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(lái)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(guò)程中不太滿意[1]。欲解決這些問(wèn)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(lái)的振動(dòng)問(wèn)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。
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(guò)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
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(guò)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(lái)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(lái)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)
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。
經(jīng)過(guò)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(lái)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(méi)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(guò)程中的頻率可能來(lái)源還有行駛過(guò)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]。總體來(lái)說(shuō),叉車車架的其他階次的固有頻率均無(wú)重疊或者相近的,所以發(fā)生共振現(xiàn)象可能性小,總體來(lái)說(shuō)車架的設(shè)計(jì)是安全合理的。
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
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(kāi),所以該叉車車架的設(shè)計(jì)是安全合理的。