門架結構分析及載荷曲線的計算

1、門架結構分析及載荷曲線的計算叉車作為一種裝卸貨物的特殊車輛，其載荷曲線的確定，對于叉車設計者來 說，是關系到叉車門架的強度和叉車整車穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)；對于叉車的使 用者來說，是直接關系到使用者的使用效率和生命安全的一個關鍵因素。載荷曲 線定制的好壞，不僅能使安全性能得到可靠保證，而且又能充分發(fā)揮叉車的使用 性能。負荷曲線圖CAPACITY CHARTTF25-30260024002200負荷曲線圖CAPACITY CHARTTF25-30260024002200200018001600140012001000800TF2S-也500 600 700 800 900 1000載荷中心（nun

2、） LOAD CENTER如上圖所示：載荷的大小取決于載荷中心與起升高度。通過對載荷曲線的觀 察，可以將載荷曲線分為兩個區(qū)域，直線段為強度區(qū)域，在該區(qū)域主要考慮門架 強度，輪胎負荷和整車穩(wěn)定性；曲線段為穩(wěn)定區(qū)域，在該區(qū)域主要考慮的是，由 于載荷中心和門架起升高度變化后對整車穩(wěn)定性影響的載荷變化。影響叉車穩(wěn)定性的因素很多，例如叉車作業(yè)場地的路面狀況、坡度、輪胎的 結構性能、載荷（貨物）質(zhì)量分布、司機操作過程發(fā)生的額外載荷以及作業(yè)中可 能遇到的非正常的偶然動載荷等；此外，叉車的制造準確性及材料質(zhì)量，例如制 成品的尺寸偏差、材質(zhì)缺陷致使門架承載后產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形、車架和貨叉變形等。衡量叉車穩(wěn)定性的方法及

3、其發(fā)展過程：（1 ）穩(wěn)定系數(shù)法平衡重式叉車是最早發(fā)展起來的叉車類型，它的特點在于起升載荷的重心始 終位于叉車車輪支承面的前方，載荷始終產(chǎn)生一個使叉車向前傾翻的力矩，需要 叉車本身的重量（包括平衡重的重量）所產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩來平衡，以保持叉車的 穩(wěn)定。雖然規(guī)定了叉車的額定起重量，但叉車起升的載荷并不一定都表明重量、 或者標明的重量不準確，實際存在著超載的可能性。為了使叉車在有限的超載情 況下仍能保持縱向穩(wěn)定，必須使穩(wěn)定力矩有一定的富裕，由此提出了叉車穩(wěn)定系 數(shù)。設叉車兩個前輪接地中心點的連線為叉車縱向傾翻軸線，則穩(wěn)定系數(shù)可用下式表示:式表示:式中M穩(wěn)M一傾GI M / M | = (GY) / (

4、QB式中M穩(wěn)M一傾GY 叉車自重重心至縱向傾翻軸線的水平距離Q 額定載荷B 載荷重心至縱向傾翻軸線的水平距離穩(wěn)定系數(shù)具有載荷力矩超載儲備能力的含義；在B值不變的條件下，K具有載 荷超載能力的含義。實際作業(yè)中，叉車傾覆是在動態(tài)工況下發(fā)生的，是在重力及水平慣性力綜 合作用下傾覆的。其中慣性力產(chǎn)生的傾覆力矩與重心高度成正比。而上述穩(wěn)定性 的計算，僅反應靜態(tài)平衡的情況，未考慮動態(tài)情況下的慣性力，未考慮到重心高 度對穩(wěn)定性的影響，因此這種穩(wěn)定系數(shù)又稱靜穩(wěn)定系數(shù)，它不能合理的反映叉車 的真實穩(wěn)定程度。(2 )重心法為衡量慣性力及重心高度對穩(wěn)定性的影響，穩(wěn)定性衡量方法重心法。 為了確保叉車的穩(wěn)定，必須將叉車

5、合成重心高度h限制在一定范圍內(nèi)，更確切 的說，必須將合成重心高度h與合成重心至傾翻軸線之間水平距離a的比值限 制在一定范圍內(nèi)。為此:縱向穩(wěn)定性：對實心輪胎叉車h W 1 0 a，或h / a 10；對充氣輪胎叉車h 7 .5 a，或h / a7.5；橫向穩(wěn)定性:h 6 e，或h / e 6；式中 h 合成重心高度a 合成重心至傾翻軸線的水平距離e 合成重心至橫向傾翻軸線的水平距離。相當于規(guī)定了叉車靜態(tài)傾翻式的臨界傾翻角為B= a r c t a n ( a / h )和B= a r c t a n ( e / h )，故也稱這種方法為傾翻角法。滿足上述規(guī)定的叉車，在作 業(yè)情況下，當慣性力和重力

6、的比值P / G小于a / h時，叉車是穩(wěn)定的。(3 )平臺試驗法這種方法的基本內(nèi)容是：規(guī)定叉車各種不同狀態(tài)下必須達到的傾斜度，將 實際叉車置于試驗平臺上，進行平臺傾斜試驗來檢驗該叉車是否能達到各項傾斜 度而不傾翻，如果都達到了，便認為叉車在規(guī)定的各種工況下都是穩(wěn)定的。平臺試驗法的基本原理和重心法有類似之處。我們知道，叉車受有重力、慣 性力、風力和地面反力.在忽略微小風力的條件下，決定叉車穩(wěn)定性的重要力是 重力及慣性力。叉車的作業(yè)工況不同，慣性力的大小和方向也不同。叉車在水平 地面作業(yè)時，不論有載無載、啟動、制動和轉(zhuǎn)彎，各種慣性力都是水平方向的， 重力則為鉛垂方向，都作用在叉車的重心上。設P為

7、叉車某工況下的慣性力， 它對該工況下的叉車傾翻軸線形成一個傾覆力矩P h ( h為該工況下的重心高 度)，促使叉車傾翻:叉車重力G(滿載時G = G o + Q，空載時G = G n )對同 一傾翻軸線形成一個穩(wěn)定力矩G a (或Ge)，a(或e)為該工況下重心至傾翻軸線 的水平距離；只要1-1P / G 忍 a / h（或 P / G 忍 e / h ）1-1叉車在該工況下是穩(wěn)定的。因此要判斷叉車是否穩(wěn)定，只需判斷上式是否成 立即可。為此，首先要掌握該工況下慣性力和重力的比值P/G，對每一臺叉車 的比值P / G，在數(shù)值上可能有一些差別，但在同一類叉車之間，比值P / G肯 定有內(nèi)在的規(guī)律，

8、我們可以通過理論分析、積累試驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，確定一個 在該工況下通用的比值P / G，它規(guī)定于該工況下的傾斜度，即t a n 0.= P / G .。這樣檢驗一臺叉車在該工況下的穩(wěn)定性，就只要檢驗該叉車在該工況下重 心位置參數(shù)是否滿足（1-1）式，也就是檢驗是否t a n 0.忍t a n 0 （ t a n 0= a / h，即重心位置參數(shù)所決定的臨界傾斜度）。平臺試驗法正式建立在這一原理基 礎上的，它規(guī)定了每種工況下的傾斜度t a n 0.，再用平臺傾斜試驗來檢驗叉車的 重心位置，以判斷叉車的穩(wěn)定性.試驗時，將叉車按實際工況時的狀態(tài)置于平臺 上，叉車的傾覆軸線平行于平臺鉸軸軸線，當平臺傾

9、斜度達到t a n 0.時，叉車 不傾翻，說明叉車重心位置滿足a / hNt a n 0., = P / G ，叉車在該工況下工作 時將是穩(wěn)定的。1平臺實驗法的優(yōu)點，首先在于它考慮了可能發(fā)生傾覆的各種工況，分別規(guī)定 了各種工況下必要的傾斜度t a n 0. = P / G .，并按各種工況逐項進行平臺傾斜 試驗，檢驗叉車各種工況下的重心位置是否滿足要求，只有全部試驗都滿足，才 認為叉車是穩(wěn)定的；另一個優(yōu)點在于它考慮了叉車彈性變形對穩(wěn)定性的實際影 響，因為這個方法中，檢驗叉車的重心位置不是靠計算，而是靠試驗。如上所述，我們只要通過穩(wěn)定系數(shù)法計算出叉車最高處的載荷，再通過平臺 試驗法對計算的結果加

10、以驗證，就能準確的得到叉車的安全載荷曲線。由于穩(wěn)定系數(shù)法在計算過程中，一直將叉車作為剛體看待，忽視叉車各構件 （尤其是輪胎）的彈性變形，因此計算結果和實際情況有較大的誤差。因此，在 計算過程中，我們必須考慮以下部件對計算結果的影響：叉車門架系統(tǒng)是叉車工作裝置的骨架，是貨叉的支架和導軌；門架支撐著起 升液壓缸，同時還要承受貨物的垂直作用力和縱向彎矩，是承受力矩的主要部件， 它的過量變形和破壞,將會影響叉車的正常使用。在設計門架時，采用以往的經(jīng) 驗設計和計算方法很難得到理想的設計，常會造成門架板厚布置不合理、重量大、 浪費材料等弊病。因此，分析其微觀受力及位移很有意義。通過對門架受力的分 析，合理

11、的確定門架的板厚及受力位置，最大加強門架的剛性，減小門架起升時 的彎曲變形；軸承是叉車主要的承力部件，由于自身的間隙及載荷的影響，其自身的變形 對叉車的穩(wěn)定性也有很大影響。選用合理的軸承，確定軸頭的大小及位置，盡量 減小軸承變形對載荷曲線的影響；在以往的計算中，我們一直把整車看成一個剛性系統(tǒng)，車體及輪胎的彈性變 形都未加以考慮。此次我們考慮將車體及輪胎的變形加入到計算結果中；慣性力對整車穩(wěn)定性的影響是巨大的，慣性力產(chǎn)生的傾覆力矩與重心高度成 正比，而且，慣性力也加大了門架的瞬間變形。實際上，叉車傾翻是在動態(tài)工況 下發(fā)生的。通過對慣性力的研究，合理的確定門架起升的最大速度，確保載荷曲 線及叉車效率的統(tǒng)一性。研究時間表第一階段11月一一12月底門架強度分析 通過對數(shù)模進行分析，在同樣材料下，確定門架合理 的結構，盡量加強門架的結構強度及剛性；車體結構分析通過對數(shù)模的研究，確定車體尤其是支腿的強度及變形量，適當?shù)母淖冘圀w的結構，；軸承的變形分析 通過對軸承的受力分析，確定軸承的變形量，將其