叉車減震墊檢測機構(gòu)動力學性能優(yōu)化的設(shè)計研究

石懷榮，胡 娟

（蚌埠學院機械與電子工程系，安徽蚌埠 233000）

叉車減震墊檢測機構(gòu)動力學性能優(yōu)化的設(shè)計研究

石懷榮，胡 娟

（蚌埠學院機械與電子工程系，安徽蚌埠 233000）

基于機構(gòu)工作目標和機構(gòu)動力學特性，采用優(yōu)化設(shè)計方法對機構(gòu)中構(gòu)件的質(zhì)量和形狀等進行優(yōu)化設(shè)計，建立了檢測機構(gòu)動力學、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及機構(gòu)工作性能的優(yōu)化計算模型，確定了機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)，為研制減震墊性能檢測裝置奠定了基礎(chǔ)。

檢測機構(gòu)；慣性力；機構(gòu)設(shè)計；減振

減震墊性能檢測機械裝置運動速度高、構(gòu)件多、運動復雜，是一個典型的多激勵、多響應動態(tài)系統(tǒng)。其在高速運動時產(chǎn)生較大的慣性力，對機架或其他部件形成激勵，導致強烈的振動和噪聲，影響機構(gòu)的穩(wěn)定性并降低減震墊性能檢測的精度。雖然多桿機構(gòu)在許多機械中被廣泛采用，但是不同的使用要求使得其構(gòu)件的結(jié)構(gòu)組成不完全相同。而且用兩套機構(gòu)組合而成的機構(gòu)構(gòu)件多，運動關(guān)系復雜，涉及的參數(shù)較多，憑經(jīng)驗不能設(shè)計出最優(yōu)的機構(gòu)。筆者從機構(gòu)功能與性能優(yōu)化設(shè)計的角度出發(fā)，基于降低機構(gòu)振動的目的，對機構(gòu)進行動力學分析，試驗表明，基于動力學性能優(yōu)化設(shè)計的機構(gòu)對于降低振動、改善其動態(tài)穩(wěn)定性具有良好的效果［3］。

1 減震墊性能檢測裝置的運動分析

減震墊性能檢測機械裝置的主動件是曲柄，由連桿驅(qū)動肘桿擺動，由此驅(qū)動壓桿帶動滑塊做往復直線運動。圖1所示為減震墊性能檢測機構(gòu)的運動簡圖，基于機構(gòu)振動力優(yōu)化平衡，由于慣性力表達式的復雜性，分析推導過程很容易出錯，特別是進行多桿機構(gòu)慣性力的計算，公式太繁雜。筆者通過機構(gòu)運動分析，采用復數(shù)矢量法建立機構(gòu)慣性力的參數(shù)方程。相對于直角坐標法、矢量法計算簡單，又有規(guī)律可循，不易出錯。

由圖1所示取機構(gòu)鉸接點O為坐標原點，各構(gòu)件質(zhì)心的運動方程見式（1）。

圖1 減震墊性能檢測的機構(gòu)運動簡圖Fig.1 Simple statement of mechanism kinematics of performance tests on shock pad

式中：Ri為矢量表示的各構(gòu)件以O(shè)為坐標原點的質(zhì)心運動方程；ri為各構(gòu)件以一運動副為端點其構(gòu)件質(zhì)心運動方程的矢量表示；Li為各構(gòu)件的矢量表示；φi為各構(gòu)件的Li與x軸正向的夾角。

2 機構(gòu)中各構(gòu)件的慣性力分析

3 基于減振目標優(yōu)化的機構(gòu)設(shè)計模型

叉車減震墊作為叉車中減低振動的一個主要部件，在機械減震過程中起到非常重要的作用。產(chǎn)品性能要求其在每秒3 000～4 500次受力零位移點在1.5mm時，動態(tài)剛度≤320N／mm。減震墊性能檢測機械裝置采用曲柄搖桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)組合而成的多桿機構(gòu)，曲柄搖桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)是許多機械中常用的傳遞運動和動力的機構(gòu)形式。其中滑塊機構(gòu)用來傳遞檢測減震墊所需要的力，而搖桿機構(gòu)則是用來加強整個機構(gòu)在工作時的穩(wěn)定性［2］。要對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計以減少其對整體的振動激勵，首先應確定合理的設(shè)計目標與設(shè)計變量［4］。

3.1 目標函數(shù)

機體的慣性力是機構(gòu)振動的主要激勵，故降低機構(gòu)激振力就成為首要問題，激振力的最大值和均方根值都是可選取的優(yōu)化目標。但是機構(gòu)的慣性力是隨時間作周期變化的，表征其能量大小，更有意義的指標是它們在一定時段內(nèi)的均方根值。由以上分析得出減震墊性能檢測機械裝置激振力的均方根值，其數(shù)學表達式為

由此降低激振力作為目標函數(shù)，如式（2）所示。

3.2 設(shè)計約束

減震墊性能檢測裝置優(yōu)化設(shè)計的約束條件包括邊界約束和性能約束，邊界約束主要是設(shè)計變量的邊界取值范圍約束，性能約束主要包括保證機構(gòu)工作的準確性，同時要求滿足機構(gòu)運動的協(xié)調(diào)性與機構(gòu)幾何的合理性、機構(gòu)的布置、傳動角的限制，避免可能存在的運動干涉及“死點”位置等，由于非獨立參數(shù)的計算會使機構(gòu)中的曲柄機構(gòu)自動成立，由此，約束條件不需考慮曲柄機構(gòu)成立的條件，可建立如式（6）的約束條件。

3.3 設(shè)計變量

筆者所進行的設(shè)計是以不改變機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和運動規(guī)律為前提，故理論上所有構(gòu)件的長度li、質(zhì)量mi和質(zhì)心位置ri，θi都可作為設(shè)計變量，但從機構(gòu)實際的制造和裝配角度出發(fā)，并考慮到構(gòu)件的具體形狀和工藝實現(xiàn)的可能性，最終確定的設(shè)計變量為

4 算例分析與模擬驗證

原始參數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗或類比的方法獲得，其中曲柄轉(zhuǎn)速n＝24×103r／min，這是檢測機構(gòu)工作時的常用轉(zhuǎn)速，也是評價其動態(tài)性能的標準轉(zhuǎn)速。由于經(jīng)驗不同，選取的優(yōu)化初始數(shù)據(jù)就不同，為了驗證優(yōu)化結(jié)果，在選取初始值數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，隨機產(chǎn)生10%范圍以內(nèi)波動的4組數(shù)據(jù)，分別對4組數(shù)據(jù)進行Mathcad優(yōu)化，然后將后4組優(yōu)化結(jié)果與第1組進行比較以驗證優(yōu)化后的魯棒性。

利用VB中的RND函數(shù)產(chǎn)生0.95～1.05范圍內(nèi)的隨機值，分別乘以初始計算參數(shù)，然后進行整型處理，可以得到5組參數(shù)不同的初始參數(shù)作為優(yōu)化的初始值。設(shè)計變量的初始值及上、下限和優(yōu)化后的最優(yōu)值見表1。

表1 設(shè)計變量初始值、約束域及優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Initial value of design variable，constrained domain and optimized result

由表1中參數(shù)可以看出最大優(yōu)化的波動范圍為1.37%，而其他數(shù)據(jù)均為0.97%。為驗證檢測機構(gòu)設(shè)計模型的可靠性，與蚌埠某叉車配件生產(chǎn)廠家合作，根據(jù)該叉車配件廠家和用戶要求，采用優(yōu)化計算結(jié)果的第3組（l1＝186mm，l5＝238.7mm，r1＝4.5mm，r5＝24mm，β＝176°）對檢測機構(gòu)進行設(shè)計。使其質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式參數(shù)在滿足強度等要求的前提下盡可能接近計算所得最優(yōu)變量。對采用最優(yōu)變量的模型進行功能試驗，對不同的轉(zhuǎn)速下機體多點x向的振動進行了測試，由測試數(shù)據(jù)可以看出，采用優(yōu)化設(shè)計后，機構(gòu)整體多點的振動響應在不同轉(zhuǎn)速下均有顯著降低。其中，在n＝24×103r／min的評價轉(zhuǎn)速下，機構(gòu)整體多點的位移響應峰值為216μm，低于預期值，減振效果較為理想。

5 結(jié) 語

為降低機構(gòu)激振力，以其慣性力的均方根作為設(shè)計目標函數(shù)，通過機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計來減少叉車減震墊對機座的激勵?；跈C構(gòu)工作性能要求和叉車減震墊檢測的運動學特性，建立了檢測機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計模型，并進行具體的算例分析，為自主研制新型、高效、節(jié)能的減震墊檢測裝置奠定了理論基礎(chǔ)。減震墊檢測裝置優(yōu)化試驗模型應用于生產(chǎn)廠家，取得良好效果，驗證了模型的正確性與可靠性。

［1］ 朱成實，吳 瓊，吳敬東.用 Mathcad對注射機增力機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計（Journal of Machine Design），2002，22（1）：56-58.

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［6］ 孫 恒，陳作模.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［7］ 濮良貴.機械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2007.

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Optimization design of dynamic performance of forklift shock pad feeler mechanism

SHI Huai-rong，HU Juan
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Bengbu College，Bengbu Anhui 233000，China）

In view of the working effect expectation and the dynamic performance of the feeler mechanism，optimization design of the qualities and forms of members in mechanisms is implemented to reduce inertial force.Optimal computational model is designed and optimization design goal function is determined.

feeler mechanism；inertial force；mechanism design；vibration attenuation

TH122

A

1008-1542（2011）04-0326-04

2011-02-25；

2011-04-25；責任編輯:馮 民

安徽省科技廳2010年度長三角科技聯(lián)合攻關(guān)項目（10140702025）；安徽省教育廳自然科學研究項目（KJ2011Z241）

石懷榮（1956-），女，安徽蚌埠人，副教授，主要從事現(xiàn)代機械設(shè)計方法、人工智能算法方面的教學與研究。