叉車轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)改進設(shè)計研究

楊豐先

摘要：叉車是一種常見的轉(zhuǎn)運車輛，主要用于成件托盤貨物的裝卸或貨物的短距離轉(zhuǎn)運等場景，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中具有十分廣泛的應(yīng)用。液壓缸轉(zhuǎn)向橋是叉車上用于轉(zhuǎn)向功能的重要結(jié)構(gòu)，其可靠性與壽命直接影響到叉車的整體性能。本文介紹了叉車轉(zhuǎn)向橋的結(jié)構(gòu)與工作原理，分析了轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿的受力，通過建立數(shù)學(xué)模型研究了叉車轉(zhuǎn)向橋機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

Abstract： Forklift is a common handling equipment， mainly used for the loading and unloading of pieces of pallet goods or short distance transport of goods and other scenarios， in the field of modern industry has a very wide range of applications. Hydraulic cylinder steering bridge is an important structure for steering function in forklift truck. Its reliability and service life directly affect the overall performance of forklift truck. This paper introduces the structure and working principle of forklift steering bridge， analyzes the force of steering hydraulic cylinder piston rod， and studies the optimal design of forklift steering bridge mechanism by establishing mathematical model.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向橋;可靠性;叉車;轉(zhuǎn)向液壓缸

Key words： steering bridge;reliability;forklift truck;steering hydraulic cylinder

中圖分類號：U442.5+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0029-02

0? 引言

叉車常用于工廠倉庫的貨物轉(zhuǎn)運或快遞業(yè)的快遞場內(nèi)轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)向頻率十分高，因此轉(zhuǎn)向機構(gòu)是叉車中的重要功能結(jié)構(gòu)。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以降低叉車轉(zhuǎn)向時輪胎的磨損量，提高轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)的可靠性與壽命。叉車轉(zhuǎn)向機構(gòu)在使用過程中常見的失效形式常見于轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂或轉(zhuǎn)向液壓缸接頭滲漏等，嚴(yán)重影響了叉車的性能與安全。因此，實施叉車轉(zhuǎn)向橋機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，具有十分重要的現(xiàn)實價值。

1? 叉車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)概述

1.1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向流程

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，叉車轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要有八字式、交叉式以及雙曲柄滑塊式等形式，本文選取雙曲柄滑塊式的橫置液壓缸轉(zhuǎn)向橋為研究對象，進行結(jié)構(gòu)與受力分析。

橫置液壓缸式轉(zhuǎn)向橋的結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、連桿、轉(zhuǎn)向橋體以及轉(zhuǎn)向輪等。叉車轉(zhuǎn)向時主要動作流程為：轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿往復(fù)運動→連桿運動→轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動→轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動→轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)角的控制是通過控制液壓缸活塞缸運動行程來實現(xiàn)的。

1.2 叉車轉(zhuǎn)向特性分析

若叉車在轉(zhuǎn)向時前后轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角一致，會造成前后轉(zhuǎn)向橋車輪瞬間轉(zhuǎn)向中心不同，進而會導(dǎo)致叉車發(fā)生側(cè)滑，導(dǎo)致叉車輪胎磨損量顯著增大的同時還會造成轉(zhuǎn)向困難。因此，為了讓叉車在使用過程中平滑轉(zhuǎn)向，應(yīng)保證前后輪圍繞同一個瞬時轉(zhuǎn)動中心運動。

叉車轉(zhuǎn)動內(nèi)外轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖如圖1所示，轉(zhuǎn)向時O點為叉車前后輪共同的瞬時轉(zhuǎn)動中心，由阿克曼原理可得叉車前外輪與內(nèi)輪的轉(zhuǎn)角符合如下公式（1）：

其中，α代表外輪轉(zhuǎn)角;β代表內(nèi)輪轉(zhuǎn)角;L4代表兩個主銷中心之間的距離;L6代表軸距。

1.3 叉車轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿受力分析

轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿受力如圖2所示，叉車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿產(chǎn)生的推拉力需要大于車輪轉(zhuǎn)向所產(chǎn)生的阻力矩?？蛰d情況下叉車原地轉(zhuǎn)向時的阻力矩較大，參照劉海賓與龐建中以及朱先民與宋健等人關(guān)于車輛轉(zhuǎn)向阻力矩的研究，得到叉車單側(cè)車輪轉(zhuǎn)向阻力矩滿足如下公式（2）：

其中，M代表單側(cè)車輪阻力矩;G代表單側(cè)車輪負載;f=0.025代表車輪與地面的摩擦系數(shù);e代表車輪觸地中心到主銷之間的距離;η=0.8代表傳動效率;μ=0.6～0.7代表滑動摩擦系數(shù);R代表車輪的靜力半徑。

叉車轉(zhuǎn)向過程中，在液壓缸活塞桿推拉作用下，連桿1克服轉(zhuǎn)向阻力矩大小為F1，連桿2克服轉(zhuǎn)向阻力矩大小為F2。液壓缸活塞桿產(chǎn)生的推拉力Fa1和Fa2可由如下公式（3）和公式（4）得到：

其中，b1代表推力臂，b2代表拉力臂;？茲1代表活塞桿與連桿1之間的角度，？茲2代表活塞桿與連桿2之間的角度。

2? 叉車轉(zhuǎn)向橋改進設(shè)計分析

在不背離阿克曼理論的基礎(chǔ)上，選擇以轉(zhuǎn)角誤差為約束條件，建立數(shù)學(xué)模型用來分析如何通過轉(zhuǎn)向橋設(shè)計優(yōu)化來減小叉車轉(zhuǎn)向時液壓缸的推拉力。

2.1 確定設(shè)計變量

叉車轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

其中，L1代表轉(zhuǎn)向臂長，L2代表連桿長度，L3代表活塞桿長度，L5代表液壓缸偏心距。設(shè)改進設(shè)計前叉車車輪軸距為L6，主銷中心距為L4。進行轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進時，必須保證運動過程中零部件不會出現(xiàn)干涉。

2.2 推導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)

由叉車轉(zhuǎn)向時液壓缸受力分析可知，轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)參數(shù)與車輪轉(zhuǎn)向阻力矩決定了液壓缸推拉力大小。叉車轉(zhuǎn)向時阻力矩基本保持不變，但隨著連桿與液壓缸活塞桿夾角的改變，轉(zhuǎn)向橋拉力臂與推力臂長度改變，因此叉車轉(zhuǎn)向時液壓缸推拉力是一個動態(tài)值。假定將叉車轉(zhuǎn)向過程分為100段，F(xiàn)i為轉(zhuǎn)向液壓缸在100段過程中推拉力的和，F(xiàn)i可由如下公式（5）得到：

通過優(yōu)化叉車轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)設(shè)計，可求得各結(jié)構(gòu)叉車轉(zhuǎn)向液壓缸推拉力最大值Fi，由此得到轉(zhuǎn)向液壓缸推拉力目標(biāo)函數(shù)（6）：

2.3 約束條件

叉車轉(zhuǎn)向橋的結(jié)構(gòu)形式、變量尺寸約束以及是否存在死點等因素都會影響到轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)角誤差，國內(nèi)叉車產(chǎn)業(yè)中一些學(xué)者在設(shè)計叉車轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)時得到如下關(guān)于轉(zhuǎn)角誤差的結(jié)論：

①農(nóng)琪，謝業(yè)東通過MATLAB建模認為，良好轉(zhuǎn)向機構(gòu)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)角誤差控制在1°～2°范圍內(nèi)，較小的轉(zhuǎn)角誤差能夠降低輪胎的磨損。②張德躍，韓繼峰提出分析叉車轉(zhuǎn)角誤差時通常采取設(shè)定外轉(zhuǎn)角值，分析叉車內(nèi)轉(zhuǎn)角和理論轉(zhuǎn)角誤差大小的方法，需要保證叉車內(nèi)轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角誤差小于5°。

綜合農(nóng)琪與謝業(yè)東、張德躍與韓繼峰等人的研究，認為叉車外輪轉(zhuǎn)角誤差控制在不超過2°的范圍內(nèi)為宜，因此確定轉(zhuǎn)角誤差約束條件如下公式（7）所示：

其中，α1表示叉車外輪轉(zhuǎn)角α的理論值，α2表示叉車外輪轉(zhuǎn)角α的計算值。

3? 結(jié)論

綜上所述，本文通過分析叉車轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力，確定了叉車轉(zhuǎn)向橋改進設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)與約束條件，分析了叉車轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)改進設(shè)計的過程。在驗證轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)改進設(shè)計的效果時，可以結(jié)合MATLAB仿真來對比改進后轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向性能的變化以及轉(zhuǎn)向時的能耗情況。

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