叉车护顶架结构设计及安全性能研究

廖春琴

摘   要：由于我国的叉车结构设计方面都十分单一，同时在结构振动方面缺乏全面、系统地考虑，这就造成了叉车在实际工作过程中，容易出现非常明显的振动，这一问题在国外同类产品里面是很少出现的，差距一目了然。叉车在当今工程建设、运输、道路、交通、水电等方面运用得非常广泛，起到了关键性的作用。对叉车构成进行分析，护顶架的主要作用主要是为了保护驾驶员的安全，因此其结构的安全性十分重要。该文将对叉车护顶架结构设计及其安全性能进行研究。

关键词：叉车护顶架;结构设计;安全性能

中图分类号：TH113   文献标志码：A

1 叉车护顶架结构设计方案

1.1 设计要求

在叉车运行的过程中，叉车护顶架的主要功能就是防止货物突然跌落可能对驾驶员造成的损伤。根据《工业车辆 护顶架 技术要求和试验方法》的规定，叉车制造厂家在生产制造的过程中，必须要进行动态和静态试验，保证其护顶架满足其他各项功能的要求，确保驾驶员的人身安全。

在叉车护顶架结构设计的过程中，要对其结构特点进行精准把握，明确其受力点以及核心结构件，在整体分析的基础上，进行结构件的优化，同时产品制造的经济性也是需要重点考虑的因素之一。需要特别注意的是，不同吨位不同型号系列的叉车，其安全棚的尺寸也存在一定的差异性，这使实际结构设计中遇到的问题也有所区别。

1.2 现有结构及安全性能分析

该文选取圆管型材叉车护顶架结构作为范例，对其结构进行了全新的设计。目前圆管型材的护顶架一般都是采用了4根支撑腿，而且属于圆形薄壁型材。圆管外径为50 mm，壁厚为3 mm，使用Q235材料制成。同时，设置有左右等距离分布的5根横梁。支撑腿和车架之间采用焊接的方式进行连接固定。

可以以ISO6055，也就是《工业车辆护顶架技术要求和试验方法》为标准，来对叉车的安全性能进行测试。具体的测试类型为动载试验，选择一定质量和体积的正方体形成载块进行测试，一直提升至叉车护顶架上面1.5 m的位置，然后降落下来，落点可以安排到驾驶员座椅位的正上面及其周边600 mm直径圆范围内。结合10次下落试验数据来看，当落点处于垂直正上方时，会出现较为显著的变形，已经会对驾驶员安全产生威胁，有必要进行安全性能优化设计。

1.3 顶棚设计

顶棚是叉车运行过程中，跌落物撞击的直接受力部件，基于圆形管材叉车护顶架的实际情况，共提出了2种结构设计优化方案。

其一，对顶棚功能区域进行深度细分，分成前后2个。横梁部分使用了3个以上的方管或者扁钢，这样可以尽可能地确保中间区域的强度。顶棚后半部分进行完全封闭式设计。

其二，选用田字形布局方式，进行完全镂空设计。横梁依旧选用的是3个以上的方管或者扁钢，根据前面、中部、后方的布局顺序进行设置，纵梁主要选择的是树根扁钢，形成一种前后分别拉伸结构体系。

为了确定最终方案，对上述2种方案进行了比对，首先，方案一加强了对横梁强度的程度，让叉车的安全性能得到了更大提升。再就是前方采用了镂空设计方案，这样可以让驾驶员的视野更加开阔，不会造成盲区。后面采取的是全封闭形式的设计方案，则使安全防护的全面性更强。但是其结构相对较为复杂，且对工艺的要求较高。而方案二由于结构简单，装配焊接的难度偏低，但对小体积落物的防护力度则稍显不足。综合分析后选择了方案一。

1.4 支撑腿设计

叉车护顶架支撑腿设计的要点在于3个方面，首先，支撑管型材的选择。该文拟定了3种厚度、形状、直径不同的备选型材方管。通过对三种型材受力性能的模拟比对来看，在施加力量相同的情况下，第一种型材的屈服应力和变形量分别是394.55 MPa以及16.553 mm，远低于型材二和型材三。这说明型材一的受力性能更加优越，因此选择其作为支撑腿的材料。

其次，在支撑管折弯角度设计中，需要充分考虑到实际生产中可能会出现的的管坯截面畸变现象，这就需要设计人员对弯折工艺过程中造成畸变对整体的影响进行把握]。根据目前常用的芯冷拉弯工艺，模具型芯可以在弯曲过程中对管壁起到一定的支撑作用。综合工艺水平和实际折弯效果，将其折弯内圆角定为R270 mm。

最后，支撑腿后撑座设计。综合变形、外观等方面的要求后，重新对支撑腿后面的支撑组建进行了设计，同时在支撑组建上面安装了一个内嵌套管，主要使用的是厚度为10 mm规格的板材拼接以后进行焊接制成的。

1.5 叉车顶棚到支撑腿之间的安装方式

进行叉车制造过程中，对叉车的顶棚到支撑腿之间的安装方式有很多，该文根据圆管型材叉车护顶架结构设计要求提出了以下2种方案，分别是完全焊接式安装以及螺栓连接安装。综合分析上述2种方案的优缺点之后，发现方案二使用螺栓将顶棚和各个支撑腿之间连接起来的方式虽然在操作上较为方便，但是却容易留下隐患。例如，为了固定螺栓，需要在纵梁和支撑腿的接触部位开出工艺圆孔，这会对纵梁的整体性能造成影响。因此综合考虑后，最终选择了方案一。

2 叉车护顶架安全性能的改进方案

2.1 落物碰撞时的安全状态

第一，对叉车护顶架模型进行简化。叉车护顶架在遭遇碰撞时会在结构上产生较大的变形，因为非线性变化在计算上难度比较大，如果想要减少计算量和技术的难度，可以对其结构进行适当简化，以此为依据绘制三维图。

碰撞实验采用的是质量为45 kg的铁质重物，结合落物高度计算出其与叉车护顶架接触时的速度大约为5.4 m/s。该次实验一共设定了10个落点，第一次落点设置在驾驶员座椅的垂直正上方，测点则选取了14个。

经过显示动力计算分析落点在每一处的最大位移距离，之后将改进前后的叉车数据进行对比，计算测点的位移大小。为叉车护顶架结构改进前的位移仿真数据。

通过统计表里的相关数据我们可以指导，对叉车护顶架结构进行改进之后，变形量比之前平均可以至少减少0.45 mm，可见其安全性能经过改进实现了有效的提升。

2.2 改进后安全性能分析

首先，在侧向承载和能量载荷方面，根据侧向力加载后的方针计算结果来看，发生的位移为3.058 mm，不会对人体造成威胁。同时结合叉车护顶架侧向能量荷载分析，以公式15000×（M/10000）1.25计算得出的能量为6 306 J，而其重量为 5 000 kg，可以满足侧向能量载荷的要求。

其次，在纵向载荷和能量荷载方面，根据公式F=68000×（M/10000）1.2计算得出的其纵向力结果是29.6 kN，通过这个结果我们可以看到，尽管叉车的护顶架出现了明显的变形，但是落物不能够对驾驶员产生非常大的安全威胁，不会落到驾驶员的位置上。

最后，在垂直承载能力方面，叉車翻车时护顶架必须满足常在整车重量的能力，根据公式F=2Mg计算为100 kN。根据垂直力仿真计算，加载后发生的最大位移为13.58 mm，不会威胁到驾驶员。

3 结语

综上所述，该文以圆管型材叉车护顶架为例进行了结构设计优化改进，并通过动载试验、冲击下落试验等验证了其安全性能，对于我国叉车生产制造的发展可以起到一定的推动作用。

参考文献

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