越野式伸縮臂叉裝車整機穩(wěn)定性理論計算方法和試驗驗證

蘇宗潔　黨偉　李海杰

摘 要：結合越野式伸縮臂叉裝車國標GBT 26949.14-2016，通過受力分析及力矩平衡計算，結合穩(wěn)定區(qū)域分析，得出了越野式伸縮臂叉裝車穩(wěn)定性計算分析的理論計算方法。通過試驗驗證了理論計算的可靠性，為伸縮臂叉裝車的穩(wěn)定性設計提供依據(jù)。在產(chǎn)品開發(fā)設計伊始就可以初估虛擬樣機的穩(wěn)定性能，降低了樣機設計制造和試驗的風險。

關鍵詞：伸縮臂叉裝車 穩(wěn)定性 試驗驗證

1 引言

越野式伸縮臂叉裝車是一種使用伸縮臂及安裝在臂端的屬具作為工作裝置，集合了伸縮臂起重機、叉車、裝載機等產(chǎn)品的特點，可進行搬運、鏟裝、吊載等多種作業(yè)，同時可有兩輪轉向、四輪轉向、蟹行行駛等多種行駛模式，適應于多種地面狀態(tài)的移動作業(yè)設備。

伸縮臂叉裝車的整機穩(wěn)定性，是指設備在行駛、作業(yè)過程中，整機抗傾覆的能力。在行駛及作業(yè)時，地面平整度及車輛狀態(tài)可能會對整機穩(wěn)定性有較大影響，都會影響最終產(chǎn)品的安全性和使用性。在設計初期就采用合適的方法對整車的傾翻穩(wěn)定性情況進行計算，能最大限度的降低試驗風險，而根據(jù)試驗結果優(yōu)化后的試驗模型，也為后續(xù)的設計提供了參考依據(jù)。

2 穩(wěn)定性性分析依據(jù)

在作業(yè)時，伸縮臂叉裝車可以根據(jù)不同工況需求，使用輪胎或穩(wěn)定器作為接地支撐，穩(wěn)定器一般布置在前橋前方，可以提高前方和側方的作業(yè)區(qū)域。同時為了提高越野能力，后橋多采用擺動式。因此在計算穩(wěn)定性時，傾翻線圍成的穩(wěn)定區(qū)域為圖2所示的三角形ABC區(qū)域。

針對整車穩(wěn)定性的，目前國標、ISO標準和歐洲標準及美標中都是采用模擬表1中幾種典型工況的試驗方式來驗證。根據(jù)國標GBT 26949.14-2016要求，穩(wěn)定性驗證需要通過五個測試，其中，試驗1主要驗證在不同臂長和臂仰角的帶載工況下，整機的縱向穩(wěn)定性。

試驗2為模擬車輛在貨物放低，輪胎行駛情況下縱向傾翻穩(wěn)定性極限工況。試驗3為驗證在不同臂長和臂仰角的帶載工況下，車輛側后方傾翻線的穩(wěn)定性。試驗4為驗證空載、臂架收回狀態(tài)下，車輛在側后方傾翻線的整機穩(wěn)定性。試驗5是驗證空載、臂架最大仰角下全伸到全縮狀態(tài)的整車在側后方傾翻線的穩(wěn)定性，這個狀態(tài)下，因為后方傾翻線圍成的區(qū)域較窄，同時臂的抬升會導致重心向側后方向移動，也容易產(chǎn)生整機側后方的傾翻。

上述試驗中，試驗1和試驗3共同決定了整機的穩(wěn)定性起重量，試驗2、4、5驗證了典型工況下的整機穩(wěn)定性能力。

目前車輛上的穩(wěn)定性檢測設備及方法主要有兩種，一種是采用在后橋安裝應變檢測儀，實時檢測后橋承載的變化，通過與預先設定的允許值對比，判斷整機是否處于所允許的穩(wěn)定工作狀態(tài)。另一種方法為采用力矩限制系統(tǒng)，通過檢測壓力、臂長、臂仰角，計算出當前載荷狀態(tài)，通過與設定的理論允許狀態(tài)的比對，來檢測是否整機處于穩(wěn)定狀態(tài)，第二種方法更適用于上裝可以相對底盤回轉作業(yè)的機型。此處設計的方法和試驗是以第一種后橋采用應變檢測儀的設備為例。

在各種試驗工況中，由于處于傾斜的臺面上，實際的傾翻線圍成的區(qū)域應該是理論穩(wěn)定三角形在地面的投影abc（圖3）。

伸縮臂叉裝車的穩(wěn)定狀態(tài)的性能就以在上述試驗工況，后橋還有一定地面的支撐反力作為余量的前提下，整機重心保持在上述的穩(wěn)定三角形投影區(qū)域范圍內(nèi)時設備的理論提升能力來計。整機穩(wěn)定性的極限時的狀態(tài)即地面對后橋的支撐反力為零，但設備和重物合計的重心仍落在穩(wěn)定三角形區(qū)域內(nèi)。

3 穩(wěn)定性分析方法

以傾翻線為基準，根據(jù)標準要求的不同工況下，傾翻力矩和穩(wěn)定性力矩平衡，計算得到叉裝車的理論穩(wěn)定性起重能力；

例如，試驗2中正前方以前橋在地面投影為傾翻線，在水平地面狀態(tài)下計算傾翻極限，可列方程如下：

Q×L2=G×L1-F×L3

Q：提升重物的質量；G：伸縮臂叉裝車自重；F：后橋支撐反力；L1：伸縮臂叉裝車重心到前橋軸心的水平距離；L2：提升重物的質心到前橋軸心的水平距離；L3：前后軸距；H1：提升重物的質心到地面的垂直距離；H2：伸縮臂叉裝車的重心到地面的垂直距離。

如果換到傾斜面上，可列力矩平衡方程如下：

Q×（L2*cosα+H1*sinα）=G×（L1*cosα-H2*sinα）-F×L3*cosα

Q：提升重物的質量；G：伸縮臂叉裝車自重；F：后橋支撐反力；L1'：伸縮臂叉裝車重心到前橋軸心的水平距離；L2'：提升重物的質心到前橋軸心的水平距離；L3'：前后軸距；H1：提升重物的質心到地面的垂直距離；H2：伸縮臂叉裝車的重心到地面的垂直距離。

據(jù)此可以求得各個臂長、仰角狀態(tài)下前方滿足穩(wěn)定性的最大起重量Q。

試驗3、試驗4和試驗5主要為驗證整機側后方穩(wěn)定性情況，因伸縮臂叉裝車的后橋為擺動橋，因此整車的傾翻線為以后橋軸心和縱向中心面交點在地面的投影，與兩個前輪中心在地面的投影連線做傾翻線。計算原理與試驗2類似，此處不再贅述。

通過力矩平衡可以求出滿足單個試驗條件下整機穩(wěn)定性能，同時滿足試驗1到試驗5的前提下，即可得到整機的理論穩(wěn)定性能和穩(wěn)定性作業(yè)范圍；

初步定義該伸縮臂叉裝車的額定起重量為3噸，最大工作仰角為73°，最大起升高度為13.5米，三維設計過程中，通過三維建模估算整機的重量和重心，并進一步計算，可得到試驗1和試驗3整機在不同角度和臂長下的起重能力，如表2、表3。

試驗2、試驗4、試驗5通過計算也能滿足設計定義的仰角和起升高度范圍。

4 試驗驗證及校準

在標準的要求設定的試驗條件下，先在平面狀態(tài)的傾翻試驗臺上，按理論計算的起重量和臂長、臂仰角狀態(tài)停放車輛，再操作翻轉試驗臺，確認整機穩(wěn)定情況，并記錄。試驗過程中通過調整吊臂仰角，盡量找到整機的穩(wěn)定性極限狀態(tài)。試驗中要做好保護，防止整機傾翻。

經(jīng)對理論計算的工況進行重物提升試驗，結果發(fā)現(xiàn)：

實測吊臂穩(wěn)定性極限角度和理論對比都有范圍在±5°左右的偏差，試驗1中，較長的臂長和較大的起重量的工況下，理論和實側的值偏差相對更大；

試驗中測試的輪胎支撐的工況相對于支腿支撐的工況，實側值和理論對比差距更大。在輪胎支撐時，帶載后，因為重心偏離車輛的縱向或橫向中心，會導致重心偏向側的輪胎受壓較大，產(chǎn)生更大的變形，輪胎的不同變形量導致車輛相對水平地面產(chǎn)生額外的傾斜角度，也會影響整機的穩(wěn)定性起升性能。在后續(xù)的計算模型中，考慮了輪胎變形對整機姿態(tài)的影響，進行了計算矯正。

在大臂伸出較長的情況下，臂會產(chǎn)生一定的下?lián)狭浚部赡軙Ψ€(wěn)定性造成不良影響，在后續(xù)的理論計算中，增加了相關的影響系數(shù)，以減少理論計算和實際測試的差距。測試樣機的調試過程中，也需采取一定的措施來控制變形量以降低對設備實際起升能力的影響。

5 結論

通過以上穩(wěn)定性理論計算方法，計算出伸縮臂叉裝車的理論載荷性能表，再通過試驗驗證和結果對比分析，對計算模型不斷優(yōu)化矯正，最終可以建立一套貼近實際試驗工況的計算方法；可在此理論基礎上結合程序設計，快速生成理論的作業(yè)載荷性能表和初步的作業(yè)載荷分布圖，并對后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)提供計算依據(jù)和指導參照。

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