某型2T 叉車車架的模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析

李冠文

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西建工集團(tuán)冶金建設(shè)有限公司，廣西 柳州 545005）

叉車隨著物流不斷發(fā)展而增長(zhǎng)，但用戶對(duì)叉車的要求越來越高，除了能滿足安全性要求，其舒適性也需要提升。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)存在叉車噪聲大、振動(dòng)大等缺點(diǎn)，使得用戶使用過程中不太滿意［1］。欲解決這些問題，需要從機(jī)械振動(dòng)方面對(duì)人體和車架的影響進(jìn)行分析入手，振動(dòng)的強(qiáng)度、頻率、方向和持續(xù)時(shí)間不同影響也不同［2］。對(duì)叉車的關(guān)鍵部件進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)以及分析優(yōu)化，在設(shè)計(jì)階段就要對(duì)叉車的關(guān)鍵部件進(jìn)行分析優(yōu)化，避免共振帶來的振動(dòng)問題。叉車車架作為關(guān)鍵部件之一，本文則對(duì)叉車的車架進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，分析和預(yù)測(cè)車架振動(dòng)情況，避免共振。

1 建 模

叉車車架主要采用邊梁式和箱式兩種結(jié)構(gòu)，車架主要是通過焊接形成［3］。本文叉車車架采用UG NX 進(jìn)行三維建模，如圖1 所示。

圖2 車架受力分析圖

圖1 叉車車架三維模型

2 車架基礎(chǔ)條件分析

在實(shí)際工作中叉車車架受力較為復(fù)雜，不同部位由于安裝的零部件不同受力也不同。如圖2 所示，受力分析過程如下［4］：

車架的前端兩塊連接板與驅(qū)動(dòng)橋連接，連接板上均設(shè)置有與驅(qū)動(dòng)橋螺紋連接的螺紋光孔，此部分將車輪和驅(qū)動(dòng)橋所給的力傳動(dòng)到車架上，如圖2 所示，兩塊連接板受外部力大小分別用N11和N12表示；

此外，在車架上還安裝有變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)，分別安裝在車架內(nèi)部的中間和中后部分，給車架的重力分別用G3和G4表示，方向向下；頂部主要承載著人和座椅的重量，給車架的重力用G5表示，方向向下；護(hù)頂架安裝在車架頂部，連接點(diǎn)為四個(gè)，給車架的重力用G11、G12、G13、G14表示，方向均向下。

車架前端處，即車架和門架傾斜油缸鉸接的支座處，此處承載著貨物及門架重量傳來的分力及部分慣性力，給車架的拉力用T11、T12表示。車架尾端處安裝著平衡重塊，叫做平衡重安裝區(qū)域。此處主要承受由平衡重作用于其上的力和安裝于其上的護(hù)頂架及駕駛員、駕駛座傳來的部分重力，此部分給車架的重力用G6表示，方向向下。車架尾端處，即轉(zhuǎn)向橋支撐座處，此處主要承載轉(zhuǎn)向橋負(fù)載作用和轉(zhuǎn)向輪作用于其上的摩擦力作用［5］。

對(duì)于整個(gè)車架所使用的材料，本次設(shè)計(jì)車架的各個(gè)部件擬采用的材料均為Q235-A，Q235-A 的性能指標(biāo)表1 所示。

表1 Q235-A 的性能指標(biāo)

3 車架模態(tài)分析

3.1 模型的前置處理

在ANSYS Workbench 中建立模態(tài)分析的關(guān)系圖，即進(jìn)入Mechanical 中即可建立modal 的分析，在模態(tài)分析結(jié)果創(chuàng)建前6 階模態(tài)分析。

3.2 模型的后處理

經(jīng)過求解分析，得到前6 階模態(tài)分析變形云圖如下圖2 所示，前6 階模態(tài)分析的固有頻率如表2 所示。

圖2 前6 階模態(tài)分析結(jié)果

表2 前6 階模態(tài)分析的固有頻率

叉車工作的振動(dòng)來源是發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)的工作頻率也不一樣。叉車所用的發(fā)動(dòng)機(jī)主要為柴油機(jī)，振動(dòng)相對(duì)較大，叉車用的發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在700～780 r/min，其發(fā)出的一階振動(dòng)頻率約為23～26 Hz，二階頻率約為46～52 Hz；叉車正常工作的時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般為2000 r/min 上下，所以對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)一階頻率約為66.7 Hz，二階干擾頻率約為133.4 Hz；叉車空載的時(shí)候能達(dá)到最大速度，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速約為2400 r/min，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率約為為160 Hz［2］。

從模態(tài)分析的結(jié)果可以看出叉車的車架的第1 階、第2 階、第3 階、第5 階和第6 階模態(tài)的固有頻率為29.272、54.793、57.918、75.729、87.495 Hz，都跟發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)與正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的激勵(lì)頻率沒有重疊，發(fā)生共振可能性小。叉車車架的第4 階固有頻率為70.58 Hz 與發(fā)動(dòng)機(jī)高速正常運(yùn)轉(zhuǎn)的激勵(lì)頻率相近66.7 Hz，應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。此外，叉車工作過程中的頻率可能來源還有行駛過程中地面給叉車傳遞的頻率，但均產(chǎn)生較低的頻率，約為4～6 Hz，均與叉車叉架固有頻率相差較大［2］?？傮w來說，叉車車架的其他階次的固有頻率均無重疊或者相近的，所以發(fā)生共振現(xiàn)象可能性小，總體來說車架的設(shè)計(jì)是安全合理的。

4 車架的諧響應(yīng)分析

在ANSYS Workbench 中建立車架諧響應(yīng)分析，創(chuàng)建與靜力結(jié)構(gòu)分析一致的約束，發(fā)動(dòng)機(jī)最大速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大輸出頻率為160 Hz，設(shè)置諧響應(yīng)分析中最小頻率0 Hz，最大頻率160 Hz，分160 步求解；在車架上安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的位置處施加激振力大小為500 N，方向?yàn)閅 方向；阻尼系數(shù) 設(shè)置為c=0.075 N·s·mm-1；最后在結(jié)果分析中添加總變形和諧響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)行求解得到諧響應(yīng)的結(jié)果如下圖3。

圖3 車架的諧響應(yīng)分析結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

從圖3 的車架諧響應(yīng)分析結(jié)果可知，車架出現(xiàn)峰值的位置頻率約為103 Hz 左右，這與車架的共振振動(dòng)頻率與內(nèi)燃機(jī)、叉車正常行駛的頻率錯(cuò)開，所以該叉車車架的設(shè)計(jì)是安全合理的。