基于SolidWorks 二級(jí)自由提升叉車門架的設(shè)計(jì)

符永映

（桂林明富機(jī)器人科技有限公司，廣西 桂林 541199）

0 引言

叉車門架的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)叉車系統(tǒng)的安全性和可靠性。門架的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)形式，是根據(jù)其功能和機(jī)構(gòu)的需求，一般采用經(jīng)典力學(xué)和半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或者類比法等傳統(tǒng)形式，要結(jié)合進(jìn)行循環(huán)式試驗(yàn)設(shè)計(jì)，來(lái)滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。以上設(shè)計(jì)形式存在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)存在成本高、周期長(zhǎng)、反復(fù)多、精度差、重量不好控制等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在研發(fā)過(guò)程中缺失仿真分析的步驟，僅依靠設(shè)計(jì)工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或以往的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來(lái)后，進(jìn)行試制生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)，等測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后才不斷的改進(jìn)，此過(guò)程既浪費(fèi)的人力物力財(cái)力，又無(wú)形中延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期[1]。隨著對(duì)環(huán)保和能源等因素對(duì)其性能及品質(zhì)要求也日益提高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)輕量化設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化等因素的優(yōu)化需求[2]。企業(yè)若要提高今后的產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)行有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)可以大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短研發(fā)周期。國(guó)外企業(yè)有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)運(yùn)用多年，已經(jīng)是形成常態(tài)化。國(guó)內(nèi)企業(yè)才剛剛起步，方興未艾。

1 門架建模

自由提升門架是一種自由提升門架是為了滿足有空間限制的環(huán)境作業(yè)需要而設(shè)計(jì)的[3]。在一定的高度內(nèi)可以進(jìn)行貨物裝卸的一種新式門架。目前兩級(jí)自由提升叉車門架一般是由一個(gè)中置油缸和兩個(gè)邊置油缸來(lái)接力完成舉升的。其傳動(dòng)部分相當(dāng)于一個(gè)倒置的動(dòng)滑輪，鏈條的一端固定另一工作端。以2.5t 自由提升門架為例說(shuō)明，門架由外門架、內(nèi)門架、貨叉架、貨叉、提升滾輪組、提升鏈條、貨叉架提升油缸、內(nèi)門架提升油缸等組成，如圖1 所示。外門架的作用是承接整個(gè)門架和貨物的重力，連接至設(shè)備支架。內(nèi)門架可在其導(dǎo)軌槽內(nèi)上下滑動(dòng)。構(gòu)件組成如圖2 所示，門架槽鋼常用材料20MnSiV、Q335B、16Mn、40Cr 等。利用SolidWorks 軟件對(duì)外門架零件進(jìn)行建模后，完成裝配。

圖1 兩級(jí)自由提升門架結(jié)構(gòu)圖

圖2 外門架結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)門架作用是承載貨叉架和貨物的重力，讓貨叉架可在其導(dǎo)軌槽內(nèi)上下滑動(dòng)，它可以在外門架上下滑動(dòng)，通過(guò)提升油缸可以升高一定的距離，加高門架的作用[4]。構(gòu)件組成如圖3 所示，內(nèi)門架槽鋼一般常用材料20MnSiV、Q335B、16Mn、40Cr 等。利用SolidWorks軟件對(duì)內(nèi)門架零件進(jìn)行建模后，完成裝配。貨叉架的作用是承接整個(gè)門架和貨物的重力，連接至設(shè)備支架。內(nèi)門架可在其導(dǎo)軌槽內(nèi)上下滑動(dòng)，構(gòu)件組成如圖4 所示，貨叉架上下導(dǎo)軌一般常用材料Q335B、40Cr、16Mn、20MnSiV 等。利用SolidWorks 軟件對(duì)貨叉架零件進(jìn)行建模后，完成裝配。

圖3 內(nèi)門架結(jié)構(gòu)圖

圖4 貨叉架結(jié)構(gòu)圖

2 有限元優(yōu)化分析

傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅依靠設(shè)計(jì)工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或在已有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)計(jì)出來(lái)后，進(jìn)行試制生產(chǎn)，然后測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后不斷改進(jìn)，此過(guò)程既浪費(fèi)的人力、物力和財(cái)力，又延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。而基于機(jī)構(gòu)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一邊分析一邊試制，不停迭代產(chǎn)品，達(dá)到最優(yōu)后，才能完成一個(gè)產(chǎn)品周期。而采納了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是在研發(fā)階段就進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得出最佳的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后試產(chǎn)，然后完成一個(gè)產(chǎn)品周期?？梢钥闯龊笳呤亲罴堰x擇。可以縮短開(kāi)發(fā)周期，減少產(chǎn)品迭代次數(shù)。各種研發(fā)對(duì)比如下圖5所示。

圖5 各種研發(fā)形式對(duì)比圖

2.1 門架槽鋼的參數(shù)優(yōu)化

由于受外形尺寸的限制，這里僅對(duì)外門架槽鋼進(jìn)行材質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化舉例。在外形不變的情況下，在simulation 插件中通過(guò)選用多種不同的材質(zhì)下進(jìn)行分析優(yōu)化見(jiàn)表1，最終選擇40Cr 材料后達(dá)到最佳使用的要求。靜應(yīng)力分析如圖6 所示，對(duì)比圖6 兩種材料的應(yīng)力和最大變形可知，最大屈服力提升77.2%，最大位移減少76%，其詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 外門架槽鋼的分析數(shù)據(jù)

圖6 外門架靜應(yīng)力分析圖

不受外形限制的零部件可以用參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行外形輪廓優(yōu)化，在simulation 中對(duì)其結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，內(nèi)門架油缸頂板和外門架上橫梁通過(guò)軟件自動(dòng)參數(shù)優(yōu)化后其結(jié)果如圖7 所示。由7（a）可知，內(nèi)門架油缸頂板厚度從原來(lái)的30 mm 降到25 mm，厚度減少16.7%；頂板直徑從60 mm 降到55 mm，直徑減小7.5%；重量從11.74 kg 降到9.45 kg，重量減輕19.5%；由圖7（b）可知，外門架上橫梁通過(guò)軟件自動(dòng)參數(shù)優(yōu)化后，板寬從原來(lái)的300 mm 降至200 mm，板寬度減少33.3%。厚度從原來(lái)的100 mm 降至50 mm，板厚度減少50%；重量原來(lái)的41.78 kg 降至17.77 kg，重量減輕57.2%。其具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化后前后對(duì)比

圖7 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.2 門架的拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）是指從最大設(shè)計(jì)空間開(kāi)始考慮應(yīng)用的所有載荷[5]，夾具和制造約束，通過(guò)重新分配材料在允許的最大幾何體的邊界內(nèi)，在均勻分布材料的設(shè)計(jì)空間中尋找最佳的分布方案尋求新的材料布局的一種數(shù)學(xué)方法，示意圖詳見(jiàn)圖8。

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

除了門架槽鋼，H 型鋼，專業(yè)上下橫梁不可設(shè)計(jì)部分和不受外形限制的零部件用參數(shù)優(yōu)化，其它選定材質(zhì)的外形受影響零部件可以通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行不影響整體外形的減重優(yōu)化。以下以外門架支座板為例，如圖9 所示，通過(guò)該結(jié)果再返回修改原模型得出新的結(jié)構(gòu)如圖10 所示，既能滿足強(qiáng)度要求，優(yōu)化后零件最大屈服應(yīng)力221 MPa 不變，最大位移幾乎不變，重量從2.68 kg 減小到2.2 kg，重量減輕19.5%。

圖9 外門架支座拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖10 外門架支座拓?fù)鋬?yōu)化前后對(duì)比圖

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)門架槽鋼、H 型鋼、貨叉架的上下橫梁進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從原來(lái)使用Q355B 改成40Cr，在重量不變的情況下，提高了門架的強(qiáng)度，最大屈強(qiáng)度提升了77.2%，最大位移減少76%。

（2）在強(qiáng)度不變的情況下對(duì)其他部件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，減少優(yōu)化部件的厚度，把門架總成的總體重量從696.186 kg 減到了652.566 kg，共減輕了43.62 kg 重量，總重總體減輕6.3%。

（3）改變其研發(fā)形式，提高了研發(fā)與制造的速度，縮短了周期，也為門架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一些思路與方法。