叉車主體結構模態與減振設計研究

林 琳

（合力工業車輛（盤錦）有限公司，遼寧 盤錦 124000）

叉車廣泛應用于倉庫、港口等物流配送中心。然而，中國叉車的生產起步較晚，缺乏相關研究，這使得叉車技術一直處于低端市場。因此若想要拓展叉車的市場就要提高叉車的舒適性和性能，為此，本文對模態和基本結構要素進行了專門的研究。

1 叉車的結構

在內部結構方面，無論是平衡重叉車還是倉儲叉車，其主要結構包括動力裝置、起重工作裝置、叉車底盤（包括傳動系統、轉向系統、制動系統、行駛系統）和電氣設備等。內燃叉車按發動機類型可分為柴油、汽油、液化氣、天然氣、氫動力、混合動力等類型。就能源而言，叉車可分為內燃機叉車和電動叉車兩大類。叉車是一種以貨叉為主要取件工具的裝卸車輛，依靠液壓升降機構實現貨物的升降，利用驅動裝置實現叉車行駛。

叉車裝置的功能部分主要由三部分組成：（1）各類升降系統（即門架）；（2）各種取物工具（即屬具）；（3）門架液壓管路系統。

叉車升降系統主要由門架、叉架、貨叉、擋塊架、起重油缸、傾斜油缸、起重鏈條、軟管滑輪組等組成。[1]

升降系統的液壓系統是叉車液壓系統的重要組成部分。主要部件包括起升油缸、限速閥和切斷閥。要限制限速閥速度，必須先使門架下降速度達到設定值，此時，閥芯移動，限速閥開始動作。如果門架空載下降，下降速度達不到限速閥，可設置流量，使空載下降速度與限速閥無關。如果關閥管破裂，限速閥就不能再控制門架的速度。

叉車底盤通常由電氣設備或液壓傳動系統的動力源提供。在實際生產中，叉車要水平移動，傳動系統必須改變叉車的動力，以便控制叉車的速度，并提供動力改變扭矩，從而控制傳遞的扭矩量，用叉車改變運動方向，使其向前或向后行駛。轉向功能可調整叉車的行駛方向，叉車使用后輪進行轉向，轉彎半徑小，轉彎方便。它還可以原地旋轉、旋轉90 度或直線來回移動。一個驅動系統最重要的任務是利用其內部結構來傳遞車輛輪胎與地面之間的摩擦力，以保障叉車的正常行駛。此外，驅動系統功能可以減少地面承載力的影響，減少叉車行駛時的垂直運動。叉車整體減振主要是通過車輪來實現的。通常，叉車驅動系統由車橋、車架、車輪和懸架組成，但不能改變車架和輪子的形狀，只能改變驅動系統的懸掛系統。[2]

2 叉車的振源

叉車的振源主要是通過行駛過程中的凹陷路面引起的振動和自身發動機的激振使車架產生共振，這種共振的作用就像一個隨機的激勵信號，取決于車速和轉速。不同轉速的發動機的激勵是不同的（叉車振動系統如圖1 所示），振動系統受路面、叉車速度和發動機轉速的影響。在物理學中，可用加速度、相對位移和力來表示，只有這三個因素都在一定的標準范圍內，才能保證操作者的舒適性和安全性。通常，道路激勵頻率范圍為1Hz～20Hz，發動機頻率范圍為25Hz～100Hz。

圖1 叉車振動系統構圖

3 叉車的主體結構模態分析

3.1 模態的參數辨識應用

模態參數的使用和識別可以通過數學模型的開發來識別，數學模型的廣泛使用對于建模參數化和模塊化分析非常有用。首先，我們需要建立一個有效的數學模型，要盡可能真實、易懂和易于計算，這將極大地影響未來的模態分析，然后需要根據實際的情況計算視覺模型。這是因為模型是現實場景，只有結合現實場景，才能賦予模型現實意義，更好地利用數學模型。同時，還有其他特殊的計算和方法，如振動微分方程、導納圓辨識法、最小二乘迭代法等也可以應用到計算的使用過程中。[3-4]

3.2 模態測試系統

創建數學模型后，下一步是執行實際測試，這是驗證初始工作的重要步驟。模態測試是完整的程序，需要完整的步驟協調它們的工作。首先，需要創建一個測試計劃，這是順利完成所有任務的前提。測試計劃包括應用原則、工作程序和人員任命以安裝必要的部件、設備和路線。準備工作完成后，根據前期準備的實驗測試計劃，進一步組裝測試系統，這一步非常困難，可以獲得最佳的實驗效果，更貼近實際工作情況。但這對精度的要求高，對涉及的組件和安裝人員的要求也非常高，這有助于實現理想的條件并進一步確保測試的完整性。

3.3 車架模態測試

在叉車主結構中，叉車車架占據主要部分，因此對叉車主設計的模態試驗是必不可少的，叉車車架起著支撐和穩定的作用。如果叉車沒有車架，它會像沒有軀干的人一樣散落在地上。因此，模態測試框架不可替代，模態框架測試根據實際情況恢復支撐狀態，為了保持穩定性，整個框架的強度必須均勻，因此需要在各個方向來回測試整個框架。兩者都必須從左到右找到，這是獲得幀的完整頻率響應的唯一方法。[5]然后可以做進一步的工作并繼續實驗模態分析，除了車架，還有一些振動頻率細節需要檢查。例如，擋泥板的后壁和下擺式有標準化的測量程序，改進測量技術，另外根據實際的要求測量每個關鍵部件的獨特特性，更好地分析和建議頻率、振動數據即可，這是一種更合適的技術減振方法。通過測量結果，可以看出擋泥板和局部振動非常清晰，因此可以在減振任務中關注它們，并提供有針對性的減振解決方案。

4 叉車主體結構減振設計

4.1 主體結構優化辦法

叉車的減振應該從叉車車身開始，應該有更準確的實驗數據，以便根據上面定義的實驗模態分析步驟和實際情況對叉車進行專門的減震技術完善。本文中的減震技術在質量等參數方面對叉車整個動力系統進行了有效的修改，提出了一種減震設計，從主體開始，同時保持其他特性的優化和穩定性（如表1）。結合上述實驗數據，需要驗證改動的效果能夠滿足目前的預期，并在做出適當改動后滿足初始減振需求，因此工作需要進一步的測試。矩陣和系統質量矩陣的評估以及聯合方程的計算將提高這些估計的準確性，以更好地確定是否達到了預期的效果。[6]

表1 模型改進前后固有頻率比較表

從以上模型模型分析的實際測試數據可以得出，后壁和擋泥板的振動頻率高于其他部分，影響了整車。據說這是為了改進叉車后壁和擋泥板的減振技術，重點是阻尼。在實際測試過程中，左右方向剛度具有較大的增強作用。根據測試數據，后壁和擋泥板的振動不得引起任何共振。這樣，振動破壞就會大大減少，可以消除一些自然波。因此，本試驗方案在阻尼效果上具有很大的優勢，能夠有效地抑制振動。此外，還應加強叉車主體結構的減振，以進一步驗證減振效果的有效性。由于后壁和擋泥板是主要的阻尼因素，因此也可以測試這兩個部件的阻尼性能，并且可以通過加強筋來有效地保護卡車的主體結構不受損壞。[7]

通過測試和分析，我們知道叉車系統振動較強的原因：發動機部件（包括減速齒輪）通過4 個支點連接到車架上。兩個后支點設計通過橡膠密封件形成后懸架結構，以減少發動機振動的影響。前兩個樞軸點通過后軸直接連接到車架，沒有前懸架。接縫處加裝防振密封件，形成前懸掛結構。同時，后懸架結構采用了復合盤狀組合彈簧方案，實現了改進方法?，F場堆垛機的結構和安裝方式設計如下：碟形彈簧根據材料表現出相同的性能，主要方面是易于材料采購。按材質可分為彈簧鋼、不銹鋼、耐熱鋼等優質鋼材，均可加工成碟形彈簧，具有變形小、載荷大、減震能力強等優點。[8]它可以作為單件使用，也可以與多個部件組合使用。前懸架由后兩個樞軸點組成，將發動機部件（包括減速齒輪）連接到車架上用橡膠密封件，后橋與車架連接處的兩個樞軸點添加了碟形彈簧或螺旋彈簧?；蛘咴谠瓉淼幕A上加裝，我們改進了碟形彈簧的懸掛后，重新安排了參數測試，人體直接感受測試，振動大大改善，減少了振動。此外，還應加強叉車主體結構的減振，以進一步驗證減振效果的有效性。由于后壁和擋泥板是主要的阻尼因素，因此也可以測試這兩個部件的阻尼性能，并且可以通過加強筋有效地保護卡車的主體結構不受損壞。[9]

4.2 優化后的振動測試

叉車的減振不能通過優化后的簡單操作來實現，減少叉車振動需要保持長期的效果。因此，為了在此過程中優化叉車，后面需要進行振動測試。這一步不能抹去之前的優化工作，而且由于叉車的一些后圍板和擋泥板部分是特殊的減震部件，需要在之前的優化工作基礎上進行額外的檢查，所以實驗原則是保持一個變量，除了后圍板和擋泥板外，零件必須與原始測試叉車相同，只有這樣才能獲得更準確的測試結果。事實上，在測試中發現了許多變化。首先，護頂架的振動頻率降低，周圍部件的振動頻率也顯著降低，證明了另一側的減振效果。此外，振動頻率不匹配，共振效應大大降低甚至消失，從操作員的角度來看，提高了效率?？傮w而言，叉車振動的影響明顯，叉車的舒適性也發生了顯著變化。[10]

5 結語

綜上所述，可以說本文所研究的叉車減振的主要設計模式和減震設計具有實用價值。隨著叉車的不斷升級和叉車在人們日常生活中的日益普及，物流為人們提供了越來越多的便利，減少了人力物力，但存在的振動問題，又會使得叉車的平均壽命變短。根據本文描述的實際實驗結果，已達到了初步的減振效果，證明了整個實驗的價值。減少叉車的振動是非常有必要的，可有效提升作業效果和叉車相應性能，助力叉車行業更上一層樓，為中國叉車行業淘汰低端市場鋪平道路，奠定了進軍高端市場的基礎條件。