基于ANSYS的某叉車轉(zhuǎn)向橋分析

卓納麟

(安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

叉車由于承載要求及操控要求，使用前輪驅(qū)動、后輪轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)向橋作為叉車上重要的運動部件，需要承受整車的后方重力，在叉車空載時轉(zhuǎn)向橋承載最大，隨著叉車起重量的增加，轉(zhuǎn)向橋承載減小，當叉車滿載時轉(zhuǎn)向橋承載最小，因此對轉(zhuǎn)向橋的強度校核必不可少。

叉車上使用的轉(zhuǎn)向橋機構(gòu)包括多種結(jié)構(gòu)類型，其中橫置油缸轉(zhuǎn)向橋由于結(jié)構(gòu)簡單、制造維護方便，成為了最廣泛使用的類型[1,2]，它的驅(qū)動單元為一橫向放置的油缸，執(zhí)行單元為轉(zhuǎn)向節(jié)，油缸的活塞桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過連桿連接，相互之間使用銷軸連接，形成轉(zhuǎn)動副，整個轉(zhuǎn)向橋構(gòu)成了多連桿機構(gòu)，通過控制油缸的活塞桿運動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向運動，這樣的多連桿結(jié)構(gòu)想要實現(xiàn)理想的運動關(guān)系，需要經(jīng)過復雜的優(yōu)化設(shè)計合理設(shè)計各個連桿的桿長[3,4]。

進行轉(zhuǎn)向橋中各零件的校核時首先需要確定惡劣受力工況，然而由于轉(zhuǎn)向橋需要進行轉(zhuǎn)向動作，轉(zhuǎn)向橋中與轉(zhuǎn)向運動相關(guān)的零件的受力工況隨轉(zhuǎn)角不同而變化，通過理論分析難以找到它們的惡劣受力工況，多體動力學分析則能很好地解決這一問題，本文正是通過剛體動力學分析的方法確定它們的受力惡劣工況并實現(xiàn)分析校核。

1 轉(zhuǎn)向橋體分析

1.1 有限元模型建立

為了反映模型中接觸關(guān)系造成的影響，使用包含轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷與轉(zhuǎn)向油缸等主要承載件的裝配體作為分析對象，同時由于考慮工況下轉(zhuǎn)向油缸及連桿基本不受力，對轉(zhuǎn)向節(jié)也沒有作用力，因此對其忽略不作考慮。對于轉(zhuǎn)向橋體等焊接件，通過ANSYS 中的Spaceclaim軟件進行幾何簡化，并將裝配體零件進行組合，成為一個零件，這樣就不再需要建立綁定接觸；其他有裝配關(guān)系的零件按照實際的接觸狀態(tài)來建立接觸關(guān)系，本模型中其他所有接觸都為可動連接，建立有摩擦接觸，摩擦因數(shù)取0.1。

轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷及主銷座網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8 mm，其它部分的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，采用適當?shù)木W(wǎng)格控制方法控制網(wǎng)格形狀，最終得到的網(wǎng)格模型如圖1所示，包含129 079個單元、221 671個節(jié)點。

圖1 轉(zhuǎn)向橋網(wǎng)格模型

分析考慮叉車空載時后橋受力工況，并取3倍動載系數(shù)[5]。在該工況下，后橋在與車架相連的軸座處受到來自車架的重力作用，自身還受到重力的作用，在輪胎處受到來自地面的支撐力作用。在模型中施加車架對轉(zhuǎn)向橋軸座的作用力，使用遠程力實現(xiàn)，力的作用點在軸座中心的連線上，且位于通過轉(zhuǎn)向輪中心的豎直面內(nèi)，力的大小近似設(shè)為考慮動載系數(shù)的叉車空載時的后橋負荷141 700 N，這樣把轉(zhuǎn)向橋自身的重力也包括在其中；輪胎受到的地面支撐力則使用約束替代，分別在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)處建立遠程約束，約束點為輪胎中心點，最終得到的轉(zhuǎn)向橋裝配體的加載約束模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向橋加載約束模型

1.2 轉(zhuǎn)向橋分析結(jié)果

進行求解分析，可以得到轉(zhuǎn)向橋裝配體的分析結(jié)果，轉(zhuǎn)向橋體和轉(zhuǎn)向節(jié)的應力分析結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出：轉(zhuǎn)向橋體的最大應力位于外側(cè)筋板的圓角位置，大小為269 MPa，該筋板材質(zhì)使用Q345，因此安全系數(shù)為1.32；轉(zhuǎn)向節(jié)材質(zhì)為45鋼，屈服強度355 MPa，轉(zhuǎn)向節(jié)在主銷孔上方產(chǎn)生了最大應力414 MPa，該位置以壓應力為主，不容易造成損壞，不做評價，在主銷孔下方產(chǎn)生了第二大應力336 MPa，該位置以拉應力為主，安全系數(shù)為1.06，在軸頭的圓角位置產(chǎn)生了大應力183 MPa，此處的安全系數(shù)為1.94。根據(jù)這些分析結(jié)果可以看出，在分析的工況下，轉(zhuǎn)向橋和轉(zhuǎn)向節(jié)強度滿足要求。

圖3 轉(zhuǎn)向橋體應力分析結(jié)果

2 活塞桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向主銷與連桿分析

前文的分析工況下，由于轉(zhuǎn)向油缸和連桿基本不受力，沒有考慮到分析模型中，不能對它們進行強度校核。為了對它們進行強度校核，選擇原地轉(zhuǎn)向工況對它們進行分析校核，因為在該工況下它們會受較大的作用力，但是在整個轉(zhuǎn)向過程中，不同位置受力大小和方向是不一樣的，需要通過一定的方法確定最大受力的大小與方向，以及相應的轉(zhuǎn)角狀態(tài)。本文使用剛體動力學方法，對轉(zhuǎn)向橋形成的多連桿結(jié)構(gòu)進行建模分析，以獲得最大載荷，再單獨對各個零件單體進行分析并校核它們的強度。

2.1 剛體動力學模型建立

使用ANSYS Workbench中的Rigid Dynamics模塊進行建模分析。使用轉(zhuǎn)向橋靜力學分析中簡化得到的裝配體模型作為分析對象，此次分析同時考慮轉(zhuǎn)向油缸和連桿，將所有幾何體都設(shè)置為剛體。模型中相對固定的連接位置都建立綁定接觸，在銷軸連接的兩零件鉸接位置建立鉸鏈運動副，在油缸與缸筒之間建立活塞運動副[6]。將轉(zhuǎn)向橋的初始狀態(tài)調(diào)整到一側(cè)最大轉(zhuǎn)角位置，在兩轉(zhuǎn)向節(jié)與主銷的鉸接副上施加原地轉(zhuǎn)向時輪胎所受到地面的摩擦力矩1119 700 Nmm(這個摩擦力矩通過理論公式計算得到)，在油缸與缸筒之間的活塞運動副上施加一速度60 mm/s。建好的模型用來模擬活塞桿帶動轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向的運動過程，通過設(shè)置合適的速度和分析時間長度，使轉(zhuǎn)向節(jié)剛好從一側(cè)最大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到另一側(cè)最大轉(zhuǎn)角，建立好的剛體動力學模型如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向橋剛體動力學模型

2.2 剛體動力學分析結(jié)果

在ANSYS Workbench的Rigid Dynamics模塊中對模型進行分析求解，通過“Joint Probe”結(jié)果便可以得到一側(cè)連桿的鉸接孔受力大小隨時間的變化曲線，如圖6所示。圖6中，縱坐標為力的大小，方向沿著連桿兩端銷軸孔連線方向。從圖6可以看出，最大作用力產(chǎn)生于0.4 029 s時刻，大小為18 384 N，該時刻轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)角狀態(tài)如圖7所示，根據(jù)作用力的分力可以計算得到力的方向。另一側(cè)連桿的受力曲線與之呈對稱規(guī)律。

圖6 連桿受力曲線

圖7 連桿受力最大時的轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)角狀態(tài)

2.3 重要零件強度分析與結(jié)果

使用剛體動力學分析結(jié)果中的最大力18 384 N作為載荷條件，分別對油缸活塞桿、連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)單體進行加載分析，得到它們的應力分析結(jié)果，如圖8、圖9和圖10所示。3個零件的材料都是45鋼，屈服強度為355 MPa。由圖8～圖10可以看出：油缸活塞桿最大應力為217.4 MPa，安全系數(shù)為1.63；連桿最大應力為136.2 MPa，安全系數(shù)為2.61；轉(zhuǎn)向節(jié)臂的最大應力為269.3 MPa，安全系數(shù)為1.32，它們的最大應力都產(chǎn)生于銷軸孔的內(nèi)側(cè)，強度滿足原地轉(zhuǎn)向工況的使用要求。

圖8 活塞桿應力分析結(jié)果 圖9 連桿應力分析結(jié)果 圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)臂應力分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文以ANSYS軟件為分析工具，綜合運用多種分析方法，實現(xiàn)了對某叉車轉(zhuǎn)向橋較完整的分析校核。具體過程為：首先使用考慮接觸關(guān)系的裝配體模型通過靜力學分析方法分析校核了轉(zhuǎn)向橋體與轉(zhuǎn)向節(jié)的強度；然后使用剛體動力學方法建立轉(zhuǎn)向橋中運動機構(gòu)的動力學模型，分析得到了連桿的最大受力與最大受力時轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)角狀態(tài)；最后再通過靜力學分析方法校核了油缸活塞桿、連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度。

對于包含運動機構(gòu)的轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)，單獨使用靜力學分析方法難以實現(xiàn)對所有重要零件的分析校核，因為與轉(zhuǎn)向運動相關(guān)的零件的惡劣受力工況難以確定，結(jié)合剛體動力學分析方法則可以很好地解決這一問題，可以快速準確地得到機構(gòu)運動零件的惡劣工況，進而對其進行分析校核。