基于Pro/E機(jī)構(gòu)仿真的剪叉車轉(zhuǎn)向卡滯分析

常 奎 劉治軍 周忠可 李曉卉

徐工消防安全裝備有限公司 徐州 221004

0 引言

剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)是高空作業(yè)設(shè)備中使用量大使用面廣的產(chǎn)品。因當(dāng)前對(duì)高效作業(yè)的適應(yīng)性需求，剪叉產(chǎn)品近3 a以超過(guò)35%復(fù)合增長(zhǎng)率在市場(chǎng)上普及應(yīng)用。由于設(shè)備保有量大、使用工況復(fù)雜、安全性要求高、生命周期成本管控嚴(yán)格，因此對(duì)剪叉式移動(dòng)升降平臺(tái)的安全性、可靠性提出了更高的需求。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，在車輛行駛轉(zhuǎn)向，狹小空間轉(zhuǎn)運(yùn)中起到至關(guān)重要的作用。某型號(hào)剪叉車出現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向卡滯、轉(zhuǎn)向不到位現(xiàn)象，行駛過(guò)程中此現(xiàn)象消失。針對(duì)此現(xiàn)象，通過(guò)機(jī)構(gòu)仿真以及制造誤差方面進(jìn)行分析，得出問(wèn)題癥結(jié)，并提出優(yōu)化建議，提升產(chǎn)品性能及品質(zhì)。本文從轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)角度對(duì)轉(zhuǎn)向卡滯問(wèn)題進(jìn)行分析，液壓系統(tǒng)清潔性等導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向卡滯不在此次分析范圍。

1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1所示，典型的剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為多連桿機(jī)構(gòu)，主要由左右轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿及轉(zhuǎn)向液壓缸組成。轉(zhuǎn)向過(guò)程中由轉(zhuǎn)向液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿推動(dòng)左右轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖1所示轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)理論轉(zhuǎn)向角度為±79.5°。

圖1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)左右轉(zhuǎn)向示意

轉(zhuǎn)向到位后，一級(jí)限位為液壓缸限位，即：由液壓缸自身全伸全縮幾何尺寸限位。由于液壓缸行程及機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差，偶爾會(huì)發(fā)生一級(jí)限位無(wú)效，此時(shí)則通過(guò)二級(jí)限位，即轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)套筒之間的機(jī)械接觸限位。二級(jí)機(jī)械限位相對(duì)于一級(jí)液壓缸限位角度增大約0.5°。

原地轉(zhuǎn)向卡滯及轉(zhuǎn)向不到位是指車輛原地靜止時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)無(wú)法轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角或達(dá)到最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角后無(wú)法返回，而在行駛過(guò)程中此現(xiàn)象消失。

2 轉(zhuǎn)向卡滯仿真分析

2.1 轉(zhuǎn)向液壓缸推力計(jì)算

轉(zhuǎn)向液壓缸大腔面積s1為1 257 mm2，小腔面積s2為942 mm2，轉(zhuǎn)向溢流壓力p為12 MPa。

假設(shè)轉(zhuǎn)向卡滯，在系統(tǒng)壓力下轉(zhuǎn)向液壓缸出現(xiàn)溢流。根據(jù)轉(zhuǎn)向溢流壓力反推轉(zhuǎn)向液壓缸溢流時(shí)的推力，從而得到轉(zhuǎn)向卡滯工況下的最大推力。

液壓缸推力為

式中：p為系統(tǒng)壓力，s為作用面積。

計(jì)算可得液壓缸溢流時(shí)最大推力為：大腔最大推力（右轉(zhuǎn)最大推力）=15 080 N；小腔最大推力（左轉(zhuǎn)最大推力）=11 310 N。

2.2 原地轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，可知汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩為

式中：u為輪胎與地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，G1為轉(zhuǎn)向輪的最大負(fù)荷，P為輪胎氣壓。計(jì)算得出某型號(hào)剪叉產(chǎn)品轉(zhuǎn)向阻力矩Mr=215 731 N·mm。

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模型創(chuàng)建

通過(guò)Pro/E創(chuàng)建轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各部件的裝配方式如圖2所示。其中轉(zhuǎn)向節(jié)各鉸點(diǎn)裝配方式為銷釘，轉(zhuǎn)向拉桿各鉸點(diǎn)裝配方式為銷釘，液壓缸組件裝配方式為滑動(dòng)桿，液壓缸與轉(zhuǎn)向節(jié)和支座裝配方式為銷釘。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型

轉(zhuǎn)向阻力矩施加在左右轉(zhuǎn)向節(jié)主軸上，轉(zhuǎn)向液壓缸運(yùn)動(dòng)軸施加運(yùn)動(dòng)，啟用重力及摩擦。通過(guò)模擬轉(zhuǎn)向液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)克服轉(zhuǎn)向阻力矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的全過(guò)程運(yùn)動(dòng)分析，提取液壓缸鉸點(diǎn)反力，得到液壓缸推力曲線。

2.4 Pro/E機(jī)構(gòu)計(jì)算及分析

2.4.1 左→右轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)計(jì)算分析

由左→右（轉(zhuǎn)向液壓缸大腔進(jìn)油）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在左轉(zhuǎn)極限位置，即液壓缸在全縮位置，缸桿開(kāi)始伸出時(shí)，液壓缸所需推力達(dá)到最大，約為25 026 N＞15 080 N（大腔溢流最大推力）。隨著缸桿的伸出，轉(zhuǎn)向所需液壓缸推力隨之減小，大約在液壓缸伸出3.7 mm時(shí)，達(dá)到計(jì)算的大腔溢流推力15 080 N。液壓缸繼續(xù)伸出，轉(zhuǎn)向所需液壓缸推力繼續(xù)減小，液壓缸在伸出70.4 mm時(shí)轉(zhuǎn)向所需推力達(dá)到最小，約為5 661.194 N。之后轉(zhuǎn)向所需液壓缸推力開(kāi)始上升，在液壓缸伸出148.8 mm時(shí)，推力再次達(dá)到大腔溢流推力15 080 N。達(dá)到右極限位置時(shí)，液壓缸推力為15 217.3 N＞15 080 N（大腔溢流最大推力）。

圖3 左→右轉(zhuǎn)向液壓缸推力

由左→右轉(zhuǎn)向液壓缸推力與轉(zhuǎn)向角度說(shuō)明如表1所示。由仿真結(jié)果可得，大腔進(jìn)油液壓缸推力不足，原地轉(zhuǎn)向工況無(wú)法轉(zhuǎn)向到位，或者在極限位置時(shí)無(wú)法轉(zhuǎn)回，即出現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向卡滯。

表1 左→右轉(zhuǎn)向液壓缸推力與轉(zhuǎn)向角度說(shuō)明

按照機(jī)構(gòu)計(jì)算最大液壓缸推力25 026 N計(jì)算，原轉(zhuǎn)向到位轉(zhuǎn)向液壓缸大腔所需油壓約為20 MPa＞ 16 MPa的系統(tǒng)溢流壓力。

2.4.2 右→左轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)計(jì)算分析

由右→左（轉(zhuǎn)向液壓缸小腔進(jìn)油）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。可得在右轉(zhuǎn)極限位置，即液壓缸在全伸位置，缸桿開(kāi)始收縮時(shí)，液壓缸推力約為15 217 N ＞11 310 N（大腔最大推力）。隨著缸桿的回縮液壓缸所需推力隨之減小，大約在液壓缸回縮6.5 mm時(shí)，達(dá)到計(jì)算的小腔溢流推力11 310 N。液壓缸推力繼續(xù)減小，在回縮78.6 mm時(shí)推力達(dá)到最小值約為5 661.194 N。之后液壓缸所需推力開(kāi)始上升，在液壓缸回縮141.1 mm時(shí)，推力再次達(dá)到小腔溢流推力11 310 N。達(dá)到左極限位置時(shí)，液壓缸推力達(dá)到最大值為25 026 N＞ 11 310 N（大腔最大推力）。

圖4 右→左轉(zhuǎn)向液壓缸推力

由右→左液壓缸推力與轉(zhuǎn)向角度說(shuō)明如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可得，小腔進(jìn)油液壓缸推力，原地轉(zhuǎn)向工況同樣出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。按機(jī)構(gòu)計(jì)算最大液壓缸推力25 026 N時(shí)，小腔所需油壓約為26.6 MPa＞12 MPa的系統(tǒng)溢流壓力。

表2 左→右轉(zhuǎn)向液壓缸推力與轉(zhuǎn)向角度說(shuō)明

2.5 轉(zhuǎn)向卡滯仿真分析小結(jié)

通過(guò)機(jī)構(gòu)仿真分析可得，此型號(hào)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果與實(shí)際工況相符。由于轉(zhuǎn)向推力不足，存在原地轉(zhuǎn)向不到位，或者在極限位置無(wú)法轉(zhuǎn)回現(xiàn)象，且在小腔進(jìn)行時(shí)卡滯現(xiàn)象尤為明顯。而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中輪胎與地面的摩擦系數(shù)降低，轉(zhuǎn)向阻力矩減小，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向自如。因此，目前系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向推力可以滿足行駛轉(zhuǎn)向需求，但是原地轉(zhuǎn)向時(shí)推力不足出現(xiàn)卡滯。

同時(shí)通過(guò)分析可得此類型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向液壓缸在系統(tǒng)壓力一定時(shí)，大腔和小腔所提供的推力是存在差異的，由此，解釋了車輛左右轉(zhuǎn)向差異問(wèn)題，即小腔轉(zhuǎn)向卡滯現(xiàn)象更加明顯。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力提升至28 MPa＞max(26.6 MPa，20 MPa)，實(shí)際驗(yàn)證原地轉(zhuǎn)向卡滯現(xiàn)象消失。

3 轉(zhuǎn)向誤差靈敏度分析

轉(zhuǎn)向角度影響因素較多，與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置有關(guān)，同時(shí)與結(jié)構(gòu)件加工誤差以及液壓缸的行程誤差等有關(guān)。通過(guò)Pro/E機(jī)構(gòu)分析，針對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵尺寸，如轉(zhuǎn)向液壓缸尺寸誤差、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)誤差等，對(duì)轉(zhuǎn)向角度產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析。具體結(jié)果如表3所示。

由轉(zhuǎn)向誤差靈敏度分析可得，轉(zhuǎn)向角度受結(jié)構(gòu)尺寸及液壓缸尺寸誤差影響較大。目前在序號(hào)1的條件下，通過(guò)機(jī)械限位轉(zhuǎn)向角度可以保證。其余序號(hào)2～7條件下，雖機(jī)械限位可以實(shí)現(xiàn)+0.5°轉(zhuǎn)向誤差的修正，但是均出現(xiàn)一側(cè)轉(zhuǎn)向角度不到位。序號(hào)8、序號(hào)9情況則機(jī)械限位位置無(wú)法保證，對(duì)于其序號(hào)1、序號(hào)7情況誤差的修正作用進(jìn)一步減小。

由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)仿真可得，轉(zhuǎn)向極限位置所需的轉(zhuǎn)向推力最大。由轉(zhuǎn)向誤差靈敏度分析可得，機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓缸行程變化1 mm，轉(zhuǎn)向角度會(huì)變化約為2°，甚至可以高達(dá)5°。可見(jiàn)累計(jì)誤差是影響轉(zhuǎn)向角度的關(guān)鍵因素，轉(zhuǎn)向角度的誤差會(huì)導(dǎo)致所需的轉(zhuǎn)向推力增大，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)向卡滯。

4 總結(jié)

通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Pro/E仿真分析可得，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方式，轉(zhuǎn)向節(jié)在極限位置時(shí)，轉(zhuǎn)向液壓缸會(huì)出現(xiàn)推力不足現(xiàn)象。因推力不足轉(zhuǎn)向節(jié)會(huì)出現(xiàn)原地?zé)o法轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)角度現(xiàn)象，同時(shí)在左右限位位置回正時(shí)會(huì)出卡滯。另外因此類轉(zhuǎn)向液壓缸在系統(tǒng)壓力一定時(shí)，大腔和小腔可以提供的推力時(shí)不同的。因此，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮轉(zhuǎn)向推力是否充足，選擇合理的液壓缸截面及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力。

同時(shí)通過(guò)基于Pro/E機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向誤差靈敏度分析可得，液壓缸尺寸誤差、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)制造誤差的累計(jì)都會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)向角度，轉(zhuǎn)向角度變化會(huì)造成轉(zhuǎn)向推力不足，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向卡滯。因此，試制生產(chǎn)過(guò)程中，需嚴(yán)格把關(guān)采購(gòu)件的尺寸精度及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的加工精度，提高轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置精確度，防止卡滯現(xiàn)象的發(fā)生。

通過(guò)以上措施，已基本解決剪叉車轉(zhuǎn)向卡滯問(wèn)題。Pro/E機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果基本符合實(shí)際工況，證實(shí)基于Pro/E機(jī)構(gòu)仿真的轉(zhuǎn)向卡滯分析方法可有效地對(duì)類似問(wèn)題進(jìn)行分析論證，可作為剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考方法。