平衡重式叉車門架優(yōu)化設(shè)計

平衡重式叉車門架優(yōu)化設(shè)計

由于車身緊湊、操作效率高、操作安全、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于材料的裝卸和搬運(yùn)中。叉車門架機(jī)構(gòu)是叉車的主要作業(yè)及承重機(jī)構(gòu),其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的特性直接關(guān)系到叉車作業(yè)的可靠性本文采用三維參數(shù)化PRO/E軟件對一額定起升重量為30kN的平衡重式叉車門架進(jìn)行三維建模,并對叉車門架機(jī)構(gòu)的工作過程通過ADAMS進(jìn)行動態(tài)仿真分析,最后利用MATLAB優(yōu)化工具箱對門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化求解,為叉車門架設(shè)計提供一種新的設(shè)計分析方法。13d模型的構(gòu)建與動態(tài)模擬的分析1.1配體模塊應(yīng)用PRO/E的part(零件)和assembly(裝配體)模塊,根據(jù)實(shí)際尺寸依次創(chuàng)建貨叉、叉架、內(nèi)門架、起升鏈條、鏈輪、外門架、起升液壓缸及傾斜缸等部件,并根據(jù)叉車門架各部件的裝配要求,對叉車門架三維模型進(jìn)行裝配,如圖1所示。1.2創(chuàng)建約束副Mechanism/pro模塊接口是連接PRO/E與ADAMS的專門接口。它可使兩者的文件實(shí)現(xiàn)無縫連接,并且該模塊是嵌入到PRO/E環(huán)境中的,所以使用非常方便。在Mechanism/pro中,首先通過自動創(chuàng)建剛體的方法將門架的各部件定義為剛體;其次在一些關(guān)鍵位置添加Marker點(diǎn),這樣便于在ADAMS中添加各個約束副;最后應(yīng)用接口菜單(interface)將PRO/E的裝配體*.asm文件轉(zhuǎn)化成可導(dǎo)入ADAMS/View模塊的*.cmd文件1.3內(nèi)門架和鏈輪鏈輪叉車門架機(jī)構(gòu)的安裝與運(yùn)行關(guān)系為:貨叉安裝在叉架上,可隨叉架一起作升降運(yùn)動。叉架則受起升鏈條的牽引,并以其上的橫、縱向滾輪為“輪子”,以內(nèi)門架為活動導(dǎo)軌作升降運(yùn)動。鏈輪安裝在內(nèi)門架上,鏈條的一端繞過鏈輪固定在叉架上,另一端固定在外門架上。內(nèi)門架由一對起升液壓缸驅(qū)動,以其上的橫向、縱向滾輪為“輪子”,以外門架為固定導(dǎo)軌作升降運(yùn)動。外門架通過傾斜液壓缸的鉸點(diǎn)連接在叉車的前驅(qū)動橋上,鉸接在外門架和叉車車體上的一對傾斜液壓缸對外門架進(jìn)行驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)整個門架機(jī)構(gòu)的前、后傾斜動作依據(jù)以上設(shè)計要求,三維模型文件導(dǎo)入ADAMS/View模塊后,進(jìn)行虛擬樣機(jī)模型的創(chuàng)建。1.3.1固定、移動、轉(zhuǎn)動副的約束根據(jù)叉車門架各部件的安裝和運(yùn)行要求,依次創(chuàng)建相關(guān)的固定副、移動副及轉(zhuǎn)動副等約束。例如貨叉與叉架之間設(shè)置為固定副,傾斜液壓缸的活塞桿與缸體之間設(shè)置為移動副,傾斜液壓缸的活塞桿與外門架之間設(shè)置為轉(zhuǎn)動副等。1.3.2設(shè)置負(fù)載為簡化虛擬樣機(jī)模型的創(chuàng)建,叉車門架工作時所提升的額定貨物重量,以1個垂直向下的單作用力代替,并將其施加于貨叉的載荷中心位置。1.3.3驅(qū)動程序的定義為了模擬叉車門架的1個工作循環(huán),模型中的驅(qū)動用step(x,x1.4美國叉車門架試驗(yàn)結(jié)果在模型建好之后,就可以通過ADAMS/Solver模塊進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真時間為35s,仿真步數(shù)為500。同時,ADAMS/View模塊也可以直接調(diào)用ADAMS/PostProcessor模塊、回放仿真結(jié)果以及繪制分析曲線等。虛擬樣機(jī)模型的具體仿真過程為:首先叉車門架處于平放狀態(tài),然后門架在傾斜液壓缸的驅(qū)動下前傾6°,此后在該位置開始裝載額定貨物。在貨物裝載完后,門架開始后傾并到達(dá)后傾12°位置。最后門架開始在起升液壓缸的驅(qū)動下提升至最大起升高度。卸載過程與上述裝載過程是1個相反的工作過程,具體如圖2所示(其中G圖3中,a—b階段是指叉車門架在空載狀態(tài)(只受門架自重作用)由水平位置前傾至6°位置,傾斜液壓缸受力由2.8008kN增加到3.303kN。b—c階段則是叉車門架的裝載貨物過程,傾斜缸受力由3.303kN迅速增大到29.732kN,受力變化幅度很大。c—d階段是門架向后傾12°位置過程中受力的變化,由29.732kN降低為28.2259kN。d—e階段表示貨物提升至最大起升高度時傾斜缸受力的變化情況,e點(diǎn)位置的傾斜缸受力為9.8048kN。f—g階段表示卸載過程中傾斜缸的受力變化,各階段受力情況與裝載過程相同。通過對傾斜缸各階段受力的分析,可得傾斜缸在門架前傾6°位置并加載貨物時受到的力最大。2叉車門架傾斜缸仿真分析叉車門架的作業(yè)過程是一個動態(tài)過程,通過動力學(xué)仿真分析,在叉車門架前傾6°的狀態(tài)下,傾斜缸的受力為最大。因此要以傾斜缸最大受力的最小化為優(yōu)化目標(biāo),只需在門架前傾6°的狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化分析即可。2.1創(chuàng)建z概況坐標(biāo)系根據(jù)門架結(jié)構(gòu)和受力情況,將叉車門架機(jī)構(gòu)簡化為平面四桿機(jī)構(gòu),取門架處于平放位置時外門架最高處O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),創(chuàng)建ZOY坐標(biāo)系(采用在ADAMS中創(chuàng)建虛擬樣機(jī)模型時的默認(rèn)坐標(biāo))。傾斜缸與門架的鉸接點(diǎn)A在HF直線上,與車體的鉸接點(diǎn)為B,門架的回轉(zhuǎn)中心為鉸接點(diǎn)C,D、E兩點(diǎn)分別為貨叉的載荷中心和門架重心位置,根據(jù)門架結(jié)構(gòu)尺寸可得各點(diǎn)在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)如圖4所示。2.1.1確定設(shè)計變量門架傾斜缸兩個鉸接點(diǎn)的位置直接關(guān)系到其受力的大小,取門架前傾6°時,鉸接點(diǎn)A和B的y坐標(biāo)為設(shè)計變量,即x=[y2.1.2傾斜缸受力分析對門架進(jìn)行力學(xué)分析,根據(jù)力矩平衡原理,對C點(diǎn)取矩得:根據(jù)圖4得:(1)、(2)兩式聯(lián)立得:式中:GGFFlα——F根據(jù)作用力與反作用力原理,傾斜缸受力的大小與F2.1.3確定變量的邊界條件(1)根據(jù)傾斜缸行程最長、最短時的結(jié)構(gòu)要求,得出約束條件為:前傾6°位置時,門架機(jī)構(gòu)如圖4所示,后傾12°位置時,門架機(jī)構(gòu)如圖5所示,式中:i為計算中間變量(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,經(jīng)多次改進(jìn)確定設(shè)計變量的邊界條件為-1202≤y2.2叉車門架結(jié)構(gòu)修改以上所創(chuàng)建的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型,屬于不等式約束的非線性優(yōu)化問題,給定初始值y根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,對叉車門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,并在ADAMS中重新建模并仿真。經(jīng)驗(yàn)證,優(yōu)化后門架傾斜缸在最大受力減小的同時,其他工作時刻的受力也相應(yīng)減小,如圖6所示。經(jīng)優(yōu)化的門架機(jī)構(gòu)工作時,減小了傾斜缸工作中的沖擊,提高了工作穩(wěn)定性并且降低了發(fā)動機(jī)功耗。3優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型并求解傾斜缸受力隨時間變化的規(guī)律(1)利用PRO/E準(zhǔn)確快速地建立了叉車門架的三維模型;在ADAMS中進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的動態(tài)仿真分析,得到了叉車門架整個工作過程中傾斜缸受力隨時間變化的規(guī)律。(2)建立了叉車門架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型,并調(diào)用MATLAB優(yōu)化工具箱中