全向侧面叉车起重系统承载性能研究

全向侧面叉车起重系统承载性能研究

刘德昆

浙江省特种设备科学研究院 浙江省杭州 310020

摘要：侧面叉车主要用于解决在狭小空间与狭窄通道装卸搬运超长、超重等问题，其具有双驾驶室与全向行驶等特点，其液压系统是典型的动力传动、伺服反馈与伺服控制密切结合，实时多变的排线性系统，系统的机电液具有耦合性、复杂性、新颖性，基于此提出多参数在线动态一致性测试技术方案，以此实现了整个动力传动链的动态特性与能耗分布的一致性测试，根据最后试验数据分析敏感阀设定压差值与单双马达切换模式转换对多负荷传感系统动态特性的影响。

关键词：全向侧面叉车；起重系统；承载性能

全向侧面叉车是解决仓库内超长、超重物资装卸搬运问题开发一种新型叉车，其中起重系统是全向侧面叉车完成装卸搬运作业的骨架，其承载性能十分关键，直接影响全向侧面叉车的作业安全。因此，需要采取科学合理的有效方法，全面分析起重系统的承载特性，能够提高全向叉车的安全性、可靠性以及高效性。对于叉车起重系统承载性能的分析一般采用离散分析法，即先对起重系统的内门架、外门架、货叉、链条等部件进行承载性能分析。此方法不仅工作量大，还需要花费大量时间，而且无法直观反映整个起重系统的承载特性。通过试验测试对有限元计算结果进行验证，从而保证有限元分析的正确性与可靠性。

1. 起重系统概述

随着侧面叉车在狭小空间与狭窄通道应用领域的拓展，普通叉车已经无法满足特殊领域、特殊物资的装卸搬运需求。侧面叉车主要以蓄电池为能源、以液压船动力为动力，采用静压传动，经手动比例多路阀手柄控制实现门架前后伸缩、货叉上升下降、叉架左右移动等工作。通过方向盘操纵全液压转向器控制液流方向，实现双向驾驶与万向行驶。

全向侧面叉车起重系统为侧面、两级、普通视野型装置，由外门架、内门架、伸缩式货叉、滑架、起升链条、起升液压缸、货叉套伸缩液压缸等部分组成^[1]。外门架上分别通过三个支撑滚轮安装在车架上左右滑道内，可沿滑道侧向移动，实现起重系统的侧面装卸作业；伸缩式货叉和滑架通过六个支撑滚轮与内门架相连，可沿内门架槽钢上下运动；起升液压缸为二级式单作用柱塞缸，带动滑架与内门架进行升降作业。

2. 起重系统承载性能分析

1. 起重系统模型简化

根据有限元分析理论，要求有限元模型与实际结构最大限度逼近，但全向侧面叉车的结构十分复杂，其由105个零部件组成，如果严格按照起重系统实际结构创建有限元模型，在一定程度增加计算分析的规模，并且会导致普通计算机无法计算，所以，针对起重系统进行相应的简化。但需要遵循以下原则：首先省略部分非承载构件与功能构件，例如，起升链条、货叉推出液压缸、液压管路等，上述结构不会对起重系统的承载性能产生一定影响，因此，可在建模时忽略不计。将部分构件边缘或构件连接部位的圆弧过渡简化为直角过渡，以此降低有限元计算规模；忽略工艺孔、线束孔、螺纹螺母等，此孔径较小，不会给起重系统的承载性带来影响，可忽略不计。

2. 边界条件初始化

全向侧面叉车起重系统除伸缩式货叉采用40cr外，其余构件均采用45Mn。各构件质量是由外门架313kg,内门架205kg,滑架355kg，起升液压缸107kg,货叉136Kg，附件84kg组成。按照质量分布情况，以此计算出全向侧面叉车起重系统正常作业时主要承受的两部分载荷，即作用在每个货叉的竖直向下的载荷12500N；作用在外门架下底板的竖直向下的载荷58870N。

在起重系统的内外门架之间以及内门架与滑架之间是通过支撑滚轮与槽钢相切配合的方式来装配。在实际进行装卸作业时，支撑滚轮与槽钢接触处存在较大的非线性。利用cosmosworks软件进行装配体有限元分析时，默认各构件之间都是刚性连接，因此，无法详细描述支撑滚轮和槽钢接触位置的力学特性^[2]。

基于此，本文通过运用cosmos works软件提供的相接触面组功能，根据起重系统的实际结构特点，在内外架滚轮、滑架支撑滚轮、内外门架槽钢之间设置节到曲面且网络系统为不兼容的相接触而组，以此实现对起重系统的整体分析。cosmos works程序会自动在不兼容的网格各个节点之间自动应用约束方程，防止计算过程出现畸变。根据起重系统的实际结构，在各个滚轮与门架槽钢之间共设置16对相接触面组，并在外门架下端的支持滚轮处设置四个固定约束，以此保证有限元分析的精确性。

3. 起重系统有限元分析

通过对起重系统进行全面的有限元分析，以此获得起重系统的应力、应变、安全系统分布云图。根据图中显示的结果进行分析，起重系统在最大载荷中心距、提升额定起升质量的物资时，最大应力发生在外门架下端的支撑位置，最大应力为288.04MPa，对应的安全系数为3.05倍，符合GB/T5182-2008规定的货叉最小安全系数不得小于3倍的要求；门架和货叉的最大位移为：14.61和33.90mm，从而满足起重系统的安全作业。

3. 试验数据对比

为进一步验证有限元分析的正确性与可靠性，保证起重系统能够安全稳定的作业，需要对其中系统的承载特性进行试验测试分析。在试验过程中，每个工况都要进行三次测量记录，如果三次测量偏差超过5%，应及时查找其中的原因^[3]。并对此工况重新测量记录，取三次测量平均值作为最终的试验数据。由于货叉弯曲处的应力状态十分复杂，需要采用45°应变化进行测量。

试验测量数据与有限元理论计算数据对比后结果见表1，通过分析两组是数据，发现在货叉根部、内外门架等应力分布相对较大的位置，实际测量值与有限元计算值之间吻合度较好，误差也在允许范围内；滑架中点处，由于应力分布较好，实际测量值与有限元计算值之间的误差较大，甚至都达到16.98%。但是此处应力较小，对整体应力分布的影响不大。由此可见，有限元理论计算得出的应力分布情况能够真实反应起重系统正常作业时的承载特性。

结束语：

综上所述，全向侧面叉车其中系统结构十分复杂，载荷中心距离较大，承载能力极强，对于全向侧面叉车安全、高效、可靠地完成超长、超重物资的装卸搬运作业具有极为重要的作用。上文通过运用COSMOSWORKS有限元分析软件，通过设置相接触面组的方法实现了对起重系统的整体分析，并通过试验测量的方法验证了有限元分析的准确性，从而可全面、真实掌握起重系统的承载特性，保证起重系统作业的安全性与可靠性，为后续相关结论优化奠定了基础，并为以后相似结构设计提供了参考。

参考文献：

1. 周京京, 郭爱东, 吴铁庄,等. 全向侧面叉车起重系统承载性能分析[J]. 起重运输机械, 2012, (008):65-68.

2. 顾强, 左延国, 付镭,等. 一种叉车起重系统及叉车:, CN209778208U[P]. 2019.

3. 徐雄杰. 基于AMESim的侧面叉车液压系统建模与仿真[J]. 起重运输机械, 2019, (017):63-70,87.