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1、分类号 :TH12 10710-2013125056 硕 士 学 位 论 文 某型 2T电动叉车总体设计及 关键结构的有限兀分析 刘美红 导师姓名职称 张新荣教授 申请学位类别 硕士 学科专业名称 机械电子工程 论文提交日期 2016年 5月 20日论文答辩日期 2016年 6月 6日 学位授予单位 长安大学 Overall Design and Finite Element Analysis of the Key Structures of a Certain Type 2T Electric Forklift A Thesis Submitted for the Degree of Mas
2、ter Candidate： Liu Meihong Supervisor： Prof. Zhang Xinrong Changan University, Xi an, China 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除论文中己经注明引用的内容外，对论文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论 文 作 者 签 名 ： 孑 名年 g月， j曰 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识
3、产权归属学校。学校享 有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使 用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 (涉密论文在解密后应遵守此规定 ） 论 文 作 者 签 名 ： 年 月 日 导师 签 名 ： 年 月 / r日 叉车是一种较特殊的起重机械，同时也是一种装卸搬运车辆。随着仓储物流业的 发展，叉车的产销量也实现了持续的增长，各个国家都在努力发展各类叉车。而本文 研宄的电动叉车，采用纯电力驱动，具有高效节能、无污染、低噪声、调速性能良好、 操作方便等优点，其市场前景十分可观。 首先，通过了解叉车的发展趋势和研发意义，确定出产
4、品的研发目标。其次，以 某型2t电动叉车为研究对象，通过参考成熟的叉车设计案例，完成电动叉车的总体 设计，确定出整车性能参数，并对关键系统进行设计计算。总体设计是新产品设计中 的首要环节。再次，对电动叉车的主要性能进行分析计算，同时对关键结构部件进行 设计计算。最后，对电动叉车的工作装置和关键承载部件车架进行结构分析。 结合有限单元法及机械力学理论知识，采用有限元分析软件 ANSYS WorkbenchM.O对关键结构进行静力学分析和模态分析，分别得到了在满载情况下电 动叉车工作装置和车架的应力分布云图、总变形云图和固有频率。将有限元分析结 果 与理论设计计算结果进行对比，验证该结构的强度和刚
5、度是富裕的，设计是合理的； 并且通过有限元分析结果可以直观地看出结构的薄弱环节，为进一步对结构进行优化 改进提供了可靠的依据。另外，将上述关键结构的前六阶振动频率与激振源的固有频 率比较，分析评价整车的振动特性。 关键词：电动叉车，总体设计，主要性能，有限元分析 Abstract Forklift truck is a kind of special hoisting machinery as well as a kind of handling vehicles. With the development of warehousing logistics industry, the fork
6、lift production achieved continuous growth. Various countries have been working to develop all kinds of forklift. As its high flexibility and mobility, the forklift has a brilliant prospect in application. The electric forklift designed in this paper has the advantage of high efficiency, energy savi
7、ng, no pollution, low noise, good speed regulation performance and the convenient operation, which driven by electricity. So the market foreground is prosperous. On this basis, through understanding the tendency and significance of the forklift truck, the goals of product development are decided. Th
8、en taking, a certain 2t electric forklift as an example, the forklifts main parameters, overall layout, critical systems and the main technical properties are introduced by the mature forklift case. The overall design is the essential part of new product design. According to the general parameters o
9、f the overall design, the key structure has been further designed. Nextly, the principal characteristics of the electric forklift and key structures are deliberately introduced. Finally, the structure analysis of work device and frame of the electric forklift are given. Based on the theory of mechan
10、ical vibration and the principle of infinite element analysis, static analysis and mode analysis for the key structures of the forklift has been completed with the FEA software ANSYS Workbench 14.0. The stress, deformation, inherent frequencies of the work device and frame are obtained under full lo
11、ading condition. The strength and stiffness of the structure is validated and the design is reasonable by comparing finite element results and the calculated results. The results of the finite element calculation have opened out the weak links of the structural and will offer some important referenc
12、ed basis for the optimized design. Natural frequencies of these key structures above can be obtained by modal analysis. According to the contrast analysis of the natural frequency of the key structures and the excitation source, the performance of the whole body of forklift under dynamic working env
13、ironment is analyzed and evaluated. Key words: Electric forklift, Overall design, Main performance study, Finite element Analysis 目录 m-m mt . 1 l.i课题研宄背景及意义 . 1 1.2国内外电动叉车的研究现状 . 3 1.3国内外电动叉车的发展趋势 . 5 1.4本文的主要研究内容 . 7 第二章电动叉车的总体设计 . 8 2.1总体设计方案的确定 . 8 2.1.1总体设计的内容 . 8 2.1.2总体设计的要求 . 8 2.1.3电动叉车的技术参数
14、 . 9 2.2电动叉车的动力系统 . 10 2.2.1动力系统方案设计 . 10 2.2.2电池组设计 . 10 2.2.3电机的设计计算 . 10 2.3电动叉车传动系统 . 12 2.3.1传动系统传动比的确定 . 13 2.4电动叉车的转向系统 . 13 2.4.1转向方案的确定 . 14 2.4.2转向系统的组成及原理 . 14 2.5电动叉车的制动系统 . 15 2.5.1制动系统要求 . 15 2.5.2制动系统组成及原理 . 15 2.6电动叉车的电气系统 . 16 2.7电动叉车的液压系统 . 17 2.7.1液压系统工作原理 . 17 2.7.2液压缸的选型计算 . 17
15、2.7.3液压泵的选型计算 . 18 2.8整车的总体布置 . 19 2.8.1总体布置的原则 . 19 2.8.2电动叉车主要部件的布置 . 20 2.9本章小结 . 21 第三章整车主要性能分析 . 22 3.1电动叉车的自重与桥负荷计算 . 22 3.2电动叉车的动力性能分析计算 . 24 iii 3.3电动叉车的制动性能分析计算 . 25 3.4电动叉车的通过性能分析计算 . 27 3.5电动叉车的稳定性分析计算 . 30 3.6本章小结 . 32 第四章电动叉车关键结构的设计 . 33 4.1工作装置的设计 . 33 4.1.1货叉的设计 . 34 4.1.2门架的设计 . 36 4
16、.2叉车车架的设计 . 42 4.2.1叉车车架结构 . 42 4.2.2叉车车架受力分析 . 43 4.3本刻、会吉 . 46 第五章电动叉车关键结构的有限元分析 . 47 5.1有限元分析简介 . 47 5.1.1 ANSYS 软件简介 . 47 5.1.2结构静力学分析简介 . 47 5.1.3结构动力学分析简介 . 48 5.2货叉的有限元分析 . 49 5.2.1模型导入及网格划分 . 49 5.2.2施加载荷与约束 . 50 5.2.3结果后处理 . 51 5.3内外门架的有限元分析 . 52 5.3.1模型导入及网格划分 . 52 5.3.2施加载荷与约束 . 53 5.3.3结
17、果后处理 . 54 5.4叉车车架的有限元分析 . 56 5.4.1模型导入及网格划分 . 56 5.4.2施加载荷与约束 . 57 5.4.3结果后处理 . 57 5.5本章小结 . 59 结论与展望 . 60 #教南犬 . 62 攻读学位期间取得的研究成果 . 65 致谢 . 66 iv 第一章绪论 第一章绪论 1.1课题研究背景及意义 根据国际标准化组织 ISO/TC110定义，叉车是一种物料运输机械，具体指的是对成 件物品进行短距离运输、堆垛、装卸等操作的轮式搬运车辆的一种。其广泛应用于各国 民经济部门，如可以在车间内进行各种零部件的搬运；能够在铁路、码头、仓库等场合 进行行李、货物等
18、物品的运输、堆垛；还可以在环境要求较高的场合进行烟草、医药等 物品的搬运及装卸等。目前随着国家经济的持续发展，仓储物流业得到了很好的发展， 叉车的产销量也实现了持续的增长，各个国家都在努力发展各类叉车，目前世界上额定 起重量最大的叉车已达 80t， 最小的仅有 0.25t。 世界上第一台叉车问世于 1910年，由 CLARK公司的员工设计制造，严格来说是 一台搬运机，主要用在 CLARK公司的各车间进行轮胎、车轴、钻头等物品的搬运工作。 由于其适用性很强，且生产制造方便，参观车间的人以及使用的人对其使用价值有了进 一步认识，随之慢慢开始对其进行改进、加工，继而兴起。 1942年， CLARK公
19、司成功 研发出了世界上第一台电动叉车，此后叉车技术进入了飞速发展期，世界物流产业随之 也进入了新的时代。相对于国外叉车的发展历史而言，我国叉车行业具有起步晚、历史 短、发展迅速的特点。 20世纪五十年代末，我国开始仿造前苏联叉车，最早使用的叉车 都是来自美国军队退役的用于转移物资的叉车，直到 1958年大连叉车厂成功仿造出了 我国第一台 W-5型内燃叉车 “ 卫星号 ” ，我国叉车行业的星星之火随之点燃，叉车行业 开始起步，我国叉车制造史由此开始 1。经过我国叉车行业自身多年的发展以及国外技 术的引进，目前我 国已经能够独立生产各种各样的叉车，基本在产品规格上和国际市场 接轨，各种型号的电动叉
20、车、内燃叉车、静压叉车、液力叉车的性能指标已经符合国际 相关标准，且额定起重范围在 0.5 46t的叉车已达到国际较高水平。 与其他工业车辆相比，叉车在结构上主要有以下特点：叉车上安装有起升系统且置 于前方，导致司机的视野不良；叉车是前轮驱动，后轮转向；叉车前驱动轮承担叉车上 的绝大部分负载，稳定性差；叉车的自重较大。 叉车主要由工作装置、底盘、动力装置及电气系统等几大部分组成。 底盘，也就是叉车车架，是叉车的主体结构，也是叉 车上的主要承载部件，在设计 时需要考虑不同结构尺寸及不同的载荷工况等对车架结构性能的不同影响。另外叉车车 长安大学硕士学位论文 体的设计必须要具有足够的强度、刚度以及合
21、适的扭转刚度，使得车体在复杂载荷情况 下不会发生瞬间破坏及在寿命期限内不会发生疲劳性破坏；在复杂的受力情况下，不会 发生过大的弯曲变形而导致车体上的构件发生挤压变形等现象，并破坏车辆的其他部 件；设计时需考虑叉车对不平路面的适应性，提高叉车的通过能力和稳定性 2。我国第 一代叉车的底盘结构是在汽车底盘改进设计而成，车体框架大都采用型钢铆接而成，因 此此类车架结构笨重，制造工艺繁复、耗材，根本上说传统叉车底盘设计方法主要是经 验法。 20世纪七十年代初，经过不断改进，第二代叉车底盘结构改进成边梁式结构，此 种车架结构明了，钢板间的连接也由焊接取代铆接，生产率迅速提高。 20世纪八十年代 后，第三
22、代叉车结构 -箱梁式车架出现了，该结构刚度大，功能齐全，校核方便。迄今 为止，在国内外叉车行业尚未形成规范的叉车车架结构设计方法及校核方法。 工作装置也是叉车的重要结构之一，是叉车搬运物体的核心部件，主要由货叉、叉 架、内外门架、起升机构、倾斜机构等结构组成，各结构力学性能的好坏直接关系到叉 车整体能否正常作业 W。 传统工作装置的设计方法一般采用经验类比法，即参考同类产 品的参数及设计过程来设计结构，这种设计方法的缺点是耗材较大、重量较大，对叉车 整体稳定性不利。所以，在本文使用以下方法：在保证承载能力的前提下对叉车进行机 构静力学分析和模态分析，掌握现有结构的振动特性、稳定性及结构上的薄弱
23、环节，进 而通过改进其结构，得出优化结构的方法。 叉车根据动力源的不同可以分为以下四类：手动叉车、内燃叉车、电动叉车和混合 动力叉车。内燃叉车凭借其运行速度快、作业效率高、适用场合广等优势迅速占据了叉 车主市场。手动叉车结构简单，适用于通道窄小的仓库、车间进行轻便物品的搬运。混 合动力叉车主要有油电混合动力叉车和双燃料叉车两种，此类叉车能够实现节能、环保 的要求但其结构较为复杂。电动叉车则除具有高效性，应用场合广泛和环保节能的优点， 还具有操纵方便等特点，但同时也受到蓄电池容量的影响。目前虽然内燃叉车仍然是国 内叉车市场的主打产品，但随着人们的环保意识逐渐增强，意识到要实现可持续发展， 工业进
24、程就必须要按照节能、环保、低碳的绿色 经济体制来运行。而低噪音、无污染、 可靠性高的电动叉车恰好完美地满足这一发展要求，因此渐渐地得到更多企业的青睐。 与其他三种类型的叉车相比，电动叉车还具有以下优点 2: (1)使用成本低：由于燃油 的消耗成本一般高于电能的消耗成本，即在同一工况下电动叉车消耗的电能少于其他三 种叉车消耗的能量； （ 2)维护成本低：电动叉车的维护间隔的周期长，通常是内燃叉 车的几倍，而且电动叉车的维护保养及更换配件所需的时间都优于内燃叉车； （ 3)操 2 第一章绪论 作控制简便灵活、强 度低：电动转向系统、加速控制系统、刹车系统以及液压控制系统 都主要由电信号来控制，大大
25、地降低了驾驶员的工作强度，对提高工作效率和准确性有 很大的帮助；（ 4)快速发展的电子技术使得电动叉车的操作变得越来越人性化，越来 越舒适，安全性越来越高，适用范围也越来越广。 本课题研宄的主要目的是根据国内外现有产品，利用计算机建模仿真软件和现代设 计方法设计出轻量化且满足刚度、强度等各项指标的电动叉车结构。 1.2国内外电动叉车的研究现状 虽然我国叉车行业起步较晚，发展历史也相对较短，但叉车行业的发展非常迅速。 目前我国叉车制造商大约有 200多家，销售量在全国总销售量所占比重较大的企业有合 力、杭州叉车、湖南叉车、大连叉车、巨鲸叉车、厦工叉车、永恒力、台励福、洛阳一 拖、柳工等 A其中销
26、售量排名第一的安徽合力股份有限公司通过引进先进的工艺装备、 生产设备，优化结构，大量投资，成功在 2003年步入了世界十大叉车企业行列。这也 说明了我国叉车行业的发展，制造业的进步。国外一些跨国叉车企业如林德、丰田、 OM、 海斯特、现代等都在中国纷纷落户，进而也推动了我国叉车产业的进步 4。 当今在全球叉车市场格局中，丰田叉车和林德叉 车独占鳌头，二者年销售收入超过 50亿美元；同时安叉和杭叉在国内叉车市场上称雄，合计市场占有率超过 50%5。 2015 年 9月在首都北京举行的第十三届中国 BICES上，安徽合力叉车、厦工、中联重科纷 纷展示了自己的产品，包括传统的内燃叉车、新型双燃料叉车
27、、电动叉车，这些叉车也 代表了我国叉车行业的发展方式。其中，厦工推出的新产品是 30Plus系列叉车，该系列 叉车操纵方便、安全舒适；通过采用PLG发动机，降低了整车价格和燃料成本，进而 提高了车辆的经济性；在全车相关各系统上，30Plus系列叉车都进行了技 术创新，整体 上提高了车辆的工作效率、增加了车辆的整体稳定性、减少了系统的压力损失。安徽合 力叉车推出的 G系列 2.5t电动叉车，采用先进的锂电池进而实现了零排放、无酸雾挥发、 低噪音等优点，且锂电池的可循环使用 4000次，寿命高。中联重科推出的 FD-30R系列 内燃叉车采用了 SMC新材料，整体提高了车辆的抗压强度、抗疲劳强度等极
28、限性能。 大连 FB25系列电动叉车则采用了世界上先进的交流牵引电控技术、交流泵电控技术， 实现了环保零排放，同时还具有制动能量回收功能，延长了电动叉车内蓄电池的作业时 间。根据 2014-2018年中国叉车制造行业产销需求预测与转型升级分析报告数据显 示，经过近几十年经济、技术的快速发展，我国在工业方面已经成为了世界上有名的制 3 长安大学硕士学位论文 造大国。如下图 1.1所示，可以看出我国叉车近几年总销量的增长率 6。 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 牛 图 1.1 2004-2014年中国叉车销量 2001年
29、叉车总销量仅为 2.6万台，到 2004年增为 6.6万台。而根据相关数据显示， 前几十年内我国内燃叉车的销售量始终占工业车辆总销量的 70%，相比电动叉车的销量 比重仅为 20%;而国外电动叉车的销售量却在工业车辆总销量中占有绝对优势，全球叉 车销量中电动叉车比重超过了 50%，与我国情况相反。造成这种情形的主要原因是由于 我国物流运输行业起步晚；其次，内燃叉车也具有很多符合时代的优势：价格低、使用 方便、应用范围广等。而电动叉车也因为具有作业时间短，需要频繁充电、更换电池等 原因，导致电动叉车在很长的一段时间里只占很小的一部分市场 7。但在近几年里，电 动叉车销量比重逐渐在起升，如表 1.
30、1所示。在 2014年电动叉车的年销售量占我国叉车 总销量的比重已达 27%，且根据 2015年第一季度叉车销售相关数据显示，电动叉车市 场占有率上升至 32%，且还有上升的趋势。而内燃叉车的增长率仅为 10%，二者的市场 占有率发生了明显的改变。这种变化的原因主要是有以下几点： 由于雾霾等恶劣环境 的影响，国家制定了更为严格的车辆排放标准，以北京为代表，从 2015年 1月 1日开 始执行欧 Illb标准，所以相对限制了一些叉车的生产。 近几年电商的迅速发展，带动 物流区和仓库建设增加，进一步增加了叉车的使用量，从而带动了电动叉车的发展。 传统内燃叉车应用的场地多为矿山、钢铁行业，而这些行业
31、在近些年取得的效益很低， 发展很慢，因此内燃叉车的使用量随之减少。 同时，企业的环保意识也在增强，对员 工的身心健康更加重视，电动叉车取代内燃叉车也是一种必然趋势。 表 1.1 2012-2014年中国叉车分类销售量 /台 2012 2013 2014 内燃平衡重式叉车 208629 239822 249403 电动步行式仓储叉车 37030 45890 62040 电动乘驾式仓储叉车 13094 9713 6177 电动平衡重式叉车 29909 33339 42002 总计 288662 328764 359622 根据世界工业车辆统计协会统计，如下图 1.2所示， 2014年全球叉车销量共
32、计 106.3 oooo 4321 如肉/_班 4 第一章绪论 万台，与 2013年同期相比增长了 7.5%8。在近三十年以来，德国己经逐步实现了将信 息通信技术 （ ICT)引入工业生产中，目前 90%的制造生产都使用了 ICT。 将互联网及 服务互联网技术应用于制造业中，这种技术演化就称为 “ 工业 4.0” ，也是全球制造业的 一种发展趋势。根据“ 工业 4.0” 战略， “ 智能物流 ” 时代开始了，以信息技术为核心的 集装卸、搬运、运输及自动化仓储为一体的智能物流格局己经形成。 非洲測 1.74% 174% 图 1.2 2014年世界各大洲叉车销量占比 1.3国内外电动叉车的发展趋势
33、 随着技术的进步，产品更新换代的周期都在缩短，叉车行业的竞争也日益激烈。同 时随着人们生活水平的提高，对环境日益重视，对叉车的要求也越来越高。现阶段的叉 车在满足使用功能要求的同时，还要符合环保、安全性能、多样化、人性化、可靠性、 通用化等各方面要求。因此，大量先进的技术不断应用在叉车上，各种性能高、成本低、 节能环保、高效、低耗的叉车相继问世。根据工作场合的不同，所需叉车的种类、吨位 也不同。所以针对不同的工作环境和市场分工的多样需求，推出了不同结构、车型的叉 车，即各种专门化、系列化、多样化作业的叉车出现了。如在路况条件较差的建筑工地、 矿山等地进行装卸作业的越野叉车，该系列叉 车具有高可
34、靠性、良好的着地性；具有四 驱功能，能够在泥泞的场地快速作业；且离地间隙较高，能够跨越路面上较高的障碍物。 还有应用在比较危险场合的防爆叉车，随着经济的发展，该系列叉车应用的范围也越广， 特别是在石油、化工等行业的应用 8。 智能化电动叉车也是叉车未来发展的一个重要趋势。智能化不仅仅是驾驶智能化， 还包括无人驾驶。无人驾驶可以节省人力、降低企业成本，也可提高工作效率、增加安 全系数；其次，通过无人驾驶，可以实现远程管理和实时监控叉车的使用情况。通过对 叉车进行远程实时监控，随时了解叉车工作过程中 出现的问题，及时向有关人员反映并 排除故障，整体上提高工作效率。鉴于上述诸多优点，相信智能化叉车的
35、发展必然在国 5 长安大学硕士学位论文 家相关政策扶持下取得一定进步。随着 2014年 11月国务院总理李克强访问德国，中德 双方发表的中德合作行动纲要：共塑创新，我国制造业将紧随着德国步伐进入工业 4.0时代，将物联网及智能服务引入制造业，整体上提高制造业的工业化和智能化水平。 2015年 3月 5号李克强总理在十二届全国人大三次会议上提出了 “ 中国制造 2025” ，这 是 信息技术与制造业的一种深度融合，对于新能源汽车、叉车都是一种机遇。中国制造 2025聚焦于绿色制造，电动叉车也属于其中，相信其技术在不久的将来将会有所突破， 越来越智能化、信息化、系列化 9。 在驱动方面，传统电动叉
36、车多采用他励直流电机驱动，由于这种电动机具有软的机 械特性，调速简单，因而在电动叉车上应用很广泛；但是直流电机有碳刷和换向器，结 构比较复杂，要定期更换易损件，具有工作电流较大、性能较低等缺点。而交流电机在 工作中有其独特的优势：高低电压间转换容易、成本较低、无最大电流限制，且能够经 受大电流 的冲击。因此，新系列叉车均使用交流驱动技术，有效降低了叉车操作成本， 显著提高整体的可靠性和操纵性。同时，由于交流电机不需要定期更换受损件，且作业 时间长，成本相对较低，迅速成为了电动叉车的一个备选驱动源。综上所述，交流驱动 技术的使用也是叉车行业一个重要发展趋势。永恒力在 2005年已经成功研发了世界
37、上 第一台采用交流驱动技术的电动叉车，目前已经开发到第三代交流驱动技术。通过相关 实验数据表明，采用交流驱动技术的叉车的工作效率比采用直流电机驱动技术的搬运效 率高 33%岡。 在液压技术、电子技术应用方面，液压 及液力技术在叉车上应用的范围越来越广泛， 也逐渐成为了叉车内各系统中必不可少的技术。液压传动结构具有传动平稳、可无级变 速、操纵简单、布置简单且能实现多种运动形式转换等优点，为叉车多种多样的作业形 式提供了极大的便利。此外，随着电子技术的不断发展，越来越多的叉车采用了电子液 压伺服驱动技术及电子液压比例驱动技术，通过这些技术的使用使系统通过较小的动力 输入实现较大的功能输出 11。所以，机电液一体化技术在叉车上