蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車的鏟叉設(shè)計(jì)*

肖洪彬

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車主要是為煤礦井下綜采工作面搬家倒面而設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)最大承載能力80 t。作為搬家倒面的主要設(shè)備，其主要用于將支架拖拽或擺放到工作面。另外，該車也是長距離運(yùn)輸重物的主要設(shè)備，包括聯(lián)合搬運(yùn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)機(jī)頭、破碎機(jī)、移變、泵站等大件設(shè)備。鏟叉作為蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車搬運(yùn)重物時(shí)的承載部件，是支架搬運(yùn)車的關(guān)鍵元部件之一，鏟叉的承載能力大，使用工況比地面叉車惡劣。本文對鏟叉選擇的材料和加工工藝進(jìn)行研究，對鏟叉在實(shí)際使用過程中的受力進(jìn)行簡化，驗(yàn)證鏟叉的強(qiáng)度和剛度。采用SolidWorks對鏟叉進(jìn)行三維建模和受力分析，為鏟叉的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

1 鏟叉的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)

鏟叉是鏟板式支架搬運(yùn)車的承載部件，形狀呈L型，采用鉸接形式。水平段用來叉取和承載液壓支架等重物，水平段的上表面平直、光滑，下面的前端有斜度，保證鏟叉叉取液壓支架時(shí)傾斜處與地面接觸，便于叉取重物，叉尖較薄、較窄，兩側(cè)帶有圓弧[1]。

鏟叉的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，鏟叉的額定起重量Q/2為40 t,鏟叉長度L為2 100 mm，鏟叉的載荷中心距c為1 500 mm，鏟叉豎直兩鉸支點(diǎn)距離h為1 000 mm，下鉸支點(diǎn)距下叉面距離e為200 mm，鏟叉的寬度a為450 mm，鏟叉的厚度b為200 mm。

圖1 鏟叉的結(jié)構(gòu)

2 鏟叉的材料和制造工藝

地面叉車的貨叉材料一般選用40Cr，支架車的鏟叉鏟取的載荷大，工況較地面叉車惡劣，故鏟叉的材料選用強(qiáng)度更高的42CrMo。鏟叉制造時(shí)先鍛造成長坯狀，局部加熱煨彎成L型，然后加工上鉸接耳孔，最后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，從而提高鏟叉的綜合機(jī)械性能，增加水平段的表面硬度，提高耐磨性能[2]。具體的制造工藝如下：

1) 采用圓鋼或型材鍛造成與鏟叉截面相同的長條形毛坯，并切出所需斜面。

2) 在毛坯折彎處局部加熱，煨彎鐓粗成鏟叉狀。

3) 鍛造鉸接耳孔。

4) 超聲波探傷，確定毛坯內(nèi)部是否有氣孔、裂紋、夾渣、白點(diǎn)等缺陷。

5) 退火處理。加熱到800 ℃，保溫2～3 h，爐冷至600 ℃后空冷。

6) 調(diào)質(zhì)熱處理。淬火加熱到860 ℃，保溫2 h，油冷。回火加熱到540 ℃，保溫2.5 h，水冷。調(diào)質(zhì)后硬度HB 280～320。

7) 硬度和裂縫測試。

3 鏟叉的理論計(jì)算

3.1 鏟叉的受力分析

鏟叉與連接座的連接形式為鉸接，鏟叉可繞鉸接銷軸相對轉(zhuǎn)動(dòng)。在鏟叉的背面，連接座上有一限位板，限制鏟叉的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此上鉸接簡化為固定鉸支座，下限位板簡化為滑動(dòng)鉸支座，如圖2(a)所示。鏟叉在集中載荷P的作用下，豎直段受拉力和彎矩，水平段受剪力和彎矩，其受力圖如圖2所示[3]。

3.2 鏟叉的強(qiáng)度驗(yàn)算

鏟叉下鉸支點(diǎn)以下的豎直段所受的彎矩和拉應(yīng)力相同，都屬于危險(xiǎn)截面，其最大的主應(yīng)力為：

σmax=σ1+σ2=Pc/W+P/A

(1)

式中:σ1為彎曲應(yīng)力；σ2為拉應(yīng)力；P為鏟叉的計(jì)算載荷；W為鏟叉截面的抗彎模量，W=ab2/6；A為鏟叉豎直段截面積，A=ab。

(a) 鏟叉受力分析圖

計(jì)算載荷P為:

P=K1K2(Q/2)

(2)

式中:K1為動(dòng)載荷系數(shù)，取K1=1.1；K2為偏載系數(shù)，取K2=1.3。

通過計(jì)算可得出P=560.5 kN。

因此，鏟叉的最大拉應(yīng)力為:

σmax=280.2+6.3=286.5 MPa。

鏟叉的材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理后，鏟叉厚度161～250 mm，屈服應(yīng)力σs=500 MPa。

鏟叉的安全系數(shù)與額定起重量、載荷中心距、動(dòng)載荷系數(shù)K1和偏載系數(shù)K2密切相關(guān)。因動(dòng)載荷系數(shù)K1和偏載系數(shù)K2是根據(jù)地面叉車的經(jīng)驗(yàn)選取，蓄電池鏟板支架車的車速低，動(dòng)載荷系數(shù)余量較大，從而計(jì)算載荷會(huì)有較大裕量。鏟板車鏟叉的載荷中心距通常選取600 mm，該鏟叉選取1 500 mm，大部分時(shí)間不會(huì)工作在此工況，從而最大彎曲應(yīng)力會(huì)降低。因此，安全系數(shù)可以取較小值，通常選取安全系數(shù)n≥1.5，鏟叉取n=1.5。

鏟叉的安全系數(shù):

n=σs/σmax=500/286.5=1.75≥1.5。

故設(shè)計(jì)的鏟叉滿足強(qiáng)度要求。從上式中可知，鏟叉豎直段的長度不影響鏟叉的強(qiáng)度，增加鏟叉的厚度比增加鏟叉的寬度更容易提高鏟叉強(qiáng)度。

3.3 鏟叉的剛度校核

鏟叉的剛度校核是驗(yàn)算鏟尖處的撓度，撓度越小，鏟叉的剛度越大。校核鏟叉剛度時(shí)，通常不考慮動(dòng)載和偏載，按額定起重量計(jì)算。計(jì)算方法采用彎矩圖乘法，鏟尖處的撓度為：

(3)

式中:E為鋼的彈性模量，E=206 GPa；I為鏟叉截面的慣性矩，按等截面計(jì)算，I=ab3/12；P為鏟叉的額定載荷，P=392 kN;e為下鉸支點(diǎn)距下叉面的距離。

經(jīng)計(jì)算可得出f=22 mm。

通常鏟尖的許用撓度[fE]=L/50=42 mm，因f≤[fE]，故設(shè)計(jì)的鏟叉滿足剛度要求。從公式(3)可知，增加鏟叉的厚度比增加鏟叉的寬度更容易提高鏟叉剛度，減小鏟叉的高度，特別是減少下鉸支點(diǎn)距下叉面距離，會(huì)顯著提高鏟叉的剛度。

4 鏟叉的有限元分析

通過理論計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的鏟叉滿足強(qiáng)度和剛度要求。鏟叉在鏟取重物時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在鏟叉根部。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)成果，應(yīng)力集中的影響因素主要有：內(nèi)圓角R1、外圓角R2、鏟叉厚度b，其中內(nèi)圓角R1影響因素最大。參考類似鏟板車的鏟叉厚度，同時(shí)滿足鏟叉的強(qiáng)度和剛度要求，鏟叉的厚度b不變。外圓角R2對應(yīng)力集中的影響因素較小，外圓角也不再變化，選為100 mm。通過合理的選定內(nèi)圓角R1大小，使鏟叉的應(yīng)力集中降到允許的安全范圍內(nèi)，應(yīng)力集中沒有專門的計(jì)算公式，需采用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。

在SolidWorks中建立鏟叉的三維模型，按照理論計(jì)算在SolidWorks Simulation中添加約束和載荷。材料選合金鋼，彈性模量E為206 GPa，泊松比為0.3。在安全系數(shù)選取1.5的情況下，鏟叉的最大應(yīng)力為

σmax=σS/n=500/3=333.3 MPa。

內(nèi)圓角R1分別選取50 mm、80 mm和110 mm進(jìn)行仿真模擬，其應(yīng)力分布如圖3～圖5所示。

圖3 內(nèi)圓角R1為50 mm的應(yīng)力分布

通過分析上圖可知，內(nèi)圓角R1為50 mm時(shí)，最大應(yīng)力在鏟叉根部，最大應(yīng)力為407.2 MPa;內(nèi)圓角R1為80 mm時(shí)，最大應(yīng)力為367.9 MPa;內(nèi)圓角R1為110 mm時(shí)，最大應(yīng)力為329.1 MPa，此時(shí)滿足鏟叉的強(qiáng)度要求，其余兩種情況不滿足強(qiáng)度要求。在內(nèi)圓角R1為110 mm時(shí)，鏟叉的撓度變形如圖6所示，從圖中可知，鏟叉的最大變形為22.8 mm，最大變形在鏟尖處，理論計(jì)算的鏟尖變形為22 mm，有限元模擬和理論計(jì)算十分接近，滿足鏟叉的剛度要求。

圖4 內(nèi)圓角R1為80 mm的應(yīng)力分布

圖5 內(nèi)圓角R1為110 mm的應(yīng)力分布

圖6 內(nèi)圓角R1為110 mm的撓度變形

5 結(jié)論

為了設(shè)計(jì)出高可靠性的蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車鏟叉，以鏟叉為研究對象，建立鏟叉的受力簡化模型，通過理論計(jì)算鏟叉的剛度和強(qiáng)度。將簡化的受力模型導(dǎo)入SolidWorks Simulation中對鏟叉進(jìn)行數(shù)值模擬，對鏟叉的應(yīng)力集中和剛度進(jìn)行校核。通過對鏟叉的理論計(jì)算和數(shù)值模擬進(jìn)行比較可知，對于剛度計(jì)算，理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果相差不大，通過理論計(jì)算可以驗(yàn)證鏟叉的寬度和厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求，若無法計(jì)算鏟叉根部的應(yīng)力集中，鏟叉的應(yīng)力集中需要通過數(shù)值模擬。本文可為鏟叉的設(shè)計(jì)和仿真提供參考。