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叉车倾斜缸耳环断裂分析及改进设计-论文


叉 车 倾 斜 缸 耳环 断 裂分 析 及 改进 设 计 
顾 文钧  金 汝灯  段全 军  刘 军 

1杭 叉集 团股份 有 限公 司叉 车 门架研 究所  临安  3 1 1 3 0 0   2西北 工业 大 学航 空 学院  西安


7 1 0 0 7 2  

要 :对叉 车倾斜缸 耳

环 断裂现象进行了分析 ,首先进行结构优化 ,取消 了不必要 且影响受力 的油杯孔 ,  

使整体最大等效应力 降低 了 4 0 . 8 1 % ;然后进行以主要结构尺寸为变量 、整体最大等效应力值和局部 最大等效 应  力值为优化 目标 的设计研究 和 目标优 化 ;优化 后的整体最 大等 效应力值 进一 步降低 了 1 5 . 6 % ,局部最 大等效 应  力值 降低 了 4 0 . 1 %。  
关键词 :叉车 ;倾斜缸耳环 ;设计研究 ;优化设计 ;A n s y s   Wo r k b e n c h   中图分类号 :T H 2 4 2   文献标识码 :B   文章 编号 :1 0 0 1 — 0 7 8 5( 2 0 1 4 )0 9— 0 1 0 5— 0 4  
Ab s t r a c t :T h e   p a p e r   a n a l y z e s   t h e   b r e a k a g e   o f   e a r i n g   o f   t i l t i n g   c y l i n d e r   o f   f o r k l i f t ,w i t h   s t r u c t u r e   o p t i mi z a t i o n   t o   e l i mi —  

n a t e   u n n e c e s s a r y   o i l   c u p   h o l e   a fe c t i n g   l o a d — c a r r y i n g   c o n d i t i o n, S O   t h a t   t h e   o v e r lJ a   ma x i mt l m  e q u i v le a n t   s t r e s s   r e d u c e s   b y  

4 0 . 8   l %; t h e   d e s i g n   s t u d y   a n d   t a r g e t   o p t i m i z a t i o n   i s   c o n d u c t e d   w i t h   t h e   m a j o r   s t r u c t u r a l   s i z e   a s   v a r i a b l e ,o v e r a ] ] a n d   l o c a l  
ma x i mu m  e q u i v le a n t   s t r e s s   V lu a e s   a s   o p t i mi z a t i o n   t a r g e t ;t h e   o p t i mi z e d   o v e r ll a   m ̄ i mu m  e q u i v le a n t   s t r e s s   v lu a e   r e d u c e s   b y  
1 5 . 6 % .a nd   l o c l  a o n e   b y   4 0 . 1 %.   Ke y wo r  ̄ :f o r k l i f t ;t i l t i n g   c y l i n d e r   e a r i n g ;d e s i g n   r e s e rc a h;o p t i ma l  d e s i g n;An s y s   Wo r k b e n c h  

公 司设 计 生 产 的某 型 号 7吨级 叉 车 ,经 过 试 

该 孔 注入 。  

验测试后 ,在使 用频率较高、使用 强度较大 的场  地进行实际使用观测。3 个月后发现其倾斜缸耳环  处 出现 断裂 现象 ,该 耳 环材 料 为 3 5号 优 质 碳 素 结 
构钢 ,其 内 圈 与 销 轴 之 间 安 装 有 一 个 关 节 轴 承 ,   经 分析 ,该 耳 环 断 裂 处 裂 纹 渐 变 现 象 不 明显 ,冲  击 载 荷 对 零 件 的 疲 劳 损 失 不 是 耳 环 断 裂 的 主 要 
原因。  

2 受 力 分 析 
如 图 1所 示 ,叉 车 门架 垂 直 于 地 面 ,货 物 起 

升到最大高度时 ,倾斜缸耳 环受力最大 。以耳环  处 c点 为支 点 ,对其进 行 受力分 析 。  
图 3为 门架 受力 示 意 图。设倾 斜 缸拉 力 为  、   其 与  轴 的 夹 角 0   ;驱 动 桥 对 门架 支 反 力 为 F 。 ,   与 y轴 的 夹 角 为 0 ,其 对 C点 的 水 平 力 矩 为 
。Y 、

为查找 耳 环 断 裂 的 主 要 原 因 ,本 文 从 耳 环 结  构 、主要几 何 尺 寸 等方 面着 手 ,利 用 A n s y s   Wo r k .   b e n c h软件 对其 进行有 限元 分 析 ,对 应 力最 大 处 和  危 险部 位进 行校 核 ,进而 对其 进行 改进设 计 。  

垂直 力矩 为 HQ x ;货 物重 力为 G,重 力 G对 C  

点 的水平 力矩 为 L 。 ;门架 自重 为  ,其对 C点 的  水平 力 矩 为 c 。 。C点 在  、 y方 向 受 力 平 衡 ,得 
到如 下方 程组 
Fc  :FQ x  

1 叉车 门架基本结构 
叉车 门架 是 叉 车 的 主要 部 件 ,是 叉 车 的 工 作  装 置 。叉 车 通 过 叉 车 门架 实 现 对 货 物 的叉 取 、升  降 、码垛 等作 业 。叉 车 门架 结 构 如 图 1所 示 , 门  架通 过轴 承 座 、倾 斜 缸 耳 环 与 整 车 相 连 。倾 斜 缸  耳 环 通过倾 斜 缸座 实 现对 叉 车 门架 的 前倾 、后倾 ,   是 叉 车 门架 上 的 主 要 受 力 部 件 。 每 台叉 车 门架 上  有 2个 倾斜 缸 耳环 ,分 布于叉 车 门架 的左 右两侧 。   耳环 的初 始 结 构 如 图 2所 示 ,其 上 部 有 一 个 

G+G 0 +F c y =F 0 y  
GL G+G0 Lc 0+FQ y LQ y=F  日 

即 
Fc c o s 0 。= Fo c o s 0  

G+G 0 + F c s i n 0   :F 0 s i n O   G+G 0 L G 0 +F Q s i n 0? L Q y =F Q c o s O‘ H Q X  
、 

其 中,F  

、   为 3个 未 知数 ,其 余 为 已  

知数。  

装设润滑油油杯 的孔 , 日常维护时 ,润滑油可从 
《 起重运输机械》   2 0 1 4( 9 )  

经 计算 ,满 载 时 ,倾 斜 缸 拉 力 为 5 4 . 3 6 4   k N,  


1 0 5 —  

杆 的交界 面 容 易 出 现 质量 缺 陷 ,且 其 局 部 最 大 等  效应 力  也较 大 ,因此 ,E S : 的值 越小 越好 。   同时 ,对 于 生 产 过 程 而 言 ,零 件 互 换 性 越 高  越好 ,因此 ,确 定 倾 斜 缸 座 的优 化 目标 为 :在 零  件互 换性 高 的前提 下 ,E S   和E S   取 极小 值 。  
4 . 2 设计 研 究 

从表 2可 以看 出 ,各 优 化 目标 对  的 敏感 度  都较 小 ,且  影 响装 配 的互换 性 ,故  不 作 为设  计 变量 ;各 优化 目标 对  、   的敏 感 度 也 小 ,故  也 不作 为设计 变量 。   4 . 3 优化 计算  优 化 目标  对 变 量  、  
敏 感 度 较 大 ,优 

各 设 计 变 量 都 可 能 会 对 优 化 目标 产 生 影 响 ,  

故 首先 分 析 优 化 目标 对 各 设 计 变 量 的 敏 感 度 。从  A n s y s   Wo r k b e n c h的 G o a l   D r i v e n   O p t i m i z a t i o n模 块 可 
得 到各设 计 变量 敏感 度 ,见表 2 。  
表 2 优 化 目标 对 各 设计 变量 的敏 感 度 

化 目标 E S   对 变量  、   敏感度 较小 ,取 变量  、   作 为 设 计 变 量 进 行 多 目标 优 化 。 利 用 A n s y s   Wo r k b e n c h的 G oa l   D r i v e n   O p t i m i z a t i o n模 块 对 目标  进 行 优化 。 优 化前 后 各 变 量 取 值 及 目标 值 比较 见  表3 ,对 变 量 进 行 圆 整 后 进 行 受 力 分 析 ,结 果 如  表4 。 ‘  
表 3 优 化 前 后 各 变量 取 值 及 目标值 比 较  变   初 值   优 化 后  E S 2 / M P a   , / MP a  

初 值  取 值 范 围  敏 感 变 量  / m m   / m m   E S :的敏 感 度 
l  

度  , 的敏 感 度 
0  
—0. 0 46   91 7  

8 0  
58  

8 0~9 0  
5 6 ~62  

—0 . 3 3 1   9 9  
0  

量 / mm   值/ mi l l   优 化 前   优 化 后  优 化前   优 化 后 
1  

3 6  
1 5   1 0  

3 3~3 9  
1 2 ~20   1 0 ~20  

—0 . 0 3 4   1 6 3  
0   —0 .1 7 7   5 6  

O  
0   —0 . 02 8   9 4 6  

8 0  

8 9. 91 7   28 2. 1 7   1 71 . 8 3   31 3. 7   26 9. 6 7  

1 0  

1 9 . 5 9 5  

表 4 各 变量 调 整 前 后 取 值 及 目标 值 比较 
变 量  初值  优 化 后  调整后值  E s , / MP a   / M P a  

/ mm  
8 0   1 0  

值/ m m  
89 . 91 7   1 9 . 5 95  

/ m m  
9 0   2 0  

优化前 
2 8 2 . 1 7  

优化后 
1 7 1 . 8 3  

调整后 .  
1 6 9 . 0 3  

优化前 
3 1 3 . 7  

优化后 
2 6 9 . 6 7  

调整后 
2 6 4 . 8 2  

从 表 3和 表 4可 以 看 出 ,经 过 优 化 和 调 整 ,   E s 2 的值 由 2 8 2 . 1 7   M P a 降为 1 6 9 . 0 3   M P a ,降低了   4 0 . 1 % ;E S  的值 由 3 1 3 . 7   MP a降 为 2 6 4 . 8 2   MP a ,   降低了 1 5 . 6 % 。耳 环 优 化 后 的模 型如 图 1 2所 示 ,   取 消油 杯孔 、加 大 了外 圆直 径并 加 大 了过 渡 圆角 。  

6 结论 
对 叉 车倾 斜 缸 耳 环 断 裂 现 象 进 行 了分 析 ,首 
先 进行 结 构 优 化 ,取 消 了不 必 要 且 影 响受 力 的 油  杯 孔 ,使整 体最 大等 效应 力 降 低 了 4 0 . 8 1 % ;然 后  进 行 以主 要 结 构 尺 寸 为 变 量 、整 体 最 大 等 效 应 力  值 和 局部 最 大 等 效 应 力 值 为 优 化 目标 的设 计 研 究 

和 目标 优 化 ;优 化 后 ,整 体 最 大 等 效 应 力 值 进 一  步降低 了 1 5 . 6 % ,局 部 最 大 等 效 应 力 值 降 低 了 
4 0 . 1 % 。经 实验验 证 ,优化 后 的零件 满 足要求 。  
参 考 文 献 

图1 2 耳 环 优 化 后 的模 型 图 

[ 1 ] 陶元芳 ,卫 良保 .叉车 构造与设 计 [ M] .北 京 :机械 
工 业 出版 社 ,2 0 1 0 .  

5 试 验 验 证 
为了验证优 化后 的零件 是否满 足使用 工况 ,  

[ 2 ]许京荆 . A N S Y S   1 3 . 0 Wo r k b e n c h数值 模拟技术 [ M] . 北 
京 : 中 国水 利 水 电 出版 社 ,2 0 1 2 .  

将修改后的零件安装 于原叉车上 ,使用 6 个月后 ,   该 零件 无 明显 裂 纹 ,关 键 尺 寸 无 明 显 变 化 。说 明  改进后 的耳 环满 足使 用要 求 。  


作  地  邮 

者 :顾文钧  址 :浙江省临安经济开发区东环路 8 8—2号  编 :3 1 1 3 0 0  

收稿 1 3 期 :2 0 1 4— 4 — 0 2 1  

1 08 —  

《 起重运输机械 》   2 0 1 4( 9 )  


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