平衡重式叉車穩(wěn)定性研究

摘要：本文根據(jù)特征矢量法對(duì)平衡重式叉車的橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性進(jìn)行了統(tǒng)一的研究，通過分析失穩(wěn)特征和失穩(wěn)時(shí)的各輪受力與變形，確定了失穩(wěn)坡度角與方位角、輪胎變形之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立了統(tǒng)一的失穩(wěn)坡度角，隨著方位角的變化的關(guān)系式和靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域圖，并通過實(shí)例作穩(wěn)定性分析。

關(guān)鍵詞：平衡重式叉車 靜態(tài)穩(wěn)定性 特征矢量法

1.前言

隨著專業(yè)化、多品種自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)和大型超市的紛紛建立，使得平衡重式叉車有了用武之地。由于平衡重式叉車在工作的過程中，具有轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性高、裝載高度低、適用于越野路面和窄巷道、以及運(yùn)輸成本低等特點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用。但由于平衡重式叉車前后車體相對(duì)獨(dú)立，其穩(wěn)定性不足，在工程作業(yè)的過程中，特別是在斜坡上，經(jīng)常發(fā)生翻車事故，所以穩(wěn)定性分析對(duì)于平衡重式叉車來說，是非常重要的設(shè)計(jì)步驟。

2.車輛穩(wěn)定性分析的常用手段

國外學(xué)者很早就開始對(duì)叉車的穩(wěn)定性進(jìn)行研究了，以便盡早的找出影響叉車穩(wěn)定性的因素。為了檢測叉車的穩(wěn)定性，許多國家研制了專門的傾翻平臺(tái)，并制定了相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)80年代開始對(duì)叉車的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，摸清了平衡重式叉車的失穩(wěn)機(jī)理，統(tǒng)一了認(rèn)識(shí)，提出了以失穩(wěn)坡度角來評(píng)價(jià)叉車穩(wěn)定性的好壞。一般對(duì)叉車的穩(wěn)定性分析從靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)三個(gè)角度進(jìn)行，本文只從靜態(tài)的角度對(duì)叉車的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

目前，對(duì)叉車的穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法主要有：力矩平衡法、翻轉(zhuǎn)角法、傾斜平臺(tái)實(shí)驗(yàn)法，但是這些方法都只針對(duì)平衡重式叉車在斜坡上某一特定的停機(jī)位置，無法得出叉車在任意停機(jī)位置時(shí)的失穩(wěn)坡度角。針對(duì)這種情況，我國學(xué)者研究出了采用特征矢量法分析平衡重式叉車的穩(wěn)定。當(dāng)叉車發(fā)生側(cè)翻時(shí)，重心和傾翻軸處在的平面恰好處于豎直狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的特征矢量處于水平狀態(tài)，在建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系后，根據(jù)特征矢量從初始狀態(tài)到水平狀態(tài)轉(zhuǎn)過的角度，就可知叉車的失穩(wěn)坡度角。

本文采用特征矢量法理論分析了某鉸接式叉車的穩(wěn)定性，并用傾斜平臺(tái)實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.叉車靜態(tài)穩(wěn)定性分析

首先對(duì)平衡重式叉車進(jìn)行簡單的布置，然后以后橋擺動(dòng)中心O為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)叉車的各項(xiàng)參數(shù)，可以計(jì)算出整車和整車除后橋外的重心位置，平衡重式叉車的重心位置會(huì)隨著轉(zhuǎn)向角的變化而改變。為研究其靜態(tài)穩(wěn)定性，固定該叉車的轉(zhuǎn)向角為右轉(zhuǎn)30。

無論是一級(jí)失穩(wěn)還是二級(jí)失穩(wěn)，都可以用失穩(wěn)坡度角來評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。為了描述車輛在斜坡上的不同停機(jī)位置，引人方位角度的概念，其正負(fù)取值規(guī)定如下：以銜接車輛后橋中心連線的右側(cè)為基準(zhǔn)，梯度線在其逆時(shí)針方向時(shí)，右側(cè)為正，反之則為負(fù)。

平衡重式叉車的穩(wěn)定性按失穩(wěn)方向分為縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性。對(duì)于橫向一級(jí)穩(wěn)定性，其傾翻軸為一空間斜軸，是通過一個(gè)前輪接地點(diǎn)與后橋擺動(dòng)中心相連的；至于橫向二級(jí)穩(wěn)定性，其傾翻軸是通過左（右）側(cè)兩車輪接地點(diǎn)與后橋擺動(dòng)中心相連的。叉車發(fā)生橫向一級(jí)失穩(wěn)時(shí)表現(xiàn)為，除后橋外的其他車體部分傾斜，直到擺動(dòng)橋上二個(gè)限位塊相碰為止。在這個(gè)過程中，后橋沒有發(fā)生側(cè)傾，決定本叉車穩(wěn)定性的是除后橋外的重心位置。根據(jù)穩(wěn)定性理論的研究，平衡重式叉車發(fā)生橫向一級(jí)失穩(wěn)后，極有可能繼續(xù)發(fā)生橫向二級(jí)失穩(wěn)，或者是向后的縱向失穩(wěn)。發(fā)生橫向二級(jí)失穩(wěn)時(shí)表現(xiàn)為，車輛作為一個(gè)整體，以二個(gè)車輪接地點(diǎn)為軸而發(fā)生側(cè)翻。在不同的方位角范圍內(nèi)，平衡重式叉車發(fā)生失穩(wěn)的形式不同，特征矢量也不同。存在著這樣的四個(gè)臨界方位角，當(dāng)坡度增加時(shí)，可使相鄰的二個(gè)特征矢量同時(shí)為水平矢量，此時(shí)平衡重式叉車同時(shí)產(chǎn)生橫向一級(jí)失穩(wěn)和縱向一級(jí)失穩(wěn)，包括向前和向右同時(shí)失穩(wěn)的方位角、向前和向左同時(shí)失穩(wěn)的方位角、向后和向右同時(shí)失穩(wěn)的方位角以及向后和向左同時(shí)失穩(wěn)的方位角。

在轉(zhuǎn)向角和方位角都已知的情況下，可以確定重心及傾翻軸的坐標(biāo)，計(jì)算出該狀態(tài)下的失穩(wěn)坡度角。以連接重心與傾翻軸的平面為特征面，其法向量為特征矢量，當(dāng)車輛恰好失穩(wěn)向右側(cè)翻時(shí)，法向量與其水平投影之間的夾角儀即為失穩(wěn)坡度角。

對(duì)于某個(gè)確定的轉(zhuǎn)向角，當(dāng)轉(zhuǎn)向角在0～1800范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，將該叉車的各項(xiàng)參數(shù)帶入相應(yīng)的關(guān)系式，可以得到靜態(tài)的一級(jí)穩(wěn)定區(qū)域圖。若平衡重式叉車，以方位角度停在坡度角為儀的斜坡上，則首先在相應(yīng)的坐標(biāo)之中描出點(diǎn)P，若點(diǎn)P在封閉曲線的內(nèi)部，則平衡重式叉車處于穩(wěn)定狀態(tài)；若點(diǎn)P在封閉曲線的外部，則平衡重式叉車處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。從相關(guān)的實(shí)踐之中可以看出，當(dāng)平衡重式叉車處于空載狀態(tài)時(shí)，它的縱向失穩(wěn)坡度角將大于橫向失穩(wěn)坡度角，從而可知叉車的縱向穩(wěn)定性比橫向穩(wěn)定性高；當(dāng)平衡重式叉車滿載時(shí)，由于它的重心前移，導(dǎo)致向前的失穩(wěn)坡度角大幅度減小，使得其穩(wěn)定性變差。

平衡重式叉車二級(jí)失穩(wěn)的機(jī)理與一級(jí)失穩(wěn)一樣，可以參考一級(jí)失穩(wěn)的方法，推導(dǎo)出二級(jí)失穩(wěn)坡度角與方位角的關(guān)系，得到靜態(tài)二級(jí)穩(wěn)定區(qū)域圖。在得到靜態(tài)二級(jí)穩(wěn)定區(qū)域圖時(shí)，在對(duì)各項(xiàng)參數(shù)值進(jìn)行確定之前需要注意，平衡重式叉車在發(fā)生二級(jí)失穩(wěn)時(shí)，向左、向右的橫向二級(jí)失穩(wěn)以及向后的縱向二級(jí)失穩(wěn)的車體傾翻方向不同，會(huì)導(dǎo)致重心位置不同，從而重心和傾翻軸處在平面也就不會(huì)相同，因此對(duì)于這些都需要分別計(jì)算。

特征矢量法的特點(diǎn)是能夠構(gòu)建方位角和失穩(wěn)坡度角之間的關(guān)系，在任意方位角和坡度角已知的情況下，都可以判斷平衡重式叉車是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合這一特點(diǎn)，利用傾斜平臺(tái)實(shí)驗(yàn)法對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

從00開始，以600為階躍，測量6個(gè)方位角的叉車失穩(wěn)坡度角，將得出的數(shù)據(jù)描繪在一級(jí)穩(wěn)定區(qū)域圖內(nèi)，可以與理論值進(jìn)行對(duì)比。

上述多個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本上是一致的，可知采用特征矢量法對(duì)平衡重式叉車進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果是非常可靠的。

4.結(jié)論

4.1.本文通過特征矢量法對(duì)某平衡重式叉車進(jìn)行了靜態(tài)穩(wěn)定性分析，并通過傾斜平臺(tái)實(shí)驗(yàn)法證實(shí)了該方法的有效性。

4.2.由靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域圖可知，平衡重式叉車的橫向穩(wěn)定性不如縱向穩(wěn)定性好；滿載時(shí)向前的縱向穩(wěn)定性不如向后的好。鑒于此，駕駛員在坡道作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量保持車尾朝向坡底。

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