4-5t內(nèi)燃叉車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼剛強(qiáng)度分析

吳仲輝

(杭叉集團(tuán)股份有限公司 內(nèi)燃研究所，浙江 杭州 311305)

驅(qū)動(dòng)橋是叉車(chē)的底盤(pán)元件，與車(chē)架、轉(zhuǎn)向橋、懸掛及車(chē)輪等共同組成叉車(chē)的行走機(jī)構(gòu)，支撐叉車(chē)和貨物的重量，保證叉車(chē)能正常運(yùn)行［1］。驅(qū)動(dòng)橋橋殼是驅(qū)動(dòng)橋的核心零部件，其設(shè)計(jì)水平，直接影響驅(qū)動(dòng)橋可靠性。只有充分了解叉車(chē)的幾種典型的工況，分析在這幾種工況下面，驅(qū)動(dòng)橋橋殼的剛強(qiáng)度，才能設(shè)計(jì)出質(zhì)量可靠的橋殼。從而保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的質(zhì)量，使整個(gè)行走支撐系統(tǒng)能正常工作。

1 驅(qū)動(dòng)橋橋殼典型工況分析

1.1 杭叉4-5t內(nèi)燃叉車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 驅(qū)動(dòng)橋典型工況

1.2.1 橋殼受力簡(jiǎn)圖如圖2

1.2.2 四種工況，橋殼受力分析

圖2

(1)最大牽引力

在這種工況下，叉車(chē)滿(mǎn)載，以最大牽引力起步［2］，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速下運(yùn)行，輸出最大扭矩。橋殼承受由車(chē)輪傳來(lái)的路面反作用力:F1，同時(shí)受到最大牽引力:F2。F1垂直路面，向上作用到橋殼上面，F(xiàn)2平行叉車(chē)運(yùn)行方向，向前作用到橋殼上面。F1和F2作用在橋殼上面，分別產(chǎn)生兩種彎矩，作用到扇形板支撐面上。

因此，橋殼最大應(yīng)力出現(xiàn)在橋殼安裝扇形板處，具體分析如下:

M1(垂直)=F1×L1M2(牽引)=F2×L1

其中L1為支撐面到力F1作用點(diǎn)的水平距離，F(xiàn)2作用點(diǎn)到支撐面的水平距離也是L1。這兩個(gè)彎矩共同作用，產(chǎn)生一個(gè)合成彎矩。

在這個(gè)合成彎矩作用下，支撐面的應(yīng)力:

其中w彎為支撐面的抗彎截面模量。

(2)緊急制動(dòng)

當(dāng)叉車(chē)滿(mǎn)載運(yùn)行，以最大制動(dòng)力緊急制動(dòng)時(shí)［3］，橋殼承受由車(chē)輪傳來(lái)的路面反作用力:F1，同時(shí)受到最大制動(dòng)力:F3和制動(dòng)扭矩M扭。F1垂直路面，向上作用到橋殼上，F(xiàn)3平行叉車(chē)運(yùn)行方向，向后作用到橋殼上，具體分析如下:

這個(gè)合成彎矩作用到扇形板支撐面，產(chǎn)生合成應(yīng)力，合成應(yīng)力為:，在制動(dòng)扭矩M扭作用下，支撐面產(chǎn)生的扭應(yīng)力，其中w扭為支撐面的抗扭截面模量。按照第四理論強(qiáng)度，支撐面受到的總應(yīng)力為:

因此，在該工況下面，橋殼的最大應(yīng)力出現(xiàn)在橋殼安裝扇形板處。

(3)側(cè)滑

當(dāng)叉車(chē)滿(mǎn)載高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)軸承上有支撐力:F5，同時(shí)受到側(cè)滑力F4產(chǎn)生的彎矩:M4。F5垂直路面，向上作用到橋殼上，F(xiàn)4平行橋殼軸線(xiàn)方向，向內(nèi)作用到橋殼上。具體分析如下:

其中:r為驅(qū)動(dòng)橋輪胎動(dòng)力半徑;σ3為F4產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力;W4為內(nèi)軸承受力面的抗彎截面模量;S5為內(nèi)軸承受力面的面積;τ2為內(nèi)軸承受力面上F5產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

在叉車(chē)側(cè)滑工況下，橋殼最大應(yīng)力出現(xiàn)在橋殼安裝內(nèi)軸承安裝處。

按照第四理論強(qiáng)度，內(nèi)軸承受力面受到的總應(yīng)力為:

(4)叉車(chē)受到?jīng)_擊工況

當(dāng)叉車(chē)滿(mǎn)載運(yùn)行，越過(guò)前方的障礙時(shí)，叉車(chē)會(huì)受到動(dòng)載荷的沖擊，一般取動(dòng)載系數(shù)為:2.5［4］。橋殼承受由車(chē)輪傳來(lái)的路面反沖擊力:F6，F(xiàn)6產(chǎn)生一個(gè)彎矩:M6作用到扇形板支撐面上，M6=F6×L1，扇形板支撐面產(chǎn)生的應(yīng)力:

因此，叉車(chē)在沖擊該工況下，橋殼的最大應(yīng)力出現(xiàn)在橋殼安裝扇形板處。

2 驅(qū)動(dòng)橋主要參數(shù)

驅(qū)動(dòng)橋主要參數(shù)如表1匯總。

表1

3 驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元模型、加載、邊界條件

使用商業(yè)有限元軟件:ANSA和 ABAQUS［6］，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行多工況的有限元?jiǎng)倧?qiáng)度分析。ANSA為前處理軟件，用來(lái)劃分橋殼網(wǎng)格，ABAQUS為求解器［7］，得到計(jì)算結(jié)果，具體分析步驟如下:

1)利用Pro/E建立三維模型，模型圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)橋橋殼三維模型

2)將模型導(dǎo)入ANSA進(jìn)行前處理，消除幾何模型中可能存在的缺陷。然后生成四面體面網(wǎng)格，用網(wǎng)格自檢工具，調(diào)整網(wǎng)格密度，在驅(qū)動(dòng)橋和軸承接觸的地方和驅(qū)動(dòng)橋和扇形板接觸的地方加大網(wǎng)格的密度，生成 drive.inp 文件［8］，如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)橋橋殼網(wǎng)格模型

3)將生成的drive.inp文件導(dǎo)入到ABAQUS求解器里面［9］，檢查橋殼體的質(zhì)量。共有131 066個(gè)單元，即有131 066個(gè)四面體。通過(guò)電腦自檢，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題和錯(cuò)誤的網(wǎng)格，就認(rèn)為這個(gè)網(wǎng)格劃分是成功的，可以用來(lái)分析計(jì)算。具體如圖5。

圖5 驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元模型

4)在ABAQUS求解器里面定義橋殼如表2物理量。

表2

5)分別添加扇形板，軸承，主減簡(jiǎn)化模型，按照1.2.2節(jié)叉車(chē)四種工況下，橋殼受力情況加載，在扇形板的內(nèi)側(cè)面(和車(chē)間接觸面)設(shè)置成位移約束，生成圖6。

圖6

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 滿(mǎn)載，最大牽引力工況

圖7 最大牽引工況，橋殼綜合應(yīng)力

圖8 最大牽引工況，橋殼位移

4.2 滿(mǎn)載，緊急制動(dòng)工況

圖9 滿(mǎn)載，緊急制動(dòng)工況，橋殼綜合應(yīng)力

圖10 滿(mǎn)載，緊急制動(dòng)工況，橋殼位移

4.3 側(cè)滑(滿(mǎn)載高速急轉(zhuǎn)彎)工況

圖11 側(cè)滑(滿(mǎn)載高速急轉(zhuǎn)彎)工況，橋殼應(yīng)力

圖12 側(cè)滑(滿(mǎn)載高速急轉(zhuǎn)彎)工況，橋殼位移

4.4 2.5倍滿(mǎn)載沖擊(通過(guò)障礙物)工況

圖13 2.5倍滿(mǎn)載沖擊(通過(guò)障礙物)工況，橋殼應(yīng)力

圖14 2.5倍滿(mǎn)載沖擊(通過(guò)障礙物)工況，橋殼位移

5 結(jié)論

以上四種工況，橋殼剛強(qiáng)度特性總結(jié)如表3。

表3

圖7、9、11、13 顯示，橋殼在四種典型工況下，危險(xiǎn)截面，即最大應(yīng)力位置分別為:橋殼安裝扇形板處、橋殼安裝扇形板處、橋殼安裝內(nèi)軸承安裝處、橋殼安裝扇形板處。對(duì)比1.2.2節(jié)中，四種工況，橋殼受力分析，最大應(yīng)力位置有限元分析結(jié)果和經(jīng)典力學(xué)分析結(jié)果一致。

對(duì)比圖 7、9、11、13，4-5t內(nèi)燃叉車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼，在四種典型的工況下面，橋殼的最大應(yīng)力出現(xiàn)在叉車(chē)側(cè)滑(滿(mǎn)載高速急轉(zhuǎn)彎)工況，最大的應(yīng)力位置出現(xiàn)在橋殼固定內(nèi)軸承處。該工況下面，橋殼的最大應(yīng)力值為299.8 MPa，其值小于橋殼材料(QT500-7)的許用應(yīng)力［σs］，［σs］=320 MPa。

對(duì)比圖 7、9、11、13，4-5t內(nèi)燃叉車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼，在四種典型的工況下面，橋殼的最大位移出現(xiàn)在叉車(chē)側(cè)滑(滿(mǎn)載高速急轉(zhuǎn)彎)工況，最大的位移位置出現(xiàn)在橋殼牙包和套管結(jié)合處。該工況下面，橋殼的最大位移值為1.2 mm，驅(qū)動(dòng)橋的輪距為1 190 mm，每米輪距變形量為1.2 mm/1.19 m=1 mm/m，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋承受滿(mǎn)載負(fù)荷時(shí)，橋殼最大變形量不超過(guò)1.5 mm/m。因此，4-5t內(nèi)燃叉車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼的每米輪距的變形量小于國(guó)標(biāo)規(guī)定值。

綜上所述，4-5t內(nèi)燃叉車(chē)驅(qū)動(dòng)橋橋殼的剛強(qiáng)度滿(mǎn)足叉車(chē)在四種典型工況下的使用要求。驅(qū)動(dòng)橋橋殼的剛強(qiáng)度計(jì)算，是叉車(chē)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分。用經(jīng)典力學(xué)理論和有限元結(jié)合的計(jì)算方法，分析驅(qū)動(dòng)橋橋殼的剛強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果全面詳盡，又高效。這套新的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)得到同行的認(rèn)可，并在叉車(chē)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

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