机械论叉车的外门架设计方案--张扬

1、论叉车的外门架设计方案摘要:根据目前国家内燃叉车门架的结构性能，进行改装性设计，由于叉车工作装置存在的问题有很多比如：门架变形很大，门架轨道面产生压痕和磨损,或者滚轮被压碎。叉车在使用过程中 由于往复承载重物，倾斜架以及起升部分容易断裂，其中倾斜油缸是损坏最严重的部位。运货在起起 落落当中受振动使活塞杆螺母松动而引起活塞杆径向转动活塞杆有效工作部分变长，引起活塞杆油 封磨损和断裂。在设计当中应该提高叉车门架的稳定性，提高起寿命和可靠性，以最低的的维修费 用，较长的使用周期使叉车具有较高的经济性。关键字：叉车货叉；叉架；门架；前序装卸搬运是指在货物运输、储存等过程中伴随发生的作业，贯穿于物流作业

2、过程中的始末。装卸 搬运机械是指用来搬移、升降、装卸和短距离输送物料或货物的机械。装卸搬运机械不仅用于完成 船舶与车辆货物的装卸，而且用于库场、货栈、舱内、车厢内完成货物的堆码、拆垛和短距离运输 等作业。常用的装卸搬运机械有叉车、单斗车、牵引车、平板车、工业搬运车辆等。按照装卸搬运机械所能搬运货物种类的不同，可将其分为如下几种类型：1) .集装货物装卸搬运机械。集装货物是指采用集装器具，将货物集中起来的一种方式。常见的集装器具主要有托盘和集装箱。托盘和集装箱货物一般采用相应吨位的叉车进行装卸搬运； 叉车按其动力装置不同，分为内燃叉车和电瓶叉车；按其结构和用途不同，分为平衡式、插腿式、 前移式、

3、侧叉式、跨车以及其他特种叉车等。2) ,长长笨重货物的装卸搬运机械。长大笨重货物在质量、体积和形状方面差别较大。常 见的长大笨重货物有大型机电设备、各种钢材、大型钢梁、原木、混凝土构件等。3) .成件包装货物的装卸搬运机械。成件包装货物一般是指怕湿、怕晒、需要在仓库内存 放并且多用棚车装运的货物，如日用百货、五金板材等。这种货物包装方式很多，主要有箱装、框装、袋装、捆装等。该类货物一般采用叉车，并配以托盘进行装卸搬运作业，也可使用带式输送机 械进行成件包装货物的搬运。4) .散装货物的装卸搬运机械。散装货物通常是指成堆搬运不计件的货物，如煤、焦炭、沙子、矿石等。散堆货物在交通运输货运量中占60

4、姆上，因此，对该类货物装卸机械的选择是一项很重要的工作。一般来讲，装卸这类货物应多考虑选择转载机、抓斗起重机、链斗式装车机等进行机械装车；机械卸车主要用链斗式卸车机、螺旋式卸车机和抓斗起重机等。叉车的主要使用性能简介如下：1) .装卸性。这是指叉车起重能力和装卸快慢的主要性能。装卸性能的好坏对叉车的生产率有直 接的影响。叉车的起重量大、载荷中心距大、工作速度高则装卸性能好。2) .牵引性。它表示叉车行驶和加速快慢、牵引力和爬坡能力大小等方面的性能。行驶和加速快、 牵引力和爬坡度大则牵引性好。3) .制动性。它表示叉车在行驶中根据要求降低车速及停车的性能。驶速度下制动时的制动距离来加以衡量。叉车

5、的制动距离一般由试验测定。影响叉车制动距离的主要因素是叉车的行驶速度，制动距离越小则制动性能越好。4) .机动性。机动性是指叉车在最小面积内转弯的能力和通过狭窄、曲折通道的能力。衡量叉车机动性的指标主要有最小转弯半径、直角交叉通道宽度和直角堆垛通道宽度。最小转弯半径越小、 直角交叉通道宽度和直角堆垛通道宽度越小，则叉车的机动性能越高。5) .操纵性。它是指叉车的轻便性和舒适性。如果需要加于各操作手柄、踏板及转向盘上的力小、 司机座椅与各操作件之间的位置布置得当，则操纵性越好。6) .稳定性。叉车的稳定性是指叉车在行驶和作业过程中，抵抗纵向和横向倾翻的能力。稳定性是 保证叉车安全作业的必要条件。

6、叉车的稳定性分为纵向和横向性两类。7) .经济性.叉车的经济性主要是指它的造价和营运费用，包括动力消耗、生产率、使用方便和耐 用的程度等。1.叉车货叉强度叉车是用与车站，码头仓库和工厂的件货装卸，堆垛及短途运输工具，货叉是叉车重要承载部件，其强度对于叉车的使用性能影响强大。1.1货叉的主要结构参数货叉的主要结构尺寸与重量载荷中心距，货叉的材质及热处理等有关，叉车起重量 Q=1000kg,按ISO/DI1214-79 标准规定，其载荷中心距 DH=500mm,再由 ISO/DIS2329-81 和 ISO2328-77 标准查出A型货叉设计的基本参数和主要尺寸应如图所示：22pdr图1贷叉的结构

7、尺寸货叉长度 L=1000mm垂直高度 H=520mm断面尺寸d x b = 45 mm x 120 mm两皎支点间距 h=411mm下叉钩至地面距离 e=73mm货叉材质选用40cr钢，经调质处理,40cr钢的屈服强度；：.-S _ 539 M pa1.2货叉计算简图由于货叉和叉架的连接形式不同，其支承载荷类型也不同，按照ISO2328-77标准规定1吨叉车货叉和叉架的连接形式为挂钩型上支承可看作固定支座，下支承可简化为活动皎链支座，货叉可看作是超静定刚架（见图1）考虑到挂钩型货叉上部挂钩处有安装间隙，并非绝对不能转动固而货叉又可以简化为支承在两个皎接制座上的静定刚架（见图2）货叉受力简图a

8、）超静定刚架计算简图b）静定刚架计算简图两种计算简图在集中载荷 p力气作用下，危险截面均在图1所示垂直A-A剖面处或其下方，应力 状态都相同，由于静定刚架水平段的变形量大于超静定刚架的水平段的变形量，并考虑到上部挂钩处有安装间隙，可以自由转动，为使计算偏于强度验算校核均按静定刚架进行计算即可。2.门架的设计与计算：对叉车门架进行概述：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II形薄壁

9、刚架和一端皎支.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。将门外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）立柱截面中的剪力应与正应力相比较，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翼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，翼缘加厚。4 ）采用参数法进行叉车门架的约束扭转强度计算，比较简单，便于实用。5 ）门架是叉车的重要组成部分。门架受载时的应力情况极为复杂，而影响门架应力的因素又 多

10、种多样，本文仅从约束扭转的一个侧面，在理论计算上提出一点看法，希望在对叉车门架进行理 论研究和试验时，能起抛砖引玉的作用。已知额定起重量Q=1000kg载荷中心距为 500mm.,货叉和叉架重量 G1 =1280 N ， 内门架G2 =1000 N，Hmax =2000毫米，门架尺寸及门架计算状态见图11。门架材料Q275, G =8.4乂10 9 NE =2.12 X10 10 N起重链条的一端固定在外门架横梁上。2.1叉架主滚轮压力计算（图12）;计算叉架滚轮压力时，取叉架为自由体，货物重量和叉架自重是叉架的我外载荷，链条拉力和叉 架主滚轮压力是叉架的支反力。在垂直于门架的平面内，货物重量

11、和叉架自重对起重链条的偏心作用力矩由叉架的上，下主滚轮压力平衡。货物重量和叉架自重的铅垂力由起重链条承受（图3）。在门架平面内，货物在货叉上偏置所产生的偏心力矩，根据（1）的条件，或以主滚轮摩擦力的形式作用于门架立柱的翼缘，或以侧滚轮正压力的形式作用于立柱的腹板。叉架主禳轮压力计算简25在图3中对起重链条中心线上的 A点取矩并利用水平方向合力为零的条件，可求得每个主滚轮l工Qb +G叉b110000 x 0.5 +1280 X0.165压力：R叉上 =R叉下 =8685 N2a2 0.3式中:G叉-叉架自重；b =500 mm,b1 =165mm-分别为货重心和叉架重心至起重链条前分支中心线的

12、水平距离。 a=300mm表示两滚轮之间的距离。2.2滚轮的设计1）滚动轴承结构型式的确定一由于叉车专用滚轮的转速低，对轴承加油困难，单独安装防尘的密封装置不经济又在尺寸上受限制。故采用GB278-82, 80000型，两面带防尘盖的单向心球轴承为基础。这种轴承在制造时已装填润滑脂，因此，轴承在长期工作中不要加油。2)按通常选用滚动轴承的方法及叉车对轴承的具体要求，确定选用GP278-80,某一滚动轴承的具体型号，这样只要更换轴承的外圈尺寸与形状，就成为叉车所需要的滚轮了。这样只要绘制外圈的图纸就行了，但是外圈厚度要更厚，因为外圈外表面与内门架型钢相接触，内表面与钢球相接触，内外表面的硬度差大

13、。内表面保持原外圈硬度，外表面的硬度稍微高门架钢表面硬度，外圈还要承 受冲击负荷。滚轮主要由滚动轴承的外圈，内圈，钢球，保持器，密封盖五大件组成。(2.2链轮的设计滚轮)根据上面的论述滚轮的尺寸以及性能重量见下表:型号尺寸(mm额定动负荷C(KN)额定静负荷Co(KN)重量(Kg)备注dBCrD31.2622.441.33用于货叉架80308 H尺寸性能重量见下表。注表中型号由基本型号后加工厂自行编号组成，以示为非标准的专用 链轮轴承。41勺尺J (mm)'糠定动员荷C （ K 宾）鞭定静负荷Co （ K、：）重她 T!1畚注1dBc|o32II 1-109*

14、7131,26:：11*33用于货叉架IW 23II "402U3兰用于升降油翻SQ308H,I34】,17321.09LX10JO4IDI由上表可以选择的链轮为80308H3。见下图:（链轮）2.3门架立柱截面几何性质（图13）叉车内外门架立柱的截面尺寸相同（图13a）。截面璧厚中心线的有关尺寸见图13b。扇性坐标见图13C,扇性静矩见图13d。截面的其他几何参数见表3。原设计的载荷中心距为380毫米，现按我国叉车标准的规定，取为 500毫米。面面积Fowe彩心X, (1#)帼申心为(M*1)%h(E !J-(M*)1 K(1/1 米)27.80.961邸102.T3B <1

15、6.7)17.415760.060图13门架立柱截面几何性质(a)立柱截面(b)截面中心(4) 扇性坐标(d)扇性静矩一 16.738W和取的比值为()X100% =16.3%-37% ,大于15% ,因此门架平面内的载何不必计算102.7102.72.4外门架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柱计算，横 梁的影响则通过支座约束来考虑。2.5.1整体弯曲链条拉力S对起升油缸筒产生

16、的力矩，通过活塞杆和内门架，使门架滚轮压力增加，门架的弯矩增大。假设门架滚轮压力的增量为AP3和AP4(图17)11Sa 21i.中4 = :P 节"。二h1式中S =1.2(Q +G1) 一链条总拉力；a2 =58毫米一链条轴线至油缸中心的距离；代入有关数值后，得：门架滚轮的总压力为P 4 =P 3 = P4 +AP4 =1370+123=1493公斤 由此得到门架的最大的弯矩为：M bmax =P4 X30 =1493 x 30 = 44800 公斤 厘米 =4480N，m2.5.2约束扭转扭转力矩由式(5)确定Mc=Md = P'4 (Xa+CQ =1493 X 4.0

17、5 = 6050公斤-厘米=605N .m，外门架立柱的约束扭转计算简图见图18。由式(14)求初参数M 0K (d _c)ShKf 十K(d c)ShKe '+ ShKC - ShKd ShK ( f -e)K (f -e)M = M .KfShKe,0c ShK (f -e) K ( f -e)= 60501.98 20961.6214.3671.98 x 241 .6-12.75 2.186.18 20968.34 241 .62.184.367629 .87 = 6050 X=1950 公斤 一厘米 =195N m1946由式(15)求得双力矩方程：B = ShKZ :m 0

18、Ke - M c K (d - c) ShK (e - d) - ShK (e - c) KShKe*1950 6.18 -6050 1.98 9.431 -68.500.066241 .6M cM dShKZShK (Z -c)ShK (Z -d)=KK6050 iShK (Z -c) - ShK (Z -d)0.066-«M0(a>图17 链条拉力对缸筒和门架滚轮压力的影响(a) 起升油缸；(b) 内门架双曲线函数值如下：Sh KC* L621Ch Kc= i.9U5Kdu 0,0网山9 = 3,24ShKd= 12.75ChKd= I379Ke = 0.DflBX93.5

19、6Ua$hKo = 241.6ChKe = 241+eKf-0.0atK136.H-8.34ShKf = 2096ChKf = 2096K(<s-c) = 0.Q6"T4.5 = 4.92SbK(t - e) = 68.50ChK(t-c) =6B,5K(e-d) = 0.066x44,5- 2.94ShK(e-d) -=9,431IChK(e-d><9.484K(f-e) = 0.066 x33 = 2-10ShK(f-0 = 4,367ChK(f e) =4.4&KI-。"。网 X3g】98Sh= 3*352ChK(d-c) = 3.fl9D=

20、 22400 ShKZ -91700 ShK (Z - c) 一 ShK (Z - d ) 1截面C的双力矩(Z=c)Bc =22400 X 1.621 =36300 公斤 厘米 2截面D的双力矩(Z=d) 2BD =22400 X12.75 91700 =< 3.522 =284000 -325000 =41000 公斤 一厘米截面E的双力矩(Z=e)Bk = 22400 X 241 .6 91700 =<(68.50 9.431 )=54120000-5410000 = 2000 公斤 一厘米 2 外门架立柱截面的双力矩如图18-b所示，最大双力矩发生在截面D上。按照其他各种计

21、算简图算得的最大双力矩均在截面D上，且差值不大于 7%ChKZM ：-=ShKe由式(16)可得外门架立柱截面的扇性扭矩方程，从而确定有关截面上的扇扭矩。'M °Ke - M c K (d -c) ShK (e - d) - ShK (e - c)-M cChK (Z -c) M DChK (Z - d)ChKZ 的50 6.18 6050 1.98 9.431 68 .50- 6050 ChK (Z c) ChK (Z d) 241 .6= 1480 ChKZ -6050 ChK (Z - c) - ChK (Z -d) 1截面。的扇性扭矩(Z=0)M她=1480公斤厘米，

22、=148N m截面C的扇性扭矩(Z=c)M 书左 =1480 xChKC =1480 X1.905 = 2820 公斤 厘米 =282 N，mM 史 =1480 ChKC -6050 = 2820 6050 =3230 公斤 厘米 =323 N，m截面D的扇性扭矩(Z=d)左M ：D=1480 ChKd - 6050 ChK (d - c)=1480 妇2.79 6050 尺3.690 =18820 21700 =2880 公斤 厘米 =-228 N mM 右=1480 ChKd 6050 ChK (d c) 1 =1480 妇2.79 6050 3.690 1 = 2650 公斤 厘米 =2

23、65 N -m截面E的扇性扭矩(Z=e)M ：K =1480 ChKe 6050 ChK (e c) ChK (e - d ) 1= 1480241 .6 -6050 68.5 -9.484 1= 357600 -357000 = 600 公斤厘米=60 N，m按照MK = M -M.的关系可以计算立柱截面上的自由扭矩。门架立柱的扇性扭矩，自由扭矩 K和总扭矩见图18-c d e.2.5.3应力计算从图18可知，门架立柱与门架的下滚轮相接触的截面D是危险截面，最大应力发生在翼缘与腹板相交的内恻.整体弯曲正应力为-wM b max448002=436 公斤 / 厘米 =43.6MPaWx1027

24、约束扭转正应力为B D " 2- 41000 q(-10)I- . 2=260 公斤 /厘米 =26MPa1576总的正应力为2。=cr 十。=436 +260 = 696 公斤 / 厘米 =69.6MPa w3.液压缸的尺寸的设计3.1液压系统的结构形式和工作原理按结构形式以及工作特点，油缸可以分为单作用缸，双作用缸，组合油缸和摆动油缸等四种类型。现在举个例子常见的叉车的起升油缸。(1) 单作用油缸(叉车起升油缸)单作用油缸是指压力油只能向油缸中活塞的一侧供油，即活塞只在向一个方向运动时靠油压力 推动，动作完成后的返回行程则靠其他外力来推动。例如叉的起升油缸，靠油压力将柱活塞顶起上

25、 升，而下降时则将油缸中的油排出，靠货叉，门架的自重使活塞下降。车的起升油缸，靠油压力将 柱活塞顶起上升，而下降时则将油缸中的油排出，靠货叉，门架的自重使活塞下降。如从油缸内的活塞的结构特点考虑，可以分为：柱塞式 ，伸缩套筒式以及活塞式。(2) 叉车起升油缸其结构及职能符号，如下图所示，活塞的端面是油压力的作用面。由于缸体内墙壁和活塞不接 触，因此缸体内壁不需要精加工，简化了缸体的加工工艺。为了减轻重量，活塞可以做成空心的。 比如：叉车起升油缸(3) 起升油缸上作用力分析：表示安装在叉车外门架底梁上的起升油缸组的工作位置。在缸筒中伸缩活动的活塞杆，其上端 皎接到具有一对起升链轮的横支架中间。横

26、支架连接于内门架的上横梁，以便顶升内门架，经两根 平衡链条悬吊叉架，使装载着的木材升降。链条的另外一端皎接到外门架的横梁上引用油缸上起升链条受载荷Q=12280N时动荷系数K1 =1.3以及偏载系数巾=1.1。两根链条拉力分别为：K11.1 1.3T1 =Q = 12280 =8780 .2N22(2 - )2 1.1T2 = K Q = 1.3 12280 =7183.822+T2 = K1Q以及一丁2 =(巾1)K1Q活塞杆顶端承受载荷为 W =2(L T2) =KQ =号.3 12280 =15964 N(3)叉车起升油缸的设计柱塞式油缸造价高维修复杂，但是截面惯量大，工作时不容易失稳但

27、是活塞式油缸价廉 ，装配维修 方便，但是截面惯量小，尤其当偏载起动时，更需校验发生，由于设计1吨液压叉车起升油缸，活塞式油缸 足够承受此力。叉车起升油缸如下：叉车起升部分液压工作原理图如下3.2液压缸工作压力的确定(表5-7)液压缸工作压力主要是通过液压设备和油缸外载荷来确定的。如下图:外载荷W (N)<50005000-1000010000-20000油缸工作压力P(Mpa)0.8-1.51.5-2.52.5-3.5表5-7取液压缸工作压力为 3.5Mpa1.3.2液压缸内径D和活塞杆直径d的确定油缸的工作压力 P,活塞杆顶端承受载荷为 W =2(T1 +T2) = K1Q =勺.3久

28、12280 =15964 N和油缸内径D的关系4W 4 15964D6 = 8.2 10 mP3.14 3.5 10表2-4液压缸内径尺寸系列(GB2348-80)得 D=0.1m当活塞杆工作受拉拉伸，一般取d/D=0.3-0.5;当活塞杆工作时受压缩(单活塞杆油缸)，为保证活塞杆工作的纵弯曲稳定性,d/D的比值应该取较大，一般取d/D=0.5-0.7,所以d/D=0.7-2d = 0.7 8.2 10= 0.07 m3.3油缸各部分材料的确定3.3.1材料用45号钢的无缝钢管且要调质缸体技术条件：1） 缸体内径D采用D4配合。内径的加工光洁度：当活塞用橡胶密封时，取V8V10当活塞用活塞环密

29、封时，取 V8 V9 ,都需要进行研磨。2）热处理：调质，硬度 HB241到HB2853）直径D的圆锥度，椭圆度不大于直径公差之半4） 缸体与端部用螺纹连接，螺纹采用2a级精度的公制螺纹.5）缸体尾部为耳环型6） 为了防止腐蚀和提高寿命，在缸体内表面可以镀铭，再进行抛光，在缸体外表面涂上耐油油漆。3.3.2活塞材料：耐磨铸铁活塞技术条件1）外径D对d的振摆不大于 D公差之半2）端面T的不垂直度在直径 100毫米上不大于 0.04毫米3） 外径D的椭圆度，圆锥度不大于直径公差之半活塞的密封采用。型密封圈进行密封3.3.3活塞杆有实心和空心两种，根据起升的重量可以选者实心活塞杆:45号钢。活塞杆的

30、技术条件1） 热处理：初加工后调质至硬度HB=229-285。2） 直径d, d1的圆锥度和椭圆度不大于直径公差之半.3）轴线弯曲度在500毫米长度上不大于 0.03毫米4）直径d对dO振摆差不大于 0.01毫米5）端面T的不垂直度在直径 100毫米上不大于 0.04毫米d表面可以镀铭,镀后再磨光，镀铭层0.05毫米活塞杆材料为45号钢其抗拉强度为壬600 MPa n:许用安全系数，n=4所以k】-活塞杆材料许用应力：k】三& =150 MPa4所以以】-活塞杆材料许用应力：号k 已 =150 MPa43.4液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是

31、指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚6的比值 D >10的圆筒称为薄壁圆筒。 起重运输机械和工程机械的液压缸,5般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算:Py D式子中6 :液压缸壁厚(m)D:液压缸内径(m)Py：试验压力，一般取最大工作压力的1.5倍(Mpa)tr -缸筒材料的许用应力无缝钢管：Lr =100Mpa在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形，安装变形等等引起液压缸工作

32、过程卡死或漏油.因此一般不作计算，按经验选取,必要时按上式进行校核6PyD 1.5 0.1 3.5 10d >=6一 =0.0026 m敝压缸的内径2 . 2 100 10D与其壁厚8的比值>10所以6= 0.005 m液压缸壁厚算出来以后，即可求出缸体的外径D1云D +2& =0.1 +2x0.005 = 0.11m式中D1值应该按无缝钢管标准3.5液压缸工作行程的确定表2-6液压缸活塞行程参数系列(GB2349-80) (mm)取1800mm缸盖厚度的确定般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算无孔时 t /0.433D2 J 告=0.433 乂。"1.5*3.5、= 0.01m100 10有孔时t - 0.433 D 2PyD2 0.4330.102-(D2 -d°)61.5 0.1021010c= 0.018 m610010 (0.102 0.072 )式子中:t-缸盖有效厚度(m)D2-缸盖止口内径(m)d0缸盖孔的直径(m)3.6最小导向长度确定对一般的液压缸，最小导向长度H应该满足以下要求LD1.60.1H _=0.13202202式子中L 液压缸的最大行程；D-液压缸的内径活