伸縮臂叉裝車作業(yè)穩(wěn)定性分析

田甜 陳宇 劉學(xué)文 鄭艷超

北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司 北京市 100086

1 引言

伸縮臂叉裝車是一種集成了起重機(jī)和傳統(tǒng)叉車功能的多功能作業(yè)車輛，可在車體不動(dòng)的情況下，對(duì)較遠(yuǎn)距離的的貨物進(jìn)行叉裝作業(yè)。其應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，除了可用于叉車的傳統(tǒng)領(lǐng)域外[1]，還可用于更加復(fù)雜困難的作業(yè)環(huán)境，例如在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

其特殊的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境也對(duì)作業(yè)安全性提出了很高的要求。一般伸縮臂叉裝車設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中必須對(duì)其作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，并將結(jié)果標(biāo)識(shí)在車體顯著位置，用于警示駕駛和操作人員。目前國(guó)際上主要的伸縮臂叉裝車標(biāo)準(zhǔn)包括美國(guó)的ASME B56.6標(biāo)準(zhǔn)，歐盟的EN 1459標(biāo)準(zhǔn)和澳大利亞的AS 1418.19標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)其穩(wěn)定性提出了要求。

2 伸縮臂叉裝車簡(jiǎn)介

伸縮臂叉裝車穩(wěn)定性是指在剛性控制的靜止條件下，其抵抗傾翻能力的能力[2]。應(yīng)考慮在正常使用和操作條件下，叉車承受的力的分布。影響穩(wěn)定性的因素包括質(zhì)量、質(zhì)量分布、軸距、車輪踏面、懸空方法、行駛和操作速度、負(fù)載條件下輪胎和門架的變形等。

圖1為伸縮臂叉裝車的結(jié)構(gòu)組成，在其進(jìn)行叉裝作業(yè)時(shí)首先將其行駛到距離貨物較近的距離上，伸縮臂2開(kāi)始動(dòng)作，通過(guò)伸縮和變幅將貨叉送至貨物位置，貨叉進(jìn)行俯仰將貨物叉起，其中貨叉1和伸縮臂2隨整車作業(yè)時(shí)動(dòng)作，車體其他部件在工作時(shí)不進(jìn)行動(dòng)作。

圖1 伸縮臂叉裝車整體布置圖

3 作業(yè)安全性計(jì)算

根據(jù)美國(guó)伸縮臂叉裝車標(biāo)準(zhǔn)SMEB56.6-2002標(biāo)準(zhǔn)8.6規(guī)定其作業(yè)穩(wěn)定性可以通過(guò)以下方法得出：第一種是傾斜平臺(tái)試驗(yàn)。對(duì)伸縮臂叉裝車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證其穩(wěn)定性。試驗(yàn)可用來(lái)指導(dǎo)叉車的設(shè)計(jì)。第二種是計(jì)算穩(wěn)定性數(shù)值?；谙嗨撇嫜b車的經(jīng)驗(yàn)值，通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)出穩(wěn)定性的合理值。計(jì)算值和試驗(yàn)值相比，最終選擇試驗(yàn)值作為其安全性的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

3.1 整車質(zhì)量分布分析

由伸縮臂叉裝車整體布置圖1可以看出，伸縮臂叉裝車在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，伸縮臂結(jié)構(gòu)質(zhì)心位置隨著作業(yè)情況不同發(fā)生變化，其他部分質(zhì)量分布不隨作業(yè)情況變化。以三節(jié)臂伸縮臂叉裝車為例，假設(shè)每節(jié)臂重量均勻分布，三節(jié)臂質(zhì)心位置依次為：

一節(jié)臂質(zhì)心位置為

圖2 伸縮臂叉裝車伸縮臂質(zhì)心位置計(jì)算圖

其中，x0，y0——伸縮臂鉸接點(diǎn)位置坐標(biāo)；

x1，y1——第一節(jié)臂質(zhì)心坐標(biāo)；

L1——第一節(jié)臂長(zhǎng)度；

B1——第一節(jié)臂寬度；

α——伸縮臂與車架的水平面的角度。

二節(jié)臂質(zhì)心位置

x2=x1-ΔL1cosα

y2=y1+ΔL1sinα

x2，y2——第二節(jié)臂質(zhì)心坐標(biāo)；

ΔL1——第二節(jié)臂伸出的距離，在第三節(jié)臂不動(dòng)作時(shí)為整車伸出距離。

三節(jié)臂中心位置

x3=x2-ΔL2cosα

y3=y2+ΔL2sinα

x3，y3——第三節(jié)臂質(zhì)心坐標(biāo)；

ΔL2——第三節(jié)臂伸出的距離，一般為全部伸縮臂伸出距離減去ΔL1的最大值。

由以上全車的質(zhì)心位置為

Gi——各部件質(zhì)量；

Gs——整車總質(zhì)量；

xi，yi——各部件相對(duì)車輛后軸中心的坐標(biāo)位置。一般情況下，貨物和整車質(zhì)量是相對(duì)縱向?qū)ΨQ面對(duì)稱的，因此質(zhì)心位置始終位于整車縱向?qū)ΨQ面上。

2.2 整車穩(wěn)定性分析

如圖3所示，車輛通過(guò)兩個(gè)前輪和后軸中心點(diǎn)形成了基礎(chǔ)三角形ABC，取質(zhì)心垂線與大臂交點(diǎn)作四面體，取質(zhì)心的水平面截面構(gòu)成整車的穩(wěn)定三角形abc，如果整車的質(zhì)心o在這個(gè)三角形中，整車就會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)，如果整車質(zhì)心o位置落在了穩(wěn)定三角形之外，車輛將向偏出三角形的位置傾翻。

在整車處于水平面上時(shí)，貨叉上加載放平以后，整車的質(zhì)心會(huì)向前向下移動(dòng)。如果貨物質(zhì)量超出負(fù)載能力，質(zhì)心o就會(huì)向前超出ab線，造成整車向前傾倒。造成整車在縱向方向失去穩(wěn)定性。在載荷圖分布圖4上對(duì)應(yīng)的即為每個(gè)載荷區(qū)域的最外側(cè)垂直線。在進(jìn)行貨物提升時(shí)質(zhì)心會(huì)升高并向后移動(dòng)，同時(shí)穩(wěn)定三角形也會(huì)變動(dòng)。如圖5所示，貨物提升高度越高，穩(wěn)定的空間越小，穩(wěn)定三角形面積越小，在橫向和縱向上失去穩(wěn)定性的可能性越大，因此這時(shí)一般為整車邊界工況進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算。如圖6所示，如果整車不在水平面上，質(zhì)心會(huì)偏離整車的中心線，但是穩(wěn)定三角形總會(huì)位于整車中心線上，這時(shí)也會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定三角形減小，質(zhì)心左右變動(dòng)的空間也會(huì)變小。大臂提升并伸出（穩(wěn)定三角形非常?。?，整車在非常小的傾角時(shí)就會(huì)脫離穩(wěn)定三角形兩側(cè)區(qū)域。這時(shí)整車就會(huì)出現(xiàn)傾翻。從而使同樣伸出距離上載荷能力降低，對(duì)應(yīng)可以看出載荷圖上直線后面的曲線。

2.3 穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

通過(guò)以上分析結(jié)合SME B56.6-2002 8.6.6 試驗(yàn)載荷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車穩(wěn)定性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)條件見(jiàn)表1：

根據(jù)表1可以看出在坡度7%縱向額定載荷全工況堆垛和坡度22%縱向額定載荷搬運(yùn)堆垛分別表示在縱向工作和運(yùn)輸?shù)淖畈环€(wěn)定狀態(tài)；坡度12%的額定載荷全工況堆垛、50%空載伸縮臂全縮回和10%空載全工況堆垛反映了伸縮臂叉裝車在橫向工作、空載行駛和空載動(dòng)作的最不穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)對(duì)穩(wěn)定三角形的分析可以看出以上幾種為全車工況質(zhì)心最有可能偏離穩(wěn)定三角形區(qū)域的工況，通過(guò)分析計(jì)算和試驗(yàn)即可得出伸縮臂叉裝車的載荷圖。

圖3 水平位置穩(wěn)定三角形圖

圖4 作業(yè)載荷分布圖

圖5 伸出位置穩(wěn)定三角形

圖6 傾斜位置穩(wěn)定三角形

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)伸縮臂叉裝車穩(wěn)定三角形的分析可以得出叉車最不穩(wěn)定的幾種工作狀態(tài)，通過(guò)對(duì)每種狀態(tài)的分析和計(jì)算可以最終得出伸縮臂叉裝車的載荷圖譜。

由于在計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮由于車輪踏面、懸空方法、叉車運(yùn)行速度、負(fù)載條件下輪胎和門架的變形等對(duì)穩(wěn)定性的影響，因此試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果可能存在偏差。因此最終也要以試驗(yàn)結(jié)果作為該型車的最終載荷圖繪制的依據(jù)。

表1 SME B56.6-2002 8.6.6試驗(yàn)載荷標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)條件