cpc30型内燃平衡重式叉车工作装置轻量化设计

cpc30型内燃平衡重式叉车工作装置轻量化设计

0叉车产品的市场根据中国工程机械工业联合会（nationalacademyoftechnologycoordinationcenter）发布的2018年江淮企业的销售数据，中国主要商用车制造公司每年实现59.7万个家庭，并增长20.2%。其中，内燃平衡重量车年销售额为31.6万元，电动箱年销售额为28.1万元。从火爆的叉车销售市场可见,叉车作为机械化装卸、堆垛和短距离运输的工业搬运车辆,已然是一种工业生产非常重要的工具,应用极其广泛。在保持叉车工作稳定性的前提下,对工作装置进行基于有限元分析的轻量化设计,将在一定程度上提高内燃平衡重式叉车的操控性能和发动机的工作效率,节约钢材、降低整车制造成本和使用成本在国家大力倡导绿色制造、节能环保的大背景下,叉车工作装置的轻量化对工业车辆的研发制造,以及使用叉车作业的行业及企业,都是大有裨益的。1减轻设计车辆操作设备的成本1.1货叉、外门架、堆场CPC30型内燃平衡重式叉车工作装置主要结构包括货叉、叉架、内门架、外门架、起升油缸、倾斜油缸、起升链条、链轮及滚轮等货叉是直接承载货物的叉形结构,挂装在叉架上;叉架用来安装货叉或其他取物装置,以带动货物垂直升降;外门架是外侧固定不升降的部分,是由槽形立柱和横梁组焊而成的框架结构;内门架则是能沿着外门架上下伸缩的活动部件;滚轮是叉架与门架或门架与门架之间导向和传力的部件,分别安装在外门架、内门架和叉架上1.2建模与有限元分析的对比叉车工作装置的轻量化设计,主要是通过Creo软件建模和ANSYS软件有限元分析交替进行的,利用ANSYS软件结构静力分析的结果对工作装置进行结构上的优化设计2元分析和卡换器操作设备2.1装置实际装配关系的简化在Creo软件中建立精确的叉车工作装置三维结构,各零/部件按照工作装置实际的装配关系进行组装,并对组装后的模型适当进行简化,去掉连接紧固件、小倒角及小圆角等,简化后的模型包括货叉、叉架、内门架、外门架、滚轮、起升链条、链轮、起升油缸和倾斜油缸等,几何模型如图3所示。2.2结构静力分析模块主要对工作装置做结构静力分析。结构静力分析是分析计算固定载荷作用下结构的响应,这种响应包括结构变形、应力分布、约束反力及应变情况,实际不用考虑惯性和阻尼的影响。本文的工作装置相关分析是采用有限元分析软件ANSYS的结构静力分析模块进行的。工作装置结构静力分析主要是分析叉车工作装置的各个工作位置,在额定载荷条件下的总变形及应力分布情况,并基于此对工作装置结构进行相应的改进设计。具体考虑工作装置以下3种工作状态:1)叉车额定起重量,正常搬运行驶高度的情况(底部位置);2)叉车额定起重量,货叉刚好处在外门架顶部的情况(中部位置);3)叉车额定起重量,叉架、内门架处于伸出极限,最大起升高度的情况(最高位置)。选择以上3种货叉工作位置进行分析,是为了对比分析,进而获取叉车在额定载荷条件下,工作装置产生最大应力和最大变形的具体位置。2.2.1材料属性在ANSYS软件工程数据中创建叉车工作装置主要零/部件所使用的材料,并添加相应的性能参数,材料属性如表2所示。2.2.2外门架与驱动桥、斜直塔架的连接方式为在完成工作装置装配件各零/部件几何的材料赋予后,接着进行装配件静力分析的接触设置。由于模型省略了车架、驱动桥等固定基础部分,外门架与驱动桥、倾斜油缸与车架连接位置采用body-ground固定,货叉与叉架、叉架与内外门架以及内门架与外门架之间各个平面-平面、平面-曲面以及线-平面接触位置则添加相应的绑定接触、不分离等接触类型。根据工作装置结构各个组成部分的形状及板厚尺寸,分别对各个零件进行适当的分层、相应网格参数的设定和网格划分。货叉处于底部位置时,划分网格后的几何模型如图4所示。2.2.3叉车工作装置结构强度在货叉上表面施加额定起重量的均布载荷,CPC30型内燃平衡重式叉车的额定起重量为3000kg,标准载荷中心距为500mm。对工作装置整体进行求解设置的同时,对货叉、叉架、内门架和外门架的变形、应力进行独立的求解设置。经过分析,货叉处于不同位置(底部位置、中部位置和最高位置)时,工作装置及主要零/部件等效应力云图和变形云图分别如图5～图10所示。结果显示,货叉处在最高位置时零/部件受到的局部应力有最大值,最大应力发生在货叉拐弯处,最大应力值为291.55MPa,此处最大变形为38.486mm。表3所示为货叉处于不同位置(底部位置、中部位置和最高位置)时主要零/部件最大应力和最大变形,表4所示为工作装置所用材料计算许用应力。综合表3工作装置各主要零/部件的最大应力和表4材料计算许用应力,货叉最大应力远小于材料计算许用应力654MPa,叉架、内门架和外门架的最大应力也都小于许用应力287.5MPa,也就是说,该叉车工作装置结构强度是足够的,是安全的。此外,通过分析发现,叉架最大应力发生在中间横梁与滚轮固定板两侧结合部位;内门架最大应力发生在门架中间连接板与两侧槽钢的连接部位;外门架主要应力则分布在驱动桥安装板与外门架连接处,外门架下部连接梁与两侧槽钢结合部也存在较大的应力集中。在轻量化设计过程中,优化的重点主要是货叉、叉架、内门架和外门架,在做叉架轻量化设计时,由于其最大应力较接近材料计算许用应力,所以尤其要控制好轻量化设计的尺寸,而对于各种滚轮、起升链条、链轮及液压油缸,这里不做考虑与分析。3减轻维护工作设备的设计3.1轻量化设计中的应用叉车工作装置轻量化设计,是在保证叉车工作装置强度和安全性的前提下,尽可能地减小工作装置的质量。以工作装置原有结构及货叉处于最高位置时的应力分析结果为基础,轻量化设计主要采用减小货叉、内门架、外门架和叉架等焊接件的板厚,应力较大的部位采取增加肋板、筋板,并在板材上开孔去除材料等方式轻量化后的结构与原有结构主要零/部件的质量对比如表5所示。轻量化后的结构整体质量比原有结构减轻了36.72kg(781.99-745.27=36.72kg),减轻的质量占原有结构整体质量的比例约为4.70%[(781.99-745.27)/781.99×100%=4.70%]。3.2外门架和货叉的应力分析对轻量化后的结构再进行有限元分析,根据对工作装置原有结构的分析结果,这里取货叉处于最高位置时的模型为分析对象(该位置时主要零/部件结构应力和变形在3种位置中均最大)。轻量化后的结构货叉处于最高位置时工作装置及主要零/部件的等效应力云图和变形云图分别如图12和图13所示。由图12和图13可知,结构最大应力位置仍然是货叉表面拐弯处,最大应力为419.51MPa,而内门架最大应力为245.30MPa,叉架最大应力为228.44MPa,外门架最大应力为206.57MPa,均小于其材料计算许用应力,是安全的,表明该轻量化设计是有效的、可行的;但从主要零/部件应力具体数值上看,还有轻量化的空间,可以再对该结构进行进一步的轻量化设计和有限元分析,设计与分析循环交替进行,直至取得更优的设计方案,这里不再做更进一步的优化。4各主要零/部件货叉位所需模拟本文在CPC30型内燃平衡重式叉车工作装置原有结构的基础上,进行了准确三维建模、结构应力及变形分析,得出工作装置装配件各主要零/部件在货叉处于