叉車內(nèi)門架力學分析

高 晶，郭建平

（國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 120100）

叉車內(nèi)門架力學分析

高 晶，郭建平

（國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 120100）

1 叉車及內(nèi)門架的結(jié)構(gòu)

叉車主要由車架、起升貨架、液壓系統(tǒng)等幾部分組成，叉車車體前方為兩條帶小車輪的支腿向前伸出，貨叉位于2支腿之間。

叉車門架主要由內(nèi)門架和外門架組成。它一方面支承起升油缸，從而承受貨物重力等垂直力P；另一方面，貨物給貨叉的力矩，通過起升貨架傳給門架立柱，使門架立拄承受縱向彎矩M，叉車內(nèi)門架由左右2根立柱及上下橫梁焊接而成。叉車內(nèi)門架立柱既承受彎矩，又作為起升機構(gòu)滾輪運動的導(dǎo)軌，它的橫截面形狀可為工字形、槽形、J型、L型等異形截面。

2 叉車內(nèi)門架的力學分析與計算

從內(nèi)門架受力分析（圖1）可以看到內(nèi)門架受到的外載荷作用如下。

圖1 內(nèi)門架受力分析

1）貨架滾輪作用于內(nèi)門架立柱翼緣的成對集中力偶(NI和NIII，NII和NIV)及滾輪摩擦力fi(i＝ 1～4)；因每個滾輪摩擦力值較小，在計算中可以忽略。

2）外門架立柱反作用于內(nèi)門架滾輪的成對集中力偶(NV和NVII，NVI和NVIII)及滾輪運動阻力fj（j＝5～8)；因每個滾輪摩擦力fj值較小，在計算中可以忽略。

3）起升油缸推動內(nèi)門架上升時對內(nèi)門架的作用力F。

4）內(nèi)門架自重F1。

為考慮貨物在貨架上偏置的情況，對于焊接貨架，計入偏載系數(shù)M。

其計算載荷為

Q計=MQ （1）

式中 M—貨物偏載系數(shù)，M=1.1～1.3。

貨架的受力分析如圖2a所示，根據(jù)力矩平衡可得滾輪Ⅰ～Ⅷ的滾輪壓力大小為

圖2 貨架和鏈輪受力分析

由于e值很小，通常計算中，將Se項忽略不計。故滾輪Ⅰ～Ⅷ的滾輪壓力大小為

為了計算內(nèi)門架滾輪壓力，單獨取內(nèi)門架為自由體，其受力分析如圖1所示，根據(jù)力矩平衡可得滾輪礦Ⅴ～Ⅷ上的壓力大小為

3 內(nèi)門架立柱的強度計算

3.1 整體彎曲應(yīng)力分析

計算時可先依據(jù)內(nèi)門架的具體構(gòu)造，把它簡化為框架形狀。在所取框架簡圖上加上各個作用力，就構(gòu)成了計算簡圖(圖3)。它以內(nèi)門架滾輪V～VIII為支座，貨架滾輪I～IV的輪壓力為外載荷?？梢园阉纸鉃?個平面剛架的疊加：一個承受對稱作用力系，另一個承受反對稱作用力系，然后分別對它們用力法求解。

圖3 內(nèi)門架載荷簡圖

對稱作用力只引起彎矩，反對稱作用力既產(chǎn)生彎矩又產(chǎn)生扭矩。具體計算可參照結(jié)構(gòu)力學進行。計算結(jié)果表明，反對稱力對框架產(chǎn)生的彎矩要比對稱力產(chǎn)生的彎矩小得多，約是對稱力所產(chǎn)生彎矩的20%，簡化計算時可忽略。

內(nèi)門架立柱整體受到的彎矩MX(Nm)，彎曲正應(yīng)力σW為

式中 WX——計算橫截面的抗彎截面模量，m3。

3.2 門架立柱的約束扭矩應(yīng)力分析

在內(nèi)門架立柱的約束扭轉(zhuǎn)計算中，可將左、右立柱作為經(jīng)受外轉(zhuǎn)矩作用的受約束的開口薄壁桿件分別單獨進行計算。對于內(nèi)門架的計算模型因其頂梁比較堅固，故可簡化為一端簡支一端全受有4個由滾輪力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M1～M4，如圖4所示。

圖4 雙力矩圖

內(nèi)立柱截面中的雙力矩B方程式

式中 Mi—作用于內(nèi)門架立柱上的扭矩；

l—內(nèi)門架立柱長度；

K—內(nèi)門架立柱截面的約束扭矩特性，

G—材料的剪切彈性模量，MPa；

E—材料的抗彎彈性模量，MPa；

IK—截面自由扭轉(zhuǎn)慣性矩，

bt—內(nèi)門架立柱截面各部分的長度，m；

tt—門架立柱截面各部分的厚度；

a— 系數(shù)，對軋制工字型截面a=1.20；對焊接工字型截面a=1.50；

IW—面扇形慣性矩，m4；

δi— 考慮i點的計算截面相對于原點位置的系數(shù)，當Z＞Zi時，δi=1；當Z＜Zi時，δi=0；

Z—計算截面至坐標原點的距離；

Zi— 門架滾輪壓力引起的外扭矩作用位置在Z軸上的坐標；

Sh—雙曲線正弦值。

內(nèi)門架立柱的約束正應(yīng)力為

式中 Bmax——內(nèi)門架立柱的最大雙力矩，Nm；

Iw——內(nèi)門架立柱截面的扇形慣性矩，m6；

w——內(nèi)門架立柱截面計算點的扇形坐標。

3.3 門架立柱的組合應(yīng)力分析

由以上分析可知，其分項應(yīng)力有整體彎曲正應(yīng)力σW、約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力σw，其組合應(yīng)力為

σ組合=σW+σw≤[σ] （8）

3.4 門架立柱的接觸應(yīng)力分析

門架立柱在滾輪壓力的作用下，除產(chǎn)生上述的各項應(yīng)力外，在滾輪和立柱翼緣相接觸的表面還產(chǎn)生接觸應(yīng)力。擠壓應(yīng)力可用下式計算

式中 R——滾輪的半徑，m；

Pmax——滾輪的最大輪壓力，N；

L—滾輪的厚度，m；

K1，K2，—系數(shù)，可近似的認為

μ—材料的泊松比；

E—材料的彈性模量，Pa；

[σ]— 許用接觸應(yīng)力，對常用的鋼25MnV, 取600MPa。

4 結(jié) 語

綜上所述，通過對叉車內(nèi)門架整體彎曲應(yīng)力分析，內(nèi)門架立柱的約束扭矩應(yīng)力分析，內(nèi)門架立柱的組合應(yīng)力校核，內(nèi)門架立柱的接觸應(yīng)力校核，提供了叉車內(nèi)門架進行強度校核的理論計算方法，供設(shè)計人員參考。

（編輯 于 洋）

Mechanical analysis of forklift inner portal

GAO Jing, GUO Jian-ping

［中圖分類號］U294.27+2

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0055-03

［收稿日期］2015-04-09