自动切换多功能叉车属具设计

张嘉仪，孙术发，贾 民，马 超

1 引言

随着我国经济结构转型和产业化升级，物流业已成为提升经济的重要着力点，而物流产业对物流设备的要求也在不断地发生着改变，这对叉车制造业来说既是一个压力也是机遇[1]。国内物流设备产业虽有了长足的进步，但叉车制造业也陷入同质化的劣性竞争[2]。中国入世之后，国外优秀叉车产品的冲击对我国叉车制造行业形成了巨大的挑战[3]。

叉车的主要工作装置即叉车属具是指叉车取货的各种取物装置，生产中常常根据所需功能手动更换不同属具，完成对多种类型产品的装卸搬运[4]。但面对特定情况时，频繁的更换属具会使叉车工作效率下降，增加了企业的人工成本和时间成本。近些年来，在多功能叉车属具的研发方面，国内外已经有多种不同功能的叉车上市，其各自均具有多种不同的针对特定情况的特色功能，但它们可以实现的作业功能仍然有限，且自动化和智能化水平仍然较低[5]。设计了一种可自动变换的多功能叉车属具，并通过智能系统控制电动机和其他动作机构配合传感器实现其自动变换过程，从而实现叉车属具的自动化变换，减轻工人劳动强度、提升工作效率。

2 方案设计

2.1 叉车属具设计基本方案

为了解决问题，实现多功能属具的的功能，此设计整体包含一个主框架结构，如图1所示，该结构由框架左大板和框架右大板以及两根横向布置的框架导向杆构成，液压推杆可实现货叉并拢和张开，后侧布置电机、减速器，可实现货叉的旋转，通过锁定机构实现货叉固定。通过货叉调距、货叉旋转以及货叉位置定位控制系统实现五种属具功能快速切换，五种属具功能包括调距货叉、串杆、软包夹、桶夹和吊钩。货叉默认状态为叉取状态，当需要夹持货物时，货叉在电机减速器带动下分别向外侧转动90°，当需要串吊作业时，货叉向内侧旋转90°，安装在叉轴后端的开关触发片将触发行程开关，行程开关的信号送回到控制部分进而使电机停转，然后锁定机构的锁定液压杆启动，推动锁定销杆前端伸入叉轴上的锁定孔中，锁定叉轴转动。

图1 多功能属具叉取作业状态Fig.1 Fetch Job Status of Multi-Functional Fork

2.2 结构设计

采用CREO三维仿真软件建立了叉车门架及属具的虚拟样机模[6]，并进行了虚拟样机装配，如图2所示。

图2 属具门架总装配图Fig.2 Attachment Gantry General Assembly Drawing

3 关键部位强度分析

采用ANSYS对叉车属具的主要结构进行了强度分析[7]。因为设计的自动切换多功能叉车属具结构较为复杂，根据力学分析选取了三个结构上的关键点和薄弱点进行校核。

3.1 货叉与叉轴部分的强度分析

将货叉与叉轴的装配结构导入到ANSYS中后，主要校核货叉在叉取作业状态下，货物的重力加载在叉上后，叉与应变和位移情况，并结合实际工况和材料参数确定其强度要求。对原型叉车改造后货叉载重量为500kg，受力面积为货叉的上表面积0.08m2。计算可得，货叉上需加载压强0.0515MPa，将该压强作为等效载荷施加于货叉上的载荷中心部位。求解模型并对结果进行分析，在后处理操作后，得到货叉和叉轴的总位移，如图3所示。

图3 货叉与叉轴的总位移图Fig.3 Total Displacement Diagram of Fork and Fork Shaft

由图3可知，在等效载荷作用下，货叉根部的拐角处和叉轴上安装第一个轴承的轴肩处出现较为明显的应力集中现象。

由图中数值与色彩的对应关系可知，在叉轴的轴肩处的最大应力达到232.272MPa，而在货叉根部的拐角处也出现部分应力集中现象，应力值为（129.686～150.656）MPa之间。应力在钢材允许范围内，该设计符合安全要求。

3.2 对锁定机构的静力学接触分析

负责锁定叉轴转动的锁定机构也是承受载荷较大的位置，其中锁定销杆与锁定销座是主要承载部分，也是最容易破坏的部分。当属具切换为串杆和吊钩的状态时，叉轴上的转矩最大。计算可知锁定销杆所受的面压力为0.616MPa。对锁定机构施加约束与载荷，施加面压力求解得到锁定机构的等效应力图，如图4所示。

图4 锁定机构等效应力图Fig.4 Stress Diagram of Lockout Pin Rod

由图4（a）可见锁定机构的应力分布较为集中，锁定销杆与锁定销座圆孔内壁上有明显的大应力，最大应力值为1205.76MPa，该数值已达到了表面硬化处理后的40Cr材料的最大应力值。但通过观察图4（b）中的应力分布情况可见，表示最大应力的黄色和红色部分实质只分布在锁定销杆中心处的一点和其周围极小的区域。这种情况明显属于应力奇异点，经分析可知是两接触部分网格划分不规则形成的，该奇异点属于可以忽略的情况。

3.3 应用ANSYS Workbench对齿轮强度的分析

形成啮合齿轮的两直齿圆柱齿轮，负责将电机减速器输出的转矩传递到叉轴和货叉上，从而实现属具的切换功能。运用ANSYS Workbench模块对齿轮啮合处求解应力，两齿轮接触后的最大应力值发生在齿廓接触点处。大齿轮的最大应力区域大于小齿轮，整体的等效应力最大值为311.26MPa。对齿轮传动强度的计算原则，是根据齿轮工作可能发生的失效情况来确定的，而齿轮的失效形式一般为齿面的疲劳点蚀和齿根处的疲劳折断两种情况。对应的，这里将校核齿面接触疲劳强度和齿面弯曲疲劳强度。计算可得接触应力［σH］为960MPa，远大于最大等效应力311.26MPa，齿轮接触疲劳强度符合安全要求。计算可得弯曲应力［σF］为533MPa，远大于最大应力242MPa，齿轮弯曲疲劳强度也符合安全要求。

4 机构动力学分析

使用ADAMS对货叉的结构进行动力学仿真[8]，根据所设计的属具结构各部件的实际情况，选取了要研究的关键部分包括属具货叉与叉轴套筒部分和属具电机减速器部分。

因为研究的问题主要是多刚体的动力学的分析，仿真研究的主要目的了解货叉、叉轴以及电机减速器这一动力系统的数据和工作情况，进而检验所选的电机能否达到设计工作要求。将模型进行简化导入ADAMS中施加约束并进行加载。驱动加载完成后，运行交互仿真对虚拟样机进行仿真求解[9-10]。为检验电机和减速器选型的合理性，选择绘制驱动的输出轴转矩曲线，如图5所示和输出轴功率曲线图，如图6所示。

图5 分析得波形类似正弦函数曲线，10s为一个运行周期，前5s为输出动力使货叉克服摩擦力与重力转动，后三秒提供阻力用于保持货叉在重力作用下快速下落。开始运行2.5s和7.5s后，先后到达波谷和波峰，由图可知其输出转矩波峰值和波谷值均为5350N。图6分析得其波形也是类似于正弦函数，周期与转矩曲线相同也为10s。两图对比可见，功率曲线在正负上恰好与转矩曲线相反，功率的峰值发生在2.5s时，大小为110w。周期的后5s，电机为系统提供与运行方向相反的动力，曲线在7.5s处的波谷对应减速器输出最大阻力时的功率。

图6 减速器输出轴驱动的功率曲线Fig.6 Drive Power Curve of Speed Reducer Output Shaft

5 样机试制与实验

试制的自动切换多功能叉车属具的样机，如图7所示。项目组进行了两组属具变换实验验证该结构能否实现所设计的五种功能。实验一针对软包夹和桶夹功能进行测试，如图7（b）所示。分三次测试了普通叉车更换为软包夹和桶夹属具所用的时间，求得了平均耗时。将其与自动切换所需的时间做了对比得到结果，如表1所示。可见，手动更换属具耗时达自动切换属具的37.5倍，同时还需更多的操作人员参与属具更换。

表1 实验一手动与自动属具变换过程耗时Tab.1 The Time of Manual and Automatic Transformation Process（s）

实验二针对串吊功能进行测试，如图7（c）所示。项目组实际测试了普通叉车由叉取状态变换为串吊状态所需的时间，由于配件重量较大且步骤较多，切换时至少需要三名操作人员参与。将三次更换的平均耗时与记录的自动切换设备消耗时间作比较得出结果，如表2所示。可见，本设计将属具切换的效率提升为原来的（16～23）倍，且变换时仅需要一名操作人员即可，极大的降低了操作人员的劳动强度。

表2 实验二手动与自动属具变换过程耗时Tab.2 The Time of Manual and Automatic Transformation Process（s）

6 结论

（1）设计了一种多功能叉车属具，具有叉取、串杆、起吊、软包夹和桶夹功能，提出了自动切换多功能叉车属具的整体结构方案。（2）利用ANSYS软件对货叉与叉轴等关键部件进行了结构静力学分析，对关键部件的应力、应变和位移进行了仿真，对许用强度和许用刚度进行了验算，为多功能叉车属具的实际工程设计与改进提供了指导。（3）利用ADAMS软件对叉车属具进行动力学仿真，得出叉车属具相关构件的运动状态、位移情况的特性曲线、性能参数，并对结果进行了合理分析与评价，为属具的改进设计与优化提供了技术参考。（4）对实验样机的5种功能进行了实验验证，结果表明多功能属具可实现各功能的自由切换，并能显著提高切换效率。