伸縮臂叉裝車作業穩定性分析

田甜 陳宇 劉學文 鄭艷超

北京金輪坤天特種機械有限公司 北京市 100086

1 引言

伸縮臂叉裝車是一種集成了起重機和傳統叉車功能的多功能作業車輛，可在車體不動的情況下，對較遠距離的的貨物進行叉裝作業。其應用領域也比較廣泛，除了可用于叉車的傳統領域外[1]，還可用于更加復雜困難的作業環境，例如在農業領域具有很好的應用前景。

其特殊的結構形式和復雜的作業環境也對作業安全性提出了很高的要求。一般伸縮臂叉裝車設計和研發過程中必須對其作業時的穩定性進行計算和試驗，并將結果標識在車體顯著位置，用于警示駕駛和操作人員。目前國際上主要的伸縮臂叉裝車標準包括美國的ASME B56.6標準，歐盟的EN 1459標準和澳大利亞的AS 1418.19標準都對其穩定性提出了要求。

2 伸縮臂叉裝車簡介

伸縮臂叉裝車穩定性是指在剛性控制的靜止條件下，其抵抗傾翻能力的能力[2]。應考慮在正常使用和操作條件下，叉車承受的力的分布。影響穩定性的因素包括質量、質量分布、軸距、車輪踏面、懸空方法、行駛和操作速度、負載條件下輪胎和門架的變形等。

圖1為伸縮臂叉裝車的結構組成，在其進行叉裝作業時首先將其行駛到距離貨物較近的距離上，伸縮臂2開始動作，通過伸縮和變幅將貨叉送至貨物位置，貨叉進行俯仰將貨物叉起，其中貨叉1和伸縮臂2隨整車作業時動作，車體其他部件在工作時不進行動作。

圖1 伸縮臂叉裝車整體布置圖

3 作業安全性計算

根據美國伸縮臂叉裝車標準SMEB56.6-2002標準8.6規定其作業穩定性可以通過以下方法得出：第一種是傾斜平臺試驗。對伸縮臂叉裝車進行試驗驗證其穩定性。試驗可用來指導叉車的設計。第二種是計算穩定性數值?；谙嗨撇嫜b車的經驗值，通過計算預測出穩定性的合理值。計算值和試驗值相比，最終選擇試驗值作為其安全性的標準依據。

3.1 整車質量分布分析

由伸縮臂叉裝車整體布置圖1可以看出，伸縮臂叉裝車在進行作業時，伸縮臂結構質心位置隨著作業情況不同發生變化，其他部分質量分布不隨作業情況變化。以三節臂伸縮臂叉裝車為例，假設每節臂重量均勻分布，三節臂質心位置依次為：

一節臂質心位置為

圖2 伸縮臂叉裝車伸縮臂質心位置計算圖

其中，x0，y0——伸縮臂鉸接點位置坐標；

x1，y1——第一節臂質心坐標；

L1——第一節臂長度；

B1——第一節臂寬度；

α——伸縮臂與車架的水平面的角度。

二節臂質心位置

x2=x1-ΔL1cosα

y2=y1+ΔL1sinα

x2，y2——第二節臂質心坐標；

ΔL1——第二節臂伸出的距離，在第三節臂不動作時為整車伸出距離。

三節臂中心位置

x3=x2-ΔL2cosα

y3=y2+ΔL2sinα

x3，y3——第三節臂質心坐標；

ΔL2——第三節臂伸出的距離，一般為全部伸縮臂伸出距離減去ΔL1的最大值。

由以上全車的質心位置為

Gi——各部件質量；

Gs——整車總質量；

xi，yi——各部件相對車輛后軸中心的坐標位置。一般情況下，貨物和整車質量是相對縱向對稱面對稱的，因此質心位置始終位于整車縱向對稱面上。

2.2 整車穩定性分析

如圖3所示，車輛通過兩個前輪和后軸中心點形成了基礎三角形ABC，取質心垂線與大臂交點作四面體，取質心的水平面截面構成整車的穩定三角形abc，如果整車的質心o在這個三角形中，整車就會保持穩定狀態，如果整車質心o位置落在了穩定三角形之外，車輛將向偏出三角形的位置傾翻。

在整車處于水平面上時，貨叉上加載放平以后，整車的質心會向前向下移動。如果貨物質量超出負載能力，質心o就會向前超出ab線，造成整車向前傾倒。造成整車在縱向方向失去穩定性。在載荷圖分布圖4上對應的即為每個載荷區域的最外側垂直線。在進行貨物提升時質心會升高并向后移動，同時穩定三角形也會變動。如圖5所示，貨物提升高度越高，穩定的空間越小，穩定三角形面積越小，在橫向和縱向上失去穩定性的可能性越大，因此這時一般為整車邊界工況進行試驗和計算。如圖6所示，如果整車不在水平面上，質心會偏離整車的中心線，但是穩定三角形總會位于整車中心線上，這時也會導致穩定三角形減小，質心左右變動的空間也會變小。大臂提升并伸出（穩定三角形非常?。囋诜浅Ｐ〉膬A角時就會脫離穩定三角形兩側區域。這時整車就會出現傾翻。從而使同樣伸出距離上載荷能力降低，對應可以看出載荷圖上直線后面的曲線。

2.3 穩定性試驗分析

通過以上分析結合SME B56.6-2002 8.6.6 試驗載荷標準進行整車穩定性試驗，實現條件見表1：

根據表1可以看出在坡度7%縱向額定載荷全工況堆垛和坡度22%縱向額定載荷搬運堆垛分別表示在縱向工作和運輸的最不穩定狀態；坡度12%的額定載荷全工況堆垛、50%空載伸縮臂全縮回和10%空載全工況堆垛反映了伸縮臂叉裝車在橫向工作、空載行駛和空載動作的最不穩定狀態。通過對穩定三角形的分析可以看出以上幾種為全車工況質心最有可能偏離穩定三角形區域的工況，通過分析計算和試驗即可得出伸縮臂叉裝車的載荷圖。

圖3 水平位置穩定三角形圖

圖4 作業載荷分布圖

圖5 伸出位置穩定三角形

圖6 傾斜位置穩定三角形

3 結語

通過對伸縮臂叉裝車穩定三角形的分析可以得出叉車最不穩定的幾種工作狀態，通過對每種狀態的分析和計算可以最終得出伸縮臂叉裝車的載荷圖譜。

由于在計算過程中沒有考慮由于車輪踏面、懸空方法、叉車運行速度、負載條件下輪胎和門架的變形等對穩定性的影響，因此試驗與計算結果可能存在偏差。因此最終也要以試驗結果作為該型車的最終載荷圖繪制的依據。

表1 SME B56.6-2002 8.6.6試驗載荷標準及試驗條件