黃國(guó)健 劉奕敏 王幸平 沈熾 何瑞容 王新華

（1.廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院研發(fā)中心 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

0 引言

側(cè)面式叉車(chē)（側(cè)叉）是特種設(shè)備目錄中場(chǎng)（廠）內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的一種，其門(mén)架、起升機(jī)構(gòu)及貨叉布置于叉車(chē)中部，可沿著橫向?qū)к壱苿?dòng)，具有裝卸時(shí)不必先轉(zhuǎn)彎再作業(yè)和可快速搬運(yùn)長(zhǎng)尺寸貨物等特點(diǎn)。而在側(cè)叉實(shí)際作業(yè)工況中，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，載荷分布不均，容易導(dǎo)致某一側(cè)的零部件工作負(fù)荷過(guò)大而失效。特別是側(cè)叉的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，多次現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)球頭銷(xiāo)座摩擦副出現(xiàn)松動(dòng)故障，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不穩(wěn)甚至失效[1]。因此，對(duì)側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)論在保證場(chǎng)車(chē)作業(yè)安全方面，還是在延長(zhǎng)使用壽命方面都有著重要意義。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空[2-3]、航天[4]、橋梁、大壩、公路等領(lǐng)域，并逐步完善。從總體看目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，主要有基于光纖聲發(fā)射、結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析、數(shù)字圖形圖像處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分布的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等方向。

目前對(duì)側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的研究較少。針對(duì)側(cè)叉作業(yè)過(guò)程轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)容易出現(xiàn)故障的情況，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)運(yùn)用到側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，是一種具有良好應(yīng)用前景的技術(shù)嘗試。而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的前提，是要確定機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行傳感器元件位置的布置，實(shí)現(xiàn)有效信號(hào)的獲取。

本文對(duì)某一型號(hào)的側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、運(yùn)動(dòng)仿真，分析關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)之前的傳感器布點(diǎn)提供依據(jù)。

1 側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障

調(diào)研廣州黃埔區(qū)各大倉(cāng)庫(kù)和碼頭的叉車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，結(jié)果顯示側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的故障主要集中在轉(zhuǎn)向球頭銷(xiāo)座[1]，如圖1所示。

圖1 側(cè)叉轉(zhuǎn)向球頭銷(xiāo)座故障

在方向盤(pán)左右打動(dòng)時(shí)，圖1所標(biāo)記的左右輪轉(zhuǎn)向球頭銷(xiāo)出現(xiàn)了非常明顯的晃動(dòng)，原因是球頭與球座嚴(yán)重磨損，配合間隙超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)也反映了側(cè)叉轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的負(fù)荷相比其它普通叉車(chē)重許多。

針對(duì)以上現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)調(diào)研結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的球頭銷(xiāo)座進(jìn)行精細(xì)化建模，重點(diǎn)分析其在作業(yè)工況中的應(yīng)力分布和擺動(dòng)角度。

2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)建模仿真

2.1 結(jié)構(gòu)模型

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后包括機(jī)架、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、車(chē)輪、左右梯形臂以及轉(zhuǎn)向盤(pán)。對(duì)梯形臂先絕對(duì)定位，依次添加組件左右梯形臂、橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、直拉桿以及方向盤(pán)進(jìn)行裝配，得到整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最終裝配圖（如圖2所示）。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)裝配圖

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真

采用UG NX5.0中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，對(duì)簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。該機(jī)構(gòu)是賦予METAL-Steel，材料密度7.829 kg/mm3。分別給車(chē)輪與梯形臂、機(jī)架與梯形臂、梯形臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿、梯形臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向盤(pán)與機(jī)架添加“旋轉(zhuǎn)副”，同時(shí)給轉(zhuǎn)向直拉桿與機(jī)架添加“滑動(dòng)副”，為使車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)向直拉桿的移動(dòng)距離保持一個(gè)常數(shù)，需要給轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向直拉桿之間添加一個(gè)“齒輪齒條副”。

設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)函數(shù)，給轉(zhuǎn)向盤(pán)與機(jī)架組成的旋轉(zhuǎn)副添加運(yùn)動(dòng)，在“函數(shù)管理器”里新建一個(gè)函數(shù)，具體如下：

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程如圖3所示。

圖3(a)，0 s～2 s轉(zhuǎn)向盤(pán)靜止，車(chē)輪本身只做滾動(dòng)，不偏轉(zhuǎn)角度；圖3(b)，2 s～6 s轉(zhuǎn)向盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)15 rad，車(chē)輪偏轉(zhuǎn)至右極限位置；圖3(c)，6 s～14 s車(chē)輪偏轉(zhuǎn)至左極限位置；圖3(d)，14 s～18 s車(chē)輪回到中間位置作純滾動(dòng)。

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

球頭銷(xiāo)是轉(zhuǎn)橫拉桿與節(jié)臂的球鉸鏈連接處，運(yùn)動(dòng)副是球頭銷(xiāo)外球面與球頭座的內(nèi)表面的旋轉(zhuǎn)摩擦副，因此該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂與橫拉桿之間的旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行仿真。其仿真過(guò)程既包括方向盤(pán)從中間位置偏轉(zhuǎn)至極限位置的工況，也包括從一端的極限位置（右）偏轉(zhuǎn)至另一端極限位置（左）的工況，所以基本模擬了實(shí)際行車(chē)過(guò)程的轉(zhuǎn)向工況。

3 仿真結(jié)果分析

將該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)仿真模型導(dǎo)入 Adams進(jìn)行仿真求解，得到左球頭銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)副受力與擺動(dòng)角度曲線圖如圖4所示。

由圖4的受力曲線可知：① 左球頭銷(xiāo)承受載荷最大可達(dá)到23.3 kN，最小18.8 kN，整個(gè)轉(zhuǎn)向過(guò)程平均受力值為21.1 kN；② 在極限位置時(shí)容易出現(xiàn)作用力突變，最大突變值達(dá)到0.746 kN，發(fā)生在12 s的臨界點(diǎn)，即車(chē)輪剛從右極限位置偏轉(zhuǎn)至左極限位置時(shí)的工況；③ 當(dāng)左轉(zhuǎn)向輪作為外側(cè)輪與內(nèi)側(cè)輪時(shí)，左球頭銷(xiāo)在這兩個(gè)極限位置的受力差值高達(dá)4.5 kN，容易造成研磨不均勻，一端磨損嚴(yán)重。根據(jù)建模仿真計(jì)算結(jié)果，擬采取振動(dòng)傳感器2個(gè)，扭矩傳感器2個(gè)，布置于左右兩側(cè)球頭銷(xiāo)座。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)港口碼頭和倉(cāng)庫(kù)的叉車(chē)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)調(diào)研，歸納發(fā)現(xiàn)側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障的主要部位是球頭銷(xiāo)座，主要故障形式包括裂紋、過(guò)渡磨損、晃動(dòng)；

圖4 左球頭銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)副受力與擺動(dòng)角度曲線圖

2) 對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化后進(jìn)行建模仿真，發(fā)現(xiàn)球頭銷(xiāo)座在極限位置容易發(fā)生應(yīng)力突變，且左右極限位置的受力差值達(dá)4.5 kN，造成研磨不均勻；

3) 建模仿真計(jì)算所得結(jié)果，可以較好地為側(cè)叉轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器的布點(diǎn)位置提供理論根據(jù)。

[1]Liu Yimin, Huang Guojian, Wang Xinhua. Typica faults analysis and treatment measures for forklifts[J]. Aplied Mechanics and Materials, 2014, 494(1):899-903.

[2]Kahandawa G C, Epaarachchi J, Wang H, et al. Use of FBG sensors for SHM in aerospace structures [J]. Photonic Sensors,2012, 2(3):203-214.

[3]Carina Rislund，Hillevi Hemhala, Gert-Ake Hansson, et al.Evaluation of three principles for forklift steering Effects on physical workload [J].Industrial Ergonomics, 2013, 43 (1):249-256.

[4]Gubeljak N, Zerbst U, Predan J, et al. Application of the european SINTAP procedure to the failure analysis of a broken forklift[J]. Engineering Failure Analysis, 2004,11(1):33-47.

[5]靳立強(qiáng),宋傳學(xué),彭彥宏.基于回正性與輕便性的前輪定位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(11):20-23.

[6]盛鵬程,簡(jiǎn)曉春,石振國(guó),等.基于ADAMS的轉(zhuǎn)向輕便性與轉(zhuǎn)向回正性的合理匹配[J].機(jī)械與電子,2008(4):71-73.

[7]Anon. Self-regulation in forklift safety [J]. Engineer, 2002,291(19):75-85.

[8]Verschoore R, Pieters J G, Pollet I V. Measurements and simulation on the comfort of forklifts[J]. Journal of Sound and Vibration, 2003,266(3):585-599.

[9]朱熙然.車(chē)輛轉(zhuǎn)向節(jié)立軸內(nèi)傾回正作用的力學(xué)分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē),2003(6):15-16.