基于CAD技術(shù)的轉(zhuǎn)運叉車前燈振動抑制研究

范乃吉++蘇春洲++熊遷++高東

摘 要：該文針對具有某種實際用途的叉車在運動過程中產(chǎn)生的前車燈振動問題，提出了一種基于計算機仿真與實際測試相結(jié)合的抑制方法。該文首先利用三維建模軟件Pro/E對車燈進行三維實體建模，然后利用該軟件自身的有限元分析模塊Pro/MECHANICA對其進行模態(tài)分析，計算出其固有頻率，其次對其進行結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析，確定優(yōu)化目標，再次對該優(yōu)化目標進行反向求解結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后對優(yōu)化結(jié)果進行實際測試。測試結(jié)果證明，減振效果顯著，并已投入實際生產(chǎn)中，可以推廣至類似工程問題中。

關(guān)鍵詞：車燈 振動抑制 CAD 模擬仿真

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0023-03

轉(zhuǎn)運叉車由于具有裝卸與搬運功能，能適應多變的裝卸搬運要求，機動靈活，現(xiàn)已成為國內(nèi)一種產(chǎn)量最多的裝卸搬運機械。隨著我國基礎(chǔ)設施建設的大量投入，從重工業(yè)發(fā)展到輕工業(yè)，甚至人們?nèi)粘Ｉ钤絹碓诫x不開叉車。但轉(zhuǎn)運叉車在工作過程中，前車燈由于會受到各種各樣因素的影響而產(chǎn)生振動。這種振動往往會干擾人眼正常生理功能的發(fā)揮，使視覺模糊，嚴重影響人眼識別工件位置及路面狀況的正確性和靈敏度，甚至影響人體的健康。因此，必須對轉(zhuǎn)運叉車前燈的振動進行有效的控制。該文便是針對具有某種實際用途的轉(zhuǎn)運叉車在工作過程中產(chǎn)生的前車燈振動問題，提出一中基于CAD輔助設計與實際測試相結(jié)合的解決方法。

通過大量文獻資料的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)解決此類車燈振動問題的方法一般有兩種：第一種方法為降低振動激勵，第二種方法為避免發(fā)生共振。為了實現(xiàn)第一種方法我們可以采用下列措施：（1）減小車燈總成的激勵，這種方法的實現(xiàn)代價高昂，且不易實現(xiàn)；（2）增加適當?shù)臏p震元器件或者減震系統(tǒng)，這種方法的技術(shù)含量高但花費不多，不易實現(xiàn)。為了實現(xiàn)第二種方法我們可以采用下列措施：（1）改變激勵頻率，以達到避免共振的目的，但是這種方法的實現(xiàn)是以犧牲車輛整體性能為前提的，因此不宜采納；（2）改變車燈系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而改變自身的固有頻率，以達到避免共振的目的，此方法花費成本較低，且易于設計加工改造。通過以上不同方法、措施的分析比較，最終我們采用改變前燈總成的固有頻率來解決該振動問題。

1 改進前測試

為了確定車燈的真實振動情況，我們首先對車燈總成進行了加速度振動測試。

1.1 測試檢測系統(tǒng)構(gòu)成

經(jīng)分析，轉(zhuǎn)運叉車的發(fā)動機為總體的振動源頭，通過一系列的振動傳遞，最終傳遞至車燈總成處，但是在車燈系統(tǒng)中，我們不妨將護頂架作為振動源頭，進行分析。具體加速度傳感器的安裝位置如圖1所示。

1.2 測試結(jié)果分析

通過加速度傳感器對其振動情況進行測試，并以這些振動加速度的有效值作為評價標準，其測試結(jié)果如圖2所示。

由上圖我們不難看出，車架的振動加速度遠小于較小車燈的振動加速度，因此我們斷定車燈應為優(yōu)化改造的主要單元。與此同時，我們發(fā)現(xiàn)車燈在960 rpm附近時的振動達到峰值，為左右方向振動，加速度達到，而雙杠四沖程發(fā)動機做功頻率可根據(jù)計算得出，因此車燈振動最強頻率為32 Hz。

2 三維實體模型的建立

利用Pro/E軟件的三維實體建模功能，對車燈系統(tǒng)的各個零部件進行建模，其三維模型如圖3所示，邊界條件是支架外表面固支。

其中車燈各個零部件的材料和力學性能見表1所示。

3 分析與優(yōu)化

利用Pro/E軟件自身的有限元分析模塊Pro/MECHANICA對其進行模態(tài)分析。

3.1 模態(tài)分析

通過文獻調(diào)研，我們知道在模態(tài)分析中，其前四階模態(tài)的分析是解決此類問題的關(guān)鍵，因此，其固有頻率及振型見表2所示。

通過對上表的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)其二階頻率為32.25 Hz，這一頻率與車燈振動最為劇烈時對應的發(fā)動機做功頻率（32 Hz）最為接近，且振型相同，因此我們可以確定車燈發(fā)生了共振，且共振頻率為32 Hz。

3.2 敏感度分析

為避免上述共振情況的發(fā)生，我們需要對車燈總成的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行適當?shù)母倪M。為提高設計效率，我們需要對車燈總成的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模態(tài)敏感度分析。

考慮到加工工藝可行性等因素，選用支架的長度、高度、厚度（如圖4所示）以及后燈罩的長度、寬度、高度、厚度（如圖5所示）為設計參數(shù)分別進行全局敏感度分析。通過大量的模擬分析數(shù)據(jù)，我們得到了這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)模態(tài)的敏感度曲線。對這些曲線進行綜合分析之后，我們認為燈罩厚度對該系統(tǒng)的敏感性較強，對系統(tǒng)的二階頻率影響較大，而其他參數(shù)影響較小，該結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感度曲線如圖6所示。

3.3 優(yōu)化設計

通過上述敏感度分析，我們確定了燈罩的厚度作為我們的優(yōu)化設計參數(shù)。

通過上述分析，我們知道發(fā)生共振的頻率為32 Hz，所以我們可以提高亦或是降低系統(tǒng)的固有頻率，來實現(xiàn)抑制振動的目的。但是激勵源頭處的發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速為700～1200 rpm，對應的頻率為23.3-40 Hz。所以，如果降低系統(tǒng)的固有頻率，就有可能會使車燈總成在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生共振。因此，我們只有將系統(tǒng)的固有頻率盡量提高，才能使得共振現(xiàn)象消失，考慮到可能出現(xiàn)的誤差，我們將優(yōu)化目標定為50 Hz及以上。

經(jīng)有限元軟件的單目標優(yōu)化分析，最終得到設計參數(shù)的最優(yōu)值為5.02 mm?？紤]到加工的可行性等因素，最終，我們決定采用5 mm厚的燈罩結(jié)構(gòu)來避免車燈系統(tǒng)共振現(xiàn)象的發(fā)生。

4 改進后驗證

為了驗證改進結(jié)果，我們對新型車燈及舊型車燈進行振動比較測試。測試系統(tǒng)及傳感器安裝位置與初步測試一致。新燈與舊燈測試比較結(jié)果如圖7所示。

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于700～1180 rpm和1450～1800 rpm范圍內(nèi)，新燈振動幅值均在以下；1180～1450 rpm范圍內(nèi)左右方向振動在以上，并且在1300 rpm附近出現(xiàn)峰值，最大值為37m/S2，前后和上下方向的振動幅值均在以下。說明新燈振動劇烈區(qū)域已經(jīng)偏移至1300 rpm附近，與理論值1500 rpm存在一定誤差。造成誤差有以下兩個原因：一是仿真計算的誤差，二是測試環(huán)境的影響。雖然與理論值存在誤差，但實際結(jié)果表明已經(jīng)達到減振目的。endprint

5 結(jié)語

該文針對具有某種實際用途的叉車在運動過程中產(chǎn)生的前車燈振動問題，提出了一種基于計算機仿真與實際測試相結(jié)合的抑制方法。該文首先利用三維建模軟件Pro/E對車燈進行三維實體建模，利用該軟件自身的有限元分析模塊Pro/MECHANICA對其進行靜力學分析，計算出其固有頻率，其次對其進行結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析，確定優(yōu)化目標，再次對該優(yōu)化目標進行反向求解結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后對優(yōu)化結(jié)果進行實際測試。測試結(jié)果證明，減振效果顯著，并已投入實際生產(chǎn)中，可以推廣用至類似工程問題中。

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