平衡重式叉車穩(wěn)定性研究方法分析及應(yīng)用

尹凌鵬 徐峰 葉劍剛 王玉龍 趙明 毛小玲

1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國·浙江 衢州 324000

2.衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心，中國·浙江 衢州 324000

1 引言

隨著中國制造業(yè)的不斷發(fā)展，中國叉車的銷售量及使用量一直持續(xù)占據(jù)世界第一。而其中平衡重式叉車產(chǎn)量更是占了叉車總產(chǎn)量的一半以上。目前叉車廣泛應(yīng)用于工廠、碼頭、車站、貨倉等各大行業(yè)之中，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，相對應(yīng)的工作環(huán)境也越來越復(fù)雜，但其操作存在不規(guī)范的現(xiàn)象，因此叉車的安全性能顯得越來越重要，有待進(jìn)一步提高。由此可見，對叉車整體穩(wěn)定性、安全性的研究具有重要意義。

2 叉車目前存在隱患

自1958年中國誕生第一臺內(nèi)燃叉車以來，叉車就得到迅速推廣，大大提高了貨物流通的效率。叉車按照動(dòng)力來源通?？梢苑譃槎箢悾簝?nèi)燃叉車、電動(dòng)叉車。根據(jù)叉車結(jié)構(gòu)的不同，又可以分為平衡重式叉車、前移式叉車、托盤堆垛車、側(cè)面叉車等。近年來，叉車在中國的銷售量都呈增長趨勢。雖然近年來中美一直持續(xù)的貿(mào)易戰(zhàn)對中國經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了一定的影響，但是就叉車行業(yè)來看，形勢持續(xù)向好。根據(jù)中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會公布的2019年的銷售數(shù)據(jù)，中國叉車的全年總銷售量高達(dá)608341 臺，繼續(xù)保持全球第一叉車生產(chǎn)大國和銷售大國的地位。由此可見，中國是一個(gè)叉車使用大國。叉車已經(jīng)逐漸成為中國加工類各行業(yè)不可或缺的搬運(yùn)工具[1-2]。但叉車在使用過程中事故頻發(fā)，由于叉車自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，貨叉抬升貨物時(shí)整車的質(zhì)心隨之變化。絕大部分叉車事故都表現(xiàn)為叉車搬運(yùn)貨物過程中的傾翻，由此造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

平衡重式叉車是以叉車裝設(shè)平衡重的方式來平衡貨物重力，從而保持叉車的縱向重量平衡。平衡重式叉車事故頻發(fā)的直接誘因就是貨叉起升及搬運(yùn)貨物過程中貨物重心的變化，所以對于叉車工作過程中貨物重量數(shù)據(jù)的采集研究變得重要，通過研究貨物重量數(shù)據(jù)及重心變化確定叉車工作狀態(tài)及安全系數(shù)成為一個(gè)課題（如圖1所示）。

圖1 平衡重式叉車模型圖

3 技術(shù)解決方案

平衡重式叉車穩(wěn)定性分析主要分為靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，其中以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的分析為主。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析又分為側(cè)向傾翻、前向傾翻和其他因素，這其中以側(cè)向傾翻分析為主。即課題主要以平衡重式叉車的動(dòng)態(tài)側(cè)向穩(wěn)定性為主要分析對象、建立模型、得出結(jié)論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制策略、最終實(shí)現(xiàn)平衡重式叉車整體安全性與可靠性的提高。主要分為幾個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目擬采用的系統(tǒng)仿真優(yōu)化方案

①建立叉車三維模型，同時(shí)量化影響叉車穩(wěn)定性的各類參數(shù)，構(gòu)建叉車工作過程穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型。其中叉車側(cè)翻因素包括：重心位置、車輛行駛速度、制動(dòng)力、轉(zhuǎn)彎半徑、地面摩擦力、地面傾角等。

②將叉車行進(jìn)過程中的各因素導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型，各因素主要包括可量化參數(shù)，主要有：重心位置、車輛行駛速度、制動(dòng)力、轉(zhuǎn)彎半徑、地面摩擦力、底盤作用力、地面傾角等。通過構(gòu)建多傳感信號數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合MATLAB、ADAMS、Modelica等軟件建立叉車穩(wěn)定性靜態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真分析和半實(shí)物仿真分析，分析平衡重式叉車靜態(tài)及動(dòng)態(tài)過程特性，分析在重載狀態(tài)下的叉車傾翻極限，查找出相關(guān)參數(shù)，并得出影響叉車穩(wěn)定性的主要因素。

③解決方案。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略改善等方法建立實(shí)物模型，改裝叉車。再次測試工作過程中的各類參數(shù)，循環(huán)優(yōu)化，直至達(dá)到最優(yōu)化控制調(diào)制參數(shù)。

叉車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)解決方案驗(yàn)證和半實(shí)物仿真需要考慮多方面參數(shù)。傳統(tǒng)的建模仿真設(shè)計(jì)只能建立單一領(lǐng)域的子系統(tǒng)模型，對單一系統(tǒng)進(jìn)行充分分析，之后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證及修正。但是這種評價(jià)方法不能對機(jī)械系統(tǒng)完成全面的評價(jià)，難以精確估算，同時(shí)達(dá)不到對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證效果，所以無法得出一個(gè)科學(xué)合理的結(jié)論。而利用軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)中的多領(lǐng)域建模和仿真，對于同一系統(tǒng)下不同領(lǐng)域如機(jī)械、液壓、控制等實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模和互相耦合處理，這使得設(shè)計(jì)者能夠更加關(guān)注模型原理，對提高半物理仿真的系統(tǒng)性和科學(xué)性有較大的幫助，對模型的健壯性有顯著提高，能夠更加科學(xué)、合理地評價(jià)系統(tǒng)。所以本項(xiàng)目試用Modelica建模，優(yōu)化解決策略，提高叉車穩(wěn)定性（如圖3所示）。

圖3 系統(tǒng)解決方案

④總結(jié)歸納。針對影響叉車傾翻的主要參數(shù)，提出解決方案。主要從兩個(gè)方面著手解決：一為通過控制策略。結(jié)合叉車現(xiàn)有系統(tǒng)，植入控制系統(tǒng)。運(yùn)用控制器及叉車現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，對叉車行進(jìn)速度及工作狀態(tài)極限進(jìn)行控制，當(dāng)超過極限值時(shí)，通過發(fā)出警告或強(qiáng)制限速等方式保證叉車穩(wěn)定，并通過半物理仿真驗(yàn)證其可行性；二為通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過改裝叉車現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，對叉車整體底盤結(jié)構(gòu)或相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提高其整體穩(wěn)定性和安全性。最后對其進(jìn)行仿真試驗(yàn)和實(shí)際測試。得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，歸納各類最優(yōu)化參數(shù)，并得出結(jié)論。

4 載重量參數(shù)采集

平衡重式叉車的穩(wěn)定性控制至今為止也沒有找到可靠的方法或技術(shù)，論文主要通過采集叉車工作過程中的貨叉變形參數(shù)來掌握貨物重量的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

false 試驗(yàn)選用的元件包括供電電源、按鍵控件、壓力傳感器、LED 液晶顯示屏、藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)串口交互、單片機(jī)。單片機(jī)作為系統(tǒng)CPU 處于核心位置，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理及運(yùn)算(如圖4所示）。

圖4 數(shù)據(jù)采集方案

通過模型試驗(yàn)，整體效果良好，能夠?qū)⒇浳镏亓繀?shù)通過6 組數(shù)據(jù)上傳至LED 顯示，達(dá)到對貨物參數(shù)實(shí)時(shí)采集的目的。根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)離線以及在線顯示壓力數(shù)據(jù)，從而更好的分析車輛的運(yùn)行過程與情況，有利于進(jìn)一步開發(fā)及研究[3-5](如圖5所示）。

圖5 數(shù)據(jù)采集

5 結(jié)語

平衡重式叉車由于轉(zhuǎn)向軸和車架的特殊性，導(dǎo)致車輛運(yùn)動(dòng)過程中重心變化較大，導(dǎo)致車輛穩(wěn)定性較差。論文在叉車穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)之上，提出了叉車穩(wěn)定性優(yōu)化策略，提出了分析叉車穩(wěn)定性的一些研究方法，并開展了叉車工作過程數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，效果良好。為進(jìn)一步研究車輛重心動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法做好了技術(shù)準(zhǔn)備。通過實(shí)時(shí)分析車輛重心位置，估計(jì)車輛傾翻概率，對叉車最大負(fù)荷、車輛最大轉(zhuǎn)角、行駛速度等主要參數(shù)進(jìn)行限制，更為有效地降低平衡重式叉車傾覆事故發(fā)生概率。