黃祥興

摘 要：叉車整機振動是影響叉車操作性和舒適性的主要原因，如何解決查叉車整機振動過大問題已經(jīng)成為很多企業(yè)急需解決的問題。本文通過利用有限元方法，并以模擬分析來降低叉車振動，并從叉車的車架，發(fā)動機著手，聯(lián)系實際測試，對某種型號的叉車進行系統(tǒng)的簡稱分析。

關鍵字：叉車；整機；振動；解決方案；

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，很多物流，倉儲行業(yè)也得到一定程度的發(fā)展，叉車是一種被專用于起重和運輸，裝卸貨物的重要工具，雖然車速行駛較慢，即便路況比較好的情況下，但由于駕駛員長時間操作，叉車的整機振動也會影響駕駛員的舒適性，有時會產(chǎn)生駕駛疲勞進而影響駕駛的安全性，叉車作業(yè)的安全性問題已經(jīng)成為很多制造廠商重點研發(fā)的內容。本文聯(lián)系實際工程需求，從叉車的全面減振出發(fā)，針對某種型號的叉車怠速工況下，油門踏板，方向盤等多處存在較大幅度振動，利用叉車振動現(xiàn)象進行研究，并運用實驗測試和相關技術分析，提出了最優(yōu)化的解決方案，希望能給相關工作人員提供幫助。

1 叉車的振動分析

叉車在運行過程中需要承受來自內部和外部的激勵，主要是隨機激振和簡諧激振，前者屬于叉車行駛時遇到不平整的路面對于車輪的作用，后者代表發(fā)動機工作過程中沖程燃燒爆炸的壓力和活塞往復慣性所引起的振動，而當這種激振頻率與固有頻率相接近時，車架就會形成共振。

首先從試驗測試分析角度來看，叉車的車架是叉車行駛的重要組成部分，我們的研究中發(fā)現(xiàn)叉車的車架沒有明顯的縱梁，與安全護頂架連連為一體，具有較強的剛柔和耦合性。同時，它采用四缸四沖發(fā)動機，對比實驗模態(tài)測試分析得到的固有頻率，該叉車在處于怠速過程中的其激振頻率，進而可能會產(chǎn)生耦合共振。其次，從動力總成系統(tǒng)的振動和角度來看，叉車的前后懸具有特殊的結構，動力總成系統(tǒng)是由發(fā)動機，變速箱，前橋為動力總成系統(tǒng)。通過橋夾和車架剛性進行有效連接，總成的對稱線是與水平面成一定角度的，后橋利用彈性支撐與后橋進行連接，叉車的車架是剛柔耦合系統(tǒng)，且由于前后懸不同的這種方式和動力總成縱向對稱線、與水平面產(chǎn)生的角度造成了發(fā)動機振動傳遞到車架的振動在不同的方向，社會存在耦合振動線下，最終使駕駛員感受到來自不同方向的振動，比如底板，座椅等多處的振動。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)底板和座椅都出處在不同的方向上存在耦合現(xiàn)象，將改變動力總成系統(tǒng)的角度，而且不同的方向上的值也會發(fā)生一定程度的變化。

叉車的模態(tài)分析，主要是為了能夠在車架運行時工作頻率是否有效避開叉車的固有頻率的的激勵頻率，當叉車的某一階固有頻率與外來的載荷就會一直發(fā)生共振，而這種共振對于叉車的運行來說危害很大，制造噪音，同時還會減少零件的使用壽命。叉車在實際運行過程中，并不是出于完全自由的狀態(tài)，與車架相連的質量也就是車架的附加質量會對車架的固有頻率產(chǎn)生影響。然而對于車架的模態(tài)優(yōu)化設計應當是建立在附加質量的車架上的，叉車在運行中與車架相接的附加質量為855千克，而發(fā)動機的質量為225千克，在分析車架的模態(tài)頻率時需要考慮這個兩個附加質量。

為了能夠解決叉車車架在發(fā)動機怠速過程中振動過大的問題，本文利用相關軟件對于小噸位的叉車和車架進行三維建模，然后進行有限元網(wǎng)格劃分時間，通過分析車架的自由模態(tài)頻率與實際測量過程中獲取的數(shù)據(jù)進行對比，通過實驗驗證了有限元模型的準確性，其次在實際工況下，對叉車的車架有限元模型進行分析計算，獲得模態(tài)頻率，并與怠速過程中的運轉頻率進行比較，最后計算相關軟件的厚度對于車架頻率的影響，選擇合適厚度的板件能夠使得車架模態(tài)頻率避開發(fā)動機的機率頻率，進而減少車架振動的問題。

2 叉車振動解決方案

優(yōu)化設計一種利用數(shù)值和最優(yōu)化理論的方法，通過計算機進行自動化設計，并選擇最佳的設計方案，相比傳統(tǒng)的設計來說，能夠克服經(jīng)驗性，一種比較高效合理的方法，在對叉車進行優(yōu)化過程中需要重視進行分析，分別是設計變量，約束條件和目標函數(shù)。設計變量是在設計過程中進行調整和優(yōu)選的參數(shù)，設計方案可以用一組參數(shù)的數(shù)值來表示，也可以是物理量，同時也可以是應力，或者變形等能夠表示工作性能的非物理量，優(yōu)化設計的目標就是利用科學的方法合理選則變量的值，最終經(jīng)過優(yōu)化設計之后需要設計中最小的結構，而評價方案的優(yōu)劣，需要建立評價優(yōu)劣的函數(shù)，也就是目標函數(shù)，是對設計方案進行選擇的指標，也是判斷方案標準，在優(yōu)化時我們要求目標函數(shù)最小化，而這些方案并不是能夠完全接受的，如果一個設計能夠滿足多種要求，就可以說是一種可行的設計，為了能夠在優(yōu)化設計中實現(xiàn)可行設計，需要對變量的取值進行限制，也被稱為是約束條件。

首先我們從車架的有限元模態(tài)分析角度來看，這種型號的叉車護頂架是與車架連為一體的，并不是傳統(tǒng)的懸浮式的護頂架，我們利用模擬軟件建立了車架模型，并將這種實體模型導入軟件中進行有限元處理，根據(jù)車架的結構選用殼單元和實體單元，并且采用剛性單元進行模擬焊接，在建立和分析模態(tài)時，我們發(fā)現(xiàn)存在六個剛體模態(tài)的固有頻率為零赫茲。其次可以對車架進行改進，我們利用軟件對車架進行尺寸優(yōu)化，以期實現(xiàn)尺寸的最優(yōu)化條件。

我們利用第一階頻率作為目標函數(shù)，將車架總質量作為約束函數(shù)，而將護頂架和連接部位作為設計變量，經(jīng)過多次迭代計算，最終獲得收斂，在計算過程中發(fā)現(xiàn)個別變量會發(fā)生一定成度的變化，前后支腿的增加為2毫米，護頂架的厚度則相應的減少1mm，左右箱的連接板增加兩毫米。改進之后的車底固有頻率由原先的第一階頻率改進為32赫茲，第四階頻率改進為58赫茲，有效的避開了怠速過程中發(fā)動機的激勵頻率，進而防止了在怠速過程中發(fā)動機和車架的共振現(xiàn)象。從前懸懸置的優(yōu)化和振動解耦角度來看，這種型號的叉車是將車頂?shù)臉蚣軇傂耘c驅動橋進行連接的，具體的振動傳遞路徑為發(fā)動機，變速箱，驅動橋，車架，在車架與驅動橋殼之間添加了彈性減振墊片，或者在車架與護頂架之間增加膠墊等方式阻斷振源等方式這樣能夠有效實現(xiàn)隔振效果，進而減少生產(chǎn)成本，我們在對車架進行優(yōu)化的前提下，盡量需要保證原有的車架結構和生產(chǎn)工藝的前提下，利用彈性減震墊片的厚度，并且從改變墊片的厚度以及橋夾的傾斜角度，從而獲得最佳的傾斜角度，避免產(chǎn)生振動耦合的現(xiàn)象，為了能夠有效達到振動解耦的效果，我設計了正交實驗來確定彈性減震墊片的厚度，傾角角度。具體的優(yōu)化設計流程是，第一步先對車架的一些固有頻率，根據(jù)上述的板件后的變化給出頻率之間的曲線圖，需要綜合考慮質量與車架頻率的優(yōu)化條件，并選擇適當?shù)膲|板厚度作為優(yōu)化標準。

3 實驗驗證

利用LMS的振動噪聲測試與分析系統(tǒng)，以及相應的加速度傳感器等設備對處于怠速情況下的叉車進行振動測試，先取底板，油門踏板等多處側點地安裝加速傳感器，在叉車處于怠速狀態(tài)下，先對車架改進前后分別進行測試，之后再添加彈簧減震墊片，然后進行測試，叉車改進之前的加速度最大值主要出現(xiàn)在油門踏板之上，尤其是朝著Z方向上的振動加速度最大。當完成車架改進之后，振動加速度有明顯的減小，在車架安裝合適厚度的墊片能夠使該測點只有該方向的振動加速度有所降低。總而言之，改進車架之后，對于前懸加添加合適彈性墊片時，或者在車架與護頂架之間增加膠墊等方式阻斷振源等方式，確定動力總成系統(tǒng)的傾斜角度，能夠有效的避免動力學耦合，同時有利于降低查車的振動。

參考文獻

[1]劉顯貴， 劉詩彬， 張少輝，等. 某型內燃叉車振動研究與工程優(yōu)化[J]. 機械設計， 2014（12）：82-86.

[2]楊維平. 內燃叉車懸置系統(tǒng)減振性能分析與優(yōu)化[D]. 廈門大學， 2016.

[3]李寬， 劉夫云. 內燃叉車振動仿真及動力總成懸置優(yōu)化[J]. 桂林電子科技大學學報， 2017（4）：322-326.