基于有限元分析的剪叉式高空作业平台叉臂轻量化设计_喻向阳.pdf

2023.01建设机械技术与管理 57设计计算0 引 言随着近几年高空作业平台行业快速发展，剪叉式高空作业平台（以下简称剪叉车）已广泛应用于国家的各项建设中。由于剪叉车的市场渗透率越来越大，品牌竞争也越来越大，租赁商及客户对产品的要求也越来越高。因此在保证产品性能的前提下进行轻量化设计已逐渐成为共识，轻量化设计可减轻剪叉车自重，降低制造成本，提高产品的市场竞争力1。1 传统剪叉臂现状及有限元分析1.1 传统剪叉臂现状剪叉臂是剪叉车的举升机构，作用是将工作平台举升至工作位置，是剪叉车关键的受力部件，其重量占整机重量约40%。以某型号剪叉臂设计方案为例（如图 1 所示），最上一层叉臂（第 5 层）中间铰点一般位于型材中心位置，间接起升力的有效起升力臂小；第 5 层叉臂未与上油缸铰点直接铰接，油缸举升力不直接作用在第 5 层叉臂上，需依靠下一层（第 4 层）叉臂铰点形成的“剪刀叉”结构间接提供起升力来实现举升，从而导致第 4 层叉臂整体受力大；并且结构选型上偏于保守，剪叉臂的重量增加，则导致整机重量增加。1.2 典型工况分析剪叉车在作业过程中会频繁进行举升、下降、行走、转向等动作，而举升、下降动作过程中，叉臂从收藏状态开始进行起升的初始阶段，举升油缸的出力最大，剪叉臂整体的受力也最大2。综合考虑剪叉车在实际作业过程中剪叉臂受力最大的典型工况，本文选用额定载荷、1.5 倍额定载荷（超载工况）两种典型工况进行仿真分析计算，主要用于考核剪叉臂的结构强度。1.3 剪叉臂建模及网格划分剪叉臂总成由多层内叉焊件、外叉焊件通过轴铰接，形成类似“剪刀叉”结构，如图所示。内、外叉焊件的矩形管材料的屈服强度为 550MPa，连接管的屈服强度为355MPa。有限元仿真模型根据三维模型进行结构简化，见图 2。根据结构布置和部件重要程度，网格大小控制在10 20mm 之间，采用三维二阶四面体修正单元 C3D10M和壳单元 S4R、S3，单元总数 1351347 个。1.4 边界条件加载根据剪叉车剪叉臂实际安装和工作特点，选取剪叉臂和工作平台作为整体进行分析，这样更有利于边界条件的确基于有限元分析的剪叉式高空作业平台叉臂轻量化设计Scissor Arms Weight Reduction Design of Scissor Lifts Based on FEA喻向阳 黄斌 银峰 王经纬（湖南中联重科智能高空作业机械有限公司，湖南 长沙 410000）摘要：以剪叉式高空作业平台叉臂为研究对象，建立叉臂有限元分析模型，根据叉臂有限元计算结构，提出第 5 层叉臂中间铰点上移及上油缸铰点增加辅助支撑装置的优化方案，基于优化方案进行叉臂的轻量化设计，并采集了额定载荷及 1.5 倍超载工况的叉臂多点应力数据。研究结果表明：将第 5 层叉臂中间铰点上移并在上油缸铰点增加辅助支撑装置的优化方案能够显著的降低叉臂结构的应力，轻量化设计后的叉臂重量可降低180kg。关键词：剪叉式高空作业平台；叉臂；铰点；辅助支撑；轻量化设计中图分类号：TH123 文献标识码：A图 1 剪叉臂结构设计方案示意图DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.01458 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算定和载荷的施加（见图 2）。建立剪叉臂和工作平台的整体模型，剪叉臂上端的滑块和工作平台底部的滑道建立接触约束，剪叉臂下端滑块建立铰接约束并释放滑动方向的自由度。剪叉臂各叉臂之间采用铰接约束，用 link 连接单元模拟液压缸约束，并用 mass point 质量点形式代替油缸的重量。负载施加在工作平台上，结构自重以分布力的形式施加在各部件处。1.5 分析结果有限元分析结果表明，额定载荷工况及1.5载荷工况下，各层内、外叉最大 mises 应力均出现在起升初始阶段，最大mises 应力值如表 1 所示。图 2 剪叉臂有限元模型及约束条件名称额定载荷/MPa1.5 倍额定载荷/MPa内叉 1 矩形管210227外叉 1 矩形管157188内叉 2 矩形管209225外叉 2 矩形管153182内叉 3 矩形管105120外叉 3 矩形管6288内叉 4 矩形管230260外叉 4 矩形管221246内叉 5 矩形管121146外叉 5 矩形管125151内叉连接管120128外叉连接管1318表 1 传统剪叉臂内、外叉最大 mises 应力矩形管材料的屈服强度为 550MPa，连接管的屈服强度为 355MPa，根据高空作业机械行业实际使用情况，安全系数一般取大于 23，即矩形管材料的最大应力小于 275MPa，连接管的最大应力小于 177.5MPa。结合表 1 的计算结果可知，内、外叉矩形管及连接管的最大 mises 应力均满足要求。2 剪叉臂优化分析2.1 中间铰点优化分析剪叉臂第 5 层内、外叉焊件中间铰点通过轴铰接，两侧铰点分别与第 4 层叉臂两侧铰点和平台滑动连接座铰接（滑动轴承座只承受竖直方向载荷，每一侧滑动连接座的载荷FP为平台总重量、载荷总重量之和的1/2），如图3所示。图 3 第 5 层内、外叉连接关系示意图对第 5 层叉臂起升初始状态进行起升力分析，首先进行整体分析，如图 4 所示。得到：FAy=Gz2+FP （1）FDy=Gz2+FP （2）其中，Gz 为最上一层叉臂的自重。再选取第5层外叉焊件进行单独受力分析，如图5所示。图 4 第 5 层内、外叉整体受力分析图图 5 第 5 层外叉单独受力分析图根据受力平衡得到：FAx=FOx （3）FP=FOy+FAy （4）对 O 点进行力矩分析，FAx为旋转有效力，FAy、FP为旋转阻力，得到：FAx H=(FAy+FP)L （5）求解得到：FP=+2HLFAxFOxGz2 （6）Gz2=FOx （7）同理对第 5 层内叉焊件进行单一受力分析，得到：FP=+2GLFDxGz2 （8）可知，第 4 层叉臂需要给第 5 层叉臂提供的举升有效2023.01建设机械技术与管理 59设计计算力 FAx、FDx与 H 成反比，增大 H 可减小 FAx、FDx，降低剪叉臂整体受力。综合考虑矩形管高度及中间铰点轴套尺寸等因素，可将第 5 层叉臂中间铰点上移 30mm。2.2 辅助支撑装置布置在第 5 层叉臂中间铰点上移基础上，为了进一步减小剪叉臂举升初始阶段整体受力，在上油缸铰点位置增加辅助支撑装置，如图 6 所示。该辅助支撑装置右侧铰孔与内叉 4油缸板铰接，中间孔与上油缸轴铰接，上油缸轴可以在内叉4 油缸板滑槽内滑动，左侧铰点安装有缓冲套。在剪叉臂起升初始阶段，油缸伸长后带动辅助支撑装置围绕右侧铰点向上转动，左侧缓冲套直接作用在内叉 5 中间铰点上，给内叉5 提供竖直向上的提升力。剪叉臂模型进行有限元分析，得到各层内、外叉最大 mises应力如表 2 所示。通过对第 5 层叉臂中间铰点上移并在上油缸铰点位置增加辅助支撑装置，能够显著的降低剪叉臂结构升降过程的最大应力，提升剪叉臂的疲劳寿命，为剪叉臂轻量化设计提供了理论依据。3 剪叉臂轻量化设计根据优化后剪叉臂有限元分析结果，对剪叉臂整体进行轻量化设计，将有限元分析应力较小的内、外叉的矩形管及连接管厚度减薄，以降低剪叉臂整体重量，具体轻量化项及轻量化后额定载荷及 1.5 倍额定载荷工况下每层叉臂的最大 mises 应力如表 3 所示。图 6 辅助支撑装置布置方案图名称材料厚度/mm额定载荷/MPa1.5 倍额定载荷/MPa内叉 1 矩形管6.35206222外叉 1 矩形管6.35151180内叉 2 矩形管4.8207215外叉 2 矩形管4.8151164内叉 3 矩形管6.3591110外叉 3 矩形管6.353641内叉 4 矩形管6.357384外叉 4 矩形管6.353539内叉 5 矩形管4.86264外叉 5 矩形管4.86168内叉连接管6.5122129外叉连接管61420表 2 优化后剪叉臂内、外叉最大 mises 应力2.3 优化后有限元分析对第 5 层内、外叉中间铰点上移及增加辅助支撑装置的名称轻量化后剪叉臂备注材料厚度/mm额定载荷/MPa1.5 倍额定载荷/MPa内叉 1 矩形管6.35195211不变外叉 1 矩形管6.35145165不变内叉 2 矩形管4.8193198不变外叉 2 矩形管4.8140153不变内叉 3 矩形管6.3587102不变外叉 3 矩形管4.84348减薄内叉 4 矩形管4.892106减薄外叉 4 矩形管4.84043减薄内叉 5 矩形管3.2102122减薄外叉 5 矩形管3.294112减薄内叉连接管5139146减薄外叉连接管52132减薄表 3 轻量化后剪叉臂内、外叉最大 mises 应力由表 3 可知，轻量化后剪叉臂内、外叉矩形管及连接管的最大 mises 应力均满足要求，轻量化后的剪叉臂总共可减重 180kg，可降低制造成本，降低设备作业时的重心，提升作业稳定性。4 试验验证根据试验需求制作了一套轻量化剪叉臂样件，安装在实车上进行剪叉臂升降应力测试，各应力测试点的位置与各层内、外叉有限元计算结果的最大应力位置一致，如图 7、8 所示。分别测试了额定载荷及 1.5 倍额定载荷情况下的剪叉60 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算臂升降应力，两种工况最大 mises 应力测试结果如表 4 所示，并根据应力测试结果计算出与有限元分析结果的最大误差。基于有限元计算和试验测试的结果可看出，应力测试结果与有限元计算结果基本一致，最大误差在第四层内叉矩形管位置，误差值为13.2%，其余位置误差值均在10%以内，计算精度较好，满足工程机械测试误差精度要求。因此，在产品设计开发过程中，可以进行有限元分析，提前对产品进行轻量化设计，在保证结构强度的情况下降低结构质量，节省成本，缩短产品开发周期。表 4 轻量化叉臂应力测试结果名称额定载荷/MPa1.5 倍额定载荷/MPa额定载荷误差/%1.5 倍额定载荷误差/%内叉 1 矩形管2082296.78.5外叉 1 矩形管132155-9.0-6.1内叉 2 矩形管181187-6.2-5.6外叉 2 矩形管1521618.65.2内叉 3 矩形管941088.05.9外叉 3 矩形管47529.38.3内叉 4 矩形管10312012.013.2外叉 4 矩形管3741-7.5-4.7内叉 5 矩形管1111308.86.6外叉 5 矩形管90108-4.3-3.6内叉连接管15416310.811.6外叉连接管1930-9.5-6.35 总 结本文根据某型号剪叉车有限元计算结果，提出第 5 层叉臂中间铰点上移及在上油缸铰点位置增加辅助支撑装置的优化方案，进而对剪叉臂进行轻量化设计，降低剪叉臂自重。然后通过应力测试采集轻量化设计剪叉臂样件最恶劣工况的应力数据，与有限元分析结果进行对比验证，最终得出以下结论：（1）第 5 层叉臂中间铰点上移及在上油缸铰点位置增加辅助支撑装置的优化方案，能够显著降低第各层叉臂的结构应力，提升剪叉臂的疲劳寿命，可以推广至其他剪叉机型，具有较大实用性。（2）通过轻量化设计，可减轻剪叉臂重量 180kg，降低制造成本，降低设备作业时的重心，提升作业稳定性。（3）通过应力测试采集的剪叉臂样件最恶劣工况的应力数据与有限元分析结果的最大误差为 13.2%，表明有限元计算结果精确可靠。参考文献1 姚萃，靳玮勃，张垚，等.基于 ANSYS 有限元分析的塔式起重机起重臂轻量化设计 J.建设机械技术与管理,2021(6):67-69.2 GB/T25849-2010 移动式升降工作平台-设计计算、安全要求和测试方法 S.3 GB/T9465-2018 高空作业车 S.收稿日期：2022-11-09作者简介：喻向阳，硕士，工程师，主要从事机械结构设计方面的研究。图 8 剪叉臂应力测试布点图 7 轻量化剪叉臂实车安装图