陳海亮 宣云清

摘要：為了獲得前移式叉車門架系統(tǒng)的應(yīng)力響應(yīng)，結(jié)合到叉車在工作過程中的特性，采用了多體動力學方法。建立了門架系統(tǒng)的剛性/柔性耦合模型，并將其集成到虛擬模型中，得到了門架系統(tǒng)的剛性/柔性耦合模型。在這個基礎(chǔ)上研究叉車的前移和路面激勵對叉車門架系統(tǒng)應(yīng)力響應(yīng)的影響，與靜態(tài)分析的結(jié)果相比，從而得以驗證模型的有效性。結(jié)果表明，叉車剛?cè)狁詈夏Ｐ透臃瞎こ虒嶋H，路面激勵對門架的應(yīng)力響應(yīng)影響較大。

關(guān)鍵詞：剛?cè)狁詈?前移式;動應(yīng)力;路面激勵

目前，對叉車門架的研究大多采用有限元分析的方法，改進了叉車門架的輕量化設(shè)計，研究了前移式叉車的穩(wěn)定性動力學模型。這些研究具有一定的指導性設(shè)計，但它們大多采用靜態(tài)力學分析，很少有具體的研究前移式叉車門架分析案例。如果不考慮彈性變形和路面激勵的影響，叉車的前向和動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)不能完全反映叉車門架的真實壓力響應(yīng)。

一、叉車概述

具有高門架的插腿式叉車是指前移式叉車，前移式叉車（以下稱為叉車）使用其自身重量作為扭矩、插腿式支腿作為支撐，以確保安全裝載和卸載。當貨叉前后傾斜時，相對于支點（前輪）的載荷力會發(fā)生變化，根據(jù)高度的不同，杠桿力可能會不同，作用在前輪上的重量力矩也會發(fā)生變化。因此，叉車的標稱起重重量被校準為在標準起重高度下的最大起重重量。當叉車使用高于規(guī)定提升高度的門式平臺時，其承載能力必須相應(yīng)降低。在運行過程中，在負載重力和慣性力的作用下，容易向前傾。在慣性離心力的作用下轉(zhuǎn)彎時，容易發(fā)生側(cè)傾，下坡或滿載全速轉(zhuǎn)彎時，側(cè)傾的風險更大。

二、剛?cè)狁詈蟿恿W模型

前移式叉車門架的三維示意圖如圖1，主要由外門架、內(nèi)門架、貨叉架和貨叉組成。內(nèi)門架可沿外門架軌道上下移動，貨叉可沿內(nèi)門架軌道上下移動，整個門架可沿支腿軌道前后移動。當貨叉達到最高點時，門架及貨叉發(fā)生彈性變形。根據(jù)這些實際的工作條件，門架和貨叉可以轉(zhuǎn)換成柔性體。

1.應(yīng)用剛?cè)狁詈蟿恿W。在剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)中，剛體質(zhì)心的笛卡爾坐標和反映剛體方向的歐拉角可以用來研究剛體在慣性空間中的一般運動，即：

式中：剛體qi的廣義坐標矩陣;剛體σ、θ、φ的笛卡爾坐標X、y、Z軸的角度位移;q多體系統(tǒng)的通用坐標矩陣。對于柔性體剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，可以用有限元法建立方程。

2.前移式叉車剛?cè)狁詈蟿恿W模型。為了更真實地研究前移式叉車門架的動應(yīng)力，將門架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ团c其他部件相結(jié)合，得到了前移式叉車的整體模型。利用HyperWorks軟件在Adams中建立了門架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。在虛擬模型中，門架系統(tǒng)的剛性和柔性耦合模型與其他組件組裝，添加約束條件。根據(jù)組件之間的交互，建立了相應(yīng)的動態(tài)模型，模擬叉車的實際工作狀態(tài)。

三、叉車門架系統(tǒng)動應(yīng)力研究

為了更真實地估算叉車門架系統(tǒng)的動態(tài)應(yīng)力，可以在不同的環(huán)境下進行仿真，比較不同的因素。本文對剛性/柔性耦合的動態(tài)分析主要集中在門架系統(tǒng)的內(nèi)門架和貨叉。這兩種分析方法是相同的。因此，針對貨叉進行研究，對內(nèi)門架作結(jié)論性總結(jié)。

1.靜力學分析。在對門架系統(tǒng)進行靜力分析時，必須考慮貨叉偏載和動載荷的影響。貨叉用于計算負載由以下公式確定：

式中：貨叉計算載荷Q;叉車額定起重量P;動載荷系數(shù)k1;貨叉偏載系數(shù)k2，K2=1.1-1.3。根據(jù)實際工況選擇K1=1.1，K2=1.2。由上式可知，貨叉計算載荷Q=6600N，取最危險工況進行分析，即貨叉向前傾斜3度時的工況。為了得到更多的對比，本文采用ANSYS的暫態(tài)分析方法結(jié)構(gòu)模塊對門架系統(tǒng)進行剛?cè)狁詈戏治觯鐖D2所示得到等效應(yīng)力云圖。圖2顯示，在0.246 67 S時，該貨叉達到最大應(yīng)力283.78 MPa。

2. 動應(yīng)力計算。采用靜態(tài)應(yīng)力法計算了門架系統(tǒng)的動應(yīng)力。將動力學仿真得到的動荷載乘上相應(yīng)的有限元法計算出的準靜態(tài)應(yīng)力影響系數(shù)，得到了門架系統(tǒng)節(jié)點應(yīng)力。某點處的應(yīng)力表達式如下：

式中：n為荷載歷史次數(shù);σXi，σYi，τxyi應(yīng)力影響系數(shù);fi（T）荷載歷史?，F(xiàn)有的對叉車門架系統(tǒng)的分析和研究大多是對門架系統(tǒng)進行單獨的分析，沒有區(qū)分叉車的類型，在相同的條件下進行無差別的研究，導致結(jié)果的可靠性較低。在實際案例分析過程中，要充分考慮“前移狀態(tài)”和“前輪承載”的影響。在剛?cè)狁詈系幕A(chǔ)上，整合整車模型進行前移式叉車門架系統(tǒng)的研究，即利用上述模型和軟件功能，在有無前移的環(huán)境下進行仿真，然后利用有限元擬靜態(tài)應(yīng)力法得到危險節(jié)點的應(yīng)力時間歷程。危險節(jié)點的動應(yīng)力響應(yīng)如圖3所示。

當運行平穩(wěn)時，門架系統(tǒng)向前移動時的最大應(yīng)力值為289.789 4MPa，當門架系統(tǒng)不向前移動時，最大應(yīng)力值為289.7754MPa。為了得到叉車運輸過程中門架系統(tǒng)的動態(tài)應(yīng)力，在虛擬樣機中，將叉車以10km/h的速度在B級公路上行駛，用MATLAB生成路面隨機激勵，在ADAMS中采用if函數(shù)添加：if（time-20：AKISPL（time，0，SPLINE_1，0），AKISPL（time，0，SPLINE_1，0）并適當修改階躍函數(shù)，使叉車在0～15s內(nèi)前進或傾斜時受到路面的激勵，即模擬叉車在搬運過程中向前或傾斜的工作狀態(tài);在15～20秒的范圍內(nèi)，綜合前面“前移”的影響分析，在有路面激勵的情況下，對有前移和無前移進行仿真，得到貨叉危險節(jié)點的應(yīng)力-時間歷程如圖4和圖5所示。

由以上兩圖可知：在叉車運載的情況下，門架系統(tǒng)前移時的最大動應(yīng)力值為466.401 9 MPa，運行平穩(wěn)之后的應(yīng)力值為372.354 4 MPa，激勵停止之后的最大應(yīng)力值為289.791 2 MPa;當門架系統(tǒng)不需要前移時最大動應(yīng)力值為460.389 9 MPa，運行平穩(wěn)之后應(yīng)力值為362.902 4 MPa，激勵停止之后的最大應(yīng)力值為289.709 4 MPa。（1）最大動應(yīng)力出現(xiàn)在啟動階段，約為450mpa，這是由于整個模擬過程中的加載，即有載啟動。（2）在平穩(wěn)運行階段，叉車門架是否向前移動對叉車的動應(yīng)力影響不大。最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在貨叉向前傾斜3°且提升達到最大高度時，最大應(yīng)力值為289.789 4MPa。該結(jié)果與靜力分析的危險工況相同，等效應(yīng)力值為283.78mpa?？梢哉f兩者的應(yīng)力基本相等，這也驗證了模型的正確性。（3）門架系統(tǒng)的疲勞損傷主要來自路面激勵。在有路面激勵的情況下，總的應(yīng)力趨勢與沒有路面激勵的情況大致相同。啟動階段的應(yīng)力與無路面激勵時相比變化不大，但運行后最大應(yīng)力分別增加到372.354MPa和362.9024MPa。也就是說，在路面激勵的影響下，門架系統(tǒng)的動應(yīng)力明顯增大。（4）在分析中應(yīng)充分考慮路面的影響，否則會影響分析結(jié)果的準確性。與貨叉的研究方法類似，內(nèi)門架在各種環(huán)境下的最大應(yīng)力如表1所示。

從表1可以看出，在不同的環(huán)境下，內(nèi)門架的應(yīng)力響應(yīng)與貨叉相似，也符合上述結(jié)論。值得注意的是，在叉車的靜態(tài)分析中，安全系數(shù)估計為1.5。在上面的例子中，Q345是內(nèi)門架材料，允許應(yīng)力計算為230MPa。表1顯示，在啟動階段，最大應(yīng)力大于允許應(yīng)力，在運行階段，應(yīng)力也接近允許應(yīng)力，靜態(tài)分析值表明滿足了要求。

通過在虛擬樣機中進行仿真，得到了各環(huán)境的應(yīng)力?；谟邢拊椒ê蛻?yīng)用剛?cè)狁詈蟿恿W，應(yīng)用剛?cè)狁詈夏Ｐ?，建立了叉車行駛、門架位置移動和帶載大小的不同工作參數(shù)下的最大動態(tài)和靜態(tài)應(yīng)力進行比較、驗證，應(yīng)用剛?cè)狁詈夏Ｐ透瞎こ虒嵺`。當使用叉車時，避免裝載啟動瞬間、路面激勵對門架系統(tǒng)運行時的應(yīng)力響應(yīng)有較大影響。因此，在分析時應(yīng)充分考慮路面的具體情況，否則會影響分析的準確性。研究方法和結(jié)果可為叉車的疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計提供參考。

參考文獻：

[1]范曉定.叉車可靠性現(xiàn)狀調(diào)查及研究[J].工程機械，2018，24（7）：16-21.

[2]王輝蕓.某叉車中門架的優(yōu)化改進[J].機械設(shè)計與研究，2018，32（1）：163-167.