基于ADAMS的叉車穩(wěn)定性分析

陳璜，嚴世榕

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108)

基于ADAMS的叉車穩(wěn)定性分析

陳璜，嚴世榕

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108)

摘要：以某型號平衡重式叉車為研究對象，運用ADAMS動力學仿真軟件，建立了該叉車動力學模型，仿真叉車的3種特殊工況，研究其貨叉載荷、貨叉升降速度及路面傾斜角度對叉車穩(wěn)定性的影響，得到了該款叉車縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性的受力變化曲線以及叉車后輪的支撐力變化規(guī)律。研究方法和仿真結(jié)果可為平衡重式叉車的分析與改進提供參考。

關鍵詞：叉車；動力學建模；穩(wěn)定性；升降運動

Stability Analysis of Forklifts Based on ADAMS

CHEN Huang,YAN Shirong

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:ADAMS software is used to establish the dynamic model of a certain type counterbalance forklift. Three special conditions of the forklift are simuted, including the movement relationship, constraint and load, and influence of the load, fork lifting speed and road surface tilt Angle on its stability is analyzed, and then the stress curve of longitudinal and lateral stability is further researched on and the support change of the rear wheel is validated. The research methods and the simulation results can be used to provide reference for improvement of the forklift.

Keywords:forklift; dynamics modeling; stability; lifting movement

0引言

平衡重式叉車的工作過程可簡述為由貨叉的伸縮式門架系統(tǒng)控制載荷進行升降運動。叉車的門架、貨叉、起升油缸和鏈條輪組集中位于前軸外的門架平面，這些裝置的質(zhì)量占工作裝置總質(zhì)量的絕大部分，因此在很大程度上影響叉車的穩(wěn)定性和抵抗傾翻的能力。

目前，國內(nèi)大多數(shù)研究都集中在叉車門架單獨工作時的仿真以及門架系統(tǒng)的動力學分析上，并沒有很好地結(jié)合路面傾斜角度和貨叉升降運動對叉車性能進行研究[1，2]。因此，以某廠生產(chǎn)的CPCD30型平衡重式叉車為研究對象，建立叉車的ADAMS動力學仿真模型，通過模擬叉車的3種特殊工況，即水平路面加載工況、側(cè)傾路面加載工況、前傾路面加載工況，來分析貨叉升降運動和路面傾斜角度對叉車穩(wěn)定性的影響，為叉車工作裝置的設計提供參考[3]。

1叉車模型的建立

平衡重式叉車模型較為復雜，采用SolidWorks和ADAMS軟件建立模型。在SolidWorks中建立各零件三維實體模型和整車裝配體模型；將裝配體模型導入ADAMS中[4]，定義車體和貨叉的材料為結(jié)構(gòu)鋼，并添加各個零部件之間的約束和驅(qū)動。其中，車輪與車體之間為轉(zhuǎn)動副，后輪為驅(qū)動輪；叉車升降機構(gòu)與車體之間為移動副，驅(qū)動為直線電動機驅(qū)動，地面固定。檢驗約束情況，使冗余度為零后進行輪胎和地面的設置，選用UA輪胎模型和B級路面譜。輪胎模型運用物理模型，即通過對車輪結(jié)構(gòu)和變形機理建立剪切力和回正力矩的函數(shù)模型[5]。所建立的叉車模型如圖1所示。

圖1　CPCD30型平衡重式叉車模型

2叉車穩(wěn)定性分析

平衡重式叉車利用車體后部的平衡重塊與貨叉上的載荷進行縱向力矩平衡，故當貨叉的載荷上升到一定程度時，前段載荷過重會導致后輪上抬[6]。CPCD30型平衡重式叉車主要參數(shù)指標如表1所示?，F(xiàn)針對叉車在不同載荷、不同提升速度以及不同路面傾斜角度的情況，對叉車后輪與路面的接觸力進行分析，進而分析叉車的縱向和橫向穩(wěn)定性。ADAMS軟件計算接觸力的內(nèi)部模型是基于把剛體接觸面看作局部極小的剛性變形，從而產(chǎn)生便于測量的接觸力[7]，考慮貨物放置不平衡，叉車存在偏載現(xiàn)象，故著重測量偏載一方的后輪支撐力。

表1　CPCD30型平衡重式叉車主要參數(shù)指標

2.1叉車靜態(tài)縱向穩(wěn)定性分析

當叉車貨叉承載一定載荷并勻速上升至最高舉升位置時，由于縱向傾翻力矩的作用，使得某一側(cè)車輪承受的地面反作用合力逐漸為零[8]。為了研究叉車靜態(tài)縱向穩(wěn)定性，將叉車置于水平路面，使貨叉以額定工作速度200 mm/s勻速上升，貨物載荷變量分別取空載1 000 kg、1 500 kg、3 000 kg和3 500 kg進行階梯試驗，得到不同工作載荷下后車輪的支撐力變化曲線。由于主要不穩(wěn)定因素集中于貨物加載和貨叉起升的初期，大約在0～250 mm之間，因此圖中只顯示了貨叉行程為0～1 000 mm的后輪支撐力變化曲線，如圖2所示。

圖2　后輪支撐力隨貨叉上升的變化曲線

從圖2中可以看出，當貨物質(zhì)量在較低范圍內(nèi)，貨叉由自由提升高度勻速上升至最大提升高度時，叉車后輪受力隨著貨物質(zhì)量增加而出現(xiàn)輕微振蕩，但不至于出現(xiàn)縱向傾翻現(xiàn)象。特別指出，當貨物質(zhì)量在3 500 kg時，后輪支撐力隨貨叉上升的變化曲線出現(xiàn)較大波動。

2.2不同提升高度的穩(wěn)定性分析

貨叉在不同提升高度情況下的仿真過程為：將叉車靜置于水平面，貨叉空載位于自由提升高度，使載荷質(zhì)量從0開始取值至載荷質(zhì)量3 500 kg，分別記錄載荷變化對叉車后輪受力變化的影響；然后依次將貨叉固定置于1 500 mm和3 500 mm的提升高度位置，分別將載荷質(zhì)量從0變化至載荷質(zhì)量3500 kg，并對叉車后車輪受力進行測量，結(jié)果如表2所示。

表2　主要測量數(shù)據(jù)

將表2的主要測量數(shù)據(jù)導入ADAMS，經(jīng)圖形處理后，可得貨叉在自由提升高度、中間位置和最高位置時，隨載荷大小變化的后輪受力曲線，如圖3所示。

圖3　后輪受力隨載荷大小的變化曲線

綜合分析可以得出，在不同的提升高度下，后輪受力隨載荷大小的變化趨勢基本一致，但提升高度越高，后輪受力曲線的斜率越大，受力起伏變化越大，最終導致叉車提升工作中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.3 叉車側(cè)傾作業(yè)的穩(wěn)定性分析

叉車位于傾斜路面時，隨著路面傾角增大，整車易發(fā)生橫向傾翻，在此研究叉車側(cè)傾時后輪支撐力的變化情況。在地面添加一個轉(zhuǎn)動副，使地面可以繞著叉車側(cè)向轉(zhuǎn)動，以改變叉車側(cè)傾角度，從而模擬叉車側(cè)向傾斜工況，如圖4所示。為避免加載過程中產(chǎn)生過大波動，在此設置貨叉處于自由提升高度，加載的貨物質(zhì)量為1 500 kg。由ADAMS軟件的力傳感器可以測量出右后輪的支撐力隨路面傾斜角度變化曲線，如圖5所示。仿真結(jié)果表明，開始加載貨物時，叉車支撐力振動幅度較大，當傾斜角約為25°時，右后輪支撐力近似為0，此時叉車后輪離開地面發(fā)生橫向傾翻。

圖4　叉車側(cè)傾模型

圖5　右后輪支撐力隨路面傾角的變化曲線

2.4叉車前傾作業(yè)的穩(wěn)定性分析

設置貨叉位于自由提升高度，載荷為1 500 kg，路面前傾角度不斷增加，模擬叉車載貨下坡的工況，研究叉車前傾時后輪支撐力的變化情況，如圖6所示。叉車載貨作業(yè)時，整車重心更靠近叉車前輪，在下坡過程中容易出現(xiàn)失穩(wěn)傾翻現(xiàn)象。隨著作業(yè)坡度角的不斷增加，叉車后輪受力出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定，最終后輪完全離開地面失穩(wěn)傾翻。圖7為后輪支撐力隨路面傾角的變化曲線，可以看出在不考慮叉車發(fā)生車輪滑移和貨物傾翻的情況下，叉車后輪的支撐力與叉車作業(yè)坡道傾角之間的曲線變化幅度較大，當傾斜角度為20°時，后輪支撐力近似為0。

圖6　叉車前傾模型

圖7　后輪支撐力隨路面傾角的變化曲線

3結(jié)語

1) 利用Solidworks和ADAMS軟件建立了平衡重式叉車實體模型，分析叉車在靜態(tài)受力情況下，載荷大小對整車縱向穩(wěn)定性的影響，得到不同工作載荷下后輪支撐力的變化曲線。

2) 分析加載情況下，貨叉提升高度對叉車穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明提升高度越大，后輪受力曲線的斜率越大，受力起伏變化越明顯。

3) 模擬了叉車在側(cè)傾和前傾路面的穩(wěn)定性情況。隨著路面?zhèn)葍A角度和前傾角度的變化，叉車后輪受力曲線出現(xiàn)較大起伏。當側(cè)傾角度約為25°時，叉車出現(xiàn)橫向失穩(wěn)；當前傾角度約為20°時，叉車出現(xiàn)縱向失穩(wěn)。

參考文獻:

[1] 蘇欣平，周京京，郭愛東，等. 基于ADAMS的叉車靜態(tài)穩(wěn)定性分析與仿真[J]. 中國工程機械學報，2012，10(1):77-80.

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[3] 羅明軍. 基于ADAMS側(cè)面叉車工作穩(wěn)定性仿真分析[J]. 機械制造，2008，46(3):35-37.

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[6] 陸植. 叉車設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[7] MSC. Software. MSC.ADAMS FSP基礎培訓教程[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[8] 衛(wèi)修敬，嚴太平. 側(cè)面叉車穩(wěn)定性的探討[J]. 鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機械學院學報，1981，(2):36-45.

收稿日期：2014-01-21

中圖分類號：Tp42；TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0108-04

作者簡介：陳璜(1989-)，女，福建廈門人，碩士研究生，研究方向為車輛工程。