叉车转向桥跌落实验及仿真研究

赵子文，赵永刚，张冰琦，张淼

（1.上海海斯特叉车制造有限公司，上海 201206；2.安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601）

叉车广泛应用于车站、港口、机场、工厂等国民经济部门，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备。叉车转向桥是叉车的重要组成部分，保证叉车的灵活转向并与驱动桥共同支撑车架及其上的各种总成质量。叉车行驶时会遇极端状况下的崎岖路况、坑洼路面等，转向桥类似于跌落到坑中，承受由车轮传来的路面反作用力和力矩并经悬架传给车架。为保证叉车转向桥工作时的安全性和可靠性，转向桥设计时应满足应力和变形要求。为确保转向桥性能达到设计要求，就有必要对其进行跌落测试，以验证其桥体、转向节、轮毂等在极端使用状况下的抗冲击性能。

在叉车转向桥力学性能测试方面，文献三对比了某叉车铸造转向桥与焊接转向桥优缺点，使用有限元软件分析了焊接桥体和铸造桥体在最大垂直力工况和最大侧向力下的变形量，并对桥体进行了疲劳耐久性试验和桥体应力、应变测量。文献 四基于虚拟样机技术，对叉车转向桥进行多体动力学仿真分析，获取了转向桥桥体载荷随时间的变化规律。文献五以某型号叉车横置油缸转向桥体为例，分析转向桥的受力情况，利用ANSYS软件对叉车转向桥体进行模态分析与谱分析，得到转向桥体的固有频率及其在随机振动下的响应曲线。

目前行业内工程技术人员主要是对叉车转向桥做台架疲劳试验和虚拟台架有限元分析，验证转向桥平常使用工况下的寿命。鲜有对叉车转向桥做跌落实验，开展最大转角极端状况下的测试与分析。本文采用转向桥实物和虚拟跌落实验来进行转向桥在最恶劣状态下的安全性和可靠性验证，通过桥体实物跌落测试验证桥塑性变形、扭曲和裂纹等失效并对比验收标准，同时利用现代信息技术收集跌落实验的各种冲击力等数据，为FEA提供平台搭建基础，并行开展有限元分析以验证转向桥细节部位在跌落实验中难以观测的垂直方向和C型部位变形量、拉伸挤压应力及塑性变形量等数据，并将该数据作为转向桥性能佐证以保证叉车运行安全。

1 叉车转向桥跌落实验方法与步骤

1.1 实验方法

由于叉车在空载时转向桥分担的载荷最大，所以选取空载工况进行实物跌落实验。实验前将全新的转向桥总成装到相应吨位的叉车上，并确认安装牢固，同时在桥体关键受力点设置应力传感器收集数据，图1为某型号转向桥三维结构图。在转向桥总成装车之前，进行转向桥关键尺寸的三坐标数据测量，以便和实验后的数据进行对比确定变形量。

图1 转向桥三维结构及其应力数据收集点

实物测试的准备工作：

（1）确保轴总成符合零部件、材料和装配的设计规范。

（2）检查并记录桥的止动块（图1中的点2）。对于带橡胶悬架的车轴，在止点处加橡皮泥，以确定车轴下落时是否碰到止点。

（3）标记和记录如图4的三坐标数据，相应位置设置好传感器，车身底部贴上角度仪。

（4）设置好视频和静态摄影文件记录设备。

（5）优先选择室外，远离路人的平整混凝土表面进行试验，并确定地面摩擦系数。

（6）确定升起和支撑试验车后部最实用的方法，能够吊起并快速释放自由落体，同时保证安全。

（7）从叉车上拆下电池、液化石油气油箱和测试无关的任何仪器，用空罐或类似的负载替换液化石油气罐及其附属零件。

（8）为轮胎装上防爆网。

跌落实验设置如图2所示，将方向盘转至向左最大转角位置，车辆抬起角度为车架下边线与水平地面之间的夹角，若静止状态时，车架下边线与地面存在角度值，需消除（即加上或减去）该角度值影响。最大转角跌落后重复图2所示的设备设置，但须将叉车转向角转到零度位置，即后轮与前轮平行后再进行一次跌落实验。

图2 跌落实验现场图

为了节约成本，可以在相同吨位的旧叉车上安装新转向桥，实验过程中，根据轮胎类型选取不同的抬起角度。具体如下：

（1）实心轮胎，抬起角度为20°；

（2）充气轮胎，抬起角度为25°；

（3）弹性轮胎，抬起角度为15°。

上述跌落实验角度数据来自公司测试标准流程文件。

1.2 实验步骤

结合叉车转向桥跌落实验方法，确定实验步骤如图3所示。

图3 实验步骤

首先将试车后部抬高到规定的离地角度，并拆卸倾斜仪，人员撤离至指定安全位置。准备就绪后，从释放器上拆卸安全吊钩，快速松开测试叉车后部使之自由落体。自由落体结束后，目视检查轴总成，如有故障则进行图像采集。使用三坐标测量仪二次测量桥体得到变形量，使用角度仪测量扭转变形量。上述工作完成后，进行损伤检测，至少包括染料渗透和磁力探伤，以显示各类宏观裂纹。

1.3 验收标准

实物跌落实验后，确定验收标准也是一项关键工序。叉车跌落测试后，其桥体、轮毂和转向节不应破裂或断裂，桥体也不应破裂，其变形量不得超标。对于2～7 t铸造桥体测量Dim1～Dim6尺寸在实验前后变形量不超过1.5 mm，对于焊接桥体其变形量不超过2.5 mm；桥体两端C型扭转变形量体现在万向节安装孔轴线偏斜铸造桥不超过8°，焊接桥不超过10°。在更换车轮、轮胎、轴承或垫片后，可以恢复使用。完成上述验收工作后，进行转向功能判定，要求转向性能正常。此外，实验过程中尺寸和角度变形标准来自公司企业标准测试文件。

1.4 实物桥体测试结果

本实物桥体测试的尺寸变形结果前后对比见下方实验报告，如图4所示。

图4 实物测试前后尺寸变化对比

从图4可以看出本铸造桥体实验前后的变形量均在验收标准内，达到实验目的。图5为实物测试桥体两端扭转变形量测试验收，从图中可以看出两端变形量累计为7.5°符合验收标准，达到实验目的。

图5 试验后两侧扭转测量扭转变形角度测试

2 焊接转向桥的跌落有限元仿真

2.1 叉车转向桥跌落有限元分析模型的建立

相对于转向桥的实物跌落测试，有限元分析比较经济和灵活方便。下面以某7 t叉车转向桥为例建立ANSYS有限元模型，如图6所示。叉车空载时转向桥载荷质量为5512 Kg，转向桥是通过前后两个支撑点附加阻尼材料扣接在车体底部可等效为硬连接。通过实物测试转向桥落地后加载到桥上的向下载荷力为6.63x10N，受力状态如图中红色区域所示，左右转向轮支撑反力为54054 N，桥体材料为Q355B。该结构模型包括表示转向缸、拉杆和轴承的简化几何形状，实心轮胎和车轮也使用了简化几何模型。另外地面与轮胎有摩擦，摩擦系数范围为0.5～0.8，此处取摩擦系数μ=0.75。桥体材料Q355B力学性能如图7所示。Q355B综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，屈服极限为355 Mpa，抗拉强度高达450～630 Mpa，是一种焊接桥桥体的理想材料。

图6 跌落仿真有限元模型

图7 Q355B材料应力-应变曲线

轮胎的材料简化为40%的弹性橡胶体，其各单轴、双轴向、剪切和杨氏三阶模量按图8所示。

图8 轮胎材料参数图

2.2 变形量分析结果

施加载荷进行有限元分析后，得出如图9所示满载桥整体垂直方向的变形量。红色为Y轴方向正向变形，蓝色为Y轴负方向变形，两者瞬时变形量均在100 mm内；桥体转向节安装耳轴C型部位，相对位移变形结果如图10所示。

图9 垂直方向变形结果

图10 C型耳轴部位相对位移变形结果

通过图10可以计算得出C型部位上下板相对X轴变形量为7.45+6.28=13.73 mm。此处变形量越大说明桥体的强度和刚度越差，因此，累计变形量越小越好。根据以往的实际跌落实验和有限元分析数据累计分析经验，13.73 mm小于20 mm，处于安全瞬时弹性变形范围内。20 mm的变形量是针对本桥体C型结构的万向节安装轴线倾斜10°推算出来的上限数值即最大值，超过这个数值意味着测试失败需要重新设计转向桥。

2.3 拉伸挤压分析结果应力云图

加载后前后两面拉伸应力云图如图11所示，其结果采用最大主应力原则求解。通过最大、最小主应力云图能够更好地了解物体内部的应力流场分布，清晰地了解最危险的拉伸、压缩和剪切应力区域。通过观测发现其应力值在安全范围内，红色部分表示应力大于200 Mpa，但小于规定抗拉强度经验值420 Mpa。

图11 拉伸云图

加载计算的前后两面挤压应力云图如图12所示，其结果采用最小主应力原则求解。蓝色部分表示应力大于200 Mpa，其值也处于安全范围内，且小于规定抗拉强度经验值420 Mpa。

图12 挤压云图

2.4 塑性变形计算结果

图13红色部分为塑性应变从0.001725到0.035的结果云图，结合图7桥体材料应力-应变曲线，该结果也在规定塑性变形要求小于0.04（Q355B抗拉强度为450-630 Mpa）范围内。

图13 塑性应变云图

以上三种结果都是符合公司规定的叉车转向桥跌落实验的参数要求，该7T桥的分析结果满足要求。按公司叉车转向桥验证规定，新开发的转向桥还需另外在整车下线后进行不少于1000小时的强化实验，以进一步验证可靠性。

3 铸造转向桥的跌落有限元仿真

3.1 有限元模型建立

与焊接桥有限元模型相类似，建立如图13所示的3 t铸造桥模型和参数。

图14中的参数是根据实物跌落测试中的传感器取得的数值反向计算后加载到铸造桥上，这些数值的收集是通过软件连接测试传感器上实现，具体数值曲线图如图15所示。本测试使用的为高弹性轮胎，因此，如前实验步骤所叙述的第三种情况，跌落实验时后桥抬起车身与地面成15°夹角进行数据收集和测试。跌落到地面后车身加载到后桥的重力为296774 N，轮胎回弹单个反力最大为363719 N。这些数据需要做稍微的优化减去传感器误差带来的影响。

图14 铸造桥有限元模型

图15 实测3T桥跌落数值曲线图

铸造桥体的材料为球墨铸铁其抗拉强度不小于450 Mpa。

3.2 变形量分析结果

经过加载计算分析之后得出如图16所示的位移变形云图。从图中可以看出整个桥体、转向节、油缸等均为轻量变形区域，只有虚拟的桥连接车架的弹性体为红色区域，但此件的位移变形是正常的。

图16 总体位移变形云图

图17反应的高弹性轮胎的位移变形细节状况，从这里同样可以看出轮胎接地变形结果良好，数值均符合设计者对轮胎变形的范围预期。

图17 轮胎位移变形细节云图

3.3 拉伸挤压分析结果应力云图

图18 是铸造桥体的应力云图，此处采用冯米赛斯应力分析法，能够清晰看到整体的应力分布和应力集中区域，图中红色区域瞬时应力超过 400 Mpa，此时需要结合桥体塑性变形云图和实测结果一起分析。

图18 是铸造桥体的应力云图

图19是铸造桥体的瞬时塑性变形云图，从数值来看，结果是符合前文提到的塑性变形数值 1.5 mm永久变形范围之内。当然，仍需要实测数据来支持这个结论。

图19 铸造桥体塑性应变云图

图20为铸造桥实物跌落测试之后的三坐标检测结果，桥的整体塑性变形最终要体现在C型结构的变形上才有价值。从统计图20中可以看出，此铸造桥的实测变形量均小于0.9 mm，也远小于1.5 mm的上限。另外，C型结构的上下相对运动X轴方向的变形累加实测和FEA分析结果见图20所示。从图21中可明了地看出，不论是实测的蓝色点和FEA的红色点，其最大瞬时变形累加在 3.5+3.5=7 mm左右，远远小于14 mm铸造桥标准。14mm的变形量是针对本桥体C型结构的万向节安装轴线倾斜8°推算出来的上限数值即最大值。超过这个数值意味着测试失败，需要重新设计转向桥。FEA结果比实测的结果要恶劣，说明FEA的设置比较苛刻，因此，FEA对实物测试具有很强的参考意义，也就是说，如果FEA结果良好那就没必要进行实物测试了。

图20 铸造桥塑性变形实测值

图21 铸造桥C型结构瞬时最大变形统计图

从以上铸造桥体的实测和FEA跌落分析的结果来看，应力、应变均符合预期。到目前为止，本款铸造桥体已经过数千小时的强化实验和上万台叉车实际投产运行，均没有出现任何不良记录。

4 结论

本文以公司自主研发的叉车转向桥为对象，搭建了转向桥跌落实验平台，给出了跌落实验步骤及验收标准。结合7 t叉车焊接转向桥和3 t铸造桥的实物测试，建立了叉车转向桥跌落模型，进行了跌落过程有限元仿真，得到了最大负载转向桥整体垂直方向和C型部位变形量、拉伸挤压应力及塑性变形量，通过分析发现，上述量值均在规定范围内。将叉车转向桥实物跌落实验与有限元分析相结合，可为产品的进一步设计优化提供技术和平台保障。实物跌落测试为有限元分析提供原始数据和物质基础，有限元虚拟分析提供了更清晰直观的细节状况，通过设置更苛刻的参数可以预测比实物测试更恶劣的运行环境，从而替代实物测试为同型转向桥的研发和升级节约资金并缩短时间。