藍(lán)毅生

（林德（中國）叉車有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

叉車是重要的物料搬運(yùn)機(jī)械設(shè)備，利用貨叉取物，在液壓起升作用下，對(duì)貨物進(jìn)行升降和拖取，啟動(dòng)車胎行走機(jī)構(gòu)后開始搬運(yùn)貨物[1]。車架作為叉車的承載基本結(jié)構(gòu)，剛度和強(qiáng)度均對(duì)叉車安全作業(yè)影響較大。在實(shí)際作業(yè)中，因叉車車架振動(dòng)較為嚴(yán)重，降低了叉車穩(wěn)定性[2]。為了優(yōu)化車架，提高車架穩(wěn)定性，該文通過構(gòu)建車架模型，分析車架振動(dòng)情況，提出優(yōu)化減震方案。

1 內(nèi)燃叉車車架模型的構(gòu)建

由于車架前橫向連接較弱，后向連接較強(qiáng)，且受力板厚度數(shù)值較大，導(dǎo)致建模存在細(xì)節(jié)問題[3]。該文融入幾何模型處理技術(shù)，對(duì)車架模型進(jìn)行優(yōu)化處理，消除孔洞、小邊等常見問題。如圖1 所示為車架模型。

圖1 車架模型

2 內(nèi)燃叉車車架振動(dòng)分析

在實(shí)際作業(yè)過程中，叉車處于非自由狀態(tài)，車架附加結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整體重量增加，對(duì)其固有頻率影響較大，該文在分析車架振動(dòng)時(shí)，將這部分重量計(jì)入其中。為了便于分析，以主要附加重量為主，忽略次要因素增加的附加重量。該研究叉車主要附加質(zhì)量包括發(fā)動(dòng)機(jī)和配重，重量分別為255 kg、855 kg。

該研究添加附加重量的方式為質(zhì)量點(diǎn)添加，即在分析車架自動(dòng)振動(dòng)特性時(shí)增加重量，從而明確模型構(gòu)建重量體。關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)附加重量分析，其重量數(shù)值為225 kg，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為（-0.95，0.19，-0.03）；關(guān)于配重附加重量分析，其重量數(shù)值為855 kg，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為（-1.66，0.34，0）。

在保持邊界條件、材料參數(shù)、有限元網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)條件保持不變，采用上述附加重量分析法，探究附加重量添加情況下的車架振動(dòng)情況。通過模擬計(jì)算，得到車架模態(tài)頻率數(shù)值，見表1。

表1 車架模態(tài)頻率數(shù)值

通過觀察表1 中的數(shù)據(jù)可知，車架前2 個(gè)階段振動(dòng)類型為整體變形模態(tài)，所以產(chǎn)生的頻率較小，從第3 階段開始振動(dòng)頻率開大幅度增加，這些階段車架振動(dòng)類型為局部變形模態(tài)，對(duì)叉車的振動(dòng)影響不是很大。

在叉車作業(yè)的過程中，車架之所以會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象是因?yàn)槠湫枰惺芡獠考?lì)和內(nèi)部激勵(lì)。當(dāng)車架某一頻率與激振頻率吻合時(shí)，將形成共振。除此之外，路面不平整也會(huì)造成振動(dòng)，當(dāng)路面不平度空間記為Ω/m-1，叉車行駛速度v/ms-1，則對(duì)應(yīng)的輸入時(shí)間頻率為

式中，v為行駛速度；Ω為路面不平度。

假設(shè)路面不平度波長(zhǎng)記為D，則激勵(lì)頻率大小為：

公式（2）中，Dmin代表路面不平度對(duì)應(yīng)最小波長(zhǎng)值，vmax代表最大行駛速度，在空載情況下叉車行駛速度為14.5 km/h。由于叉車內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通車輛存在較大差異，所以在特殊路況下行駛時(shí)，僅分析搓板路、未鋪裝路、平坦路3 種情況即可。該研究對(duì)這3 種情況進(jìn)行測(cè)試分析，得到測(cè)試結(jié)果。表2 為不同度波長(zhǎng)與激勵(lì)頻率。

表2 不同度波長(zhǎng)與激勵(lì)頻率

該研究叉車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)運(yùn)模式下生成的激勵(lì)頻率數(shù)值為28.4 Hz，該數(shù)值與實(shí)際作業(yè)過程中第1 階段模態(tài)頻率數(shù)值相近。考慮到實(shí)際作業(yè)過程中的叉車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與建模轉(zhuǎn)速存在一定偏差，所以在怠速模式下形成共振，最終引發(fā)叉車車架劇烈振動(dòng)。

3 內(nèi)燃叉車車架優(yōu)化減震設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化流程

依據(jù)前文分析可知，叉車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)運(yùn)模式下激勵(lì)頻率數(shù)值與實(shí)際作業(yè)過程中第1 階段模態(tài)頻率數(shù)值相近，所以可以將第1 階段頻率調(diào)整作為內(nèi)燃叉車車架優(yōu)化研究切入點(diǎn)。按照此研究思路，該文采用單步優(yōu)化法，主要對(duì)叉車作業(yè)第1 階段頻率進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到提高車架低頻動(dòng)態(tài)特性的目的。擬定優(yōu)化流程如下。

第一步：以叉車第1 階段頻率變化為依據(jù)，對(duì)車架減震模型設(shè)計(jì)變量進(jìn)行初始化處理。

第二步：通過分析各個(gè)變量之間的關(guān)系，構(gòu)建參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型。

第三步：將車架第1 階段頻數(shù)值代入模型中加載參數(shù)，通過計(jì)算分析求解數(shù)值。

第四步：根據(jù)計(jì)算結(jié)果特征，從中提取車架模型中板件厚度優(yōu)化變量，并標(biāo)明。

第五步：設(shè)置評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果結(jié)果為“最優(yōu)”，則執(zhí)行第六步，反之，修正優(yōu)化模型變量，并返回第二步。

第六步：生成最優(yōu)優(yōu)化減震設(shè)計(jì)模型及變量，退出迭代優(yōu)化處理。

第七步：叉車作業(yè)第1 階段頻率優(yōu)化結(jié)果，并采取一定處理。

3.2 變量取值

為了盡可能地減小車架固有頻率，該研究以第1 階段頻率振動(dòng)作為主要優(yōu)化對(duì)象，通過減輕車架重量，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻帶優(yōu)化，設(shè)計(jì)變量為車架板件厚度，包括d1、d2、d3，設(shè)置這3 個(gè)板件初始厚度為12 mm、14 mm、14 mm，優(yōu)化變化范圍10 mm～15 mm， 3 個(gè)板塊均設(shè)置2 個(gè)取值，即10 mm、15 mm，形成8 組樣本空間。變量取值，見表3。

表3 變量取值

通過觀察表3 中的f1 頻率值可知，d1 對(duì)車架整體結(jié)構(gòu)頻率影響較小，且該數(shù)值的增加，不僅不會(huì)提高頻率，還會(huì)使得頻率有所降低。d2 和d3 對(duì)車架結(jié)構(gòu)頻率造成的影響與d1 特性相反，車架頻率值隨著厚度的增加而提高。綜合對(duì)比表3 中的8 組數(shù)值及計(jì)算結(jié)果，編號(hào)為4 的點(diǎn)頻率最大，對(duì)應(yīng)3 個(gè)板件厚度參數(shù)依次為10 mm、15 mm、15 mm，此時(shí)第1 階段模態(tài)頻率大小為29.5 Hz，該數(shù)值高于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式下28.7 Hz，成功避開了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率，降低了車架發(fā)生振動(dòng)可能性，在一定程度上改善了車架振動(dòng)。

4 優(yōu)化驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性，該文對(duì)優(yōu)化前后叉車的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，以加速度作為測(cè)量指標(biāo)。在測(cè)試跑道上設(shè)置2 個(gè)障礙物，高度為10 mm，寬度為150 mm，車輛行駛速度為10 km/h，載荷為900 kg。如圖2 所示為叉車測(cè)量位置與方向。

圖2 叉車測(cè)量位置與方向

圖2 是對(duì)叉車垂直方向加權(quán)均方根數(shù)值進(jìn)行測(cè)定，連續(xù)測(cè)定多次，當(dāng)偏差系數(shù)不足0.15 時(shí)，結(jié)束測(cè)量。按照以下公式來測(cè)量振動(dòng)加速度，結(jié)果見表4、見表5。

表5 優(yōu)化前后叉車振動(dòng)加速度測(cè)量對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜合觀察表4 和表5 中的測(cè)試結(jié)果可知，優(yōu)化后車架振動(dòng)加權(quán)數(shù)值為0.69 m/s2，較未優(yōu)化前有所改進(jìn)，并且振動(dòng)變化幅度下降了53.2%。由此推斷，該文設(shè)計(jì)的內(nèi)燃叉車車架優(yōu)化減震設(shè)計(jì)方案具有較好的減震功能，符合優(yōu)化設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語

該文圍繞內(nèi)燃叉車車架振動(dòng)問題展開研究，通過構(gòu)建車架模型，對(duì)車架振動(dòng)特性進(jìn)行分析，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。該方案采用單步優(yōu)化法，主要對(duì)叉車作業(yè)第1 階段頻率進(jìn)行優(yōu)化，以此提高車架低頻動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的車架優(yōu)化方案可以有效降低振動(dòng)幅度，有助于提高車架穩(wěn)定性。