平衡重式叉車穩定性研究

摘要：本文根據特征矢量法對平衡重式叉車的橫向穩定性和縱向穩定性進行了統一的研究，通過分析失穩特征和失穩時的各輪受力與變形，確定了失穩坡度角與方位角、輪胎變形之間的關系，在此基礎上建立了統一的失穩坡度角，隨著方位角的變化的關系式和靜態穩定區域圖，并通過實例作穩定性分析。

關鍵詞：平衡重式叉車 靜態穩定性 特征矢量法

1.前言

隨著專業化、多品種自動倉儲系統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，具有轉向機動性高、裝載高度低、適用于越野路面和窄巷道、以及運輸成本低等特點，因此被廣泛的應用。但由于平衡重式叉車前后車體相對獨立，其穩定性不足，在工程作業的過程中，特別是在斜坡上，經常發生翻車事故，所以穩定性分析對于平衡重式叉車來說，是非常重要的設計步驟。

2.車輛穩定性分析的常用手段

國外學者很早就開始對叉車的穩定性進行研究了，以便盡早的找出影響叉車穩定性的因素。為了檢測叉車的穩定性，許多國家研制了專門的傾翻平臺，并制定了相應的檢測標準。國內學者從20世紀80年代開始對叉車的穩定性進行研究，摸清了平衡重式叉車的失穩機理，統一了認識，提出了以失穩坡度角來評價叉車穩定性的好壞。一般對叉車的穩定性分析從靜態、準靜態和動態三個角度進行，本文只從靜態的角度對叉車的穩定性進行分析。

目前，對叉車的穩定性進行分析的方法主要有：力矩平衡法、翻轉角法、傾斜平臺實驗法，但是這些方法都只針對平衡重式叉車在斜坡上某一特定的停機位置，無法得出叉車在任意停機位置時的失穩坡度角。針對這種情況，我國學者研究出了采用特征矢量法分析平衡重式叉車的穩定。當叉車發生側翻時，重心和傾翻軸處在的平面恰好處于豎直狀態，對應的特征矢量處于水平狀態，在建立適當的坐標系后，根據特征矢量從初始狀態到水平狀態轉過的角度，就可知叉車的失穩坡度角。

本文采用特征矢量法理論分析了某鉸接式叉車的穩定性，并用傾斜平臺實驗法進行了驗證。

3.叉車靜態穩定性分析

首先對平衡重式叉車進行簡單的布置，然后以后橋擺動中心O為原點，建立直角坐標系。根據叉車的各項參數，可以計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隨著轉向角的變化而改變。為研究其靜態穩定性，固定該叉車的轉向角為右轉30。

無論是一級失穩還是二級失穩，都可以用失穩坡度角來評價其穩定性。為了描述車輛在斜坡上的不同停機位置，引人方位角度的概念，其正負取值規定如下：以銜接車輛后橋中心連線的右側為基準，梯度線在其逆時針方向時，右側為正，反之則為負。

平衡重式叉車的穩定性按失穩方向分為縱向穩定性和橫向穩定性。對于橫向一級穩定性，其傾翻軸為一空間斜軸，是通過一個前輪接地點與后橋擺動中心相連的；至于橫向二級穩定性，其傾翻軸是通過左（右）側兩車輪接地點與后橋擺動中心相連的。叉車發生橫向一級失穩時表現為，除后橋外的其他車體部分傾斜，直到擺動橋上二個限位塊相碰為止。在這個過程中，后橋沒有發生側傾，決定本叉車穩定性的是除后橋外的重心位置。根據穩定性理論的研究，平衡重式叉車發生橫向一級失穩后，極有可能繼續發生橫向二級失穩，或者是向后的縱向失穩。發生橫向二級失穩時表現為，車輛作為一個整體，以二個車輪接地點為軸而發生側翻。在不同的方位角范圍內，平衡重式叉車發生失穩的形式不同，特征矢量也不同。存在著這樣的四個臨界方位角，當坡度增加時，可使相鄰的二個特征矢量同時為水平矢量，此時平衡重式叉車同時產生橫向一級失穩和縱向一級失穩，包括向前和向右同時失穩的方位角、向前和向左同時失穩的方位角、向后和向右同時失穩的方位角以及向后和向左同時失穩的方位角。

在轉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，計算出該狀態下的失穩坡度角。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，當車輛恰好失穩向右側翻時，法向量與其水平投影之間的夾角儀即為失穩坡度角。

對于某個確定的轉向角，當轉向角在0～1800范圍內發生變化時，將該叉車的各項參數帶入相應的關系式，可以得到靜態的一級穩定區域圖。若平衡重式叉車，以方位角度停在坡度角為儀的斜坡上，則首先在相應的坐標之中描出點P，若點P在封閉曲線的內部，則平衡重式叉車處于穩定狀態；若點P在封閉曲線的外部，則平衡重式叉車處于不穩定的狀態。從相關的實踐之中可以看出，當平衡重式叉車處于空載狀態時，它的縱向失穩坡度角將大于橫向失穩坡度角，從而可知叉車的縱向穩定性比橫向穩定性高；當平衡重式叉車滿載時，由于它的重心前移，導致向前的失穩坡度角大幅度減小，使得其穩定性變差。

平衡重式叉車二級失穩的機理與一級失穩一樣，可以參考一級失穩的方法，推導出二級失穩坡度角與方位角的關系，得到靜態二級穩定區域圖。在得到靜態二級穩定區域圖時，在對各項參數值進行確定之前需要注意，平衡重式叉車在發生二級失穩時，向左、向右的橫向二級失穩以及向后的縱向二級失穩的車體傾翻方向不同，會導致重心位置不同，從而重心和傾翻軸處在平面也就不會相同，因此對于這些都需要分別計算。

特征矢量法的特點是能夠構建方位角和失穩坡度角之間的關系，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定狀態。結合這一特點，利用傾斜平臺實驗法對理論分析結果進行檢驗。

從00開始，以600為階躍，測量6個方位角的叉車失穩坡度角，將得出的數據描繪在一級穩定區域圖內，可以與理論值進行對比。

上述多個實驗證明，實驗數據與理論數據基本上是一致的，可知采用特征矢量法對平衡重式叉車進行穩定性分析，結果是非常可靠的。

4.結論

4.1.本文通過特征矢量法對某平衡重式叉車進行了靜態穩定性分析，并通過傾斜平臺實驗法證實了該方法的有效性。

4.2.由靜態穩定區域圖可知，平衡重式叉車的橫向穩定性不如縱向穩定性好；滿載時向前的縱向穩定性不如向后的好。鑒于此，駕駛員在坡道作業時，應盡量保持車尾朝向坡底。

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