叉作為托運(yùn)工具，結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)型，且擁有垂直段、水平段兩部分。垂直段和水平段是一個(gè)不可分割的整體結(jié)構(gòu)，有部分叉的垂直段和水平段是分離的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，由銷釘鏈接。叉車一般配備兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的前叉，采用市場(chǎng)通用的貨叉。圖1為前叉的三維實(shí)體模型圖。

圖1 前叉的三維實(shí)體模型圖

1.2 貨叉架三維實(shí)體模型的建立

叉車工作裝置大體分為兩部分，即叉取貨物的前端裝置和升降裝置，這兩部分是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的構(gòu)件配合。圖2為貨叉架的三維實(shí)體模型圖，選取常用叉取貨物的前端裝置。

圖2 貨叉架的三維實(shí)體模型圖

2 阻尼結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型的建立

工程中常用的阻尼結(jié)構(gòu)稱為阻尼器，其類型繁多，包括彈簧阻尼器（如彈簧減震器）、電磁阻尼器以及液壓阻尼器（如液壓減振器）等。根據(jù)預(yù)期目標(biāo)，本文采用彈簧減震器作為阻尼結(jié)構(gòu)，對(duì)叉車系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。叉車前叉工作環(huán)境一般屬于開(kāi)放式環(huán)境，且考慮到叉車前叉結(jié)構(gòu)，碰撞會(huì)產(chǎn)生較大的位移量。因此采用彈簧阻尼器，目的是設(shè)計(jì)的實(shí)際需求與工程的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)叉車工作時(shí)，前叉與貨物或貨物架發(fā)生碰撞，前叉會(huì)有較大的位移量，并因彈簧恢復(fù)力作用引起小阻尼衰減振動(dòng)。液壓減振器的部分作用是增大振系阻尼比，使系統(tǒng)振動(dòng)能量減少以便盡快使前叉趨于穩(wěn)定，就此達(dá)到提高人員安全和工作穩(wěn)定性的預(yù)期目的。

在彈簧工作工作過(guò)程中產(chǎn)生的恢復(fù)力使得液壓減振器中的油液反復(fù)不停地從內(nèi)腔通過(guò)各類孔隙進(jìn)入其他腔體，在油液與孔隙之間通過(guò)摩擦而獲得阻尼力，孔徑愈小，流速越快，阻尼力愈大。一般來(lái)說(shuō)，普通的液壓阻尼器的工作流程分為舒張行程和壓縮行程，受到外部壓力時(shí)為壓縮行程。油液被活塞擠壓，提升下腔室油液壓力，進(jìn)而通過(guò)流通閥進(jìn)入上腔室，并產(chǎn)生阻尼力，當(dāng)上腔室油液壓力上升至足以通過(guò)壓縮閥時(shí)，部分油液通過(guò)壓縮閥進(jìn)入腔體外部并儲(chǔ)存起來(lái)，以此緩沖壓力并通過(guò)壓縮閥產(chǎn)生更多的內(nèi)能，以達(dá)到吸能減振的效果。此外，當(dāng)液壓阻尼器受外力拉伸時(shí)，腔體油液舒張而產(chǎn)生負(fù)壓，使得下腔室油液通過(guò)伸張閥進(jìn)入下腔室；當(dāng)上腔室油液壓力降低時(shí)，腔體外的液體通過(guò)補(bǔ)償閥回流至下腔室補(bǔ)償壓力[7-8]。油液每次進(jìn)出閥門，都會(huì)因阻尼產(chǎn)生內(nèi)能減少振動(dòng)能量，從而使前叉盡快趨于穩(wěn)定。因此選用一款FOX減震器，圖3為其阻尼結(jié)構(gòu)的總裝配圖。

圖3 阻尼結(jié)構(gòu)的總裝配圖

圖4為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的總裝配圖；圖5為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的總裝配圖。根據(jù)圖4、圖5，通過(guò)裝配約束，得到前叉系統(tǒng)的總裝配模型。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的總裝配圖

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的總裝配圖

3 靜力學(xué)的有限元分析

圖6為有限元分析流程圖，據(jù)此設(shè)定有限元分析流程。

圖6 有限元分析流程圖

3.1 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，網(wǎng)格劃分是必不可少的步驟，如果想要得到精確的分析結(jié)果，那么要進(jìn)行的網(wǎng)格劃分十分復(fù)雜且影響因素頗多，實(shí)際進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)工作量較大。為了實(shí)現(xiàn)較高的精確性和合理性，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要參考以下原則：一是為了顯著地提高分析的準(zhǔn)確性，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目明顯過(guò)少時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格數(shù)目，而且計(jì)算所需時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)線性變化；二是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目爬升至一定數(shù)目時(shí)，如果進(jìn)一步增加網(wǎng)格，則對(duì)準(zhǔn)確性的影響不大，但是計(jì)算所需時(shí)間卻必然會(huì)延長(zhǎng)，投入與產(chǎn)出不成正比，降低了工作效率，因此要根據(jù)預(yù)期效果合理地進(jìn)行網(wǎng)格劃分使網(wǎng)格數(shù)目效用最大化；三是在實(shí)際網(wǎng)格劃分時(shí)，可以通過(guò)對(duì)比分析不同網(wǎng)格類型、不同網(wǎng)格數(shù)目地網(wǎng)格劃分情況所產(chǎn)生的結(jié)果，具體探究不同網(wǎng)格類型、不同網(wǎng)格數(shù)目對(duì)特定求解對(duì)象分析結(jié)果的影響，以此為依據(jù)，確定網(wǎng)格類型、網(wǎng)格數(shù)目的選用，以實(shí)現(xiàn)效率最大化的目標(biāo)。

在通常情況下，網(wǎng)格密度是指某一部件剖分出合適的網(wǎng)格數(shù)目，并與有限元分析軟件的計(jì)算相適應(yīng)。由于將分散表劃分為計(jì)算數(shù)據(jù)中具有較小梯度的部分，有助于減小模型的大小，因此所有結(jié)構(gòu)都應(yīng)該具有不同網(wǎng)格密度的不同網(wǎng)格形狀。

由于前叉系統(tǒng)的總裝配模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此使用了實(shí)體單元進(jìn)行劃分：前叉結(jié)構(gòu)使用求解精確度較高且求解質(zhì)量較好的六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分；而擋貨架和阻尼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且厚度不均勻，故采用了四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是有限元分析求解的基礎(chǔ)，離散化模型網(wǎng)格類型選擇得越合適，模型網(wǎng)格劃分越精細(xì)，則求解結(jié)果越精確。

此外，有限元分析必須考慮為離散化模型添加邊界條件，以保證計(jì)算的正確進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，前叉系統(tǒng)應(yīng)賦予綁定約束，彈簧減震器在貨叉架與前叉之間也應(yīng)賦予綁定約束來(lái)固定位置，保證前叉和彈簧減震器能正確行使其功能。考慮叉車與前叉的連接情況，在貨叉架后方設(shè)置類型為完全鉸接的約束作為邊界條件，以限制叉車貨叉架的自由度，保證分析的正確進(jìn)行。

圖7為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的網(wǎng)格劃分圖；圖8為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的網(wǎng)格劃分圖，據(jù)此對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的網(wǎng)格劃分圖

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的網(wǎng)格劃分圖

3.2 載荷施加

叉車工作中會(huì)受到各種不同情況的碰撞接觸，最為頻繁的就是叉車系統(tǒng)與貨物之間的碰撞接觸。為模擬與貨物之間的碰撞接觸，根據(jù)現(xiàn)實(shí)中碰撞的力的大小和類型，在前叉部位施加大小為30 000 N的瞬時(shí)力作為模擬載荷。圖9為載荷施加示意圖。

圖9 載荷施加示意圖

3.3 分析結(jié)果

通過(guò)Hyperwork有限元分析軟件對(duì)優(yōu)化前后的叉車系統(tǒng)進(jìn)行位移分析，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的位移云圖，其中，圖10為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的位移云圖；圖11為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的位移云圖。

由圖10、圖11的位移云圖可見(jiàn)，位移主要體現(xiàn)在阻尼器和前叉部分，通過(guò)添加阻尼結(jié)構(gòu)，使得前叉系統(tǒng)在載荷作用下整體位移量都有所衰減。

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的位移云圖

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的位移云圖

圖12為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的應(yīng)力云圖；圖13為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力云圖。由圖12、圖13的應(yīng)力云圖可見(jiàn)，前叉系統(tǒng)的最大位移從8.01 mm減至7.99 mm，減弱了可能因?yàn)榕鲎捕a(chǎn)生的大位移情況，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免了可能存在的位移危險(xiǎn)，保證了人員安全，提高了工作的安全性和可靠性。

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的應(yīng)力云圖

圖13 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力云圖

由圖12和圖13的應(yīng)力云圖對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前最大應(yīng)力為580 MPa，接近叉車材料45Cr鋼的屈服強(qiáng)度835 MPa，存在可能的危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)；通過(guò)添加阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最大應(yīng)力降到了230 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，大大提高了結(jié)構(gòu)安全性和工作安全性。對(duì)比優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果可知，叉車系統(tǒng)各部件的最大應(yīng)力都有所衰減，且均低于相對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，證明本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得叉車滿足靜力學(xué)的強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

建立前叉系統(tǒng)三維實(shí)體模型，增添阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)Hyperwork有限元分析軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行位移和應(yīng)力對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

1）增添阻尼結(jié)構(gòu)，可以減少前叉系統(tǒng)因碰撞所產(chǎn)生的位移量，起到減震吸能、保護(hù)叉車結(jié)構(gòu)安全的作用，提高了叉車自身安全性與操作舒適性。

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化削弱了前叉系統(tǒng)的應(yīng)力危險(xiǎn)，保證了結(jié)構(gòu)安全和叉車工作的可靠性，為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了參考。