叉車主體結(jié)構(gòu)模態(tài)與減振設(shè)計(jì)研究

林 琳

（合力工業(yè)車輛（盤錦）有限公司，遼寧 盤錦 124000）

叉車廣泛應(yīng)用于倉庫、港口等物流配送中心。然而，中國(guó)叉車的生產(chǎn)起步較晚，缺乏相關(guān)研究，這使得叉車技術(shù)一直處于低端市場(chǎng)。因此若想要拓展叉車的市場(chǎng)就要提高叉車的舒適性和性能，為此，本文對(duì)模態(tài)和基本結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行了專門的研究。

1 叉車的結(jié)構(gòu)

在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，無論是平衡重叉車還是倉儲(chǔ)叉車，其主要結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力裝置、起重工作裝置、叉車底盤（包括傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)）和電氣設(shè)備等。內(nèi)燃叉車按發(fā)動(dòng)機(jī)類型可分為柴油、汽油、液化氣、天然氣、氫動(dòng)力、混合動(dòng)力等類型。就能源而言，叉車可分為內(nèi)燃機(jī)叉車和電動(dòng)叉車兩大類。叉車是一種以貨叉為主要取件工具的裝卸車輛，依靠液壓升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)貨物的升降，利用驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)叉車行駛。

叉車裝置的功能部分主要由三部分組成：（1）各類升降系統(tǒng)（即門架）；（2）各種取物工具（即屬具）；（3）門架液壓管路系統(tǒng)。

叉車升降系統(tǒng)主要由門架、叉架、貨叉、擋塊架、起重油缸、傾斜油缸、起重鏈條、軟管滑輪組等組成。[1]

升降系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)是叉車液壓系統(tǒng)的重要組成部分。主要部件包括起升油缸、限速閥和切斷閥。要限制限速閥速度，必須先使門架下降速度達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)，閥芯移動(dòng)，限速閥開始動(dòng)作。如果門架空載下降，下降速度達(dá)不到限速閥，可設(shè)置流量，使空載下降速度與限速閥無關(guān)。如果關(guān)閥管破裂，限速閥就不能再控制門架的速度。

叉車底盤通常由電氣設(shè)備或液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源提供。在實(shí)際生產(chǎn)中，叉車要水平移動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)必須改變叉車的動(dòng)力，以便控制叉車的速度，并提供動(dòng)力改變扭矩，從而控制傳遞的扭矩量，用叉車改變運(yùn)動(dòng)方向，使其向前或向后行駛。轉(zhuǎn)向功能可調(diào)整叉車的行駛方向，叉車使用后輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)彎方便。它還可以原地旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)90 度或直線來回移動(dòng)。一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最重要的任務(wù)是利用其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來傳遞車輛輪胎與地面之間的摩擦力，以保障叉車的正常行駛。此外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能可以減少地面承載力的影響，減少叉車行駛時(shí)的垂直運(yùn)動(dòng)。叉車整體減振主要是通過車輪來實(shí)現(xiàn)的。通常，叉車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由車橋、車架、車輪和懸架組成，但不能改變車架和輪子的形狀，只能改變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)。[2]

2 叉車的振源

叉車的振源主要是通過行駛過程中的凹陷路面引起的振動(dòng)和自身發(fā)動(dòng)機(jī)的激振使車架產(chǎn)生共振，這種共振的作用就像一個(gè)隨機(jī)的激勵(lì)信號(hào)，取決于車速和轉(zhuǎn)速。不同轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)是不同的（叉車振動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示），振動(dòng)系統(tǒng)受路面、叉車速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。在物理學(xué)中，可用加速度、相對(duì)位移和力來表示，只有這三個(gè)因素都在一定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，才能保證操作者的舒適性和安全性。通常，道路激勵(lì)頻率范圍為1Hz～20Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)頻率范圍為25Hz～100Hz。

圖1 叉車振動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)圖

3 叉車的主體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

3.1 模態(tài)的參數(shù)辨識(shí)應(yīng)用

模態(tài)參數(shù)的使用和識(shí)別可以通過數(shù)學(xué)模型的開發(fā)來識(shí)別，數(shù)學(xué)模型的廣泛使用對(duì)于建模參數(shù)化和模塊化分析非常有用。首先，我們需要建立一個(gè)有效的數(shù)學(xué)模型，要盡可能真實(shí)、易懂和易于計(jì)算，這將極大地影響未來的模態(tài)分析，然后需要根據(jù)實(shí)際的情況計(jì)算視覺模型。這是因?yàn)槟Ｐ褪乾F(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，只有結(jié)合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，才能賦予模型現(xiàn)實(shí)意義，更好地利用數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，還有其他特殊的計(jì)算和方法，如振動(dòng)微分方程、導(dǎo)納圓辨識(shí)法、最小二乘迭代法等也可以應(yīng)用到計(jì)算的使用過程中。[3-4]

3.2 模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型后，下一步是執(zhí)行實(shí)際測(cè)試，這是驗(yàn)證初始工作的重要步驟。模態(tài)測(cè)試是完整的程序，需要完整的步驟協(xié)調(diào)它們的工作。首先，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)測(cè)試計(jì)劃，這是順利完成所有任務(wù)的前提。測(cè)試計(jì)劃包括應(yīng)用原則、工作程序和人員任命以安裝必要的部件、設(shè)備和路線。準(zhǔn)備工作完成后，根據(jù)前期準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃，進(jìn)一步組裝測(cè)試系統(tǒng)，這一步非常困難，可以獲得最佳的實(shí)驗(yàn)效果，更貼近實(shí)際工作情況。但這對(duì)精度的要求高，對(duì)涉及的組件和安裝人員的要求也非常高，這有助于實(shí)現(xiàn)理想的條件并進(jìn)一步確保測(cè)試的完整性。

3.3 車架模態(tài)測(cè)試

在叉車主結(jié)構(gòu)中，叉車車架占據(jù)主要部分，因此對(duì)叉車主設(shè)計(jì)的模態(tài)試驗(yàn)是必不可少的，叉車車架起著支撐和穩(wěn)定的作用。如果叉車沒有車架，它會(huì)像沒有軀干的人一樣散落在地上。因此，模態(tài)測(cè)試框架不可替代，模態(tài)框架測(cè)試根據(jù)實(shí)際情況恢復(fù)支撐狀態(tài)，為了保持穩(wěn)定性，整個(gè)框架的強(qiáng)度必須均勻，因此需要在各個(gè)方向來回測(cè)試整個(gè)框架。兩者都必須從左到右找到，這是獲得幀的完整頻率響應(yīng)的唯一方法。[5]然后可以做進(jìn)一步的工作并繼續(xù)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，除了車架，還有一些振動(dòng)頻率細(xì)節(jié)需要檢查。例如，擋泥板的后壁和下擺式有標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量程序，改進(jìn)測(cè)量技術(shù)，另外根據(jù)實(shí)際的要求測(cè)量每個(gè)關(guān)鍵部件的獨(dú)特特性，更好地分析和建議頻率、振動(dòng)數(shù)據(jù)即可，這是一種更合適的技術(shù)減振方法。通過測(cè)量結(jié)果，可以看出擋泥板和局部振動(dòng)非常清晰，因此可以在減振任務(wù)中關(guān)注它們，并提供有針對(duì)性的減振解決方案。

4 叉車主體結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)

4.1 主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化辦法

叉車的減振應(yīng)該從叉車車身開始，應(yīng)該有更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便根據(jù)上面定義的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析步驟和實(shí)際情況對(duì)叉車進(jìn)行專門的減震技術(shù)完善。本文中的減震技術(shù)在質(zhì)量等參數(shù)方面對(duì)叉車整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了有效的修改，提出了一種減震設(shè)計(jì)，從主體開始，同時(shí)保持其他特性的優(yōu)化和穩(wěn)定性（如表1）。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要驗(yàn)證改動(dòng)的效果能夠滿足目前的預(yù)期，并在做出適當(dāng)改動(dòng)后滿足初始減振需求，因此工作需要進(jìn)一步的測(cè)試。矩陣和系統(tǒng)質(zhì)量矩陣的評(píng)估以及聯(lián)合方程的計(jì)算將提高這些估計(jì)的準(zhǔn)確性，以更好地確定是否達(dá)到了預(yù)期的效果。[6]

表1 模型改進(jìn)前后固有頻率比較表

從以上模型模型分析的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，后壁和擋泥板的振動(dòng)頻率高于其他部分，影響了整車。據(jù)說這是為了改進(jìn)叉車后壁和擋泥板的減振技術(shù)，重點(diǎn)是阻尼。在實(shí)際測(cè)試過程中，左右方向剛度具有較大的增強(qiáng)作用。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，后壁和擋泥板的振動(dòng)不得引起任何共振。這樣，振動(dòng)破壞就會(huì)大大減少，可以消除一些自然波。因此，本試驗(yàn)方案在阻尼效果上具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠有效地抑制振動(dòng)。此外，還應(yīng)加強(qiáng)叉車主體結(jié)構(gòu)的減振，以進(jìn)一步驗(yàn)證減振效果的有效性。由于后壁和擋泥板是主要的阻尼因素，因此也可以測(cè)試這兩個(gè)部件的阻尼性能，并且可以通過加強(qiáng)筋來有效地保護(hù)卡車的主體結(jié)構(gòu)不受損壞。[7]

通過測(cè)試和分析，我們知道叉車系統(tǒng)振動(dòng)較強(qiáng)的原因：發(fā)動(dòng)機(jī)部件（包括減速齒輪）通過4 個(gè)支點(diǎn)連接到車架上。兩個(gè)后支點(diǎn)設(shè)計(jì)通過橡膠密封件形成后懸架結(jié)構(gòu)，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響。前兩個(gè)樞軸點(diǎn)通過后軸直接連接到車架，沒有前懸架。接縫處加裝防振密封件，形成前懸掛結(jié)構(gòu)。同時(shí)，后懸架結(jié)構(gòu)采用了復(fù)合盤狀組合彈簧方案，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)方法?，F(xiàn)場(chǎng)堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)和安裝方式設(shè)計(jì)如下：碟形彈簧根據(jù)材料表現(xiàn)出相同的性能，主要方面是易于材料采購。按材質(zhì)可分為彈簧鋼、不銹鋼、耐熱鋼等優(yōu)質(zhì)鋼材，均可加工成碟形彈簧，具有變形小、載荷大、減震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。[8]它可以作為單件使用，也可以與多個(gè)部件組合使用。前懸架由后兩個(gè)樞軸點(diǎn)組成，將發(fā)動(dòng)機(jī)部件（包括減速齒輪）連接到車架上用橡膠密封件，后橋與車架連接處的兩個(gè)樞軸點(diǎn)添加了碟形彈簧或螺旋彈簧?；蛘咴谠瓉淼幕A(chǔ)上加裝，我們改進(jìn)了碟形彈簧的懸掛后，重新安排了參數(shù)測(cè)試，人體直接感受測(cè)試，振動(dòng)大大改善，減少了振動(dòng)。此外，還應(yīng)加強(qiáng)叉車主體結(jié)構(gòu)的減振，以進(jìn)一步驗(yàn)證減振效果的有效性。由于后壁和擋泥板是主要的阻尼因素，因此也可以測(cè)試這兩個(gè)部件的阻尼性能，并且可以通過加強(qiáng)筋有效地保護(hù)卡車的主體結(jié)構(gòu)不受損壞。[9]

4.2 優(yōu)化后的振動(dòng)測(cè)試

叉車的減振不能通過優(yōu)化后的簡(jiǎn)單操作來實(shí)現(xiàn)，減少叉車振動(dòng)需要保持長(zhǎng)期的效果。因此，為了在此過程中優(yōu)化叉車，后面需要進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。這一步不能抹去之前的優(yōu)化工作，而且由于叉車的一些后圍板和擋泥板部分是特殊的減震部件，需要在之前的優(yōu)化工作基礎(chǔ)上進(jìn)行額外的檢查，所以實(shí)驗(yàn)原則是保持一個(gè)變量，除了后圍板和擋泥板外，零件必須與原始測(cè)試叉車相同，只有這樣才能獲得更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。事實(shí)上，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)了許多變化。首先，護(hù)頂架的振動(dòng)頻率降低，周圍部件的振動(dòng)頻率也顯著降低，證明了另一側(cè)的減振效果。此外，振動(dòng)頻率不匹配，共振效應(yīng)大大降低甚至消失，從操作員的角度來看，提高了效率?？傮w而言，叉車振動(dòng)的影響明顯，叉車的舒適性也發(fā)生了顯著變化。[10]

5 結(jié)語

綜上所述，可以說本文所研究的叉車減振的主要設(shè)計(jì)模式和減震設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。隨著叉車的不斷升級(jí)和叉車在人們?nèi)粘Ｉ钪械娜找嫫占埃锪鳛槿藗兲峁┝嗽絹碓蕉嗟谋憷?，減少了人力物力，但存在的振動(dòng)問題，又會(huì)使得叉車的平均壽命變短。根據(jù)本文描述的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已達(dá)到了初步的減振效果，證明了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值。減少叉車的振動(dòng)是非常有必要的，可有效提升作業(yè)效果和叉車相應(yīng)性能，助力叉車行業(yè)更上一層樓，為中國(guó)叉車行業(yè)淘汰低端市場(chǎng)鋪平道路，奠定了進(jìn)軍高端市場(chǎng)的基礎(chǔ)條件。