高速伸縮臂叉車整體車架受力分析

王勇， 王丹， 劉珂

（32181部隊，西安 710032）

0 引 言

高速伸縮臂叉車[1-2]是一種在特殊環(huán)境條件下使用的裝卸搬運設備，相對于普通及市面上通用的伸縮臂叉裝車而言，高速伸縮臂叉車主要用于特殊環(huán)境、沙灘、泥濘、山區(qū)及無路狀態(tài)下不平路面區(qū)域裝卸搬運所需物資，具有通常意義下的越野作業(yè)功能，是一種新型多功能物料搬運設備。一方面，它是普通搬運設備，將汽車起重機的伸縮臂結構形式與普通傳統(tǒng)叉車[3]的裝卸搬運功能有機結合起來，可以通過不斷改變其伸縮臂長度和角度的方法來達到要求的作業(yè)高度和距離，配合不同的作業(yè)屬具，能夠以叉車、起重機、高空作業(yè)車等多種模式，完成所需單元物資的裝卸搬運、高空或跨障作業(yè)[4]；另一方面，它又具備汽車的基本功能，可根據(jù)實際作業(yè)工況場地及完成物料裝卸搬運所需時間進行綜合衡量，啟用高速行駛功能時能夠達到85 km/h的速度，具備公路上跟隨運輸車隊行進的速度要求[5-6]。

高速伸縮臂叉車要滿足低速裝卸搬運設備與高速汽車[7]兩方面的特殊用途，整體設計階段需要綜合考慮裝卸搬運機械和汽車兩方面的功能需求，特別是整車車架是整體設計的基礎和主要關鍵件，對于車架材料的選取、車架結構形狀及受力情況應該放到第一需求高度進行考量，在初始設計階段就要采用三維設計軟件進行各個結構的有限元模型受力分析，通過優(yōu)化設計，達到優(yōu)化整體車架結構尺寸和自重的效果[5]。

1 整體車架材料的基本參數(shù)

高速伸縮臂叉車整體車架設計[8-9]要考慮各種結構形狀的合理規(guī)劃和材料所受應力應變情況。這是因為車架是整個設備的基礎，是發(fā)動機、變速箱、工作裝置等各個部件的承重體，因此要重點考慮車架的選用材料、車架的結構形狀優(yōu)化和整體車架受力分析情況。

通過類比法并參考通用伸縮臂叉車的材料選用原則，高速伸縮臂叉車根據(jù)所用特殊環(huán)境對設備受力可能產(chǎn)生的影響等要求，設計階段整車車架及工作裝置選用的材料相同，整體車架選用材料[10]的基本參數(shù)如下：材料牌號為Q690D，當厚度δ≤16 mm時，屈服點σs=690 MPa，抗拉強度σb=770～940 MPa；當厚度δ=16～40 mm時；屈服點σs=670 MPa，抗拉強度σb=770～940 MPa[5]。

2 整體車架結構形狀優(yōu)化設計

高速伸縮臂叉車整體車架設計階段根據(jù)各種使用工況可設計3種結構供選擇，分別為整體車架初始原本結構，整體車架局部加高結構，整體車架加厚，局部加高結構。下面對3種車架結構分別進行有限元建模和應力應變分析[11-12]，根據(jù)分析計算結果選擇合理的整體車架結構。

2.1 3種車架結構有限元模型

3種車架結構有限元模型如圖1～圖3所示。

2.2 3種車架結構應力、應變云圖

3種車架結構結構應力、應變云圖如圖4～圖6所示。根據(jù)上述3種整體車架結構形狀的有限元分析，計算結果如下：

1）初始原本結構：最大應力σMAX=643 MPa，最大應變δMAX=28 mm。2）局部加高結構：最大應力σMAX=337 MPa，最大應變δMAX=6.08 mm。3）整體加厚、局部加高結構：最大應力σMAX=250 MPa，最大應變δMAX=5.32 mm。

根據(jù)計算結果，整體車架結構形狀優(yōu)化采用整體加厚、局部加高結構，可以在滿足選用車架材料設計要求情況下，整體車架結構形狀的強度剛度變化量最小。

圖1 整體車架初始原本結構

圖2 整體車架局部加高結構

圖3 整體車架加厚、局部加高結構

圖4 整體車架初始原本結構應力應變云圖

上述優(yōu)化結果是采用多個初始邊界條件反復進行模擬計算得出的結論。

3 整體車架受力分析

高速伸縮臂叉車由于伸縮臂工作裝置的特殊性，伸縮臂有伸出與收回等多個作業(yè)工況，對整體車架的受力影響作用也不一樣，因此，本文重點考慮極限作業(yè)工況下，高速伸縮臂叉車處于最大負載情況下整體車架極限受力情況[11-12]，考慮到上述在極限作業(yè)受力工況下，只要初始邊界條件設置合理，模型數(shù)據(jù)通過試驗采集真實可靠，反復計算結果都能說明整體車架的有限元應力計算小于材料的許用應力，從設計角度出發(fā)，就能達到優(yōu)化整體車架結構尺寸和自重的效果。

圖5 整體車架局部加高結構應力應變云圖

圖6 整體車架加厚、局部加高結構應力應變云圖

最大負載工況下整體車架的有限元模型如圖7所示。

圖7 最大負載作業(yè)時整體車架有限元模型

最大負載作業(yè)工況下整體車架的應力云圖如圖8所示。由圖8可知，最大負載工況下，整體車架的最大應力為322 MPa，小于材料的許用應力，滿足設計要求。

圖8 最大負載作業(yè)時整體車架應力云圖

4 結 論

通過上述三維仿真模擬分析及有限元模型分析計算，設計階段的高速伸縮臂叉車[13]整體車架結構形狀優(yōu)化設計及受力分析計算材料選用，根據(jù)經(jīng)驗值選擇的材料為Q690D，屈服極限為690 MPa。

通過有限元模型應力應變分析計算表明：高速伸縮臂叉車整體車架結構形狀優(yōu)化設計及受力分析設計所選用的材料符合設計要求[14]，為設備的生產(chǎn)、檢驗及驗收提供了參考依據(jù)[15]。后續(xù)實際加工、生產(chǎn)、制造，可選用上述計算結果對相應的樣機檢測進行驗證參考。