0 引言
叉车作为工业搬运的重要设备，在各类物料转运作业中发挥着关键作用。护顶架是保障叉车驾驶员头部安全的关键结构部件，其可靠性直接关系到作业安全。某铝厂用户购置的一台某型内燃叉车在转运特定质量和尺寸的铝锭时，其护顶架的连接结构出现多次断裂，严重影响了生产作业的正常进行，有必要对其故障原因进行深入剖析。
1故障现象
该型内燃叉车转运体积约为 1m3 的大型铝锭（质量约为3.5t），在累计使用614h后，护顶架与仪表架的连接板出现断裂现象。为了不耽误生产，用户采用废料板焊接固定后，继续使用不到 100h ，护顶架连接板又出现断裂现象。
2内燃叉车护顶架结构
内燃叉车护顶架结构由左后腿1、右后腿2、筋板3、横梁4、右前腿5、左前腿6等组成，如图1所示。护顶架与仪表架连接结构由凸起连接板7、仪表架8等组成，如图2所示。
1.左后腿2.右后腿3.筋板4.横梁5.右前腿6.左前腿
图1叉车护顶架结构
筋板3、横梁4、右前腿5、左前腿6组成前框架，通过螺栓将右前腿5、左前腿6固定在叉车仪表架8的左、右两侧凸起连接板7上，左后腿1、右后腿2通过螺栓固定在叉车的车架上，实现保护驾驶人员头部的安全功能。
3故障原因分析
3.1作业现场路况恶劣
通过走访用户了解到该叉车所处工况比较特殊：该叉车工作强度较大，现场路况不平坦、多坑洼，左、右轮胎磨损不一致现象显著。
分析认为，该叉车经常在坑洼不平的路况上进行搬运大吨位铝锭，在搬运过程中处在忽高忽低的不稳定状态下作业，会造成轮胎的不平衡磨损。当叉车行驶在坑洼路面时，车身摇晃幅度会加剧。此时顶架与仪表架的连接板承受着强烈的剪切应力作用，这种剪切应力在叉车的动态运行过程中反复作用于连接板，最终导致其断裂。
3.2结构设计不合理
从护顶架的结构设计来看，其右前腿5、左前腿6与仪表架8的固定方式存在明显的强度隐患。具体而言，护顶架的右前腿5、左前腿6与仪表架8主要依靠凸起连接板7上的螺纹孔，每侧采用2个M8螺栓连接固定。而该凸起连接板7的宽度仅为 50mm ，厚度仅为12mm。
分析认为，凸起连接板7的设计尺寸偏小、强度不足。该叉车在恶劣路况下搬运重载铝锭时，凸起连接板7无法提供足够的强度来抵抗各种复杂的应力。在该叉车转运铝锭过程中，无论是行走过程车身摇晃产生的剪切应力、还是放置铝锭时产生的惯性力、冲击力，都会通过护顶架结构传递到凸起连接板7，由于其强度不足，极易产生断裂。
进一步分析认为，在叉车满载运行过程中，护顶架前框架承受的上述各种复杂的应力通过右前腿5、左前腿6传递给与仪表架连接的凸起连接板7。由于凸起连接板7的结构单薄，无法有效地将载荷均匀分散到周围结构，造成局部应力过大，成为整个护顶架结构的薄弱环节，进而导致断裂故障。
3.3焊接缺陷导致二次断裂
该叉车在首次出现故障后，用户采用废料板焊接修复断裂部位，其初衷虽然是为了不耽误生产，但是却导致焊接部位的二次断裂。
分析认为，由于废料板的材质特性、几何形状以及焊接工艺难以保证与原结构的适配性，焊接后形成的接头存在但不限于焊接气孔、未焊透、夹渣等缺陷。这些缺陷严重降低了焊接部位的强度和韧性。当叉车继续在重载和颠簸工况下作业时，焊接部位无法承受正常的应力作用，迅速发生二次断裂。
4改进措施
针对该叉车使用的特殊工况，提出并实施了以下改进措施：一是取消仪表架上固定前腿的凸起连接板，采用仪表架竖板9固定护顶架的前腿；二是将护顶架前框架的左、右前腿加长，以便将其固定在仪表架两侧的竖板上；三是将前框架左、右前腿2个连接孔10的距离加大，以便优化力的传递路径、提高连接部位的强度与稳定性、适应恶劣的作业工况。改进后的护顶架与仪表架连接方法如图3所示。
9.仪表架竖板10.护顶架连接孔
图3改进后护顶架与仪表架连接方法
5改进效果验证与评估
5.1 改进效果验证
针对此改进方案进行CAE计算机辅助分析。依据内燃叉车护顶架的几何尺寸、材料特性开展三维建模。由于护顶架与仪表架连接部位为改进重点关注区，因此在对该区域进行网格划分时采取局部加密方法，采用高阶四面体或六面体单元，以保障计算精度与收敛性。将护顶架与仪表架进行连接，对仪表架连接板施加应力，对比分析改进前和改进后的受力情况。改进前、后护顶架与仪表架连接受力分析分别如图4、图5所示。
图4改进前的护顶架与仪表架连接受力分析
5.2改进效果评估
改进前，护顶架与仪表架连接处的最大应力为434.29MPa；改进后，护顶架与仪表架连接处最大应力为264.21MPa 。此外，改进后护顶架与仪表架的零件材质均为Q355B，屈服强度均为 355MPa ，安全系数均为1.34，可满足作业现场特殊工况的使用要求。
6结束语
对该叉车护顶架结构实施了加长左前腿和右前腿、优化前腿固定方式的改进措施后，通过评估确认该叉车护顶架可满足作业现场特殊工况的使用要求。将改进的护顶架安装在该用户的叉车上使用2000h后，其连接部位未出现开裂故障，由此验证了改进措施具有可靠性和可行性。该改进措施可为类似结构的叉车护顶架设计提供参考。
