基于ADAMS的叉车稳定性分析

2016-01-29陈璜严世榕

机械制造与自动化 2015年4期

关键词：叉车稳定性

陈璜，严世榕

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

基于ADAMS的叉车稳定性分析

陈璜，严世榕

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

摘要：以某型号平衡重式叉车为研究对象，运用ADAMS动力学仿真软件，建立了该叉车动力学模型，仿真叉车的3种特殊工况，研究其货叉载荷、货叉升降速度及路面倾斜角度对叉车稳定性的影响，得到了该款叉车纵向稳定性和横向稳定性的受力变化曲线以及叉车后轮的支撑力变化规律。研究方法和仿真结果可为平衡重式叉车的分析与改进提供参考。

关键词：叉车；动力学建模；稳定性；升降运动

Stability Analysis of Forklifts Based on ADAMS

CHEN Huang,YAN Shirong

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:ADAMS software is used to establish the dynamic model of a certain type counterbalance forklift. Three special conditions of the forklift are simuted, including the movement relationship, constraint and load, and influence of the load, fork lifting speed and road surface tilt Angle on its stability is analyzed, and then the stress curve of longitudinal and lateral stability is further researched on and the support change of the rear wheel is validated. The research methods and the simulation results can be used to provide reference for improvement of the forklift.

Keywords:forklift; dynamics modeling; stability; lifting movement

0引言

平衡重式叉车的工作过程可简述为由货叉的伸缩式门架系统控制载荷进行升降运动。叉车的门架、货叉、起升油缸和链条轮组集中位于前轴外的门架平面，这些装置的质量占工作装置总质量的绝大部分，因此在很大程度上影响叉车的稳定性和抵抗倾翻的能力。

目前，国内大多数研究都集中在叉车门架单独工作时的仿真以及门架系统的动力学分析上，并没有很好地结合路面倾斜角度和货叉升降运动对叉车性能进行研究[1，2]。因此，以某厂生产的CPCD30型平衡重式叉车为研究对象，建立叉车的ADAMS动力学仿真模型，通过模拟叉车的3种特殊工况，即水平路面加载工况、侧倾路面加载工况、前倾路面加载工况，来分析货叉升降运动和路面倾斜角度对叉车稳定性的影响，为叉车工作装置的设计提供参考[3]。

1叉车模型的建立

平衡重式叉车模型较为复杂，采用SolidWorks和ADAMS软件建立模型。在SolidWorks中建立各零件三维实体模型和整车装配体模型；将装配体模型导入ADAMS中[4]，定义车体和货叉的材料为结构钢，并添加各个零部件之间的约束和驱动。其中，车轮与车体之间为转动副，后轮为驱动轮；叉车升降机构与车体之间为移动副，驱动为直线电动机驱动，地面固定。检验约束情况，使冗余度为零后进行轮胎和地面的设置，选用UA轮胎模型和B级路面谱。轮胎模型运用物理模型，即通过对车轮结构和变形机理建立剪切力和回正力矩的函数模型[5]。所建立的叉车模型如图1所示。

图1　CPCD30型平衡重式叉车模型

2叉车稳定性分析

平衡重式叉车利用车体后部的平衡重块与货叉上的载荷进行纵向力矩平衡，故当货叉的载荷上升到一定程度时，前段载荷过重会导致后轮上抬[6]。CPCD30型平衡重式叉车主要参数指标如表1所示。现针对叉车在不同载荷、不同提升速度以及不同路面倾斜角度的情况，对叉车后轮与路面的接触力进行分析，进而分析叉车的纵向和横向稳定性。ADAMS软件计算接触力的内部模型是基于把刚体接触面看作局部极小的刚性变形，从而产生便于测量的接触力[7]，考虑货物放置不平衡，叉车存在偏载现象，故着重测量偏载一方的后轮支撑力。

表1　CPCD30型平衡重式叉车主要参数指标

2.1叉车静态纵向稳定性分析

当叉车货叉承载一定载荷并匀速上升至最高举升位置时，由于纵向倾翻力矩的作用，使得某一侧车轮承受的地面反作用合力逐渐为零[8]。为了研究叉车静态纵向稳定性，将叉车置于水平路面，使货叉以额定工作速度200 mm/s匀速上升，货物载荷变量分别取空载1 000 kg、1 500 kg、3 000 kg和3 500 kg进行阶梯试验，得到不同工作载荷下后车轮的支撑力变化曲线。由于主要不稳定因素集中于货物加载和货叉起升的初期，大约在0～250 mm之间，因此图中只显示了货叉行程为0～1 000 mm的后轮支撑力变化曲线，如图2所示。

图2　后轮支撑力随货叉上升的变化曲线

从图2中可以看出，当货物质量在较低范围内，货叉由自由提升高度匀速上升至最大提升高度时，叉车后轮受力随着货物质量增加而出现轻微振荡，但不至于出现纵向倾翻现象。特别指出，当货物质量在3 500 kg时，后轮支撑力随货叉上升的变化曲线出现较大波动。

2.2不同提升高度的稳定性分析

货叉在不同提升高度情况下的仿真过程为：将叉车静置于水平面，货叉空载位于自由提升高度，使载荷质量从0开始取值至载荷质量3 500 kg，分别记录载荷变化对叉车后轮受力变化的影响；然后依次将货叉固定置于1 500 mm和3 500 mm的提升高度位置，分别将载荷质量从0变化至载荷质量3500 kg，并对叉车后车轮受力进行测量，结果如表2所示。

表2　主要测量数据

将表2的主要测量数据导入ADAMS，经图形处理后，可得货叉在自由提升高度、中间位置和最高位置时，随载荷大小变化的后轮受力曲线，如图3所示。

图3　后轮受力随载荷大小的变化曲线

综合分析可以得出，在不同的提升高度下，后轮受力随载荷大小的变化趋势基本一致，但提升高度越高，后轮受力曲线的斜率越大，受力起伏变化越大，最终导致叉车提升工作中出现不稳定现象。

2.3 叉车侧倾作业的稳定性分析

叉车位于倾斜路面时，随着路面倾角增大，整车易发生横向倾翻，在此研究叉车侧倾时后轮支撑力的变化情况。在地面添加一个转动副，使地面可以绕着叉车侧向转动，以改变叉车侧倾角度，从而模拟叉车侧向倾斜工况，如图4所示。为避免加载过程中产生过大波动，在此设置货叉处于自由提升高度，加载的货物质量为1 500 kg。由ADAMS软件的力传感器可以测量出右后轮的支撑力随路面倾斜角度变化曲线，如图5所示。仿真结果表明，开始加载货物时，叉车支撑力振动幅度较大，当倾斜角约为25°时，右后轮支撑力近似为0，此时叉车后轮离开地面发生横向倾翻。

图4　叉车侧倾模型

图5　右后轮支撑力随路面倾角的变化曲线

2.4叉车前倾作业的稳定性分析

设置货叉位于自由提升高度，载荷为1 500 kg，路面前倾角度不断增加，模拟叉车载货下坡的工况，研究叉车前倾时后轮支撑力的变化情况，如图6所示。叉车载货作业时，整车重心更靠近叉车前轮，在下坡过程中容易出现失稳倾翻现象。随着作业坡度角的不断增加，叉车后轮受力出现明显的不稳定，最终后轮完全离开地面失稳倾翻。图7为后轮支撑力随路面倾角的变化曲线，可以看出在不考虑叉车发生车轮滑移和货物倾翻的情况下，叉车后轮的支撑力与叉车作业坡道倾角之间的曲线变化幅度较大，当倾斜角度为20°时，后轮支撑力近似为0。