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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學 全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計 3噸叉車的門架系統(tǒng)設(shè)計 THE SYSTEM DESIGN OF 3 TONS FORKLIFT TRUCK DOOR FRAME 學生姓名：任 杰 學 號：200940614429 年級專業(yè)及班級：2009級機械設(shè)計制造及其自動化 (4）班 指導老師及職稱：楊文敏 教授 學 院：工學院 湖南·長沙 提交日期：2013 年 5 月 湖南農(nóng)業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 畢業(yè)設(shè)計作者簽名： 年 月 日  目 錄 摘要……………………………………………………………………………1 關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………1 1前言………………………………………………………………………………2 2叉車的種類和使用性能………………………………………………………………3 2.1叉車的種類 …………………………………………………………………3 2.2叉車的主要使用性能 ……………………………………………………………3 3叉車貨叉強度和剛度驗算………………………………………………………4 3.1貨叉的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)……………………………………………………………4 3.2貨叉計算簡圖………………………………………………………………5 3.3貨叉的強度計算……………………………………………………………6 4叉架的設(shè)計計算………………………………………………………………8 5門架的設(shè)計與計算……………………………………………………………9 5.1門架系統(tǒng)的構(gòu)造原理……………………………………………………………9 5.2門架強度的計算狀態(tài)……………………………………………………………10 5.3計算滾輪壓力………………………………………………………………11 5.4門架立柱截面幾何性質(zhì)………………………………………………………12 5.5內(nèi)門架強度計算…………………………………………………………………15 5.5.1門架立柱斷面翼緣厚度校核………………………………………………15 5.5.2門架立柱斷面腹板高度校核…………………………………………………16 5.5.3門架立柱的彎矩校核…………………………………………………………16 5.6外門架強度計算…………………………………………………………………18 5.6.1計算D點整體彎曲……………………………………………………………19 5.6.2校核局部彎曲應力……………………………………………………………20 5.7門架剛度計算…………………………………………………………………20 5.7.1門架剛度的計算狀態(tài)………………………………………………………20 5.7.2確定門架端部產(chǎn)生的各水平位移……………………………………………23 5.7.3校核撓度…………………………………………………………………25 5.8小結(jié)…………………………………………………………………………25 6滾輪組件的安裝及計算……………………………………………………26 6.1內(nèi)門架與外門架滾輪的設(shè)計……………………………………………………26 6.1.1軸的計算…………………………………………………………………26 6.1.2軸承的選擇…………………………………………………………………27 6.1.3導輪的設(shè)計…………………………………………………………………27 6.1.4軸用擋圈…………………………………………………………………27 6.1.5孔用擋圈………………………………………………………………28 6.2叉架與內(nèi)門架滾輪的設(shè)計………………………………………………………29 7總結(jié)………………………………………………………………………………29 參考文獻 ………………………………………………………………………29 致謝……………………………………………………………………………30 3噸叉車的門架系統(tǒng)設(shè)計 學 生：任 杰 指導老師：楊文敏 （湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，長沙 410128） 摘 要：根據(jù)目前我國內(nèi)燃叉車門架的結(jié)構(gòu)性能,進行改裝性設(shè)計,由于叉車工作裝置存在的問題有很多。比如:門架變形很大,門架軌道面產(chǎn)生壓痕和磨損,或者滾輪被壓碎，在設(shè)計當中注意這些問題。對叉車的貨叉和門架進行設(shè)計和計算，以提高叉車門架的穩(wěn)定性，提升壽命和可靠性。從設(shè)計當中了解叉車門架以及提升部分的結(jié)構(gòu)性能,并為以后該裝置的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和部分圖紙。 關(guān)鍵詞：叉車貨叉；叉架；門架；滾輪 The System Design Of 3 Tons Forklift Truck Door Frame Student：Ren Jie Tutor:Yang Wenmin (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: According to our current country internal combustion performance of the forklift truck door frame, to retrofit design, there are many problems because of the forklift truck working device. Such as: door frame deformation is large, the door frame rail surface indentation and wear and tear, or roller crushed. Pay attention to these problems in the design. To design and calculate the fork frame of the forklift, in order to improve the stability of the forklift frame, enhance the service life and reliability,understand the structural performance of forklift gantry and the hoisting part from the design, and provide the basic data and drawings for the future device. Key words: Forklift pallet fork; Fork; The door frame; Roller 1 前言 叉車是應用十分廣泛的流動式裝卸搬運機械，是物料搬運機械(國外稱為工業(yè)車輛或地面運輸車輛)的一種。叉車又名鏟車、萬能裝卸車或自動裝卸車。它是由在無軌底盤上加裝專用裝卸工作裝置構(gòu)成的。叉車廣泛用于車站、港口碼頭、機場、倉庫以及工礦企業(yè)等部門，用來實現(xiàn)機械化裝卸、堆垛和短距離運輸，是物流系統(tǒng)不可缺少的機械設(shè)備。 1917年美國CLARK公司生產(chǎn)出世界上第一輛叉車。從全球叉車行業(yè)的發(fā)展周期看，叉車行業(yè)處于成熟期。1990年全球叉車銷量達55.8萬臺，達到歷史最高，之后的幾年中，由于西方經(jīng)濟的衰退，全球叉車銷量基本保持在55～60萬臺。進入21世紀之后，全球叉車銷量開始走入上升通道，2000年達到59萬臺，2001年亦為58.38萬臺，2007年叉車年銷量達到90.7萬臺[1]。近幾年，隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，全球各地區(qū)叉車需求量都在增加。目前，全世界大約有250多家叉車生產(chǎn)企業(yè)，世界上三個最大的叉車銷售市場依次是歐洲、北美和亞洲，其中，歐洲和北美都是成熟的市場，需求量已趨于穩(wěn)定，亞洲是一個不斷成長中的市場，在這個市場中中國的貢獻最大。 我國的叉車生產(chǎn)是解放后才開始的。在50年代先后由沈陽電工機械廠和大連叉車廠分別仿制蘇聯(lián)產(chǎn)的1.5t平衡重式電動叉車和5t內(nèi)燃叉車開始[2]，隨后生產(chǎn)廠家與產(chǎn)品的產(chǎn)量和種類規(guī)格逐漸增多，70年代形成規(guī)模。改革開放以來，國外叉車制造商紛紛進入中國市場，林德、小松、現(xiàn)代、三菱、豐田、TCM和海斯特等著名制造商均在我國設(shè)立獨資或合資公司進行叉車生產(chǎn)銷售。外資的進入給整個行業(yè)帶來了良好的發(fā)展環(huán)境，提高了產(chǎn)品的科技含量[3]。 我國現(xiàn)有叉車生產(chǎn)廠家約100余家，主要企業(yè)50余家，產(chǎn)品品種達1000余種，已形成以安徽叉車集團公司、杭州叉車有限公司為主的重點企業(yè)。我國叉車行業(yè)產(chǎn)銷量連續(xù)幾年持續(xù)增長，2007叉車行業(yè)保持了強勁發(fā)展態(tài)勢，年銷量達13.9萬輛。 目前我國叉車已形成了相對集中的市場格局，初步形成高、中、低三個層次，中高端、高端市場被以林德為代表的跨國巨頭占領(lǐng);中端、中低端市場以安徽合力叉車和杭州叉車等為主導;低端市場以浙江如意、虎力等民營企業(yè)為首，格局基本穩(wěn)定。從目前市場來看，中低端占據(jù)著國內(nèi)市場;從長遠發(fā)展來看，中國叉車行業(yè)必將走向技術(shù)化、高端化。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各行各業(yè)對叉車的需求量逐年增加，尤其是近幾年物流熱刺激市場需求，叉車市場拓展空間巨大。 在今年全國“兩會”上，全國政協(xié)提案委員會副主任、中國機械工業(yè)聯(lián)合會會長王瑞祥告訴媒體，我國已成為世界裝備制造大國，但“大而不強”卻也是不爭的事實。叉車行業(yè)與技術(shù)正不斷進步，體現(xiàn)在：走汽車工業(yè)專業(yè)化生產(chǎn)、零部件全球化采購的道路，中、小噸位叉車的變速器與驅(qū)動橋、轉(zhuǎn)向橋，甚至門架逐漸轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)化生產(chǎn)；通過改制、兼并、重組使生產(chǎn)廠家向萬臺以上的經(jīng)濟規(guī)模發(fā)展；增加5t以上大噸位叉車的產(chǎn)量，運用工程機械地盤技術(shù)，開發(fā)堆高機，正面吊等產(chǎn)品；增加蓄電池叉車、交流蓄電池叉車的品種與產(chǎn)量；增加防爆等特殊用途叉車的品種與產(chǎn)量；提高叉車的外觀設(shè)計水平，提高叉車的可靠性，改善駕駛員的舒適性與作業(yè)條件；發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，利用CAD技術(shù)提高特型叉車的設(shè)計速度與水平，使叉車生產(chǎn)向多品種、小批量、用戶定制化的方向發(fā)展。 2 叉車的種類和使用性能 2.1 叉車的種類 叉車按其動力裝置不同，分為內(nèi)燃叉車和電瓶叉車；按其結(jié)構(gòu)和用途不同，分為平衡式、插腿式、前移式（以上三種均為正叉式）、側(cè)叉式、跨車以及其他特種叉車等。 2.2 叉車的主要使用性能 裝卸性：這是指叉車起重能力和裝卸快慢的主要性能。裝卸性能的好壞對叉車的生產(chǎn)率有直接的影響。叉車的起重量大、載荷中心距大、工作速度高則裝卸性能好。 牽引性：它表示叉車行駛和加速快慢、牽引力和爬坡能力大小等方面的性能。行駛和加速快、牽引力和爬坡度大則牽引性好。 制動性：它表示叉車在行駛中根據(jù)要求降低車速及停車的性能。通常以在一定行駛速度下制動時的制動距離來加以衡量。叉車的制動距離一般由試驗測定，必要時可通過計算確定。影響叉車制動距離的主要因素是叉車的行駛速度，制動距離越小則制動性能越好。我國叉車標準對行駛時的制動能力作了相應規(guī)定:1.叉車空載行駛車速為20km/h時，制動距離應不大于8m；2.叉車滿載行駛車速為10km/h時，制動距離不大于4m。 機動性：機動性是指叉車在最小面積內(nèi)轉(zhuǎn)彎的能力和通過狹窄、曲折通道的能力。衡量叉車機動性的指標主要有最小轉(zhuǎn)彎半徑、直角交叉通道寬度和直角堆垛通道寬度。最小轉(zhuǎn)彎半徑越小、直角交叉通道寬度和直角堆垛通道寬度越小，則叉車的機動性能越好。 通過性：叉車的通過性是指叉車克服道路障礙而通過各種不良路面的能力。叉車的外形尺寸大小，輪壓力、離地間隙大、驅(qū)動輪牽引力大，則叉車的機動性越好。 操縱性：是指叉車的輕便性和舒適性。如果需要加于各操作手柄、踏板及轉(zhuǎn)向盤上的力小、司機座椅與各操作件之間的位置布置得當，則操縱性越好。 穩(wěn)定性：叉車的穩(wěn)定性是指叉車在行駛和作業(yè)過程中，抵抗縱向和橫向傾翻的能力。穩(wěn)定性是保證叉車安全作業(yè)的必要條件。叉車的穩(wěn)定性分為縱向和橫向性兩類。 經(jīng)濟性：叉車的經(jīng)濟性主要是指它的造價和營運費用，包括動力消耗、生產(chǎn)率、使用方便和耐用的程度等。 3 叉車貨叉強度和剛度驗算 叉車是用與車站,碼頭倉庫和工廠的件貨裝卸,堆垛及短途運輸工具,貨叉是叉車重要承載部件,其強度對于叉車的使用性能影響強大。 3.1 貨叉的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 貨叉的主要尺寸有貨叉水平段長度；貨叉垂直段高度；貨叉斷面尺寸(為貨叉厚度，為貨叉寬度等)（圖1）。 圖1 貨叉的結(jié)構(gòu)和尺寸 Fig1 Pallet fork structure and size 貨叉尺寸主要取決于起重量Q、載荷中心距c，根據(jù)選題，已知起重量Q=3噸，按ISO/DIS1214-79標準規(guī)定，載荷中心距離為c=500mm,再由ISO/DIS2326-81和ISO2382-77標準，查出貨叉的基本參數(shù)和尺寸為 貨叉長度：； 貨叉垂直高度：； 貨叉斷面尺寸：； 貨叉兩鉸支點中心距：； 貨叉外伸距：； 據(jù)《機械設(shè)計手冊》選擇材料為40Cr鋼，熱處理工藝選用調(diào)質(zhì)處理40Cr鋼屈服強度。 3.2 貨叉計算簡圖 由于貨叉和叉架的連接形式不同,其支承載荷類型也不同,按照ISO2328---77標準規(guī)定1噸叉車貨叉和叉架的連接形式為掛鉤型上支承可看作固定支座,下支承可簡化為活動鉸鏈支座,貨叉可看作是超靜定剛架(見圖1)考慮到掛鉤型貨叉上部掛鉤處有安裝間隙,并非絕對不能轉(zhuǎn)動固而貨叉又可以簡化為支承在兩個鉸接制座上的靜定剛架(圖2) （1） 超靜定剛架計算簡圖 (1) the statically indeterminate frame diagram calculation （2） 靜定剛架計算簡圖 (2) the calculation diagram of statically determinate rigid frame 圖2 貨叉受力簡圖 Fig 2 Pallet fork force diagram 兩種計算簡圖在集中載荷p力氣\作用下,危險截面均在圖1所示垂直A-A剖面處或其下方,應力狀態(tài)和強度都相同,由于靜定剛架水平段的變形量大于超靜定剛架的水平段的變形量,并考慮到上部掛鉤處有安裝間隙,可以自由轉(zhuǎn)動,為使計算偏于強度驗算和剛度校核均按靜定剛架進行計算 3.3 貨叉的強度驗算 從貨叉受集中載荷P作用的力(圖3)可以看出水平段受彎矩和剪力垂直段受彎矩和拉力,危險截面在下叉鉤A-A斷面以下的垂直段,危險截面的最大正應力為: (1) 式中p---貨叉的計算載荷 ---載荷中心距 W---抗彎截面膜量.W= F---貨叉垂直段截面積.F=d × b 圖3 貨叉受集中載荷簡圖 Fig 3 Pallet fork with concentrated load diagram （1） 計算載荷P的確定 式中Q表示起重量重力 Q=mg=30000N :動載荷系數(shù)取=1.2 :偏載荷系數(shù)取=1.3 （2） 安全系數(shù)n的確定 安全系數(shù)的選取與貨叉的計算載荷大小,動載荷系數(shù)系數(shù)和偏載系數(shù)的選取密切相關(guān),如用確定計算載荷比較明確,安全系數(shù)可取較小值,否則安全系數(shù)取較大值,通常取安全系數(shù),n>=1.5,n取1.7 （3） 許用應力的確定 （4） 強度驗算把上列數(shù)據(jù)代入(1)得, 貨叉滿足強度貨叉的剛度校核通常是驗算叉尖處靜撓度,即以額定載荷作為計算載荷,按等截面靜定剛架計算叉尖處擾度,計算方法用簡便的彎矩圖相乘,叉尖處的擾度計算公式 (2) 式中E-40cr鋼彈性模量 I表示貨叉截面慣性矩,按等截面計算 表示貨叉額定截面載荷力 通常叉車的許用撓度為==2cm 因為所以滿足貨叉要求的 4 叉架的設(shè)計計算 圖4 叉架受力圖 Fig4 Fork by trying to 如圖4所示，叉架一般按簡支梁計算其上橫梁懸壁根部A-A截面處的應力（MPa），其計算式為 （3） 式中 L——貨叉最外懸掛點到叉架上橫梁臂端根部的距離，mm； h——叉架上橫梁懸壁端根部截面凈高度，mm； b——叉架上橫梁懸壁端根部截面凈寬度，mm，b=M=31mm； Fp——垂直載荷，N。Fp=9800Q/2，即額定起重量的一半； F——縱向載荷，N。F=Fpm/h2，見表4-1，m=c+a+0.5b，a為貨叉厚度, c為載荷中心距，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 而此處 所以 叉架滿足要求。 叉架的其它部分為超靜定的框架結(jié)構(gòu)，強度與剛度較大，不必計算校核。 5 門架的設(shè)計與計算 5.1 門架系統(tǒng)的構(gòu)造原理 圖5為門架結(jié)構(gòu)簡圖，內(nèi)門架1和外門架2都是由兩根柱和一個或兩個端梁焊成的框架。內(nèi)架僅有一個上端梁，下部有一個很弱的橫系桿。外架有上端梁及下端梁，為不妨礙內(nèi)架，上端梁放在立柱頂端后翼緣后邊。中部由橫梁加強，其兩側(cè)伸出有聯(lián)接傾斜油缸的鉸軸。左右立柱異型槽鋼，其開口相對。叉架和內(nèi)架上的各滾輪組分別安放在內(nèi)架和外架立柱的槽內(nèi)，滾輪組構(gòu)成叉架，內(nèi)架和外架相互之間的活動聯(lián)系，起傳力和保證有正確動力的導向作用。起升鏈滑輪組包含兩套對稱布置的起升鏈和動，滑輪座固定在內(nèi)架上梁。起升油缸的上、下支座的支承分別固定在內(nèi)架上梁和外加下梁上，為保證安置在期間的起升油缸受純壓力，支座的支承表面常為球面。鏈的一端固定在外架的下梁或立柱上，另一端與叉架相連接。 圖5 叉車門架結(jié)構(gòu) Fig 5 Forklift truck door frame structure 1——內(nèi)門架 2——外門架 3——叉架 4——貨叉 5——貨物 6——導向滾輪 7——傾斜油缸 5.2 門架強度的計算狀態(tài) 本設(shè)計選擇門架材料為16Mn，其剪切彈性模量為:G=8.4×105Kg/cm2，彈性模量為：E=2.1×106Kg/cm2?？估⒖箟?，抗剪，屈服點。 叉車起升的貨物重量和叉架、貨叉自重都是通過叉架滾輪和門架滾輪以集中力的形式作用在門架上的。當叉車滿載、貨叉起升到最大高度、門架前傾最大角度時，門架受力最大(圖6)。在與門架垂直的平面內(nèi)，取叉架為自由體，即可求出內(nèi)門架對又架滾輪的反壓力Pl、P2。 （4） 式中 Q——額定起重量，Kg； G1——貨叉和叉架的自重，Kg； S——鏈條總拉力，Kg； ——門架最大前傾角，度； k——動力載荷系數(shù)，K=K1（動力系數(shù)）×K2（貨物偏載系數(shù)）。 圖6 門架載荷作用圖 Fig 6 Door frame loading diagram 其中Q=3000Kg、 、G1=250Kg、h2=370mm、、、、、K=1.2。 代入式4得到 從以上計算中可以看出，鏈條拉力S對滾輪中心產(chǎn)生的力矩，有助于減小滾輪壓力，從而減小門架所受的載荷。在一般情況下，鏈條拉力產(chǎn)生的力矩(sa2)數(shù)值上可達貨物重量力矩的1/10～1/9。當門架前傾最大角度時()，滾輪最大壓力比門架直立時約增加10%左右。 由于鏈條拉力和門架前傾對滾輪壓力所起的、數(shù)值上近乎相等的減載和增載作用，為了使計算簡化，將其略去不計，按門架直立狀態(tài)進行計算。 5.3 計算滾輪壓力（圖7） 門架直立時，，由此內(nèi)門架滾輪壓力為 知h1=480mm，h2=370mm 外門架滾輪壓力為： 圖7 門架滾輪壓力計算圖 Fig 7 Door wheel pressure calculation c 5.4 門架立柱截面幾何性質(zhì) 此叉車內(nèi)外門架立柱的截面尺寸相同，在計算開口薄壁桿件受彎扭綜合作用時，除了一般的截面幾何性質(zhì)以外(靜矩、慣性矩、抗彎模量等)，還要計算一些與截面翹曲有關(guān)的附加截面幾何特性。 （1）立柱截面 （2）扇性坐標 (1) The column section (2) Tan coordinates (3)扇性靜矩 (3) The fan static moment 圖8 門架立柱截面幾何性質(zhì) Fig 8 Door frame column section geometric properties 圖8（1）為門架立柱截面圖，（2）為扇性坐標圖，（3）為扇性靜矩圖。此次設(shè)計起重量為3t，根據(jù)《機械課程設(shè)計簡明手冊》選擇槽鋼型號為16a，其相應截面尺寸分別為：h=15.2cm、t1=1.4cm、t2=1.8cm、b=5.2cm,各參數(shù)值見表1。 表1 門架立柱截面結(jié)構(gòu)尺寸及幾何特性 Tap1 The door frame column section structure size and geometric features 名稱 符號 單位 量值 截面面積 F cm2 32.44 形心 X0 cm 1.19 彎曲中心 XA cm 1.88 截面慣性矩 Jx cm4 1490.98 Jy cm4 109.53 截面抗彎模量 Wx cm3 225.41 Wy cm3 27.31 純抗扭慣性矩 JK cm4 39.42 扇性慣性矩 cm6 4445.07 約束扭轉(zhuǎn)特性 k cm-1 0.06 靜矩 Smax cm4 127.23 參數(shù)計算如下: 截面面積： 形心位置： 彎心位置： 線性截面慣性矩（截面慣性矩）： 線性抗彎截面模量（截面抗彎模量）： 純抗扭慣性矩: 扇性慣性矩： 靜矩： 約束扭轉(zhuǎn)特性： 由于Wy和Wx比值約為15.57%，大于15%，所以此門架平面內(nèi)載荷不必進行計算。 5.5 內(nèi)門架強度計算 5.5.1 門架立柱斷面翼緣厚度校核 根據(jù)局部彎曲應力計算公式： （7） 得到： （8） 式中： ——材料屈服極限，16Mn鋼的=3500Kg/cm2； P——滾輪壓力，P=P1=P2=3340.54Kg。 所以得到 由于1.71mm<1.8mm，知此翼緣厚度設(shè)計合理。 5.5.2 門架立柱斷面腹板高度校核 根據(jù)滾輪的接觸應力來求腹板高度 （9） 式中： P——滾輪壓力，3340.54Kg； ——滾輪踏面寬度，50mm； Enp——導軌和滾輪材質(zhì)的綜合當量彈性模量，鋼制滾輪時，Enp=2.1×104Kg/mm2。 Pnp——導軌和滾輪的當量曲率半徑，圓柱形滾輪對平面導軌時，Pnp=R=43mm。 ——與滾輪材質(zhì)和導軌表面硬度有關(guān)的許用接觸應力，常用60~80Kg/mm2。 取 代入公式得 由，知符合要求。 由的等式經(jīng)轉(zhuǎn)換得： 取滾輪的實際半徑為計算半徑的兩倍，即: R實際=2R，則R實際=2×34.80=69.60mm（取70mm），則腹板高度為： 由知，此尺寸設(shè)計合格。 5.5.3 門架立柱的彎矩校核 把內(nèi)門架看作外伸懸臂梁，按一端鉸支、一端自由的單根薄壁桿來計算。在垂直于門架的平面內(nèi)，由于滾輪的集中作用，計算門架立柱中產(chǎn)生的最大彎矩。又介于內(nèi)外門架的應力情況較復雜，計算工作量較大，現(xiàn)根據(jù)呂維鎮(zhèn)、張質(zhì)文老師介紹的簡化計算法進行計算。簡化計算的整體強度安全系數(shù)應大于4，校核翼緣的局部彎曲強度安全系數(shù)N局應不小于1.2，最危險截面在B點(圖9)。 在整體彎曲和約束扭轉(zhuǎn)的共同作用下，內(nèi)門架立柱的危險截面是與叉架下滾輪相接觸的截面B,如圖9。叉車起重鏈條的一端固定在起升油缸缸筒上，鏈條拉力S對缸筒產(chǎn)生的力矩通過活塞桿在內(nèi)門架和上端產(chǎn)生推力，其方向垂直于門架平面，使內(nèi)門架彎曲。在截面B上的這個附加彎矩數(shù)值極小，可以略去不計。因此，截面B的計算彎矩仍可寫為： 1.整體彎曲正應力 已知許用彎曲應力為（取N值為4）： 由可知整體安全。 圖 9 門架立柱 Fig 9 Door frame columns 2.整體彎曲剪應力 （10） 式中 P——截面剪力，Kg； S——所求應力點以外的截面面積對中性軸的靜矩，cm3； Jx——截面對中性軸X的慣性矩，cm4; b——所求應力點處的截面寬度，cm。 得到 許用剪切應力為： 由知滿足要求。 3.局部彎曲應力 B點局部變異應力： （11） 式中K0=2、t=t2=1.8cm 則有 局部許用彎曲應力為（取N局=1.2） 由，可知局部危險點亦安全。 5.6 外門架強度計算 外門架是由左右立柱和多根橫梁組成的外形封閉的復雜剛架結(jié)構(gòu)。由于通過立柱與橫梁的彎曲中心的縱軸不在同一平面內(nèi)，因此外門架并不是一個平面薄壁框架。 在外載荷作用下，外門架立柱產(chǎn)生的彎曲變形和約束扭轉(zhuǎn)變形與內(nèi)門架立柱相似。我們同樣也把外門架簡化為單根立往計算，橫梁的影響則通過支座約束來考慮。 外門架立柱在垂直門架平面內(nèi)的整體彎曲，不考慮門架前傾的影響.，從門架下滾輪接觸點至立柱與傾斜油缸連接處的一整段內(nèi)，都承受最大彎矩Mbmax的作用。門架滾輪壓力對外門架立柱還產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)。外門架立柱一般在上中下三處或四處有橫梁連系，立住與橫梁的連接均可看成鉸支，它允許立柱的截面翹曲，但不允許 圖10 外門架強度計算簡圖 Fig10 Outside door frame strength calculation diagram 截面轉(zhuǎn)動。 外門架強度計算簡圖10，危險截面在D點。知H0=1866mm、h0=525mm、h1=480mm。 5.6.1 計算D點整體彎曲 鏈條拉力S對起升油缸產(chǎn)生力矩，通過活塞桿及內(nèi)門架使門架滾輪壓力增加，門架彎曲增加。 門架滾輪壓力增量為： （12） 其中 S——鏈條拉力，Kg； a2——鏈條與軸中心距，cm； Hmax——最大起升高度，cm。 知Hmax=300cm，取a2=6cm，求得 （13） 則有 所以D點最大彎矩為： 則整體彎曲應力為： 前面已經(jīng)得到，許用彎曲應力為: 由可知，符合要求。 5.6.2 校核局部彎曲應力 （14） 同樣，已由前面得到局部許用彎曲應力： 由知，符合要求。 5.7 門架剛度計算 5.7.1 門架剛度的計算狀態(tài) 所謂門架的剛度條件主要是指當滿載的貨叉起升到最大高度，前傾至最大角度時，門架頂端的水平撓度應小于許用值。門架計算簡圖如圖11所示。 圖11 門架剛度計算狀態(tài)簡圖 Fig11 The door frame stiffness calculation state diagram 其中各已知參數(shù)分別為： 起重量Q=3000Kg、起升高度H=3000mm、載荷中心C=500mm、前傾角、滑架重量G1=250Kg、門架立柱慣性矩J0=J1=J=1490.98cm4。 門架各尺寸分別為： h0=525mm、h1=480mm、h2=370mm、H0=1866mm、H1=1830mm、H=3211mm C0=380mm、C1=300mm、l0=665mm、l1=260mm。 滑架通過滾輪傳給內(nèi)門架和力按下式計算，參看圖12 圖12 門架計算簡圖 Fig12 The door frame diagram calculation （ 15） 可以把力P1、P2對門架的作用分解為一個力偶與一個集中力，內(nèi)門架端部力偶以M1表示，外門架端部的力偶以M0來表示，參看圖6及圖10來求其值。 另外 伸縮式門架在端部力偶和集中力作用下，端部產(chǎn)生的水平位移f（撓度）是由三部分組成的：外門架端部水平位移f0、內(nèi)門架端部水平位移f1和內(nèi)門架繞外門架端部轉(zhuǎn)動角在內(nèi)門架端部引起的水平位移，見圖12。 式中 、——力偶M作用在外門架端部產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角； 、——集中力P1-P2作用在外門架端部產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角； 、——由力偶M及集中力P1-P2作用在內(nèi)門架端部的產(chǎn)生的水平位移。 圖12 門架變形圖 Fig12 The door frame deformation figure 5.7.2 確定門架端部產(chǎn)生的各水平位移 由圖5-10彎矩圖用圖乘法可求出在力偶M0作用下外門架端部產(chǎn)生水平位移fM0: 圖13 外門架計算簡圖 Fig13 Outside door frame diagram calculation 同樣，由力偶M1作用在內(nèi)門架端部產(chǎn)生的水平位移fM1為： 力偶M0作用下，內(nèi)門架繞外門架端部轉(zhuǎn)動角度可參照圖13用圖乘法來求。 由集中力P1-P2和作用，在外門架端部引起和水平位移f0p為： 同理，由力P1-P2的作用引起的內(nèi)門架端部水平位移f1p為： 由于集中力P1-P2的作用，在外門架的端部使內(nèi)門架繞外門架端部而轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的角度為： 5.7.3 校核撓度 通過上面的計算，可以求出伸縮式門架在端部力偶和集中力作用下端部產(chǎn)生的水平位移f（撓度）。其值為： 其許用撓度值為： （21） 由知，滿足剛度要求。 5.8 小結(jié) 叉車門架是由開口薄壁桿組成的薄壁剛架。立柱是叉車門架直接承受滾輪壓力作用的構(gòu)件。由于滾輪壓力不通過立柱截面彎心，必然產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)。計算表明，約束扭轉(zhuǎn)的正應力與整體彎曲正應力為同一量級，不容忽視。 內(nèi)、外門架的計算簡圖與橫梁數(shù)目和橫梁剛度有關(guān)。內(nèi)門架按形薄壁剛架和一端鉸支、一端自由的薄壁桿計算，約束扭轉(zhuǎn)正應力的差別不大于10%。為減少計算工作量，可按單根薄壁桿計算。將外門架簡化為單根薄壁桿計算時，支座約束的假定對約束扭轉(zhuǎn)正應力影響不大，差值一般在3～10%的范圍內(nèi)，因此可按比較簡單的二跨連續(xù)梁的簡圖計算。 立柱截面中的剪應力與正應力相比，數(shù)值較小，約束扭轉(zhuǎn)剪應力更可忽略不計。考慮到滾輪壓力對立柱冀緣還要產(chǎn)生局部彎曲作用，因此門架立柱截面應在滿足制造工藝要求的條件下，使腹板減薄，冀緣加厚。 采用初參數(shù)法進行叉車門架的約束扭轉(zhuǎn)強度計算，比較簡單，便于實用。 叉車門架端部的水平撓度主要是由外門架的變形引起的，因為外門架是內(nèi)門架的基礎(chǔ)，外門架端部的水平變位和轉(zhuǎn)角都會導致內(nèi)門架端部的水平位移。因此從增強門架剛性的要求出發(fā)，外門架應采用比較剛強的結(jié)構(gòu)。 6 滾輪組件的安裝及計算 6.1 內(nèi)門架與外門架滾輪的設(shè)計 導行滾輪分為縱向及側(cè)向兩組，各由四個滾輪組成。前者在垂直于門架的平面內(nèi)，而后者在門架自身的平面內(nèi)起傳力和導行作用。它們的構(gòu)造示于圖14上。縱向滾輪受力較大，故直徑也大且用滾動軸承，側(cè)向滾輪受力小，直徑也小，故用滑動軸承或滾針。 （a）縱向滾輪 （b）側(cè)向滾輪 圖14 滾輪構(gòu)造 Fig14 Roller structure 6.1.1 軸的計算 滾輪軸在門架上升或下降時主要受切應力，所以要根據(jù)軸的切應力條件來計算。對于圓形截面梁，由切應力互等定理可以知道，在橫截面邊緣各點處切應力與周邊相切。因此即使在平行于中性軸的同一橫線上，各點處切應力也不盡相同，但經(jīng)過分析表明，圓截面上最大彎曲切應力仍發(fā)生在其中性軸上，并可近似認為在中性軸上各點處的切應力平行于剪力，且沿中性軸均勻分布，于是得圓截面梁的最大彎曲切應力為： （22） 已知 及 于是可得 （23） 式中 R——圓形截面的半徑，mm； IZ——圓形截面對中性軸的慣性矩，mm3； SZ,max——半圓截面對中性軸的靜矩，mm3； 該軸的材料選用45號鋼，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可以查到[]=30～40MPa，取[]=35 MPa。由 （24） 于是得到 考慮到門架的重量，選擇半徑為12.5mm，則滾輪軸的直徑為25mm。 6.1.2 軸承的選擇 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》選擇深溝球軸承，代號為6405 表2 6405軸承相關(guān)數(shù)值 Tap2 Bearing related numerical 名稱 單位 符號 量值 基本尺寸 mm d 25 Ｄ 80 B 21 da(min) 34 Da(max) 71 ra(max) 1.5 其他尺寸 mm d2≈ 42.3 D2≈ 62.7 r(min) 1.5 基本額定靜載荷 KN Co 38.2 基本額定動載荷 KN C 19.2 極限轉(zhuǎn)速 (r/min) 脂 8500 極限轉(zhuǎn)速 (r/min) 油 11000 重量 kg W≈ 0.529 6.1.3 導輪的設(shè)計 門架的寬度為121mm，軸承的外徑為80mm，為了使門架在運動時能夠平穩(wěn)，故此導輪的的內(nèi)徑為80mm，外徑為120mm 6.1.4 軸用擋圈 根據(jù)軸的尺寸選擇軸用擋圈 表3 軸用擋圈尺寸 Tap3 Shaft with a retaining ring size 軸徑 d0 25 mm d 基本尺寸 23.2 mm 極限偏差 (+0.21,-0.42) s 基本尺寸 1.2 mm 極限偏差 (+0.05,-0.13) d1 2 mm b 3.32 mm h 3.32 mm 溝槽 d2 基本尺寸 23.9 mm 極限偏差 (0,-0.21) 溝槽 m 基本尺寸 1.3 mm 極限偏差 (+0.14,0) 溝槽 n ≥ 1.7 mm 孔 d3 ≥ 35 mm 每1000個鋼擋圈重量約為1.90 kg 6.1.5 孔用擋圈 表4 孔用擋圈尺寸 Tap4 Hole with ring size 孔徑 d0 80 mm D 基本尺寸 85.5 mm 極限偏差 (+1.30,-0.54) S 基本尺寸 2.5 mm 極限偏差 (+0.07,-0.22) d1 3 mm b 6.8 mm 溝槽 d2 基本尺寸 83.5 mm 極限偏差 (+0.35,0) 溝槽 m 基本尺寸 2.7 mm 極限偏差 (+0.14,0) 溝槽 n ≥ 5.3 mm 軸d3 ≤ 63 mm 根據(jù)導輪內(nèi)徑的尺寸選擇孔用擋圈 每1000個鋼擋圈得重量約為22.0 kg。 6.2 叉架與內(nèi)門架滾輪的設(shè)計 由于該滾輪的受力與內(nèi)門架處的滾輪受力幾乎相等，故此處的設(shè)計跟上面一樣，在此不在進行計算。 7 總結(jié) 本設(shè)計工作是針對湖南農(nóng)業(yè)大學機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)所進行的畢業(yè)設(shè)計，對叉車的門架系統(tǒng)進行整體設(shè)計，并用AUTOCAD進行繪圖。在此過程中，首先我對學校八教樓下的叉車門架進行觀察和分析，也做了一些測量，并閱讀了大量有關(guān)叉車的書籍，對其工作原理有了深入了解，然后對國內(nèi)外叉車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有了一定的了解，從而明確本設(shè)計的意義。在設(shè)計的過程中，從剛開始的困惑到現(xiàn)在的產(chǎn)品出圖，我學到了很多書本上學不到的知識，同時積累了豐富的設(shè)計經(jīng)驗。根據(jù)本設(shè)計任務(wù)書的要求，主要完成了如下工作：對叉車貨叉、門架立柱、內(nèi)外門架進行設(shè)計，并對起強度和剛度等方面進行驗算。 這次畢業(yè)設(shè)計是我從大學畢業(yè)生走向社會工作崗位關(guān)鍵的一步。從最初的選題，開題到計算、繪圖直到完成設(shè)計。其間，查找資料、老師指導、與同學交流、反復修改圖紙、計算說明書，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。同時我也深刻地感受到：有一個端正的學習態(tài)度是非常的重要，團隊合作精神也是不可缺少的。 參考文獻 [1]秦同瞬．叉車的選用[J]． 港口裝卸，2001,02:13-30 [2]陶元芳，衛(wèi)良保.《叉車構(gòu)造與設(shè)計》[M].機械工業(yè)出版社.2010-2-1,16-98 [3]張利平.《液壓氣動技術(shù)速查手冊》[M]. 化學工業(yè)出版社,08:69-71 [4]張黎驊 鄭平.《新編機械設(shè)計手冊》[M].人民郵電出版社,02:18-33 [5]陳慕忱主編.裝卸搬運車輛[M].北京：人民交通出版社，1986,3:22-29 [6]許福玲　陳堯明主編.液壓與氣壓傳動 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2006,07:59-69 [7]劉鴻文主編.材料力學第四版[M].北京：高等教育出版社，2004.1,07:69-77 [8]吳克堅　于曉紅　錢瑞明主編.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2003,04:35-41 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