3吨叉车的门架系统设计.docx
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目录
摘要……………………………………………………………………………1
关键词…………………………………………………………………………1
1前言………………………………………………………………………………2
2叉车的种类和使用性能………………………………………………………………3
2.1叉车的种类…………………………………………………………………3
2.2叉车的主要使用性能……………………………………………………………3
3叉车货叉强度和刚度验算………………………………………………………4
3.1货叉的主要结构参数……………………………………………………………4
3.2货叉计算简图………………………………………………………………5
3.3货叉的强度计算……………………………………………………………6
4叉架的设计计算………………………………………………………………8
5门架的设计与计算……………………………………………………………9
5.1门架系统的构造原理……………………………………………………………9
5.2门架强度的计算状态……………………………………………………………10
5.3计算滚轮压力………………………………………………………………11
5.4门架立柱截面几何性质………………………………………………………12
5.5内门架强度计算…………………………………………………………………15
5.5.1门架立柱断面翼缘厚度校核………………………………………………15
5.5.2门架立柱断面腹板高度校核…………………………………………………16
5.5.3门架立柱的弯矩校核…………………………………………………………16
5.6外门架强度计算…………………………………………………………………18
5.6.1计算D点整体弯曲……………………………………………………………19
5.6.2校核局部弯曲应力……………………………………………………………20
5.7门架刚度计算…………………………………………………………………20
5.7.1门架刚度的计算状态………………………………………………………20
5.7.2确定门架端部产生的各水平位移……………………………………………23
5.7.3校核挠度…………………………………………………………………25
5.8小结…………………………………………………………………………25
6滚轮组件的安装及计算……………………………………………………26
6.1内门架与外门架滚轮的设计……………………………………………………26
6.1.1轴的计算…………………………………………………………………26
6.1.2轴承的选择…………………………………………………………………27
6.1.3导轮的设计…………………………………………………………………27
6.1.4轴用挡圈…………………………………………………………………27
6.1.5孔用挡圈………………………………………………………………28
6.2叉架与内门架滚轮的设计………………………………………………………29
7总结………………………………………………………………………………29
参考文献………………………………………………………………………29
致谢……………………………………………………………………………30
3吨叉车的门架系统设计
摘要：
根据目前我国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，在设计当中注意这些问题。
对叉车的货叉和门架进行设计和计算，以提高叉车门架的稳定性，提升寿命和可靠性。
从设计当中了解叉车门架以及提升部分的结构性能,并为以后该装置的研究提供基础数据和部分图纸。
关键词：
叉车货叉；叉架；门架；滚轮
TheSystemDesignOf3TonsForkliftTruckDoorFrame
Student：
RenJie
Tutor:
YangWenmin
（CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China）
Abstract:
Accordingtoourcurrentcountryinternalcombustionperformanceoftheforklifttruckdoorframe,toretrofitdesign,therearemanyproblemsbecauseoftheforklifttruckworkingdevice.Suchas:
doorframedeformationislarge,thedoorframerailsurfaceindentationandwearandtear,orrollercrushed.Payattentiontotheseproblemsinthedesign.Todesignandcalculatetheforkframeoftheforklift,inordertoimprovethestabilityoftheforkliftframe,enhancetheservicelifeandreliability,understandthestructuralperformanceofforkliftgantryandthehoistingpartfromthedesign,andprovidethebasicdataanddrawingsforthefuturedevice.
Keywords:
Forkliftpalletfork;Fork;Thedoorframe;Roller
1前言
叉车是应用十分广泛的流动式装卸搬运机械，是物料搬运机械（国外称为工业车辆或地面运输车辆）的一种。
叉车又名铲车、万能装卸车或自动装卸车。
它是由在无轨底盘上加装专用装卸工作装置构成的。
叉车广泛用于车站、港口码头、机场、仓库以及工矿企业等部门，用来实现机械化装卸、堆垛和短距离运输，是物流系统不可缺少的机械设备。
1917年美国CLARK公司生产出世界上第一辆叉车。
从全球叉车行业的发展周期看，叉车行业处于成熟期。
1990年全球叉车销量达55.8万台，达到历史最高，之后的几年中，由于西方经济的衰退，全球叉车销量基本保持在55～60万台。
进入21世纪之后，全球叉车销量开始走入上升通道，2000年达到59万台，2001年亦为58.38万台，2007年叉车年销量达到90.7万台[1]。
近几年，随着全球经济的发展，全球各地区叉车需求量都在增加。
目前，全世界大约有250多家叉车生产企业，世界上三个最大的叉车销售市场依次是欧洲、北美和亚洲，其中，欧洲和北美都是成熟的市场，需求量已趋于稳定，亚洲是一个不断成长中的市场，在这个市场中中国的贡献最大。
我国的叉车生产是解放后才开始的。
在50年代先后由沈阳电工机械厂和大连叉车厂分别仿制苏联产的1.5t平衡重式电动叉车和5t内燃叉车开始[2]，随后生产厂家与产品的产量和种类规格逐渐增多，70年代形成规模。
改革开放以来，国外叉车制造商纷纷进入中国市场，林德、小松、现代、三菱、丰田、TCM和海斯特等著名制造商均在我国设立独资或合资公司进行叉车生产销售。
外资的进入给整个行业带来了良好的发展环境，提高了产品的科技含量[3]。
我国现有叉车生产厂家约100余家，主要企业50余家，产品品种达1000余种，已形成以安徽叉车集团公司、杭州叉车有限公司为主的重点企业。
我国叉车行业产销量连续几年持续增长，2007叉车行业保持了强劲发展态势，年销量达13.9万辆。
目前我国叉车已形成了相对集中的市场格局，初步形成高、中、低三个层次，中高端、高端市场被以林德为代表的跨国巨头占领;中端、中低端市场以安徽合力叉车和杭州叉车等为主导;低端市场以浙江如意、虎力等民营企业为首，格局基本稳定。
从目前市场来看，中低端占据着国内市场;从长远发展来看，中国叉车行业必将走向技术化、高端化。
随着国民经济的发展，各行各业对叉车的需求量逐年增加，尤其是近几年物流热刺激市场需求，叉车市场拓展空间巨大。
在今年全国“两会”上，全国政协提案委员会副主任、中国机械工业联合会会长王瑞祥告诉媒体，我国已成为世界装备制造大国，但“大而不强”却也是不争的事实。
叉车行业与技术正不断进步，体现在：
走汽车工业专业化生产、零部件全球化采购的道路，中、小吨位叉车的变速器与驱动桥、转向桥，甚至门架逐渐转向专业化生产；通过改制、兼并、重组使生产厂家向万台以上的经济规模发展；增加5t以上大吨位叉车的产量，运用工程机械地盘技术，开发堆高机，正面吊等产品；增加蓄电池叉车、交流蓄电池叉车的品种与产量；增加防爆等特殊用途叉车的品种与产量；提高叉车的外观设计水平，提高叉车的可靠性，改善驾驶员的舒适性与作业条件；发挥信息技术的优势，利用CAD技术提高特型叉车的设计速度与水平，使叉车生产向多品种、小批量、用户定制化的方向发展。
2叉车的种类和使用性能
2.1叉车的种类
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（以上三种均为正叉式）、侧叉式、跨车以及其他特种叉车等。
2.2叉车的主要使用性能
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。
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。
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。
通常以在一定行驶速度下制动时的制动距离来加以衡量。
叉车的制动距离一般由试验测定，必要时可通过计算确定。
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。
我国叉车标准对行驶时的制动能力作了相应规定:
1.叉车空载行驶车速为20km/h时，制动距离应不大于8m；2.叉车满载行驶车速为10km/h时，制动距离不大于4m。
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好。
通过性：
叉车的通过性是指叉车克服道路障碍而通过各种不良路面的能力。
叉车的外形尺寸大小，轮压力、离地间隙大、驱动轮牵引力大，则叉车的机动性越好。
操纵性：
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。
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。
叉车的稳定性分为纵向和横向性两类。
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。
3叉车货叉强度和刚度验算
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。
3.1货叉的主要结构参数
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）（图1）。
图1货叉的结构和尺寸
Fig1Palletforkstructureandsize
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=3吨，按ISO/DIS1214-79标准规定，载荷中心距离为c=500mm,再由ISO/DIS2326-81和ISO2382-77标准，查出货叉的基本参数和尺寸为
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铰链支座,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铰接制座上的静定刚架（图2）
（1）超静定刚架计算简图
（1）thestaticallyindeterminateframediagramcalculation
（2）静定刚架计算简图
（2）thecalculationdiagramofstaticallydeterminaterigidframe
图2货叉受力简图
Fig2Palletforkforcediagram
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,应力状态和强度都相同,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和刚度校核均按静定刚架进行计算
3.3货叉的强度验算
从货叉受集中载荷P作用的力（图3）可以看出水平段受弯矩和剪力垂直段受弯矩和拉力,危险截面在下叉钩A-A断面以下的垂直段,危险截面的最大正应力为:
（1）
式中p---货叉的计算载荷
---载荷中心距
W---抗弯截面膜量.W=
F---货叉垂直段截面积.F=d×b
图3货叉受集中载荷简图
Fig3Palletforkwithconcentratedloaddiagram
（1）计算载荷P的确定
式中Q表示起重量重力
Q=mg=30000N
:
动载荷系数取=1.2
:
偏载荷系数取=1.3
（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,动载荷系数系数和偏载系数的选取密切相关,如用确定计算载荷比较明确,安全系数可取较小值,否则安全系数取较大值,通常取安全系数,n>=1.5,n取1.7
（3）许用应力的确定
（4）强度验算把上列数据代入
（1）得,
货叉满足强度货叉的刚度校核通常是验算叉尖处静挠度,即以额定载荷作为计算载荷,按等截面静定刚架计算叉尖处扰度,计算方法用简便的弯矩图相乘,叉尖处的扰度计算公式
（2）
式中E-40cr钢弹性模量
I表示货叉截面惯性矩,按等截面计算
表示货叉额定截面载荷力
通常叉车的许用挠度为==2cm
因为所以满足货叉要求的
4叉架的设计计算
图4叉架受力图
Fig4Forkbytryingto
如图4所示，叉架一般按简支梁计算其上横梁悬壁根部A-A截面处的应力（MPa），其计算式为
（3）
式中
L——货叉最外悬挂点到叉架上横梁臂端根部的距离，mm；
h——叉架上横梁悬壁端根部截面净高度，mm；
b——叉架上横梁悬壁端根部截面净宽度，mm，b=M=31mm；
Fp——垂直载荷，N。
Fp=9800Q/2，即额定起重量的一半；
F——纵向载荷，N。
F=Fpm/h2，见表4-1，m=c+a+0.5b，a为货叉厚度,
c为载荷中心距，c=500mm。
取h=120mm、h2=383mm、L=200mm，知a=45mm、b=31mm、c=500mm
代入式2中，得
由第三章知
而此处
所以叉架满足要求。
叉架的其它部分为超静定的框架结构，强度与刚度较大，不必计算校核。
5门架的设计与计算
5.1门架系统的构造原理
图5为门架结构简图，内门架1和外门架2都是由两根柱和一个或两个端梁焊成的框架。
内架仅有一个上端梁，下部有一个很弱的横系杆。
外架有上端梁及下端梁，为不妨碍内架，上端梁放在立柱顶端后翼缘后边。
中部由横梁加强，其两侧伸出有联接倾斜油缸的铰轴。
左右立柱异型槽钢，其开口相对。
叉架和内架上的各滚轮组分别安放在内架和外架立柱的槽内，滚轮组构成叉架，内架和外架相互之间的活动联系，起传力和保证有正确动力的导向作用。
起升链滑轮组包含两套对称布置的起升链和动，滑轮座固定在内架上梁。
起升油缸的上、下支座的支承分别固定在内架上梁和外加下梁上，为保证安置在期间的起升油缸受纯压力，支座的支承表面常为球面。
链的一端固定在外架的下梁或立柱上，另一端与叉架相连接。
图5叉车门架结构
Fig5Forklifttruckdoorframestructure
1——内门架2——外门架3——叉架4——货叉5——货物6——导向滚轮7——倾斜油缸
5.2门架强度的计算状态
本设计选择门架材料为16Mn，其剪切弹性模量为:
G=8.4×105Kg/cm2，弹性模量为：
E=2.1×106Kg/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（图6）。
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。
（4）
式中
Q——额定起重量，Kg；
G1——货叉和叉架的自重，Kg；
S——链条总拉力，Kg；
——门架最大前倾角，度；
k——动力载荷系数，K=K1（动力系数）×K2（货物偏载系数）。
图6门架载荷作用图
Fig6Doorframeloadingdiagram
其中Q=3000Kg、、G1=250Kg、h2=370mm、、、、、K=1.2。
代入式4得到
从以上计算中可以看出，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（sa2）数值上可达货物重量力矩的1/10～1/9。
当门架前倾最大角度时（），滚轮最大压力比门架直立时约增加10%左右。
由于链条拉力和门架前倾对滚轮压力所起的、数值上近乎相等的减载和增载作用，为了使计算简化，将其略去不计，按门架直立状态进行计算。
5.3计算滚轮压力（图7）
门架直立时，，由此内门架滚轮压力为
知h1=480mm，h2=370mm
外门架滚轮压力为：
图7门架滚轮压力计算图
Fig7Doorwheelpressurecalculationc
5.4门架立柱截面几何性质
此叉车内外门架立柱的截面尺寸相同，在计算开口薄壁杆件受弯扭综合作用时，除了一般的截面几何性质以外（静矩、惯性矩、抗弯模量等），还要计算一些与截面翘曲有关的附加截面几何特性。
（1）立柱截面
（2）扇性坐标
（1）Thecolumnsection
（2）Tancoordinates
（3）扇性静矩
（3）Thefanstaticmoment
图8门架立柱截面几何性质
Fig8Doorframecolumnsectiongeometricproperties
图8
（1）为门架立柱截面图，
（2）为扇性坐标图，（3）为扇性静矩图。
此次设计起重量为3t，根据《机械课程设计简明手册》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1。
表1门架立柱截面结构尺寸及几何特性
Tap1Thedoorframecolumnsectionstructuresizeandgeometricfeatures
名称
符号
单位
量值
截面面积
F
cm2
32.44
形心
X0
cm
1.19
弯曲中心
XA
cm
1.88
截面惯性矩
Jx
cm4
1490.98
Jy
cm4
109.53
截面抗弯模量
Wx
cm3
225.41
Wy
cm3
27.31
纯抗扭惯性矩
JK
cm4
39.42
扇性惯性矩
cm6
4445.07
约束扭转特性
k
cm-1
0.06
静矩
Smax
cm4
127.23
参数计算如下:
截面面积：
形心位置：
弯心位置：
线性截面惯性矩（截面惯性矩）：
线性抗弯截面模量（截面抗弯模量）：
纯抗扭惯性矩:
扇性惯性矩：
静矩：
约束扭转特性：
由于Wy和Wx比值约为15.57%，大于15%，所以此门架平面内载荷不必进行计算。
5.5内门架强度计算
5.5.1门架立柱断面翼缘厚度校核
根据局部弯曲应力计算公式：
（7）
得到：
（8）
式中：
——材料屈服极限，16Mn钢的=3500Kg/cm2；
P——滚轮压力，P=P1=P2=3340.54Kg。
所以得到
由于1.71mm<1.8mm，知此翼缘厚度设计合理。
5.5.2门架立柱断面腹板高度校核
根据滚轮的接触应力来求腹板高度
（9）
式中：
P——滚轮压力，3340.54Kg；
——滚轮踏面宽度，50mm；
Enp——导轨和滚轮材质的综合当量弹性模量，钢制滚轮时，Enp=2.1×104Kg/mm2。
Pnp——导轨和滚轮的当量曲率半径，圆柱形滚轮对平面导轨时，Pnp=R=43mm。
——与滚轮材质和导轨表面硬度有关的许用接触应力，常用60~80Kg/mm2。
取
代入公式得
由，知符合要求。
由的等式经转换得：
取滚轮的实际半径为计算半径的两倍，即:
R实际=2R，则R实际=2×34.80=69.60mm（取70mm），则腹板高度为：
由知，此尺寸设计合格。
5.5.3门架立柱的弯矩校核
把内门架看作外伸悬臂梁，按一端铰支、一端自由的单根薄壁杆来计算。
在垂直于门架的平面内，由于滚轮的集中作用，计算门架立柱中产生的最大弯矩。
又介于内外门架的应力情况较复杂，计算工作量较大，现根据吕维镇、张质文老师介绍的简化计算法进行计算。
简化计算的整体强度安全系数应大于4，校核翼缘的局部弯曲强度安全系数N局应不小于1.2，最危险截面在B点（图9）。
在整体弯曲和约束扭转的共同作用下
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