基于CAD技術(shù)的轉(zhuǎn)運(yùn)叉車前燈振動(dòng)抑制研究

范乃吉++蘇春洲++熊遷++高東

摘 要：該文針對(duì)具有某種實(shí)際用途的叉車在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的前車燈振動(dòng)問題，提出了一種基于計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的抑制方法。該文首先利用三維建模軟件Pro/E對(duì)車燈進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后利用該軟件自身的有限元分析模塊Pro/MECHANICA對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出其固有頻率，其次對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析，確定優(yōu)化目標(biāo)，再次對(duì)該優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行反向求解結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明，減振效果顯著，并已投入實(shí)際生產(chǎn)中，可以推廣至類似工程問題中。

關(guān)鍵詞：車燈 振動(dòng)抑制 CAD 模擬仿真

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（c）-0023-03

轉(zhuǎn)運(yùn)叉車由于具有裝卸與搬運(yùn)功能，能適應(yīng)多變的裝卸搬運(yùn)要求，機(jī)動(dòng)靈活，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)一種產(chǎn)量最多的裝卸搬運(yùn)機(jī)械。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大量投入，從重工業(yè)發(fā)展到輕工業(yè)，甚至人們?nèi)粘Ｉ钤絹?lái)越離不開叉車。但轉(zhuǎn)運(yùn)叉車在工作過程中，前車燈由于會(huì)受到各種各樣因素的影響而產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)往往會(huì)干擾人眼正常生理功能的發(fā)揮，使視覺模糊，嚴(yán)重影響人眼識(shí)別工件位置及路面狀況的正確性和靈敏度，甚至影響人體的健康。因此，必須對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)叉車前燈的振動(dòng)進(jìn)行有效的控制。該文便是針對(duì)具有某種實(shí)際用途的轉(zhuǎn)運(yùn)叉車在工作過程中產(chǎn)生的前車燈振動(dòng)問題，提出一中基于CAD輔助設(shè)計(jì)與實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的解決方法。

通過大量文獻(xiàn)資料的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)解決此類車燈振動(dòng)問題的方法一般有兩種：第一種方法為降低振動(dòng)激勵(lì)，第二種方法為避免發(fā)生共振。為了實(shí)現(xiàn)第一種方法我們可以采用下列措施：（1）減小車燈總成的激勵(lì)，這種方法的實(shí)現(xiàn)代價(jià)高昂，且不易實(shí)現(xiàn)；（2）增加適當(dāng)?shù)臏p震元器件或者減震系統(tǒng)，這種方法的技術(shù)含量高但花費(fèi)不多，不易實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)第二種方法我們可以采用下列措施：（1）改變激勵(lì)頻率，以達(dá)到避免共振的目的，但是這種方法的實(shí)現(xiàn)是以犧牲車輛整體性能為前提的，因此不宜采納；（2）改變車燈系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而改變自身的固有頻率，以達(dá)到避免共振的目的，此方法花費(fèi)成本較低，且易于設(shè)計(jì)加工改造。通過以上不同方法、措施的分析比較，最終我們采用改變前燈總成的固有頻率來(lái)解決該振動(dòng)問題。

1 改進(jìn)前測(cè)試

為了確定車燈的真實(shí)振動(dòng)情況，我們首先對(duì)車燈總成進(jìn)行了加速度振動(dòng)測(cè)試。

1.1 測(cè)試檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

經(jīng)分析，轉(zhuǎn)運(yùn)叉車的發(fā)動(dòng)機(jī)為總體的振動(dòng)源頭，通過一系列的振動(dòng)傳遞，最終傳遞至車燈總成處，但是在車燈系統(tǒng)中，我們不妨將護(hù)頂架作為振動(dòng)源頭，進(jìn)行分析。具體加速度傳感器的安裝位置如圖1所示。

1.2 測(cè)試結(jié)果分析

通過加速度傳感器對(duì)其振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，并以這些振動(dòng)加速度的有效值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由上圖我們不難看出，車架的振動(dòng)加速度遠(yuǎn)小于較小車燈的振動(dòng)加速度，因此我們斷定車燈應(yīng)為優(yōu)化改造的主要單元。與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)車燈在960 rpm附近時(shí)的振動(dòng)達(dá)到峰值，為左右方向振動(dòng)，加速度達(dá)到，而雙杠四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)做功頻率可根據(jù)計(jì)算得出，因此車燈振動(dòng)最強(qiáng)頻率為32 Hz。

2 三維實(shí)體模型的建立

利用Pro/E軟件的三維實(shí)體建模功能，對(duì)車燈系統(tǒng)的各個(gè)零部件進(jìn)行建模，其三維模型如圖3所示，邊界條件是支架外表面固支。

其中車燈各個(gè)零部件的材料和力學(xué)性能見表1所示。

3 分析與優(yōu)化

利用Pro/E軟件自身的有限元分析模塊Pro/MECHANICA對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。

3.1 模態(tài)分析

通過文獻(xiàn)調(diào)研，我們知道在模態(tài)分析中，其前四階模態(tài)的分析是解決此類問題的關(guān)鍵，因此，其固有頻率及振型見表2所示。

通過對(duì)上表的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)其二階頻率為32.25 Hz，這一頻率與車燈振動(dòng)最為劇烈時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)做功頻率（32 Hz）最為接近，且振型相同，因此我們可以確定車燈發(fā)生了共振，且共振頻率為32 Hz。

3.2 敏感度分析

為避免上述共振情況的發(fā)生，我們需要對(duì)車燈總成的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。為提高設(shè)計(jì)效率，我們需要對(duì)車燈總成的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模態(tài)敏感度分析。

考慮到加工工藝可行性等因素，選用支架的長(zhǎng)度、高度、厚度（如圖4所示）以及后燈罩的長(zhǎng)度、寬度、高度、厚度（如圖5所示）為設(shè)計(jì)參數(shù)分別進(jìn)行全局敏感度分析。通過大量的模擬分析數(shù)據(jù)，我們得到了這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)模態(tài)的敏感度曲線。對(duì)這些曲線進(jìn)行綜合分析之后，我們認(rèn)為燈罩厚度對(duì)該系統(tǒng)的敏感性較強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)的二階頻率影響較大，而其他參數(shù)影響較小，該結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感度曲線如圖6所示。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上述敏感度分析，我們確定了燈罩的厚度作為我們的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過上述分析，我們知道發(fā)生共振的頻率為32 Hz，所以我們可以提高亦或是降低系統(tǒng)的固有頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制振動(dòng)的目的。但是激勵(lì)源頭處的發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為700～1200 rpm，對(duì)應(yīng)的頻率為23.3-40 Hz。所以，如果降低系統(tǒng)的固有頻率，就有可能會(huì)使車燈總成在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振。因此，我們只有將系統(tǒng)的固有頻率盡量提高，才能使得共振現(xiàn)象消失，考慮到可能出現(xiàn)的誤差，我們將優(yōu)化目標(biāo)定為50 Hz及以上。

經(jīng)有限元軟件的單目標(biāo)優(yōu)化分析，最終得到設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)值為5.02 mm。考慮到加工的可行性等因素，最終，我們決定采用5 mm厚的燈罩結(jié)構(gòu)來(lái)避免車燈系統(tǒng)共振現(xiàn)象的發(fā)生。

4 改進(jìn)后驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果，我們對(duì)新型車燈及舊型車燈進(jìn)行振動(dòng)比較測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)及傳感器安裝位置與初步測(cè)試一致。新燈與舊燈測(cè)試比較結(jié)果如圖7所示。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于700～1180 rpm和1450～1800 rpm范圍內(nèi)，新燈振動(dòng)幅值均在以下；1180～1450 rpm范圍內(nèi)左右方向振動(dòng)在以上，并且在1300 rpm附近出現(xiàn)峰值，最大值為37m/S2，前后和上下方向的振動(dòng)幅值均在以下。說明新燈振動(dòng)劇烈區(qū)域已經(jīng)偏移至1300 rpm附近，與理論值1500 rpm存在一定誤差。造成誤差有以下兩個(gè)原因：一是仿真計(jì)算的誤差，二是測(cè)試環(huán)境的影響。雖然與理論值存在誤差，但實(shí)際結(jié)果表明已經(jīng)達(dá)到減振目的。endprint

5 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)具有某種實(shí)際用途的叉車在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的前車燈振動(dòng)問題，提出了一種基于計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的抑制方法。該文首先利用三維建模軟件Pro/E對(duì)車燈進(jìn)行三維實(shí)體建模，利用該軟件自身的有限元分析模塊Pro/MECHANICA對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算出其固有頻率，其次對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析，確定優(yōu)化目標(biāo)，再次對(duì)該優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行反向求解結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明，減振效果顯著，并已投入實(shí)際生產(chǎn)中，可以推廣用至類似工程問題中。

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