叉车转向桥 篇1
国内市场上内燃平衡重式叉车使用较为广泛,其转向桥体通常采用中间铰轴式与车架连接,两端采用叉形型式与转向节连接,据文献统计叉车在空载时转向桥承受的垂直载荷约占叉车总重的50%~60%[1],此特殊的结构布置和承力形式要求叉车转向桥体应具有足够的强度。文献[2]详细介绍了转向桥体一般强度校核工况的载荷计算方法和评价方法,文献[3-4]研究论述了应用有限元法校核转向桥体强度的操作方法,但鲜有见到研究转向桥体的应变测试与有限元法静强度分析相结合的相关论述。本文应用有限元法,以某型转向桥体的台架应变测试为基础修正有限元模型,计算校核桥体极限状态的强度,以提高叉车转向桥体强度校核分析的准确性。
1 桥体的应变测试与有限元模型
1.1 台架应变测试分析
在叉车零部件强度试验台上[5],针对某型叉车铸造转向桥体,按设计载荷的一定放大倍数加载,并按规范的应变测试操作方法[6]进行应变测试。测点的选择本着既能体现叉车转向桥体承力特点,且又能便于测量的原则。笔者在该型转向桥体的测试中选择了三点,为了较精确地测量故选用应变花式的应变片,具体试验测试布置情况和测试的主应力结果如图1和表1所示。其中,规定转向桥的水平横向向右为0°,水平纵向向前为90°。
1.2 有限元模型的建立与修正
基于HyperWorks软件平台,应用有限元方法模拟再现了转向桥试验台架的承载状态,选择二阶四面体单元划分桥体,且在实体单元表面敷贴一层薄膜单元以精确输出表面应力,建成后的转向桥有限元模型共计3 708 321个单元,如图2所示。建模过程中修正了转向桥体与转向节间的接触关系,以及中间铰轴前后安装面的分布力值大小,以使仿真计算主应力的绝对最大值与测量值的误差在可接受的范围内,转向桥体测点绝对值最大的主应力测试值与仿真值误差分析如表2所示。
2 桥体的极限承载与强度校核分析
2.1 极限承载工况
一般叉车转向桥的强度校核主要考虑其对最大垂向力和最大横向力的承载状态。笔者根据叉车的出厂检验和用户使用情况[7,8],选择的转向桥体的极限承载校核工况包括:1后轮跌落工况,考虑叉车超载取货致后轮离地,或因迅速卸载以致后轮跌落,此时转向桥承受最大的垂向力,依据工程经验动载系数取为3;2急转侧滑工况,考虑叉车空载高速行驶紧急转弯以致发生侧滑,此时转向桥承受最大的横向力,依据工程经验动载系数取为1.5。根据叉车结构的力学平衡原理,计算该型转向桥体的承力大小。急转侧滑考虑左转的情况,计入侧滑引发的力矩作用。
2.2 有限元法强度校核分析
基于修正后的转向桥有限元模型,应用OptiStruct求解器,根据极限承载状态创建相应的静力分析工况,计算获得转向桥体的应力云图以及危险区域的应力峰值如图3和表3所示。
该型叉车转向桥体为整体式铸造结构,材料为QT450-12,抗拉极限约为450 MPa。在极限承载状态下,该型转向桥体最大应力值大于450MPa,发生于后端外悬的中间铰轴根部圆角区域,属特殊承载引发的局部应力集中现象,可忽略;而桥体其他较大应力区域的峰值应力约为186 MPa,最小安全系数约为2.4,可知该型桥体满足强度设计要求。跟踪调研市场上现有该型转向桥体产品的使用情况,未发现严重的强度质量问题,此与有限元分析结论相互印证。
MPa
3 结论
(1)参考转向桥的应变测试结果,建立且修正了桥体的有限元模型,提高了桥体强度校核分析的准确性。
(2)根据叉车的出厂检验和用户使用情况选择合理的极限承载校核工况,针对某型成熟转向桥产品进行了有限元强度分析,校核结论与市场反馈信息相吻合,可见该分析手段具有一定的合理性。
参考文献
[1]褚书铭.叉车[M].北京:人民铁道出版社,1979.
[2]陶元芳,卫良保.叉车构造与设计[M].北京:机械工业出版社,2010.
[3]沈晓雯,盛奎川,王阜西,等.叉车转向桥壳体有限元分析及优化设计[J].工程机械,2004,35(2):22-24.
[4]黄李丽,尹秉升,尹志新.叉车转向桥的有限元分析[J].南方金属,2008(4):32-35.
[5]陈先成,袁正,常亮.单元输出应力应变仿真分析与测试对标的研究与应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2012(11):45-51.
[6]欧贺国,方献军,洪清泉.RADIOSS理论基础与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2013.
[7]中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 3300-2010平衡重式叉车整机试验方法[S].北京:机械工业出版社,2010:19-20.
叉车转向桥 篇2
关键词：电瓶叉车；转向；改进
约翰·迪尔(佳木斯)农业机械有限公司，主要生产联合收割机，为符合工厂环保要求，车间内运行的所有生产运输车辆(叉车、牵引车)全部要求电瓶动力，并且因工厂面积有限，其内部各车间的物料架与物流车辆通行道路设计运行空间十分紧凑，叉车需要在狭小范围内完装载、转向、摆正等动作。
1.问题描述
基于以上要求，车间内大量使用小型电瓶叉车作为物流运输车辆，其中FB25-7型2.5T电瓶车占物流运输车辆总数的16％，此车型的EPS转向系统中，传动用滚珠丝杠使用周期仅有3-5个月，每次维修需要4小时左右，并花费包括备件费用人工费用在内的近7千元人民币，费时费力，成本高。
2.原有结构
转向部分由EPS电控系统控制直流电机，经一级齿轮减速后，丝母旋转，转化为丝杠的直线运动，丝杠联接三联板，控制后轮转向：EPS系统通过以方向盘转角控制的电位器，输出控制信号，经由同时安装在三联板上的转向力矩反馈杆，做出反馈动作，构成闭环反馈系统，由于滚珠丝杠的高传递效率，及相关的力矩的反馈功能，转向时方向盘几乎无感，操作非常省力。
此闭环系统原理上可行，但在实际应用中发现，当后轮已转至机械极限位置，轮毂已碰到顶丝后，EPS系统依然控制电机在输出力矩。详细分析其原理后，发现在EPS电控的闭环系统中，只控制了转向信号与电机输出，没有极限位置的输出限定，这必然导致当机械到达极限位置后，系统仍然会继续有输出，丝杠会项死，而且当快速打舵时，丝母快速旋转中突然因丝杆到位而被卡死，会给滚珠丝杠造成很大的冲击，加速丝杠的损坏，最常见的失效形式是卡死状态时，钢珠因突然停止循环，而使回珠器被钢珠顶坏，珠粒破损，丝杠报废。
3.改进方案
曾就此问题与厂家技术人员进行过沟通，探讨是否可以将EPS电子转向改为横置油缸形式，或是改进其控制电路，但因为此车型内部结构设计十分紧凑，没有空间配备额外的液压元件或是其它的安装固定结构，而且厂家也不提供改进电路的技术支持。
最终决定厂内自行对EPS电路进行改进，经过分析，共制订了2套方案：
(1)控制主回路：设计附加的控制电路，当正向打舵到极限位置时，通过挡块，用接近开关控制附加电路，断开电机的正向电流而不断开反向电流，从而避免打死舵，而又不会影响到回舵；
(2)控制EPS系统输入信号电压：将原来由方向盘控制电位器，调节EPS信号电压的方式，改为附加的电路辅助控制，当处于极限位置时，由附加电路直接给EPS系统输入一个基准0位电压，使EPS的电机输出为0。
4.方案分析
控制主回路的方案中，试验中发现如果后轮悬空试验时，可以实现预期的目的，但后轮着地，正常使用时，打舵到极限位置后，后轮会小幅度地来回摆动，反带动方向盘摆动，可能会对操作者造成伤害，同时控制继电器也在快速地吸合、断开，而主电路中有近20A的电流要断开，试运行一天后继电器即损坏。究其原因为原车的力矩反馈系统中，结构尺寸链中三个球头共有近15mm的间隙，以及橡胶轮胎的回弹性：当接近开关动作后，电机失电，因为轮胎回弹，就会反过来带动反馈系统动作，挡块返回，进而电路恢复，电机再得电，接近开关再动作，电机失电，循环往复，造成上述现象。
后改为控制EPS系统的转向信号电位器，此电位器总阻值5K欧姆，控制EPS输出，两端点电压5V，当其处于中间位置，中线电压2.5V时，EPS输出为0，左右偏转大小控制EPS输出电流大小，因此可以给出一个2.5V的电压基准，当打舵到极限位置时，将中线的电压强制定为2.5V，从而使EPS输出为0，查阅说明书得知，电压的误差允许值为±0.4V，为满电压的16％，现用2只常用5％误差的50 K金属膜电阻串联取中点电压，实际电压误差为10％，小于系统允许误差。仍用接近开关控制继电器的方式。试运行后，发现此方案可以实现预定目标，并且以弱电控制强电，在电路的电气元件参数及体积上都有减少，便于安装。
5.改进结果