叉車護頂架結構設計及安全性能研究

廖春琴

摘 ? 要：由于我國的叉車結構設計方面都十分單一，同時在結構振動方面缺乏全面、系統地考慮，這就造成了叉車在實際工作過程中，容易出現非常明顯的振動，這一問題在國外同類產品里面是很少出現的，差距一目了然。叉車在當今工程建設、運輸、道路、交通、水電等方面運用得非常廣泛，起到了關鍵性的作用。對叉車構成進行分析，護頂架的主要作用主要是為了保護駕駛員的安全，因此其結構的安全性十分重要。該文將對叉車護頂架結構設計及其安全性能進行研究。

關鍵詞：叉車護頂架;結構設計;安全性能

中圖分類號：TH113 ? 文獻標志碼：A

1 叉車護頂架結構設計方案

1.1 設計要求

在叉車運行的過程中，叉車護頂架的主要功能就是防止貨物突然跌落可能對駕駛員造成的損傷。根據《工業車輛 護頂架 技術要求和試驗方法》的規定，叉車制造廠家在生產制造的過程中，必須要進行動態和靜態試驗，保證其護頂架滿足其他各項功能的要求，確保駕駛員的人身安全。

在叉車護頂架結構設計的過程中，要對其結構特點進行精準把握，明確其受力點以及核心結構件，在整體分析的基礎上，進行結構件的優化，同時產品制造的經濟性也是需要重點考慮的因素之一。需要特別注意的是，不同噸位不同型號系列的叉車，其安全棚的尺寸也存在一定的差異性，這使實際結構設計中遇到的問題也有所區別。

1.2 現有結構及安全性能分析

該文選取圓管型材叉車護頂架結構作為范例，對其結構進行了全新的設計。目前圓管型材的護頂架一般都是采用了4根支撐腿，而且屬于圓形薄壁型材。圓管外徑為50 mm，壁厚為3 mm，使用Q235材料制成。同時，設置有左右等距離分布的5根橫梁。支撐腿和車架之間采用焊接的方式進行連接固定。

可以以ISO6055，也就是《工業車輛護頂架技術要求和試驗方法》為標準，來對叉車的安全性能進行測試。具體的測試類型為動載試驗，選擇一定質量和體積的正方體形成載塊進行測試，一直提升至叉車護頂架上面1.5 m的位置，然后降落下來，落點可以安排到駕駛員座椅位的正上面及其周邊600 mm直徑圓范圍內。結合10次下落試驗數據來看，當落點處于垂直正上方時，會出現較為顯著的變形，已經會對駕駛員安全產生威脅，有必要進行安全性能優化設計。

1.3 頂棚設計

頂棚是叉車運行過程中，跌落物撞擊的直接受力部件，基于圓形管材叉車護頂架的實際情況，共提出了2種結構設計優化方案。

其一，對頂棚功能區域進行深度細分，分成前后2個。橫梁部分使用了3個以上的方管或者扁鋼，這樣可以盡可能地確保中間區域的強度。頂棚后半部分進行完全封閉式設計。

其二，選用田字形布局方式，進行完全鏤空設計。橫梁依舊選用的是3個以上的方管或者扁鋼，根據前面、中部、后方的布局順序進行設置，縱梁主要選擇的是樹根扁鋼，形成一種前后分別拉伸結構體系。

為了確定最終方案，對上述2種方案進行了比對，首先，方案一加強了對橫梁強度的程度，讓叉車的安全性能得到了更大提升。再就是前方采用了鏤空設計方案，這樣可以讓駕駛員的視野更加開闊，不會造成盲區。后面采取的是全封閉形式的設計方案，則使安全防護的全面性更強。但是其結構相對較為復雜，且對工藝的要求較高。而方案二由于結構簡單，裝配焊接的難度偏低，但對小體積落物的防護力度則稍顯不足。綜合分析后選擇了方案一。

1.4 支撐腿設計

叉車護頂架支撐腿設計的要點在于3個方面，首先，支撐管型材的選擇。該文擬定了3種厚度、形狀、直徑不同的備選型材方管。通過對三種型材受力性能的模擬比對來看，在施加力量相同的情況下，第一種型材的屈服應力和變形量分別是394.55 MPa以及16.553 mm，遠低于型材二和型材三。這說明型材一的受力性能更加優越，因此選擇其作為支撐腿的材料。

其次，在支撐管折彎角度設計中，需要充分考慮到實際生產中可能會出現的的管坯截面畸變現象，這就需要設計人員對彎折工藝過程中造成畸變對整體的影響進行把握]。根據目前常用的芯冷拉彎工藝，模具型芯可以在彎曲過程中對管壁起到一定的支撐作用。綜合工藝水平和實際折彎效果，將其折彎內圓角定為R270 mm。

最后，支撐腿后撐座設計。綜合變形、外觀等方面的要求后，重新對支撐腿后面的支撐組建進行了設計，同時在支撐組建上面安裝了一個內嵌套管，主要使用的是厚度為10 mm規格的板材拼接以后進行焊接制成的。

1.5 叉車頂棚到支撐腿之間的安裝方式

進行叉車制造過程中，對叉車的頂棚到支撐腿之間的安裝方式有很多，該文根據圓管型材叉車護頂架結構設計要求提出了以下2種方案，分別是完全焊接式安裝以及螺栓連接安裝。綜合分析上述2種方案的優缺點之后，發現方案二使用螺栓將頂棚和各個支撐腿之間連接起來的方式雖然在操作上較為方便，但是卻容易留下隱患。例如，為了固定螺栓，需要在縱梁和支撐腿的接觸部位開出工藝圓孔，這會對縱梁的整體性能造成影響。因此綜合考慮后，最終選擇了方案一。

2 叉車護頂架安全性能的改進方案

2.1 落物碰撞時的安全狀態

第一，對叉車護頂架模型進行簡化。叉車護頂架在遭遇碰撞時會在結構上產生較大的變形，因為非線性變化在計算上難度比較大，如果想要減少計算量和技術的難度，可以對其結構進行適當簡化，以此為依據繪制三維圖。

碰撞實驗采用的是質量為45 kg的鐵質重物，結合落物高度計算出其與叉車護頂架接觸時的速度大約為5.4 m/s。該次實驗一共設定了10個落點，第一次落點設置在駕駛員座椅的垂直正上方，測點則選取了14個。

經過顯示動力計算分析落點在每一處的最大位移距離，之后將改進前后的叉車數據進行對比，計算測點的位移大小。為叉車護頂架結構改進前的位移仿真數據。

通過統計表里的相關數據我們可以指導，對叉車護頂架結構進行改進之后，變形量比之前平均可以至少減少0.45 mm，可見其安全性能經過改進實現了有效的提升。

2.2 改進后安全性能分析

首先，在側向承載和能量載荷方面，根據側向力加載后的方針計算結果來看，發生的位移為3.058 mm，不會對人體造成威脅。同時結合叉車護頂架側向能量荷載分析，以公式15000×（M/10000）1.25計算得出的能量為6 306 J，而其重量為 5 000 kg，可以滿足側向能量載荷的要求。

其次，在縱向載荷和能量荷載方面，根據公式F=68000×（M/10000）1.2計算得出的其縱向力結果是29.6 kN，通過這個結果我們可以看到，盡管叉車的護頂架出現了明顯的變形，但是落物不能夠對駕駛員產生非常大的安全威脅，不會落到駕駛員的位置上。

最后，在垂直承載能力方面，叉車翻車時護頂架必須滿足常在整車重量的能力，根據公式F=2Mg計算為100 kN。根據垂直力仿真計算，加載后發生的最大位移為13.58 mm，不會威脅到駕駛員。

3 結語

綜上所述，該文以圓管型材叉車護頂架為例進行了結構設計優化改進，并通過動載試驗、沖擊下落試驗等驗證了其安全性能，對于我國叉車生產制造的發展可以起到一定的推動作用。

參考文獻

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