平衡重式叉车门架优化设计

平衡重式叉车门架优化设计

由于车身紧凑、操作效率高、操作安全、使用方便等优点，它已广泛应用于材料的装卸和搬运中。叉车门架机构是叉车的主要作业及承重机构,其运动学和动力学的特性直接关系到叉车作业的可靠性本文采用三维参数化PRO/E软件对一额定起升重量为30kN的平衡重式叉车门架进行三维建模,并对叉车门架机构的工作过程通过ADAMS进行动态仿真分析,最后利用MATLAB优化工具箱对门架结构进行优化求解,为叉车门架设计提供一种新的设计分析方法。13d模型的构建与动态模拟的分析1.1配体模块应用PRO/E的part(零件)和assembly(装配体)模块,根据实际尺寸依次创建货叉、叉架、内门架、起升链条、链轮、外门架、起升液压缸及倾斜缸等部件,并根据叉车门架各部件的装配要求,对叉车门架三维模型进行装配,如图1所示。1.2创建约束副Mechanism/pro模块接口是连接PRO/E与ADAMS的专门接口。它可使两者的文件实现无缝连接,并且该模块是嵌入到PRO/E环境中的,所以使用非常方便。在Mechanism/pro中,首先通过自动创建刚体的方法将门架的各部件定义为刚体;其次在一些关键位置添加Marker点,这样便于在ADAMS中添加各个约束副;最后应用接口菜单(interface)将PRO/E的装配体*.asm文件转化成可导入ADAMS/View模块的*.cmd文件1.3内门架和链轮链轮叉车门架机构的安装与运行关系为:货叉安装在叉架上,可随叉架一起作升降运动。叉架则受起升链条的牵引,并以其上的横、纵向滚轮为“轮子”,以内门架为活动导轨作升降运动。链轮安装在内门架上,链条的一端绕过链轮固定在叉架上,另一端固定在外门架上。内门架由一对起升液压缸驱动,以其上的横向、纵向滚轮为“轮子”,以外门架为固定导轨作升降运动。外门架通过倾斜液压缸的铰点连接在叉车的前驱动桥上,铰接在外门架和叉车车体上的一对倾斜液压缸对外门架进行驱动,实现整个门架机构的前、后倾斜动作依据以上设计要求,三维模型文件导入ADAMS/View模块后,进行虚拟样机模型的创建。1.3.1固定、移动、转动副的约束根据叉车门架各部件的安装和运行要求,依次创建相关的固定副、移动副及转动副等约束。例如货叉与叉架之间设置为固定副,倾斜液压缸的活塞杆与缸体之间设置为移动副,倾斜液压缸的活塞杆与外门架之间设置为转动副等。1.3.2设置负载为简化虚拟样机模型的创建,叉车门架工作时所提升的额定货物重量,以1个垂直向下的单作用力代替,并将其施加于货叉的载荷中心位置。1.3.3驱动程序的定义为了模拟叉车门架的1个工作循环,模型中的驱动用step(x,x1.4美国叉车门架试验结果在模型建好之后,就可以通过ADAMS/Solver模块进行仿真分析。设置仿真时间为35s,仿真步数为500。同时,ADAMS/View模块也可以直接调用ADAMS/PostProcessor模块、回放仿真结果以及绘制分析曲线等。虚拟样机模型的具体仿真过程为:首先叉车门架处于平放状态,然后门架在倾斜液压缸的驱动下前倾6°,此后在该位置开始装载额定货物。在货物装载完后,门架开始后倾并到达后倾12°位置。最后门架开始在起升液压缸的驱动下提升至最大起升高度。卸载过程与上述装载过程是1个相反的工作过程,具体如图2所示(其中G图3中,a—b阶段是指叉车门架在空载状态(只受门架自重作用)由水平位置前倾至6°位置,倾斜液压缸受力由2.8008kN增加到3.303kN。b—c阶段则是叉车门架的装载货物过程,倾斜缸受力由3.303kN迅速增大到29.732kN,受力变化幅度很大。c—d阶段是门架向后倾12°位置过程中受力的变化,由29.732kN降低为28.2259kN。d—e阶段表示货物提升至最大起升高度时倾斜缸受力的变化情况,e点位置的倾斜缸受力为9.8048kN。f—g阶段表示卸载过程中倾斜缸的受力变化,各阶段受力情况与装载过程相同。通过对倾斜缸各阶段受力的分析,可得倾斜缸在门架前倾6°位置并加载货物时受到的力最大。2叉车门架倾斜缸仿真分析叉车门架的作业过程是一个动态过程,通过动力学仿真分析,在叉车门架前倾6°的状态下,倾斜缸的受力为最大。因此要以倾斜缸最大受力的最小化为优化目标,只需在门架前倾6°的状态下进行优化分析即可。2.1创建z概况坐标系根据门架结构和受力情况,将叉车门架机构简化为平面四杆机构,取门架处于平放位置时外门架最高处O点为坐标原点,创建ZOY坐标系(采用在ADAMS中创建虚拟样机模型时的默认坐标)。倾斜缸与门架的铰接点A在HF直线上,与车体的铰接点为B,门架的回转中心为铰接点C,D、E两点分别为货叉的载荷中心和门架重心位置,根据门架结构尺寸可得各点在该坐标系下的坐标如图4所示。2.1.1确定设计变量门架倾斜缸两个铰接点的位置直接关系到其受力的大小,取门架前倾6°时,铰接点A和B的y坐标为设计变量,即x=[y2.1.2倾斜缸受力分析对门架进行力学分析,根据力矩平衡原理,对C点取矩得:根据图4得:(1)、(2)两式联立得:式中:GGFFlα——F根据作用力与反作用力原理,倾斜缸受力的大小与F2.1.3确定变量的边界条件(1)根据倾斜缸行程最长、最短时的结构要求,得出约束条件为:前倾6°位置时,门架机构如图4所示,后倾12°位置时,门架机构如图5所示,式中:i为计算中间变量(2)根据结构设计要求,经多次改进确定设计变量的边界条件为-1202≤y2.2叉车门架结构修改以上所创建的优化设计数学模型,属于不等式约束的非线性优化问题,给定初始值y根据优化结果,对叉车门架结构进行修改,并在ADAMS中重新建模并仿真。经验证,优化后门架倾斜缸在最大受力减小的同时,其他工作时刻的受力也相应减小,如图6所示。经优化的门架机构工作时,减小了倾斜缸工作中的冲击,提高了工作稳定性并且降低了发动机功耗。3优化设计数学模型并求解倾斜缸受力随时间变化的规律(1)利用PRO/E准确快速地建立了叉车门架的三维模型;在ADAMS中进行了虚拟样机的动态仿真分析,得到了叉车门架整个工作过程中倾斜缸受力随时间变化的规律。(2)建立了叉车门架结构的优化设计数学模型,并调用MATLAB优化工具箱中