毕业设计（论文）-叉车升降机构设计.doc

目 录1 绪论21.1 选题的目的、意义及研究方向21.2 叉车的研究现状及分析31.2.1 我国叉车行业发展历程及现状31.2.2 国内外市场分析31.3 现代叉车技术发展趋势41.3.1 产品的系列化与多样化41.3.2 绿色化推动叉车动力技术的发展41.4 本课题主要内容52 液压叉车提升机构设计总述62.1 部件简介及设计要求62.1.1 门架62.1.2 货叉72.1.3 链条链轮72.1.4液压系统82.2各部件的运动与安装关系83 货叉的设计计算103.1 货叉基本参数和尺寸的确定103.2 货叉的计算简图103.3 货叉的强度验算113.4 货叉的刚度校核133.5 货叉挂钩形式的确定143.6 货叉与挂钩焊接强度验算144 叉架的设计计算174.1 叉架174.2 链条及链条滑轮组的选取195 液压叉车门架的设计计算205.1 门架系统的构造原理205.2 门架的强度计算215.3 计算滚轮压力23I5.4 门架立柱截面几何性质235.5 内门架强度计算245.6 外门架强度计算275.7 门架刚度计算285.8 小结296 滚轮组件的安装及计336.1 内门架与外门架滚轮的设计337 起升液压系统设计377.1 液压系统简介377.2 设计方案387.3 原理图387.4 油泵选择计算397.4.1 确定各参数397.4.2 液压泵站及液压泵的规格及选用397.4.3 油泵功率及电机选择397.5 压力损失的计算417.6 节流阀的选择437.6.1 节流阀的结构437.6.2 节流阀能通过的流量437.6.3 压力447.6.4 节流孔两端的压力差447.6.5 节流口通流面积447.6.6 节流的直径448 倾斜机构设计468.1倾斜机构简介478.2 倾斜机构设计工况478.3 倾斜油缸的布置方案478.4 倾斜机构设计47总 结53参考文献54致 谢55诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日 叉车升降机构设计摘 要: 叉车具有装卸和搬运功能，机动灵活，能适应多变的装卸搬运要求，普遍适用于港口、车站、货场、车间、仓库、油田及机场等处，还可以进入船舱和集装箱内进行装卸作业，还广泛应用于军事部门和特殊防爆部门，有的车辆可无人驾驶，到人员不断接近的地方工作适用于柔性加工系统，随着物流技术的不断发展和工业化水平的提高，叉车使用范围将日益扩大，成为一种产量与品种很多的装卸搬运机械。 通过对国际国内叉车造型设计的现状分析运用工业设计的理论和方法，研究了叉车造型设计的要素及设计原则：造型要求简洁明快、线条流畅，以体现车身的力度感与坚实稳重的感；色彩力求单纯，给人以轻松、愉悦的感觉，主色调以明度较高的黄 色、橙色为宜；车身前后左右要求有宽大的玻璃，仪表具有良好的可读性。研究结果对叉车设计具有重要的实际指导意义。关键词:叉车，门架，提升机构 Forklift lifting mechanism designABSTRACT： Forklifts can do handing works,and can flexibility to adapt to changing of handing requirements and generally applicable to ports,railway stations，freight yard,workshops,warehouses,oil fields and the airport and places,and forklifts could still enter the cabin and container handing operations within.Forklifts are alseo widely used in military and special explosionproof sector,some vehicles will be unmanned,that officers should hot work in places close to or for Flexible Manufacturing Systerm，as the logistics and technological development and the enhancement of the level of industrialization,the use of fork lifts will be expanding ,and it will become a yield varieties with a lot of material handing machinery.Based on the analysis of current status of international and domestic forklift truck form design the key elements and design principles in forklift truck form design was researched using industriM design theory and methodology；the color strives simplicity to make people feel pleasant and light mainly usingtones ofyeHow and orange；there shouldbe big ass atthefrontand back oftrucks；thein struments should be easy to readThe research results provided practical reference for forklift truck designKeywords： fork truck， mast，lifting mechanism太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 选题的目的、意义及研究方向 叉车是工业搬运车辆，是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆。叉车的机体紧凑，轴距较短，转向灵活，能在狭窄的场地和通道内作业，能通过比较低矮的仓门；货物的升降采用液压操纵，使得操作简单，动作平稳；在采用货叉搬运成件货物时自身具有装卸功能，无需要辅助人员。因此叉车非常广泛地应用于车间、仓库、港口、车站等场所，进行装卸、堆垛、拆垛和极短距离的搬运。叉车对于实现装卸搬运作业的机械化，提高劳动生产率非常重要，是现代工业生产的重要设备。中国叉车工业，自年大连叉车总厂生产了第一台仿苏叉车后，叉车的生产已经历余载，曾经生产过叉车的企业约多家，目前生产的叉车起重量在吨之间，产品品种达余种。我国叉车生产企业大多品种较少，而且技术水平低，就是行业排头兵安叉集团的品种规格与先进国家相比，也仍存在差距，大吨位集装箱叉车才开始试生产，无人自动导向车正在研制，很多具有高新技术及特种叉车尚不能生产。 叉车升降机构就是叉车工作的核心部件，也就是叉车的工作装置，是它实现了对货物进行叉取、升降、码垛等作业。升降机构的形式和尺寸决定了叉车所能完成工作的效果。太大，则不能实现灵活，节能的目的；太小，则不能完成对大件物体的搬运。所以对于升降机构的设计至关重要。 所以叉车升降机构的设计决定了叉车的使用性能的好坏，合理的设计不但能够解决现存的问题，而且能够节省资源，达到最大的使用效果。 通过本次设计我努力做到把我所学的专业知识得到充分利用，使得自己在思维和能力上得到双丰收，同时使叉车设计更加人性化、合理化、安全化，对机械制造和设计方面得到更多了解。1.2 叉车的研究现状及分析1.2.1 我国叉车行业发展历程及现状 我国叉车工业起步于20世纪50年代末，当时主要仿制前苏联产品。从70年代后到80年代中期，全行业先后组织了2次联合设计，各叉车生产厂纷纷引进国外先进技术，如北京叉车总厂引进日本三菱1t内燃平衡重叉车技术，大连叉车总厂引进日本三菱1040t内燃平衡重叉车和集装箱叉车技术，天津叉车总厂引进保加利亚巴尔干车辆公司1.256.3t内燃叉车技术，杭州叉车总厂引进西德O&K公司静压传动叉车、越野叉车和电动叉车技术，合肥叉车总厂、宝鸡叉车公司引进日本TCM株式会社110t叉车技术，湖南叉车公司引进英国普勒班机械公司内燃防爆装置技术。自90年代开始，一些骨干企业在消化吸收引进技术的基础上积极对产品进行更新和系列化，因此目前国产叉车的技术水平参差不齐。其中，电动叉车因受基础技术落后的制约，整体水平与世界先进水平差距很大，每年仍要进口价值近2亿美元的叉车产品。中国叉车能否逐鹿国际市场，并在与世界强手的竞争中立于不败之地，将依赖于叉车整体技术水平的提高，特别是电动叉车技术的飞速发展。1.2.2 国内外市场分析 全球约有250家叉车生产企业，年生产量保持在50万台左右。由于竞争的加剧，同20世纪80年代比，世界叉车工业出现了销售额增长而利润减少的反常现象。一方面，为降低成本，叉车巨头纷纷在发展中国家建厂。例如，在中国建有厦门林德、安徽TCM、北京汉拿、湖南德士达、烟台大宇重工、上海海斯特等。这些公司把具有世界20世纪90年代中期先进的产品和技术带到国内，促进了我国叉车技术的快速发展，同时对国内市场也造成了很大的冲击。另一方面，随着市场经济的发展，物流技术在经济发展中的地位与作用越来越明显，叉车普及率越来越高，已从过去单一的港口码头进入到国民经济的各行各业。 目前我国叉车的保有量约18万台，实际年潜在需求量约10万台，而实际年销售量仅3万台左右，可见中国的叉车市场是巨大的。随着人们对环境污染危害的深刻认识，环保已成为世界共同关注的焦点，因此，环保型叉车将成为市场主流；其次，自动仓储系统、大型超市的纷纷建立，刺激了对室内搬运机械需求的增长，高性能电动叉车、前移式叉车、窄巷道叉车等各类仓储机械迅速发展是未来叉车市场的又一特征；另外，全球经济一体化必将带来全球工业的国际化，使得各国间及国内贸易大幅上升。有资料表明全世界集装箱吞吐量每年以30%左右的速度递增。贸易的增加将推动现代集装箱搬运与堆垛设备的高速发展。1.3 现代叉车技术发展趋势 1.3.1 产品的系列化与多样化 根据美国工业车辆协会的分类法，叉车分(1、2、3、4、5、6和7)7大类，分别为电动乘驾式叉车、电动窄巷道叉车、电动托盘搬运车、内燃平衡重式实心胎叉车、内燃平衡重式充气胎叉车、电动与内燃乘驾式拖车和越野叉车。1999年7月，美国现代物料搬运杂志评出世界20强叉车公司，其中排在前10位的公司是：Linde，Toyota，Nacco，Jungheinrich，BT Industries，Mitsubshi / Caterpillar，Crown，Komatsu，Nissan，TCM。另外产品品种和系列也非常齐全，如德国Linde公司有柴油、液化石油气、电动平衡重叉车，前移式叉车，堆垛车，拣选车，侧面式叉车，电动牵引车等近110种；而我国最大的叉车制造企业安徽叉车集团生产116 t 15个级别80种机型400多个品种的叉车。各叉车公司皆以产品种类、系列的多样化去充分适应不同用户、不同工作对象和不同工作环境的需要，并不断推出新结构、新车型，以多品种小批量满足用户的个性化要求。1.3.2 绿色化推动叉车动力技术的发展 叉车分内燃叉车和电动叉车。内燃叉车以发动机为动力，功率强劲，使用范围广，缺点是排气和噪声污染环境，有害人类健康。环保要求推动了动力技术的更新：TCM于20世纪70年代更新了3.5t柴油叉车，将预热燃烧室改为直喷式，省油1720；80年代初Perkins发动机推出扁唇式燃烧系柴油机，省油7；年代中期德国Deute公司开发出F913型叉车专用柴油机，省油60%，降噪6 dB，而瑞典推出柴油机蓄电池混合动力叉车；90年代液化石油气(LPG)叉车、压缩天然气(CNG)叉车、丙烷叉车等低公害叉车面市，且发展势头强劲。 电动叉车具有能量转换效率高、无废气排放、噪声小等突出优点，是室内物料搬运的首选工具，但其受蓄电池容量限制，功率小，作业时间短。目前国内外均在不断改进铅酸蓄电池技术，通过提高材料纯度等使其在复充电次数、容量和电效率方面有了很大提高。由于技术的进步，电动叉车现已突破只能用于小吨位作业的局限性。目前国际上电动叉车的产量已占叉车总量的40%(国内为10%15)，在德国、意大利等一些西欧国家电动叉车比例高达65%。1.4 本课题主要内容（1）掌握叉车的升降系统结构并进行设计，绘制其结构简图和原理简图。（2）叉车升降机构主要性能参数（跨度、轨距、额定起重量、最大起重量、总起重量、有效起重量）（3）升降结构的主要零部件的材料、制造及热处理工艺，了解升降机构的主要失效形式，并对关键零部件分析。2 液压叉车提升机构设计总述 以1.8T内燃叉车为样板进行分析与设计： 内燃叉车的主要组成部分：(1) 发动机：它是叉车的动力装置，是将热能转换为机械能的机械。发动机产生的动力由曲轴输出，并通过传动装置驱动叉车行驶或驱动液压泵工作，完成叉取、堆码货物等作业。(2) 传动装置：包括离合器、变速器、主传动器、差速器、半轴等部分。传动装置的作用是将发动机输出的动力传递给液压泵和驱动车轮，实现叉车的升降，倾斜和行驶。(3) 操纵装置：包括转向机构和制动系统两部分。基本作用是改变叉车的行使方向，降低运行速度或迅速停车，以保证装卸作业的安全需要。(4) 工作装置：包括内外门架、叉架、货叉、提升链条、滚轮、滑轮、挡货架等部分。其作用是用来叉取、升降或堆码货物。(5) 液压系统：包括油箱、液压泵、分配器、提升液压缸、倾斜液压缸。用以实现货物的升降、倾斜等动作。(6) 电气系统：包括电源部分和用电部分。主要有蓄电池、发电机、起动电动机、点火装置、照明装置和喇叭等。如设计题目，本设计只分析了工作装置及液压系统两部分，如图2.1： 图2.1 叉车升降机的工作装置及液压系统2.1 部件简介及设计要求2.1.1 门架 门架是叉车工作装置的重要组成部分，负责货物的起升及相应的装卸、堆垛动作，最常见的叉车门架是由内、外两节组成。内外门架各有两根立柱，立柱是门架承载的主要构件，也是叉架(或内门架)作升降运动的导轨。左右立柱之间连以横梁，构成“”形框架。外门架的立柱多数为槽形截面，内门架立柱的截面型式较多，有槽形、工字形和其他异形形状。立柱截面的周边都不封闭，杆件的长度远大于截面的高度和厚度，因此，它们属于力学上的开口薄壁杆范畴。加工要求：门架布置在车的前方，在前轴前边，内、外门架和叉架都是用型钢焊成的平面框架，它们与起升油缸和链滑轮组和重量占了工作装置总重的绝大部分，是影响叉车抵抗向前翻倒的能力的不利因素。设计要点：一是在保证工作装置正常工作前提下，要尽可能地将其布置得靠近前轴；二是为保证司机视野，叉车无载行驶下，司机能看见货叉叉尖，且在货叉由地面升起至顶端的整个过程中，司机都能很好地观察货叉上货物的情况。 门架部分参数见下表2.1： 表2.1 门架参数额定起重量kg2000载荷中心距mm500尺 寸最大货叉高度mm3000货叉架ISO标准型级货叉厚度Tmm40货叉宽度Wmm120货叉长度Lmm1000货叉间距范围最小最大mm200920门架前后倾角前倾/后倾6/10速 度最大行驶速度（无载）km/h11起升速度（满载）mm/s2202.1.2 货叉（1）货叉的构造 货叉是叉车的最基本和最通用的取物装置，货叉装在叉架上。它的外形是一个L形杆件，分为水平段和垂直段两部分。在叉车叉取货物时，货叉的水平段用来插入货物或托盘的底部，叉起后，用来承载货物。因此，货车水平段的上表面必须水平，并且货叉前端逐渐变窄，叉尖两侧带有圆弧，这样有利于是货叉插入货物底部，叉取货物，货叉的垂直段用来与叉架连接。（2）叉架 叉架又名滑架，它的作用是安装货叉或其他的工具属具，并带动货物一起升降。根据叉架在门架系统中的相关位置，货物的重量靠叉架传给起重链条，货物重量产生的力矩通过叉架传给门架，链条带动叉架升降时，叉架要可靠地沿着门架导轨运动。2.1.3 链条链轮 叉车采用链条作为挠性件。常见的有套筒滚子链和片式链。由于片式链的承载能力较强，因此采用片式链比较普遍。链条通常有两个一端固定在叉架上，另一端固定在外门架横梁上或起升液压缸上部。链条不动的部分可以用杆来代替。链条的一端装有调节螺栓和螺母，用来调整长度，以便均衡载荷。链轮位于内门架上横梁或浮动横梁的两侧。链轮在这里起的不是传动作用，而是滑轮的作用，所以是不带齿的。2.1.4液压系统 （1）液压系统有5个液压缸组成，分别为两个起升液压缸，刚性连接以保证同步；两个倾斜液压缸，同样刚性连接以保证同步；一个转向液压缸控制叉车后轮转向。（2）叉车转向由司机操作方向盘使油液经转向器再进入转向缸，控制叉车后轮转向；转向器是一个随动原件，他能根据方向盘的输入角度的大小经过反馈元件对车轮转角进行自动控制。（3）升降缸为柱塞缸，其用来控制货物的升降。倾斜缸用来控制叉车门架的前倾和后倾。2.2各部件的运动与安装关系 货叉挂在叉架横梁上，叉架以起升油缸为动力，受链条的牵引，并以其纵、侧向滚轮为“车轮”，以内门架为“活动导轨”作升降运动；内门架则受起升液压缸的顶推，也以其纵、侧向滚轮为“车轮”，以外门架2为“固定导轨”而升降；外门架的下铰坐铰接在车架上，中部靠两个并列的倾斜液压缸来实现整个门架系统的前、后倾动作。起升液压缸分成两个，下端以半球面支承在外门架后侧，中部受外门架“扶持”，上端顶在一个浮动横梁上，自由提升结束后即与内门架上横梁重叠。起升链条的一端固定在起升液压缸筒上（相当于固定在外门架上），中部绕过固定在浮动横梁上的链轮后，另一端挂住叉架。 3 货叉的设计计算3.1 货叉基本参数和尺寸的确定 货叉的主要尺寸有货叉水平段长度；货叉垂直段高度；货叉断面尺寸(为货叉厚度，为货叉宽度等)8太原工业学院毕业设计 图3.1 货叉的结构和尺寸货叉尺寸主要取决于起重量Q、载荷中心距c，根据选题，已知起重量Q=2.0 T，查文献知货叉的基本参数和尺寸为： 表3.1 叉车的基本参数和尺寸载荷中心距离货叉长度货叉垂直高度货叉断面尺寸货叉两铰支点中心距货叉外伸距 据机械设计手册选择材料为40Cr钢，热处理工艺选用调质处理40Cr钢屈服强度。3.2 货叉的计算简图按照货叉和叉架的联接形式，上支承可简化为活动铰支座。按照这种简化，货叉可看作一次超静定刚架。同时考虑到挂钩型货叉上部的挂钩处有安装间隙，并非绝对不能转动，故货叉又可简化为支承在两个铰接支座上的静定刚架。 图3.2 一次超静定刚架计算简图 图3.3 静定刚架计算简图 这两种计算简图，在载荷P力作用下，货叉的危险截面均在支座以下的垂直段，其应力状态相同，强度相等。但货叉垂直段的受力情况不同，导致变形不同。按静定钢架计算时，变形量稍大， 偏于安全， 故货叉的强度和刚度均按静定刚架进行计算。3.3 货叉的强度验算 （a） 计算简图 (b) 弯矩图 (c) 拉力图 图3.4 货叉强度计算简图从货叉所受的集中载荷P力作用的内力图(图3.4)来看, 水平段受弯矩和剪力, 垂直段受弯矩和拉力, 危险截面支座在垂直段下部靠近转弯处，其最大应力为： (式3-1）式中P货叉的计算载荷，； C载荷中心距，；W抗弯截面模量，； F危险截面面积，； 许用应力，n为安全系数。3.3.1计算载荷P的确定 （式3-2）式中 Q叉车额定起重量，Q=2000KG=19600N K1动载荷系数，取K1=1.2； K2偏载荷系数，取K2=1.3.由此得出 3.3.2 安全系数n的确定安全系数的选取, 与货叉的计算载荷大小、动载荷系数和偏载荷系数的选取密切相关。如果计算载荷比较准确, 安全系数可以取较小数值。否则，安全系数应取较大数值。强度计算时，安全系数应满足以下条件 其中n强度安全系数；材料屈服极限；危险截面处应力（即最大正应力）； 此次设计选择安全系数为n=3。3.3.3 计算最大正应力， （式3-3）3.3.4 强度验算把数据代入式3-1, 得出 因为,所以货叉满足强度条件。3.4 货叉的刚度校核 货叉刚度计算的目的，是确定货叉水平段在静载荷作用下的变形，通常已叉尖或载荷中心处的垂直静挠度作为计算值。挠度越小，货叉的刚度越大。 进行货叉的刚度计算时，不考虑货叉偏载和动荷系数，通常校核叉尖处的静挠度，把货叉在工作时的正常载荷作为计算载荷（）, 按等截面静定刚架来计算又尖处的挠度，计算方法用弯矩图乘法（图3.5）。 （a）计算图 （b）外载荷作用下弯矩图（MP） （c）单位力作用下弯矩图图3.5 货叉刚度计算图 由此可得叉尖的挠度 （式3-4）式中J货叉的截面惯性矩；货叉的弹性模量，；叉尖允许挠度.代人数据, 得出 叉尖的许用挠度为 由于,所以货叉满足刚度条件。3.5 货叉挂钩形式的确定叉车货叉上的挂钩与货叉的联接形式, 通常有整体式和非整体式两种。非整体形式的联接方法, 又有焊接和螺栓联接等形式。由于焊接形式货叉制造容易, 安装拆卸方便, 所以, 货叉与挂钩的联接多采用非整体的焊接形式。3.6 货叉与挂钩焊接强度验算挂钩尺寸根据ISO2328-77标准规定，z=17.5mm，M=31mm，s=50mm，K=H=5mm，b=120mm，G=36mm（图3.6）。图3.6 挂钩尺寸与焊接强度验算挂钩的水平段受弯矩和拉力, 垂直段受弯矩。根据起重机焊接强度的计算规范, 由拉伸应力和剪切应力所组成的复合应力, 按等效应力来进行计算, 其计算公式为 （式3-6）式中 挂钩所受的水平力, N； 焊缝总长度，cm； 所受垂直力，N。代入数据, 得出 则 货叉与挂钩焊接的焊条选用TB13-2, 焊条的抗拉强度,焊条的许用应力由于所以，货叉与挂钩满足焊接强度条件。4 叉架的设计计算 4.1 叉架叉架又名滑架，它的作用是安装货叉或其他工作属具，并带动货物一起升降。下图是最常见的焊接插架构造图。货叉1对称的装在上横梁2上，货叉间的距离可以调整，以适应货物体积大小的需要，货叉在叉架上的位置有定位器7固定。上横梁2和下横梁3通过两块竖版与滚轮架4焊成一体。在滚轮架的两个外侧，装有滚轮5和侧向滚轮6.滚轮沿内门架的边沿滚动。当叉架由于货叉偏载，或在其他侧向力作用下引起歪斜是，侧向滚轮就参加工作，将侧向力传给内门架的腹板，保证叉架平稳的升降。图4.1 叉架的构造4.1.1 叉架的计算Q是叉车额定起重量，e表示或差的偏载距离，P是每个货叉的最大工作载荷，是货叉作用在叉架上的水平力，是叉架滚轮所受的力，是由于叉架偏斜时侧向滚轮所受的力，S是重链条的拉力。受力简图如图4-2：叉架上横梁靠近悬臂根部截面是危险截面，危险截面上A点和B点事应力最大的点，如图4.3： 图4.3 （a）叉架计算简图 图4.2 叉架受力简图 （b）x方向上弯矩正应力 （c）y方向上弯矩正应力如图4.3所示，叉架上横梁靠近悬臂根部截面是危险截面，危险截面上A点和B点事应力最大的点。 作用在垂直面内的弯矩 作用在水平面内的弯矩,为载荷中心距，为货叉厚度，为横梁厚度截面扭矩A点的应力： （式4-1）式中 _对x轴的抗弯截面模量 _对y轴的抗弯截面模量取 h=120mm、f=400mm、L=200mm，b=40mm代入式4-1中，得： 所以，叉架满足设计要求。4.2 链条及链条滑轮组的选取4.2.1 链条及滑轮组 叉车采用链条作为挠性件。常见的有套筒滚子链和片式链。由于片式链的承载能力较强，因此采用片式链比较普遍。链条通常有两个一端固定在叉架上，另一端固定在外门架横梁上或起升液压缸上部。链条不动的部分可以用杆来代替。链条的一端装有调节螺栓和螺母，用来调整长度，以便均衡载荷。链轮位于内门架上横梁或浮动横梁的两侧。链轮在这里起的不是传动作用，而是滑轮的作用，所以是不带齿的。链条导向滑轮组的作用是支承链条，并改变链条的走向。因为叉车不需要通过链轮输出扭矩或传递运动，故采用构造简单的光面滑轮就能满足要求，不必使用齿形链轮。 其结构简图如图4.4所示：b=36mm M=20mmD=90mm C=108mmd=64mm H=142mm 图4.4 链条滑轮组结构简图 d1=100mm d2=25m d3=8.3mm 5 液压叉车门架的设计计算5.1 门架系统的构造原理21内、外门架是各自分别有左右两根立柱，通过上中下不同数量的横梁连接而成的门式框架。立柱既是门架承载的主要构件，又是叉架或内门架作升降运动的导轨。立柱截面有槽形，工字形和其他异形形状，材料多为低合金钢。左右两立柱通过二到三根横梁连接，构成框架结构，然后嵌套在一起，依靠装在内外门架上的滚轮，使内外门架沿着外门架立柱滚动。当使用不同形状截面的型钢做门架立柱时，会有多种内外门架立柱的并列组合。本次设计采用CL型内外门架的框形结构。其结构简图如图5-1。图5.1 叉车门架结构 1外门架 ； 2外门架下部支座 ； 3倾斜油缸活塞杆连接板； 4导向支承滚轮； 5门架上部侧向滚轮； 6外门架上横梁； 7内门架； 8导向螺栓； 9门架下部滚轮； 10门架下部侧向 外门架立柱是槽型截面，左右立柱的上、中、下连有三根横梁，使门架成为外形封闭的超静定框架，立柱下端是与前桥铰接的部分轴瓦。外门架上横梁的立柱端部装有纵向主滚轮和侧向滚轮，中横梁上的板与倾斜的液压缸的活塞杆连接，下横梁部分轴瓦的内侧有起升液压缸的支座。另外要注意门外门架的上中下横梁的安装位置，不能相互之间发生干涉作用，影响门架的运动。滚轮的布置有固定间距式和可变间距式。本次设计采用固定间距式。 起升限位，为了防止起升到最大高度时叉架冲出，通常在门架上横梁处设置挡块作为起升限位装置，对应叉架上的相应部位。 自由提升是指在内门架顶端不伸出外门架顶端时，也就是叉车的最低结构高度不增加的情况下，货叉提升，其水平段上表面距离地面的最大高度。自由提升要靠门架构造来实现，具有自由提升的门架装置，能改善叉车运行的通过性，还能在低矮的仓库、船舱内作业。 升降系统运动过程上个不同阶段。第一阶段为自由起升，该过程起升液压缸活塞生出，通过链轮、链条带动叉架、货叉上升，内门架不动；第二阶段为同步运行，即内门架被起升液压缸活塞推动，以相同的速度起升；第三阶段为赶超阶段，即当叉架运行到内门架的上横梁或限位块，但货叉还未达到最大起升高度，内门架滚轮也为到达外门架的上限位置，这时液压缸继续升起，链条带动叉架，叉架通过内门架的限位块使其一同上升。因该阶段内门架的速度等于活塞速度的两倍，运动中内门架与活塞顶端之间又逐渐恢复开始起升时相距的高度，当货叉达到最大起升高度，整个阶段结束，起升过程完成。5.2 门架的强度计算 本设计选择门架材料为16Mn，其剪切弹性模量为:G=8.4105Kg/cm2，弹性模量为：E=2.1106Kg/cm2。 抗拉、抗压， 抗剪， 屈服点。 叉车起升的货物重量和叉架、货叉自重都是通过叉架滚轮和门架滚轮以集中力的形式作用在门架上的。当叉车满载、货叉起升到最大高度、门架前倾最大角度时，门架受力最大。在与门架垂直的平面内，取叉架为自由体，即可求出内门架对又架滚轮的反压力Pl、P2。其计算简图如图5.2 图5.2 受力及分析简图 (a) 门架受力情况 (b) 叉架受力情况 (c) 内门架受力图 (d) 内门架立柱弯矩图 (e) 外门架受力图 (f) 外门架立柱弯矩图 式中 Q额定起重量； G1货叉和叉架的自重；太原工业学院毕业设计 S链条总拉力； 门架最大前倾角度； K动力载荷系数，K=K1（动载荷系数）K2（偏载荷系数）。其中Q=2000 Kg、 、G1=250Kg、。代入上式得到 由上可得出，链条拉力S对滚轮中心产生的力矩，有助于减小滚轮压力，从而减小门架所受的载荷。在一般情况下，链条拉力产生的力矩数值上可达货物重量力矩的1/101/7。因此在设计叉架时，尽量增大。5.3 计算滚轮压力 内门架承受有叉架滚轮和门架滚轮作用的集中力，门架自重的影响很小，可不计。门架滚轮所作用的力 和 ,按下式计算： 其中： 代入上式，得： ，。5.4 门架立柱截面几何性质22图 5.3 门架立柱截面几何性质 (a) 立柱截面简图 (b) 扇形坐标 此次设计起重量为2000Kg， 根据机械课程设计手册选择槽钢型号为16a，其相应截面尺寸分别为：h=15.2cm、 t1=1.4cm、 t2=1.8cm、 b=5.2cm, 各参数值见表5-1。 表5.1 门架立柱截面尺寸参数表名称符号单位数值截面面积Fcm232.44形心X0cm1.19弯曲中心XAcm1.88截面惯性矩Jxcm41490.98Jycm4109.53截面抗弯模量Wxcm3175.41Wycm327.31纯抗扭惯性矩JKcm439.42扇性惯性矩cm64445.07 5.5 内门架强度计算 将内门架按一端铰支、一端自由的薄壁杆来计算。在垂直于门架的平面内，由24于滚轮的集中作用，计算门架立柱中产生的最大弯矩。 门架前倾最大角度时，滚轮最大压力比门架直立时大约增加10%，但同时链条拉力产生的力矩能使压力减小1/71/10,为使计算简化，将其忽略，按门架直立、内门架全升，货架满载起升到顶，载荷对称作用考虑。 在垂直门架的平面内，滚轮作用在内门架上的力可以转化为一个通过截面弯曲中心的集中力和力矩，前者使立柱受弯，后者使立柱受扭。其中最大弯矩发生在内外门架间上部滚轮处的截面上（图5.2 c、d）。不考虑门架前倾影响。因此，截面B的计算弯矩可写为： （1）整体弯曲正应力可写为： 已知许用弯曲应力为（取N值为4）： ，故可达到设计要求。（2）整体弯曲剪应力 式中：P截面剪力，Kg；S所求应力点以外的截面面积对中性轴的静矩，cm3；Jx截面对中性轴X的惯性矩，cm4;得到许用剪切应力为： 由知满足要求。255.6 外门架强度计算 外门架是由左右立柱和多根横梁组成的外形封闭的复杂刚架结构。由于通过立柱与横梁的弯曲中心的纵轴不在同一平面内，因此外门架并不是一个平面薄壁框架。 在外载荷作用下，外门架立柱产生的弯曲变形和约束扭转变形与内门架立柱相似。我们同样也把外门架简化为单根立往计算，横梁的影响则通过支座约束来考虑。 外门架立柱在垂直门架平面内的整体弯曲，不考虑门架前倾的影响.，从门架下滚轮接触点至立柱与倾斜油缸连接处的一整段内，都承受最大弯矩Mbmax的作用。门架滚轮压力对外门架立柱还产生约束扭转。外门架立柱一般在上中下三处或四处有横梁连系，立住与横梁的连接均可看成铰支，它允许立柱的截面翘曲，但不允许截面转动。外门架强度计算简图如图，危险截面在D点。知H0=1866mm、h0=520mm、h1=480mm。 图5.4 外门架强度计算简图5.6.1 计算D点整体弯曲链条拉力S对起升油缸产生力矩，通过活塞杆及内门架使门架滚轮压力增加，门架弯曲增加。27门架滚轮压力增量为： （式5-8）其中S链条拉力，Kg；a2链条与轴中心距，cm；Hmax最大起升高度，cm。知Hmax=300cm，取a2=6cm，求得 （式5-9）则有所以D点最大弯矩为：则整体弯曲应力为：前面已经得到，许用弯曲应力为:由可知，符合要求。 （式5-10）29同样，已由前面得到局部许用弯曲应力：由知，符合要求。5.7 门架刚度计算5.7.1 门架刚度的计算状态 门架的刚度条件是指当满载的货叉起升到最大高度，前倾至最大角度时，门架顶端的水平挠度应小于许用值。门架计算简图如图5-5所示。图5.5 门架刚度计算状态简图其中各已知参数分别为： 起重量Q=2000Kg、起升高度H=3000mm、载荷中心C=500mm、前倾角、滑架重量G1=250Kg、门架立柱惯性矩J0=J1=J=1490.98cm4。门架各尺寸分别为： h0=520mm、h1=480mm、h2=370mm、H0=1866mm、H1=1830mm、H=3211mm C0=380mm、C1=300mm、l0=665mm、l1=260mm。滑架通过滚轮传给内门架和力按下式计算，参看图5.6图5.6 门架计算简图 可以把力P1、P2对门架的作用分解为一个力偶与一个集中力，内门架端部力偶以M1表示，外门架端部的力偶以M0来表示 伸缩式门架在端部力偶和集中力作用下，端部产生的水平位移f（挠度）是由三部分组成的：外门架端部水平位移f0、内门架端部水平位移f1和内门架绕外门架端部转动角在内门架端部引起的水平位移，。 式中 、力偶M作用在外门架端部产生水平位移和转角； 、集中力P1-P2作用在外门架端部产生水平位移和转角； 、由力偶M及集中力P1-P2作用在内门 图5-7 转动简图架端部的产生的水平位移。5.7.2 确定门架端部产生的各水平位移由图5-10弯矩图用图乘法可求出在力偶M0作用下外门架端部产生水平位移fM0: （式5-14） 图5.8 外门架计算简图同样，由力偶M1作用在内门架端部产生的水平位移fM1为： （式5-15）力偶M0作用下，内门架绕外门架端部转动角度可参照图5-10用图乘法来求。由集中力P1-P2和作用，在外门架端部引起和水平位移f0p为：同理，由力P1-P2的作用引起的内门架端部水平位移f1p为：由于集中力P1-P2的作用，在外门架的端部使内门架绕外门架端部而转动产生的角度为： （式5-16）5.7.3 校核挠度通过上面的计算，可以求出伸缩式门架在端部力偶和集中力作用下端部产生的水平位移f（挠度）。其值为： （式5-17）其许用挠度值为： （式5-18）由知，满足刚度要求。5.8 小结1. 叉车门架是由开口薄壁杆组成的薄壁刚架。立柱是叉车门架直接承受滚轮压力作用的构件。由于滚轮压力不通过立柱截面弯心，必然产生约束扭转。计算表明，约束扭转的正应力与整体弯曲正应力为同一量级，不容忽视。2.内、外门架的计算简图与横梁数目和横梁刚度有关。内门架按形薄壁刚架和一端铰支、一端自由的薄壁杆计算，约束扭转正应力的差别不大于10%。为减少计算工作量，可按单根薄壁杆计算。将外门架简化为单根薄壁杆计算时，支座约束的假定对约束扭转正应力影响不大，差值一般在310%的范围内，因此可按比较简单的二跨连续梁的简图计算。3.立柱截面中的剪应力与正应力相比，数值较小，约束扭转剪应力更可忽略不计。考虑到滚轮压力对立柱冀缘还要产生局部弯曲作用，因此门架立柱截面应在满足制造工艺要求的条件下，使腹板减薄，冀缘加厚。4.叉车门架端部的水平挠度主要是由外门架的变形引起的，因为外门架是内门架的基础，外门架端部的水平变位和转角都会导致内门架端部的水平位移。因此从增强门架刚性的要求出发，外门架应采用比较刚强的结构。6 滚轮组件的安装及计6.1 内门架与外门架滚轮的设计导行滚轮分为纵向及侧向两组，各由四个滚轮组成。前者在垂直于门架的平面内，而后者在门架自身的平面内起传力和导行作用。它们的构造示于图6-1上。纵向滚轮受力较大，故直径也大且用滚动轴承，侧向滚轮受力小，直径也小，故用动轴承或滚针 。 （a）纵向滚轮