平衡重式叉車穩定性研究方法分析及應用

尹凌鵬 徐峰 葉劍剛 王玉龍 趙明 毛小玲

1.衢州職業技術學院，中國·浙江 衢州 324000

2.衢州市特種設備檢驗中心，中國·浙江 衢州 324000

1 引言

隨著中國制造業的不斷發展，中國叉車的銷售量及使用量一直持續占據世界第一。而其中平衡重式叉車產量更是占了叉車總產量的一半以上。目前叉車廣泛應用于工廠、碼頭、車站、貨倉等各大行業之中，應用領域不斷擴大，相對應的工作環境也越來越復雜，但其操作存在不規范的現象，因此叉車的安全性能顯得越來越重要，有待進一步提高。由此可見，對叉車整體穩定性、安全性的研究具有重要意義。

2 叉車目前存在隱患

自1958年中國誕生第一臺內燃叉車以來，叉車就得到迅速推廣，大大提高了貨物流通的效率。叉車按照動力來源通常可以分為二大類：內燃叉車、電動叉車。根據叉車結構的不同，又可以分為平衡重式叉車、前移式叉車、托盤堆垛車、側面叉車等。近年來，叉車在中國的銷售量都呈增長趨勢。雖然近年來中美一直持續的貿易戰對中國經濟產生了一定的影響，但是就叉車行業來看，形勢持續向好。根據中國工程機械工業協會公布的2019年的銷售數據，中國叉車的全年總銷售量高達608341 臺，繼續保持全球第一叉車生產大國和銷售大國的地位。由此可見，中國是一個叉車使用大國。叉車已經逐漸成為中國加工類各行業不可或缺的搬運工具[1-2]。但叉車在使用過程中事故頻發，由于叉車自身結構的特點，貨叉抬升貨物時整車的質心隨之變化。絕大部分叉車事故都表現為叉車搬運貨物過程中的傾翻，由此造成了巨大的經濟損失。

平衡重式叉車是以叉車裝設平衡重的方式來平衡貨物重力，從而保持叉車的縱向重量平衡。平衡重式叉車事故頻發的直接誘因就是貨叉起升及搬運貨物過程中貨物重心的變化，所以對于叉車工作過程中貨物重量數據的采集研究變得重要，通過研究貨物重量數據及重心變化確定叉車工作狀態及安全系數成為一個課題（如圖1所示）。

圖1 平衡重式叉車模型圖

3 技術解決方案

平衡重式叉車穩定性分析主要分為靜態穩定性和動態穩定性，其中以動態穩定性的分析為主。動態穩定性分析又分為側向傾翻、前向傾翻和其他因素，這其中以側向傾翻分析為主。即課題主要以平衡重式叉車的動態側向穩定性為主要分析對象、建立模型、得出結論、優化設計、控制策略、最終實現平衡重式叉車整體安全性與可靠性的提高。主要分為幾個步驟，如圖2所示。

圖2 項目擬采用的系統仿真優化方案

①建立叉車三維模型，同時量化影響叉車穩定性的各類參數，構建叉車工作過程穩定性數學模型。其中叉車側翻因素包括：重心位置、車輛行駛速度、制動力、轉彎半徑、地面摩擦力、地面傾角等。

②將叉車行進過程中的各因素導入數學模型，各因素主要包括可量化參數，主要有：重心位置、車輛行駛速度、制動力、轉彎半徑、地面摩擦力、底盤作用力、地面傾角等。通過構建多傳感信號數據平臺，結合MATLAB、ADAMS、Modelica等軟件建立叉車穩定性靜態及動態仿真分析和半實物仿真分析，分析平衡重式叉車靜態及動態過程特性，分析在重載狀態下的叉車傾翻極限，查找出相關參數，并得出影響叉車穩定性的主要因素。

③解決方案。通過結構設計及控制策略改善等方法建立實物模型，改裝叉車。再次測試工作過程中的各類參數，循環優化，直至達到最優化控制調制參數。

叉車穩定性控制系統解決方案驗證和半實物仿真需要考慮多方面參數。傳統的建模仿真設計只能建立單一領域的子系統模型，對單一系統進行充分分析，之后根據經驗或實驗參數進行系統驗證及修正。但是這種評價方法不能對機械系統完成全面的評價，難以精確估算，同時達不到對系統的動態驗證效果，所以無法得出一個科學合理的結論。而利用軟件實現復雜系統中的多領域建模和仿真，對于同一系統下不同領域如機械、液壓、控制等實現統一建模和互相耦合處理，這使得設計者能夠更加關注模型原理，對提高半物理仿真的系統性和科學性有較大的幫助，對模型的健壯性有顯著提高，能夠更加科學、合理地評價系統。所以本項目試用Modelica建模，優化解決策略，提高叉車穩定性（如圖3所示）。

圖3 系統解決方案

④總結歸納。針對影響叉車傾翻的主要參數，提出解決方案。主要從兩個方面著手解決：一為通過控制策略。結合叉車現有系統，植入控制系統。運用控制器及叉車現有結構，對叉車行進速度及工作狀態極限進行控制，當超過極限值時，通過發出警告或強制限速等方式保證叉車穩定，并通過半物理仿真驗證其可行性；二為通過結構設計。通過改裝叉車現有結構，對叉車整體底盤結構或相關機構進行改進優化，提高其整體穩定性和安全性。最后對其進行仿真試驗和實際測試。得出優化結構，歸納各類最優化參數，并得出結論。

4 載重量參數采集

平衡重式叉車的穩定性控制至今為止也沒有找到可靠的方法或技術，論文主要通過采集叉車工作過程中的貨叉變形參數來掌握貨物重量的實時狀態。

false 試驗選用的元件包括供電電源、按鍵控件、壓力傳感器、LED 液晶顯示屏、藍牙模塊、數據串口交互、單片機。單片機作為系統CPU 處于核心位置，對數據進行加工處理及運算(如圖4所示）。

圖4 數據采集方案

通過模型試驗，整體效果良好，能夠將貨物重量參數通過6 組數據上傳至LED 顯示，達到對貨物參數實時采集的目的。根據上傳的數據離線以及在線顯示壓力數據，從而更好的分析車輛的運行過程與情況，有利于進一步開發及研究[3-5](如圖5所示）。

圖5 數據采集

5 結語

平衡重式叉車由于轉向軸和車架的特殊性，導致車輛運動過程中重心變化較大，導致車輛穩定性較差。論文在叉車穩定性分析的基礎之上，提出了叉車穩定性優化策略，提出了分析叉車穩定性的一些研究方法，并開展了叉車工作過程數據采集試驗，效果良好。為進一步研究車輛重心動態監測方法做好了技術準備。通過實時分析車輛重心位置，估計車輛傾翻概率，對叉車最大負荷、車輛最大轉角、行駛速度等主要參數進行限制，更為有效地降低平衡重式叉車傾覆事故發生概率。