叉车前叉装置的改良设计*

张互杰，张正涛，唐 冶

（安徽工程大学机械工程学院，安徽 芜湖 241000）

自1917年世界首台叉车问世以来，在国内外先进驱动技术的发展与支撑下，叉车的应用与发展早已趋于成熟。高度发达的工业国家物料运输成本很低，说明叉车的应用在现代化工业及智能化降低成本等方面都具有重要意义；然而我国工业起步较晚，在叉车的应用与研发领域竞争力稍弱。由于叉车在工作过程中的操作误差和未知的环境变化，叉车碰撞不可避免，因此叉车的工作安全性、稳定性等问题引起了学者们的广泛关注[1-2]。

2007年，王志强等[3]设计了一种侧面叉车侧板承载框架式车架结构；2016年，孙彬彬等[4]采用ANSYS软件分析了一种叉举式货叉的稳定性；2020年，贺笃贵[5]以林德某叉车为研究对象，开展了在激光引导方式下的自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）叉车性能仿真的研究，由此提供了一种全自动叉车行进路线，并实现工厂无人化的设想；2020年，徐兴[6]提出了在AGV自主转向系统中使用间隔型-2模糊逻辑对双电机进行协调控制，提高了叉车工作的安全性能。

本文应用三维建模软件建立叉车的三维实体模型，提出增加阻尼结构调控叉车前叉系统力学特性，通过Hyperwork有限元分析软件进行静力学分析，为进一步优化叉车前叉结构提供参考。

1 叉车前叉三维实体模型的建立

1.1 前叉三维实体模型的建立

货叉作为托运工具，结构为L型，且拥有垂直段、水平段两部分。垂直段和水平段是一个不可分割的整体结构，有部分叉的垂直段和水平段是分离的两个结构，由销钉链接。叉车一般配备两个结构相同的前叉，采用市场通用的货叉。图1为前叉的三维实体模型图。

图1 前叉的三维实体模型图

1.2 货叉架三维实体模型的建立

叉车工作装置大体分为两部分，即叉取货物的前端装置和升降装置，这两部分是一个较为简单的构件配合。图2为货叉架的三维实体模型图，选取常用叉取货物的前端装置。

图2 货叉架的三维实体模型图

2 阻尼结构三维实体模型的建立

工程中常用的阻尼结构称为阻尼器，其类型繁多，包括弹簧阻尼器（如弹簧减震器）、电磁阻尼器以及液压阻尼器（如液压减振器）等。根据预期目标，本文采用弹簧减震器作为阻尼结构，对叉车系统进行结构优化。叉车前叉工作环境一般属于开放式环境，且考虑到叉车前叉结构，碰撞会产生较大的位移量。因此采用弹簧阻尼器，目的是设计的实际需求与工程的经济性。

当叉车工作时，前叉与货物或货物架发生碰撞，前叉会有较大的位移量，并因弹簧恢复力作用引起小阻尼衰减振动。液压减振器的部分作用是增大振系阻尼比，使系统振动能量减少以便尽快使前叉趋于稳定，就此达到提高人员安全和工作稳定性的预期目的。

在弹簧工作工作过程中产生的恢复力使得液压减振器中的油液反复不停地从内腔通过各类孔隙进入其他腔体，在油液与孔隙之间通过摩擦而获得阻尼力，孔径愈小，流速越快，阻尼力愈大。一般来说，普通的液压阻尼器的工作流程分为舒张行程和压缩行程，受到外部压力时为压缩行程。油液被活塞挤压，提升下腔室油液压力，进而通过流通阀进入上腔室，并产生阻尼力，当上腔室油液压力上升至足以通过压缩阀时，部分油液通过压缩阀进入腔体外部并储存起来，以此缓冲压力并通过压缩阀产生更多的内能，以达到吸能减振的效果。此外，当液压阻尼器受外力拉伸时，腔体油液舒张而产生负压，使得下腔室油液通过伸张阀进入下腔室；当上腔室油液压力降低时，腔体外的液体通过补偿阀回流至下腔室补偿压力[7-8]。油液每次进出阀门，都会因阻尼产生内能减少振动能量，从而使前叉尽快趋于稳定。因此选用一款FOX减震器，图3为其阻尼结构的总装配图。

图3 阻尼结构的总装配图

图4为结构优化前的总装配图；图5为结构优化后的总装配图。根据图4、图5，通过装配约束，得到前叉系统的总装配模型。

图4 结构优化前的总装配图

图5 结构优化后的总装配图

3 静力学的有限元分析

图6为有限元分析流程图，据此设定有限元分析流程。

图6 有限元分析流程图

3.1 网格划分

在进行有限元分析时，网格划分是必不可少的步骤，如果想要得到精确的分析结果，那么要进行的网格划分十分复杂且影响因素颇多，实际进行网格划分时工作量较大。为了实现较高的精确性和合理性，在进行网格划分时，需要参考以下原则：一是为了显著地提高分析的准确性，当网格数目明显过少时，可以适当调整网格数目，而且计算所需时间不会出现线性变化；二是当网格数目爬升至一定数目时，如果进一步增加网格，则对准确性的影响不大，但是计算所需时间却必然会延长，投入与产出不成正比，降低了工作效率，因此要根据预期效果合理地进行网格划分使网格数目效用最大化；三是在实际网格划分时，可以通过对比分析不同网格类型、不同网格数目地网格划分情况所产生的结果，具体探究不同网格类型、不同网格数目对特定求解对象分析结果的影响，以此为依据，确定网格类型、网格数目的选用，以实现效率最大化的目标。

在通常情况下，网格密度是指某一部件剖分出合适的网格数目，并与有限元分析软件的计算相适应。由于将分散表划分为计算数据中具有较小梯度的部分，有助于减小模型的大小，因此所有结构都应该具有不同网格密度的不同网格形状。

由于前叉系统的总装配模型结构较为复杂，因此使用了实体单元进行划分：前叉结构使用求解精确度较高且求解质量较好的六面体网格进行网格划分；而挡货架和阻尼结构的结构较为复杂且厚度不均匀，故采用了四面体网格进行网格划分。网格划分是有限元分析求解的基础，离散化模型网格类型选择得越合适，模型网格划分越精细，则求解结果越精确。

此外，有限元分析必须考虑为离散化模型添加边界条件，以保证计算的正确进行。根据现实情况，前叉系统应赋予绑定约束，弹簧减震器在货叉架与前叉之间也应赋予绑定约束来固定位置，保证前叉和弹簧减震器能正确行使其功能。考虑叉车与前叉的连接情况，在货叉架后方设置类型为完全铰接的约束作为边界条件，以限制叉车货叉架的自由度，保证分析的正确进行。

图7为结构优化前的网格划分图；图8为结构优化后的网格划分图，据此对优化前后的结构进行网格划分。

图7 结构优化前的网格划分图

图8 结构优化后的网格划分图

3.2 载荷施加

叉车工作中会受到各种不同情况的碰撞接触，最为频繁的就是叉车系统与货物之间的碰撞接触。为模拟与货物之间的碰撞接触，根据现实中碰撞的力的大小和类型，在前叉部位施加大小为30 000 N的瞬时力作为模拟载荷。图9为载荷施加示意图。

图9 载荷施加示意图

3.3 分析结果

通过Hyperwork有限元分析软件对优化前后的叉车系统进行位移分析，得到结构优化前后的位移云图，其中，图10为结构优化前的位移云图；图11为结构优化后的位移云图。

由图10、图11的位移云图可见，位移主要体现在阻尼器和前叉部分，通过添加阻尼结构，使得前叉系统在载荷作用下整体位移量都有所衰减。

图10 结构优化前的位移云图

图11 结构优化后的位移云图

图12为结构优化前的应力云图；图13为结构优化后的应力云图。由图12、图13的应力云图可见，前叉系统的最大位移从8.01 mm减至7.99 mm，减弱了可能因为碰撞而产生的大位移情况，通过结构优化，避免了可能存在的位移危险，保证了人员安全，提高了工作的安全性和可靠性。

图12 结构优化前的应力云图

图13 结构优化后的应力云图

由图12和图13的应力云图对比可知，结构优化前最大应力为580 MPa，接近叉车材料45Cr钢的屈服强度835 MPa，存在可能的危险应力点；通过添加阻尼结构进行结构优化后，最大应力降到了230 MPa，远小于材料屈服强度，大大提高了结构安全性和工作安全性。对比优化前后的有限元分析结果可知，叉车系统各部件的最大应力都有所衰减，且均低于相对应材料的屈服强度，证明本次结构优化使得叉车满足静力学的强度要求。

4 结论

建立前叉系统三维实体模型，增添阻尼结构进行系统结构优化，通过Hyperwork有限元分析软件对系统进行位移和应力对比分析，得到以下结论。

1）增添阻尼结构，可以减少前叉系统因碰撞所产生的位移量，起到减震吸能、保护叉车结构安全的作用，提高了叉车自身安全性与操作舒适性。

2）结构优化削弱了前叉系统的应力危险，保证了结构安全和叉车工作的可靠性，为同类产品设计、优化提供了参考。