（机械工程专业论文）电动插腿式叉车内门架有限元分析及参数优化.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电动插腿式叉车是现代室内托盘运输必不可少的设备。该类叉车门架是叉车进行 装卸作业的执行机构之一，是工作装置中最重要的组成部分。 电动插腿式叉车门架的设计，特别是内门架的设计水平，关系到整个电动插腿式 叉车系统安全性和可靠性。电动插腿式叉车内门架的失效原因是多方面，其中最重要 的一个原因来自于设计计算方法。目前，内门架的设计方法很多，其中有限元方法是 最有效的一种方法。 本论文针对湖北金茂机械科技有限公司电动插腿式叉车产品，根据叉车内门架的 实际工况，建立了其承载的力学模型，并采用大型通用有限元分析软件a n s y s 80 ，对 内门架进行了力学分析并进行了结构参数的优化设计；本文对a n s y s 三种开发工具 a p d l 、u i d l 和u p f s 进行了介绍，并采用二次开发技术，提出了叉车内门架有限元 分析及参数优化模块二次开发实现方法，详细分析了其必要性、可行性及实现方法， 同时举实例具体阐述其实现过程；在以上工作的基础上，本文研制了一套基于有限元 分析的，集建模、有限元分析、参数优化于一体的专用模块，其具有较好的通用性和 灵活性。 本文的研究工作实现了电动插腿式叉车内门架有限元分析及参数优化设计，既给 出了科学合理的设计方法，也缩短了设计周期，提高了工作效率。同时，本文归纳总 结了a n s y s 的二次开发的基本方法和过程，这亦可以为以后的a n s y s 二次开发工作 提供借鉴。 关键词：电动插腿式叉车内门架a n s y s 二次开发有限元参数优化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cs t r a d d l ea r mt y p ef o r k l i f tt r u c ki so n eo ft h ei m p o r t a n tt r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e s w i t hp a l l e t i t sm a s tf r a m e w o r k so f t h et r u c ka r ev e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n t sf o rl i f t i n gl o a d s t h ed e s i g no f t h em a s tf r a m e w o r k s ，e s p e c i a l l yi n n e rm a s tf r a m e w o r k ，r e l a t e st os a f e t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ew h o l et r u c k t h er e a s o n sr e s u l t e di nf a i l u r eo fi n n e rm a s tf r a m e w o r k a r ev a r i o u s ，t h em o s ti m p o r t a n to n ea m o n gt h e mc o m e sf r o md e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d p r e s e n t l y , t h e r ea r em a n ym e t h o d sd e s i g n i n gi n n e rm a s tf r a m e w o r k , a n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i si st h em o s te f f e c t i v ew a ya m o n g t h e m a i m i n ga te l e c t r i cs t r a d d l ea r mt y p ef o r k l i f tt r u c km a d ei nh u b e ig o l d m i l lm a c h i n e r y t e c h n o l o g yc o l t d ，t h em e c h a n i c sm o d e lf o rc a r r y i n gc a p a c i t yo fi t s i n n e rm a s t f r a m e w o r kh a sb e e nb u i l ti nt h i st h e s i sb a s e do ni t sr e a lw o r k i n gs t a t u s m e c h a n i c sa n a l y s i s a n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no nt h ei n n e rm a s tf r a m e w o r kh a v eb e e nd o n eb yu s i n g a n s y s 8 0 ，al a r g eg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h r e ek i n d so f d e v e l o p i n gt o o l s o f a n s y s s u c ha sa p d l 、u i d la n du p f sh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h em e t h o d o fi t ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e nd e s c r i b e d ad e s i g na p p r o a c hb a s e do n a n s y sf o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h ei n n e rm a s tf r a m e w o r k h a sb e e ng i v e na n di t si m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eh a sb e e ns h o w nb yc o n c r e t ee x a m p l e s o n t h eb a s i so ft h ea b o v es t u d y , ap r o g r a mm o d u l ef o rd e s i g na n da n a l y s i so ft h ei n n e rm a s t f r a m e w o r kw h i c hb a s e do na n s y s ，i sd e v e l o p e db yt h ea u t h o r t h i sp r o g r a mm o d u l e i n c l u d e ss e v e r a lp a r t ss u c ha sm o d e l sc o n s t i t u t i o n , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n t h ep r o g r a mm o d u l ei su n i v e r s a la n df l e x i b l e t h es t u d yi nt h i st h e s i si sas u c c e s s f u lp r a c t i c eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no ni n n e rm a s tf i n i t ef r a m e w o r ko ft h ee l e c t r i c s t r a d d l ea r mt y p ef o r k l i f t t r u c k t h er e s u l t ss h o w ni nt h et h e s i sn o to n l yp r o v i d eas c i e n t i f i ca n dr a t i o n a ld e s i g n m e t h o d s ，b u ta l s ob e n e f i tf o r s h o r t e n i n gd e s i g np e r i o d a n d i m p r o v i n g w o r k 华中科技大学硕士学位论文 e f f i c i e n c y m e a n t i m e ，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo f a n s y sa n di t sr e a l i z a t i o n c o u r s es h o w ni nt h et h e s i sc o u l db eas u c c e s s f u lr e f e r e n c ef o rt h eo t h e r st oa n a l y z ea n d r e s o l v ea c t u a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s k e yw o r d s ：e l e c t r i cs t r a d d l ea mt y p ef o r k l i f tt r u c k ，i n n e rm a s t ，a n s y s ，s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 独创性声明 雌0 1 7 6 i 】3 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 乡乜 日期：肿6 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：b 姐 r 期：抄晦6 月门曰 指导教师签名 同期日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源及目的 1 绪论 随着科学技术突飞猛进的发展，肯i 造领域中各种现代设计方法、设计工具的不断 涌现及其广泛应用极大地丰富了设计技术，从而促进了制造技术的进步，以至过去一 些传统设计手段难以解决的复杂工程技术问题都能更为科学合理、更为直观和更为方 便地解决。设计技术的进步给制造业产品科学、合理的设计，产品品质的提升及新功 能的开发，产品系列的合理规范及设计方法的标准化等都带来了深刻的变革，各制造 企业、特别是同行业的企业之间的竞争，实质上更多地体现在现代技术应用上的竞争。 在这样的背景下，湖北金茂机械科技有限公司( 简称金茂公司，下同) 为了降低技术 风险、提高产品质量、缩短研制周期、降低成本，从而增强企业竞争力，立项进行电 动插腿式叉车产品系列化研究。本论文涉及到该项目的部分研究工作，针对影响金茂 公司主打产品电动插腿式叉车关键部件存在的问题，将有限元分析和优化设计技 术应用于电动插腿式叉车产品研制、开发中，形成科学的设计方法、提供规范的设计工 具，为产品进一步的系列化打下基础。 1 1 2 课题研究的意义 本课题选择金茂公司设计和生产的c d d 型电动插腿式叉车为研究对象，通过采用现 代的设计技术，来解决其存在的品质问题，以提升其档次、并科学合理地规范设计。 金茂公司c d d 型电动插腿式叉车是以该厂c t y 型手动插腿式装卸车为基础，通过改 进设计的，其用途广泛、市场需求量较大，曾经小批量生产。但由于该产品完全按照 c t y 车型的尺寸、结构设计，未对其承载的关键部件一内门架作全面的力学分析，未 考虑材料、工艺水平和结构中的细节，生产出的电动插腿式叉车内门架的应力场、位 移场分布不合理，整车使用后出现车架立柱翼缘局部张开以及刚度不够的现象，并且 华中科技大学硕士学位论文 整车重量比其他厂家同类电动装卸车要笨重。针对这些问题，本论文将有限元分析和 优化设计方法用于电动插腿式叉车内门架的设计，在电动插腿式叉车内门架受力分析 的基础上，对其结构参数进行优化设计。进而为该公司进行电动插腿式叉车内门架设 计特别是系列车型电动插腿式叉车内门架的设计提供一种虚拟样机设计方 法。与传统的基于物理样机的设计方法相比较，采用这种方法可以在一个连续设计过 程中对产品进行分析和优化，减少昂贵的物理模型和样机的制作，降低生产成本，改 进设计质量，缩短研制周期，为物流企业提供高质量的机具，以达到节本、增效和增 收的目的。 1 2 国内外概况和预测 1 2 1 电动叉车国内外发展状况 1 9 4 9 年，f r i e d r i c hj u n g h e i n r i c h 博士与5 位开始研究电力驱动步行控制的堆垛 机与托盘车，在2 0 世纪5 0 年代首先推出4 0 年代中期设计成熟的电动堆垛机与电动托 盘车【”。 1 9 6 8 年汉诺威工业博览会上首次亮相的“e t x 系统高架堆垛机”采用三向旋转的货 叉，使叉车本身在巷道内不需旋转，将所需的通道空间缩小到仅略大于托盘的宽度， 最大提升高度达到1 3 米。随后，出于安全性及操作性方面的考虑，又出现了驾驶舱随 着货叉同时上升的“e t x - k o m b i ”系列车型。 自7 0 年代后期开始，叉车技术突飞猛进，人性化、环保、高技术成为各生厂家追 求的目标。1 9 8 2 年，j u n g h e i n r i c h 推出全世界第一台全轮驱动的电动三轮叉车。1 9 9 7 年，开始将三相交流马达技术应用于叉车，使叉车整体性能提高将近2 0 ，维护成本大 幅降低。现在，各大生产厂家也正将此作为目标，陆续推出交流马达的车型。 有资料表明 2 , 3 1 ：目前国际电瓶叉车的产量己占叉车总量的4 0 ( 我国占l o ) ，在 德国、意大利等一些西欧国家电瓶叉车的比例则高达6 5 ，且有不断上升的趋势。 2 华中科技大学硕士学位论文 我国叉车工业起步于2 0 世纪5 0 年代末，当时主要仿制前苏联产品。从7 0 年代后 期到8 0 年代中期，全国叉车行业先后组织了2 次联合设计，各叉车生产厂纷纷引进国 外先进技术。改革开放以来，特别是自9 0 年代开始，一些骨干企业在消化吸收引进技 术的基础上积极对产品进行更新和系列化。尽管目前国产叉车的技术水平参差不齐， 但从总体上看电动叉车因受基础技术落后的制约，整体水平与世界先进水平差距很大， 因而我国每年仍要进口价值近2 亿美元的叉车产品i a l 。 随着国外先进配套件进入我国，国内的直流电机、电瓶、充电技术也大幅度的提高， 企业自主开发能力增强，国内几大厂商的产品质量有较大提高，产品外形设计也有所 改观。目前国产叉车的堆高一般在3 5 米以下，而堆高达到5 1 2 米的国产叉车，其 门架和很多地方到达不到技术要求，否则就要进口门架。中国叉车能否逐鹿国际市场， 并在与世界强手的竞争中立于不败之地，将依赖于叉车整体技术水平的提高，特别是 电动叉车技术的飞速发展。 文献 4 、 5 、 6 、 7 、 8 都对电动叉车产品及其技术的发展趋势做出了明确 的阐述。其发展趋势主要体现以下几方面：外观设计采用现代轿车的设计方法，采用 先进的表面处理技术提高表面质量；叉车设计中引入人机工程学原理；现代电动叉车 均配有先进的电器系统，行走电机向a c 交流方向发展；制动系统采用各自独立的制动 系统，转向系统采用动力转向； 1 2 2 有限元分析方法国内外发展和研究状况 随着有限元分析方法以及计算机软、硬件的发展，有限元分析软件及其与c a d 系 统的集成逐步发展成熟，使得有限元分析方法在很多工程和科学研究领域得到广泛应 用。 1 9 4 3 年r c o u r a n t 首先提出离散化概念哿一个原来连续的整体剖分( 离散) 成为 有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数和最小位 能原理相结合来求解扭转问题。1 9 5 6 年m j t u r n e r 和r w c l o u g h 等人用直接刚度法对 飞机结构进行了受力和变形分析，并应用当时出现的数字计算机，第一次给出了用三 角形单元求得复杂平面应力问题的解。1 9 6 0 年r w c l o u g h 首次提出“有限元”这个名 华中科技大学硕士学位论文 词，有限元法作为一种数值分析方法正式出现于工程技术领域。1 9 6 5 年 0 c z i e n k i e w i c z 等提出了有限元法可以应用于所有能按变分法形式计算的场问题。从 1 9 6 8 年开始，很多关于有限元法的数学文献相继发表，论证有限元法的基本理论是逼 近论，是偏微分方程及其变分形式和泛函分析的结合，并致力于估计各种单元类型离 散化的误差、收敛速度和稳定性。1 9 6 9 年以后，有限元法在工程上获得了广泛的应用。 国际上早在2 0 世纪6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限 元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 6 年委托美国计算科学 公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。7 0 到8 0 年代是有限元分析 软件蓬勃发展的时期，美国a n s y s ，a b a q u s ，a d i n a ，i d e a s ，l s d y n a ，m a r c ，s a p ， 德国的a s k a 、英国的p a f e c ，法国的s y s t u s 等软件不断推出功能强大的新版本。有限 元分析软件的应用从结构分析拓展到各种物理场，从线性分析向非线性分析发展，从 单一场的分析向几个场的耦合发展。9 0 年代后有限元分析软件发展更加成熟，在单元 类型、非线性分析、场分析、优化设计和数值方法等方面有很大改进和增强外，前后 置处理功能更加强大和方便，具备良好的用户开发环境，同时还提供与c a d 软件( 如 p r o e ，u g 等) 的接口，将c a d 模型自动转换为适于有限元分析的模型。 1 9 7 9 年美国的s a p 5 线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用 通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。1 9 8 1 年a d i n a 非线性结构分析程序的开 发和应用，使许多一直无法解决的工程难题迎刃而解，大家也都开始认识到有限元分 析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。很多企业和科研院所及高 校开始引进国外商品化软件或者自行开发专用软件，如面向分析师的j i f e x 9 9 ，d a s a 9 7 ， m a s 5 0 等：面向设计人员开发的z r c a e ，实现了与a u t o c a d 、m d t 、s o l i d w o r k s 等集 成，大多数获得了巨大经济和社会效益。 有限元分析软件技术的发展，促使有限元分析在各行各业得到了极为广泛的应用。 目前，有限元分析软件已在国外广泛应用于核丁业、铁道、石油化丁、机械制造、汽 车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。 例如在世界著名的工程机械设备供应商卡特皮勒( c a t e r p i l l a r ) 公司，其设计人员大 量应用a n s y s 进行新代的c a t e r p i l l a r 9 9 2 g 型、9 9 4 系列装载机分析仿真，使这些产 4 华中科技大学硕士学位论文 品在结构形式的合理性和先进性、节约实物模型试验费用、材料替代、整机重量减轻、 安全性加强及缩短产品开发周期等方面都取得成绩。世界上著名的推土机和物料搬运 机械供应商j c b 公司，其设计人员为了得到在经济性、安全性、舒适性和工艺性方面 最合适的一种设计，在概念设计阶段就开始将a n s y s 应用在j c b 产品的底盘、车架、 臂架( 动臂) 、旋转系统和联接轴等结构和部件的设计中。 有限元分析作为设计分析人员进行产品研发的工具，必然务求易学好用，得心应 手，而未来的大型通用c a d c a e c a m 软件是一个多学科交叉的，综合性知识密集型 产品，如何使用户更方便地使用软件，同时结合多学科多领域的知识经验来促进设计 分析过程是一个不容回避的问题。因此，开发更有效的支持用户使用这些软件的专家 系统显得十分必要。智能化将是有限元分析发展的一个必然趋势。同时，软件的工作 环境应该尽可能解放使用者的头脑，开拓使用者的思路，让使用者集中精力于设计创 作，这要求软件趋向于人性化，除了具备智能化的自动运算、推理判断、协助思考等 功能外，还要以符合人们思维习惯的方式去判断、思考、表达与操作，以更强的用户 界面提供更强的直观、直感、直觉性，更智能化地适应用户的要求【9 ，”j 。 1 2 3 优化设计国内外发展和研究状况 现代优化方法成为- n 独立的学科是一个逐步发展和不断丰富的过程。1 9 4 7 年 d a n t z i g 发表的求解线性优化问题的单纯形法，五十年代b e l l m a n 给出的动态规划，六 十年代初c h a r n e s 和c o o p e r 提出的目的规划，六十年代中期z o u t e n d i j k 和r o s e n 对 非线性规划的贡献，d u f f i n 、z e n e r 和p e t e r s o n 发展的几何规划，g e m o r y 对整数规划 的开拓，以及d a n t z i g 、c h a r n e s 和c o o p e r 发展了随机规划方法等都是最具有影响的 研究成果。七十年代是最优化技术的兴旺发展时期，其间最优化不论在解线性规划、非 线性规划以及随机规划、非光滑规划、多目标规划、几何规划、整数规划等各种最优 化问题的理论或方法都有了新的进展，同时也开始出现一些优化方法软件。像面向航 空结构的高效率结构优化程序系统a c c e s s 的发表是七十年代非线性规划的最好成就。 八十年代来，除最优化理论与方法有所发展外，在针对复杂工程实际应用研究、软件开 发、多学科交叉应用、优化新方法探讨和提高优化质量和效率等方面都取得了不少的 华中科技大学硕士学位论文 进展。至今五十多年来最优化技术的发展，使最优化理论与方法在工程设计、计划管理、 科学实验以及军事科学等得到了广泛应用 1 “1 9 1 。 随着科技的发展，现代优化设计方法主要以数学规划为核心，以计算机为工具， 向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展，目前又有进一步的丰富和完善，提 出了一些更新的优化设计方法。 在我国，四十年代后就有人从事最优化的研究，直到电子计算机出现后的六十年代 初，中国的结构力学工作者敏锐地意识到自己研究应从被动的结构分析扩大到主动的 结构优化设计的转折，并在差分法、有限元法、极限分析和设计等方面进行了研究。到 8 0 年代中后期起我国优化设计的研究和应用工作更为活跃，结构优化设计方面的论文、 报告数量迅速增长，优化方法和结构优化软件相继问世和完善。文献 1 5 ，1 6 比较系统 地列举了我国学者和工程技术人员在优化设计方面发表的论著，从各个不同的侧面反 映我国结构优化设计所进行研究与应用的成果。 我国工程机械领域的优化设计研究与应用，也跟着国内同行的步伐做了许多的工 作。曾立斌和侯忠明的伸缩臂叉装车铰点位置的优化设计】，曲红的f d 4 2 0 型集装箱 叉车转向机构优化设计 2 1 1 ，张延明和石庆的叉车变速器可靠性优化设计1 2 2 1 ，杨成康 ( 2 3 u l 等以升力参数、掘起力等动力学参数为目标函数，优化了装载机和自卸汽车的举 升机构，考虑了平稳性、卸料性、紧凑性、协调性约束。梁春棠 2 5 1 等研究了双动机械 压力机八连杆机构优化，黄锡朋 2 6 1 等和茅承钧1 研究了装载机工作装置连杆机构的优 化。 目前，国内对叉车结构的设计与研究，己从主要是依靠经验设计发展到应用有限 元进行静强度计算和模态分析阶段，但尚未能象汽车整车和主要零部件的参数确定和 选择那样广泛应用优化设计方法。叉车车架是叉车结构件中结构与载荷都很复杂的重 要部件，也是人们首先开展结构分析和结构优化设计的对象。鹭江大学的魏刚应用有 限元软件，分析叉车门架立柱不同结构的受力变形状况，提出了合理的立柱结构2 登一， 但是由于影响叉车车架结构强度和刚度的因素较多，诸如上、中横梁的布置，各梁采 用的截面形状和尺寸等等。太原重型机械学院的赵坚等应用试验模态分析法对c l 1 0 0 型叉车内、外门架进行试验研究，识别出内、外门架的模态参数和振型陋】，但没有进 华中科技大学硕士学位论文 行优化设计。太原重型机械学院的赵志文、陆值以薄板弯曲理论为基础，提出了解决 由滚轮引起的叉车门架立柱翼缘局部弯曲问题的方法，对翼缘局部弯曲弯矩的计算、 分布状况，以及影响因素和范围进行了理论分析，但对于叉车门架立柱的翼缘为弹 性力学的中厚板材时，需要考虑剪切变形的影响。 1 3 论文的主要研究内容 本课题主要是针对电动插腿式叉车的具体结构，利用在c a e 领域居领先地位的大 型通用有限元分析软件a n s y s 作为分析工具，对电动叉车内门架部件进行弹塑性有限 元分析，并根据分析结果进行形状尺寸和拓扑结构的优化设计研究，主要包括以下几 个方面： 1 ) 对典型结构的电动插腿式叉车的内门架结构部件进行受力分析； 2 ) 运用a n s y s 软件的a p d l 语言对内门架的进行参数化建模，然后选择合适的单元 类型进行自动网格划分，并合理施加载荷和约束条件得到有限元模型，利用a n s y s 的 分析功能对立柱和横梁在起升到最高点时的典型位置进行弹塑性分析； 3 ) 根据分析结果选择关键参数为设计变量，选择合适的优化算法进行结构的参数 优化。比较优化结果确定内门架的优化拓扑结构，并进行参数优化后内门架的力学性 能分析，验证这种算法的正确性； 4 ) 利用a n s y s 软件提供的二次开发工具，开发出适合电动插腿式叉车内门架有限 元分析及参数优化的专门模块。a p d l 语言主要用来开发电动插腿式叉车内门架通用有 限元分析及参数优化程序的内核，u i d l 语言主要用于开发电动插腿式叉车内门架通用 有限元分析及参数优化程序的界面。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 电动插腿式叉车门架结构及内门架力学分析与计算 2 1 电动插腿式叉车及内门架的结构 电动插腿式叉车结构如图2 一l 所示，主 要由车架，起升货架、液压系统、电器控制 系统等几部分组成，叉车车体前方为两条带 小车轮的支腿向前伸出，货叉位于两支腿之 问。车体由立柱与支腿焊接而成。支腿的高 度很小，可连同货架一起插入货物底部，然 后由货架托起货物。被插腿式叉车举起货物 的重心落在车辆的支承平面内，故叉车稳定 性很好，不必设置平衡重。 l t 内门架2 竺塑架3 起磐架4 货叉 5 电控系统6 液压系统 电动插腿式叉车用直流电动机驱动，牵 图2 1 电动插腿式叉车 引用蓄电池供电，起重量在2 t 以下，车速低， 转弯半径小，对路面要求高，但结构简单，外形小巧，主要适用于通道狭窄的库内作 业p 1 1 。 随着电动插腿式叉车新产品的不断开发和生产，电动插腿式叉车的额定载荷和起 升高度的不断增加，工程上对电动插腿式叉车设计的要求也不断提高，同时电动插腿 式叉车的安全性、稳定性和易操作性也越来越重要。车架作为电动插腿式叉车工作机 构的主体部件，其重量占整机自重相当大的比例。它的设计质量直接关系到整车的稳 定性、自重的减轻、视野的改善等重要指标。 车架作为叉车起升机构的骨架，主要由内门架和外门架组成。它一方面支承起升 油缸，从而承受货物重力等垂直力p ；另一方面，货物给货叉的力矩，通过起升货架 传给门架立柱，使门架立拄承受纵向弯矩m 。门架又通过下部支腿将力传给地面，并 保证门架盼平衡。内门架为门型框架结构，由左右两根立柱及上下横梁焊接而成。为 8 华中科技大学硕士学位论文 了增加i ) 9 0 住，g - 在内门架加焊中i n 模梁。 门架立柱既承受弯矩，又作为起升机构滚轮运动的导轨，它的横截面形状可为槽 形、工字形、j 型、l 型等几种类型的异形截面。它们一般为压制或轧制而成，也有焊 接成的。根据内外门架立柱截面形状及排列形式，叉车车架分为重叠式( 如图2 - 2a ) 和并列式两大类。并列式门架立柱截面的组合形式有c c 型、c i 型、c j 型、c l 型和i i 型等多种( 如图2 - 2b f ) 。电动插腿式叉车大部分采用c c 型并列式门架组合形式。 其内门架结构形式如图2 - 3 所示。 ：辽司砷i 江 h i 逦卫。，：通 i 通卫曲：丑n 图2 - 2 内门架立柱截面形式 l 外门架立柱2 内门架立柱 下横梁。中横梁p 立柱一上横梁p 一 南。厂| ， j i ， 甜 7 卜砭 j _ 一 _ _ 翔一。，i , i 。 k 一 h l _p i一 h 十 图2 - 3 内】架结构图p 在门架计算时，重点应放在内门架。因为它的受力情况复杂且两立柱间的连接没 有外门架那样牢固，内门架承受的集中载荷比外门架的要多，这对强度和刚度都是不 利的。所以，重点应对内门架进行内力分析和强度计算，而后再根据结构需要确定外 门架的几何尺寸。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 电动插腿式叉车内门架的力学分析与计算 车架的内、外门架受力情况比较复杂，强度计算的方法也没有一个统一的标准， 有的方法比较繁琐，在文献【3 2 】中有详细的叙述。要进行门架的强度和刚度计算，先要 确定通过滚轮等原件作用在内架和外架上的作用力。 由于没有规定的计算工况，根据叉车车架的受力状况，一般对恶劣的受力情况作 如下考虑：在货架上作用有额定起重量的荷重，偏载系数取1 1 l3 ，货架起升至顶， 门架前倾最大角度( 3 。- 6 。) 时紧急制动，考虑路面的横向坡角( 3 。) 。这种计算工况 集中了平衡重叉车所有可能的最不利情况。 由于电动插腿式叉车要求在平坦无坡路面上使用，并且当门架直立。货架满载货 物起升至顶时，叉车既不允许高速行走，货架也未下降制动，因而可不考虑门架受动 力载荷作用。根据插腿式叉车设计标准的规定，满载货叉起升到顶，进行码垛作业时为 了保证叉车的纵向稳定性，门架不许前倾。路面侧向坡度对门架强度的影响，不论 在垂直或平行于门架的乎面内，都是很小的，均可以忽略”。鉴于以上情况，将电动 插腿式叉车的设计计算工况规定如下：门架直立，货架起升额定起重量货物达到最大 起升高度；载荷的重心偏载装卸车纵向轴线，偏载系数取1 1 1 3 ，如图2 - 4 所示。 在门架计算时，重点应放在内门架。因为两立柱间的连接没有外门架那样牢固， 它的受力情况也复杂，因此，内门架承受的集中载荷比外门架的要大，这对强度和刚 度都是不利的。所以，重点应对内门架进行内力分析和强度计算，而后再根据结构需 要确定外门架的几何尺寸。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 l 囱囵 咱宦 囵 v 囵 囵 囵 。， t ，f f ? l ，? ，f ，f ，i i y 图2 - 4 内门架提升机构图 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 内门架的受力分析 从内门架受力分析的图2 5 可以看到，内门架要受到以下外载荷的作用： 1 ) 货架滚轮作用于内门架立柱翼缘的成对集中力偶( n 。和n i l i ，n 和n 。，) 及滚 轮摩擦力，( 滓1 4 ) ；因每个滚轮摩擦力，值较小，在计算中可以忽略。 2 ) 外门架立柱反作用于内门架滚轮的成对集中力偶( n v 和n i ，n v l 和n ，i i i ) 及 滚轮运动阻力工( j = 5 8 ) ；因每个滚轮摩擦力z 值较小，在计算中可以忽略。 3 ) 起升油缸推动内门架上升时对内门架的作用力f 。 4 ) 内门架自重g 1 。 、 t g i t n i r ， 、 k i b n n l l z 1。嚆 ：l w s 临 、奠n ，n m l 。 图2 - 5 内 由于采用单个起升油缸，油缸布置在门架的中部，起升油缸直接顶起链轮座和链 轮，因链轮座推动内门架上升时对上横梁的力f 主要克服内门架本身的重力g t ( 门架 滚轮运动阻力( i - l ，8 ) 忽略不计) ，所以内门架在横向平面( x - z 平面) 内基本不受 弯矩，仅考虑货架滚轮反作用于内门架左右立柱的力矩和外门架立柱反作用于内门架 滚轮的力矩。 货物额定起重量q 通过货架滚轮传给内门架，使内门架受到上下滚轮垂直于门架 平面的垂直载荷。为考虑货物在货架上偏置的情况，对于焊接货架，计入偏载系数m ， 华中科技大学硕士学位论文 其计算载荷为： q 计= m q( 2 1 ) 式中：q 一叉车额定起重量( k g ) ； 肘一货物偏载系数，m = 1 1 1 3 3 h 。 为了计算方便，可将货架的滚轮命名为i 、i i 、i 、i v ，内门架上的滚轮命名为 v 、，见图2 - 4 。计算货架滚轮压力时，取货架为自由体，货物重量q 和货 架的自重g 为货架的外载货，链条拉力s 和货架滚轮压力n ，( i = i ，i v ) 为货架的支 反力。货架的受力分析如图2 - 6 ( a ) 所示，根据力矩平衡可得滚轮i 一的滚轮压力大小 为： l ：鲤萼堂( ) ( ，i v ) ( 2 - - 2 ) 2 d 、 如图2 4 所示，式中： 西一滚轮问距( m ) ； a 一货物重心到立柱中心的距离( m ) ； b 一货架重心至立柱中心的距离( m ) ； s 一链条对货架的拉力( n ) ； p 一起升链条对货架的作用力到立柱中心的距离( m ) ； 由于e 值很小，通常计算中，将s e 项忽略不计。故滚轮i 一的滚轮压力大小为： i ：里学( ) q ：，i v ) i v ) ( 2 - 3 ) i2 等( ) q 2 7 ， ( 2 。3 式中符号意义同前。 为了计算内门架滚轮压力，单独取内门架为自由体，其受力分析如图2 - 5 所示根 据力矩平衡可得滚轮矿一v i i i 上的压力大小为： ”毪竽( a 9 ( j ：队，v h i )( 2 _ 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 式中符号意义同前。 2 2 2 内门架立柱的强度及刚度计算 内门架立柱截面参数，通常参考相似结构来确定。也可以根据滚轮和内门架立柱 翼缘表面的容许接触挤压应力首先确定滚轮直径，再由滚轮直径进而确定截面的其它参 数。参考文献【3 2 】、 3 3 、【3 5 、【3 6 1 ，初选尺寸的强度计算一股包括：整体弯曲正应力、 约束扭转正应力、立柱翼缘局部弯曲正应力及接触挤压应力计算。剪应力比较小，通常 不予计算。 ( 一) 整体弯曲应力分析 计算时可先依据内门架的具体构造，把它简化为框架形状。在所取框架简图上加 上各个作用力，就构成了计算简图。 内门架平面的载荷简图示于图2 7 ，它以内门架滚轮v v i i i 为支座，货架滚轮 载荷图 对称作用力 反对称作用力 图2 7 内门架载荷简图 卜- i v 的轮压力为外载荷。可以把它分解为两个平面刚架的叠加：一个承受对称作用力 系，另一个承受反对称作用力系，然后分别对它们用力法求解。 对称作用力只引起弯矩，反对称作用力既产生弯矩又产生扭矩如图2 8 所示。具 体计算可参照结构力学进行。计算结果表明1 3 2 j ，反对称力对框架产生的弯矩要比对称 力产生的弯矩小得多，约是对称力所产生弯矩的2 0 ，简化计算时可忽略。 华中科技大学顽士学位论文 图2 - 8 内门架的弯矩和扭矩图 内门架立柱整体受到的弯矩 矗，弯曲正应力d 0 为： 2 铥 c z _ s ， 式中：m x 一计算横截面在内门架平面内的弯矩( 所) ； w x 一计算横截面的抗弯截面模量( 肼3 ) 。 ( 二) 门架立柱的约束扭矩应力分析 在内门架立柱的约束扭转计算中，可将左、右立柱作为经受外转矩作用的受约束 的开口薄壁杆件分别单独进行计算。对于内门架的计算模型因其顶梁比较坚固，故可 简化为一端简支一端全受有四个由滚轮力产生的转矩m ，m 。，如图2 - 9 所示。 华中科技大学硕士学位论文 b 图 b 2 图2 9 双力矩图 面中的双力矩b 方程式蚓： 即，：警t 音s h k z 喜鼢争互h k 砌等。z 吲 。h ， 式中：m ，一作用于内门架立柱上的扭矩m 。，m ：，m ，和m 4 ( n 埘) ； ，一内门架立柱长度( m ) ； k 一内门架立柱截面的约束扭矩特性， 肛，j 薏 c z 一乃 其中g 一材料的剪切弹性模量( 肝a ) ； e 一材料的抗弯弹性模量( m p a ) ； i x 一截面自由扭转惯性矩 k = 詈，卵( 2 - - 8 ) 其中：6 一内门架立柱截面各部分的长度( m ) ； 1 6 华中科技大学硕士学位论文 t 一内门架立柱截面各部分的厚度： 口一系数。对轧制槽形截面口= 1 1 2 ；对轧制工字型截面口= 1 2 0 ；对焊接工字型截面瑾= 1 5 0 ； j 。一截面扇形惯性矩( m 4 ) ； 一一考虑f 点的计算截面相对于原点位置的系数，当z 互时，点= l ： 当z z ，时，正= o ； z 一计算截面至坐标原点的距离； z 一门架滚轮压力引起的外扭矩作用位置在z 轴上的坐标； 砌一双曲线正弦值。 内门架立柱的约束正应力为： 仃。：竺尝( 2 _ 9 ) 仃m 2 1 2 _ 即 式中：占。一内门架立柱的最大双力矩( n 珊) ； ，。一内门架立柱截面的扇形惯性矩( m 6 ) ； 国一内门架立柱截面计算点的扇形坐标，通常只计算槽形截面翼缘根部和自 由的国。 ( 三) 内门架立柱翼缘的局部弯曲应力分析m 1 由于门架立柱是开口薄壁杆件，杆件较长，滚轮压力不仅使立柱整体弯曲，还使 立柱受载翼缘产生局部弯曲。前苏联里沃夫叉车专业设计局在研究局部弯曲应力时， 把叉车立柱近似的简化为三边自由、一边牢固连接的无限长悬壁板。据此建立如图2 1 0 坐标系，用弹性力学的知识导出有关计算公式，计算由滚轮压力引起的附加弯矩，从而 算出内门架立柱翼缘的局部弯曲应力。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 在图2 1 0 中，在弹性固支边，即翼缘板 的x = 0 的边处，翼缘板的挠度等于腹板的挠 度，翼缘板的弯矩等于腹板的转矩。其余三 边，即x = b 和z = m 处为自由边。假定滚 轮力为集中力f ，其作用点可位于翼缘净宽 的任意点( 0 ，7 ) 处。引入弯矩系数 m ? ( = m ：i p ) i d j m o ( = m ；e ) ，及其它无量 z 纲几何尺寸 图2 1 0 翼缘板受到滚轮压力的变形情况 己知由滚轮压力引起的局部弯矩后，局部弯曲应力可按下式计算： 盯= = 刚夕砰 ( 2 _ 1 0 ) c r r = 6 m o f i t ? 、 式中：m ? 、m ：一局部弯矩系数，可由表查出； f 一滚轮对立柱的作用力( n ) ； f 1 一门架立柱翼缘板厚( m ) 。 ( 四) 门架立柱的组合应力分析 由以上分析可知，立柱翼缘的自由边为单向应力状态，其分项应力有整体弯曲正 应力、约束扭转正应力仃。、局部弯曲应力o z ，其组合应力为： 台= 仃+ 盯。+ 盯z i p l 。 ( 2 1 1 ) 立柱翼缘的根部可视为平面应力状态，其分项应力有、吒、c r z 和，应按 第四强度理论计算其折算应力： 盯折= ( 仃+ 仃。+ 盯z ) 2 + 盯三一盯；( 唧+ 盯。+ 盯z ) i 号k ( 2 - - 1 2 ) ( 五) 门架立柱的接触应力分析 门架立柱在滚轮压力的作用下，除产生上述的各项应力外，在滚轮和立柱翼缘相 接触的表面还产生接触应力。由于滚轮多做成圆柱形，且假想翼缘表面为理想平面， 华中科技大学硕士学位论文 挤压应力可用下式计算： s 面打b k c 卜聊 式中：r 一滚轮的半径( m ) ； ，o 一滚轮的最大轮压力( n ) ； 三一滚轮的厚度( m ) ； g i , k ：一系数，可近似的认为：蜀= k ：= 与芋，其中一材料的泊桑比；e 一 材料的弹性模量( p a ) 5 b k 触一许用接触应力，对常用的1 6 m n 钢和q 2 3 5 a 钢，取8 0 0 m p a ( 六) 门架刚度分析 电动插腿式叉车的门架起升的高度较高，对门架的刚度进行计算非常重要。导致 门架倾斜变形的因素主要是载荷重量和门架 自重，此外还有内门架滚轮和外门架立柱之间 的间隙等因素。 计算门架刚度的工况取为：额定载荷起升 到最大高度，门架处于垂直状态。 在此工况下计算内门架顶端的水平位移。 水平位移由