伸缩臂叉车货叉调平机构的优化 段全军 李元松 金汝灯 方晓晖 １杭州叉车门架有限公司 杭州 ３１１３００ ２浙江杭叉工程机械集团股份有限公司 杭州 ３１１３００ 摘要：对从欧洲引进的伸缩臂叉车的货叉调平角度进行了实际测量，发现其调平角度变化幅度过大，通 过单目标、全变量的设计研究和优化设计，使货叉调平角度变化幅度最大理论值减小了８２．７％，选择其中２个 变量进行优化，其目标理论值减小５９．４１％，实测值减小５４．８４％。 关键词：伸缩臂叉车；货叉调平；设计研究；优化设计 中图分类号：ＴＨ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１２）０１—００５９—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｔｕａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｋ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ—ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｅｌｅｈａｎｄｌｅｒ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｒａｎｇｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｇｒｅａｔｌｙ．Ｓｉｎｇｌｅ・ｏｂｊｅｃｔ ａｎｄ ａｌｌ－ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｈａｎ－ ｇｉｎｇ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｂｙ ８２．７％．Ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｔｗｏ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｒｅ— ｄｕｅｅｄ ｂｙ ５９．４１％ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ５４．８４％． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｌｅｈａｎｄｌｅｒ；ｆｏｒｋ ｌｅｖｅｌｉｎｇ；ｄｅｓｉｎｇ ｓｔｕｄｙ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ０引言 １结构及原理 伸缩臂叉车结合了汽车起重机的伸缩臂结构 伸缩臂叉车货叉调平机构组成如图２所示。 和叉车的装卸功能，能远距离完成叉装、装卸、 调平机构由伸缩臂ＣＰＮ（ 为其上一点）、举升缸 掏箱、上下及前后举升、高空作业等功能，具有 ＡＢ、随动缸ＯＢ、货叉倾翻缸ＰＭ、叉架体及货叉 很强的适用性。该车主要通过伸缩臂的上下举升、 组件ＮＭＸ组成。其中点Ａ、Ｏ、Ｃ分别为举升缸缸 货叉的前后倾翻和内臂的前后运动实现多轴运动。 筒、随动缸缸筒和伸缩臂与车架的铰点，点Ｂ为 在伸缩臂的上下举升过程中，前端货叉的水平角 举升缸活塞杆和随动缸活塞杆与伸缩臂的铰点， 度会发生改变，一般通过设置调平机构自动调整 点Ｐ为倾翻缸缸筒与伸缩臂的铰点，点 为倾翻 角度，防止货物意外滑落。 缸活塞杆与叉架体的铰点，点Ⅳ为叉架体与伸缩 公司从欧洲引进某款伸缩臂叉车并对其进行 臂的铰点。 国产化设计和生产。在对引进样机进行参数检测 Ｐ 时，发现在起升过程中货叉的水平角度变化较大， 如图１所示，其最大值（２．８。）与最小值 Ｃ （一０．３。）的差达３．１。。 图２伸缩臂及调平机构示意图 艇 睡 自动调平原理：举升缸ＡＢ举升时（伸缩臂顺 时针转动），ＡＢ在绕Ａ点转动的同时， 点随举 升缸的活塞杆沿ＡＢ向外运动，且曰点沿以Ｃ为原 点、ＢＣ为半径的圆弧运动；此时随动缸ＯＢ绕Ｄ 测试点 点转动的同时，活塞杆被拉长；随动缸ＯＢ有杆腔 ’图１ 引进样机货叉调平角度测试 和无杆腔分别与倾翻缸ＰＭ的有杆腔和无杆腔通过 《起重运输机械》 ２０１２（１） 一５９— 相连，随动缸ＯＢ有杆腔的液压油被压入倾翻 缸ＰＭ的有杆腔，倾翻缸受压回缩，带动货叉架及 确定）。 货叉绕Ⅳ点逆时针转动，使货叉前倾（此时，倾 翻缸无杆腔内的液压油受压进入随动缸的无杆 ２力学建模 由于所研究问题只涉及到伸缩臂的运动学分 析而不涉及动力学分析，各部件的几何形状、质 心位置等对仿真结果没有实质影响，所以可以直 接以刚体（如连杆）简单建模，忽略各铰接点的 干涉、摩擦力等因素。 ２．１创建设计变量 腔）。举升缸下降时（伸缩臂逆时针转动）各液压 缸及调节方向相反。 货叉调平过程中货叉在随伸缩臂一起绕Ｃ点 旋转的同时 自身还因倾翻缸ＰＭ的作用而绕Ⅳ点 旋转；而曰点在绕ｃ点定半径旋转的同时，还随 举升缸ＡＢ做轴向运动，三角形ＰＭＮ本身还绕Ｃ 点旋转，因此，货叉调平过程不仅仅是２个三角 根据伸缩臂及调平机构样机的初始尺寸，以Ｃ 点为坐标原点，水平右向为 轴正向，竖直向上 形边长和自身角度问题（文献［１］中只考虑了２ 个三角形，而且对于三角形ＣＯＢ，未给出Ｂ点轨 迹的确定方法， 点轨迹实际上应由三角形ＣＢＡ 表１设变量描述 点Ｂ的 坐标 点Ｂ的Ｙ坐标 点Ａ的 坐标 点Ａ的Ｙ坐标 点Ｏ的 坐标 点Ｏ的ｙ坐标 变量代号 Ｄ¨ Ｄ Ｄ ＤＶ４ Ｄ巧 Ｄ 初值／ｍｍ 一７０４．５ 一２７．４ 一９５ —４２０ 一ｌ６４ 一１２７ 计为ｙ轴正向，建立笛卡尔坐标系。以点Ａ、Ｂ、０、 Ｐ、Ｍ、Ｎ的 、ｙ坐标为设计变量（１２设计变 量），如表１。 变量 变量代号 Ｄ Ｄ ＤＩ／９ ＤⅥ０ Ｄｎ１ Ｄｎ２ 初值／ｍｍ 一２ ３７７．４ 一１９５．１ —２ ７７８．９ —７５３．７ —２ ８６４ —５５０．７ 变量描述 点Ｐ的 坐标 点Ｐ的Ｙ坐标 点 的 坐标 点 的ｌ，坐标 点Ⅳ的 坐标 点Ⅳ的ｙ坐标 ２．２添加约束及驱动 表２中，第１２个运动副是运动副１０和运动副 １１的耦合副，模拟随动缸与倾翻缸的关联关系。 由于本机构中随动缸与倾翻缸缸径、杆径相同， 运动 作用点 副类型 转动副 Ｃ 转动副 ０ 添加运动副约束及驱动见表２。 表２运动副 序 号 １ ２ 构件１ 伸缩臂组件 随动缸缸筒 构件２ 地面 地面 所以耦合副中各移动副的关系系数分别取１和一１。 本机构添加驱动较简单，在运动副９上添加 直线运动即可。 ３确定优化目标 由于伸缩臂运动时，可能是在其中任意一点 向下或向上运动。可能出现的极限情况是，货又 ３ 举升缸缸简 地面 伸缩臂组件 伸缩臂组件 转动副 转动副 转动副 曰 ４ 举升缸活塞杆 ５ 随动缸活塞杆 ６ 倾翻缸缸筒 伸缩臂组件 转动副 Ｐ ７ 倾翻缸活塞杆 叉架体及货叉组件 转动副 Ｍ ８ 叉架体及货叉组件 ９ 举升缸活塞杆 １０ 随动缸活塞杆 １１ 倾翻缸活塞杆 １２ 一在调平角度取最大负值的点叉货，司机通过倾翻 缸人为进行调平处理，再通过举升缸把货物举升 到最高处，此时，货叉的自动调平角度偏差为最 大值。 基于以上分析，仿真中的优化目标不能设定 伸缩臂组件 举升缸缸筒 随动缸缸筒 倾翻缸缸筒 运动副１１ 转动副 Ⅳ 移动副 移动副 移动副 关联副 为调平角度的最大值，而应该是货又调平角度变 化幅度的最大值。 《起重运输机械》 ２０１２（１） 运动副１Ｏ ６０一 ４优化分析 ４．１设计研究 伸缩臂调平机构的１２个变量（因素）都可能 对优化目标有影响，故先以各点的 、ｙ值分组， 在初值的正负１０ ｍｍ实数范围内、ｌｌ水平、以货 叉调平角度变化幅度为测量对象进行设计研究。 分析各设计变量的设计敏感度（测量结果相对于 变量的变化率），见表３。 表３各设计变量对应的敏感度结果 设计变量 初值／ｍｍ 敏感度 Ｄ订 一７０４．５ ０ Ｄ 一２７．４ ０ Ｄ乃 一９５ ０．０１２ ８１９ ＤＶ４ —４２０ ０．００９ ９５６ ４ Ｄ 一１６４ ０．１２１ ２６ Ｄ 一１２７ ０．１ｌ９ ５６ Ｄ 一２ ３７７．４ ０．Ｏ０４ ５４４ ２ Ｄ １９５．１０ —０．００１ ５５８ ２ Ｄ 一２ ７７８．９ ０．０８８ ８５９ ＤⅥ０ —７５３．７ —０．１１８ ９１ Ｄ订１ —２ ８６４ —０．０９９ １６６ Ｄ订２ —５５０．７０ ０．１２２ ８０ 从表３可以看出，ＤＶ１和ＤＶ２对应的敏感度 为０，即对目标无影响；ＤＶ３、ＤＶ４、ＤＩ／７、ＤＩｅ８对 应的敏感度较小，即这４个设计变量对目标影响 较小；ＤＶ５、ＤＶ６、Ｄ１／９、ＤＶ１０、ＤＶ１１和Ｄ ２对 应的敏感度较大。所以取ＤＶ３～ＤＶ１２这１０个设计 变量作为优化设计变量。 ４．２优化设计 取ＤＶ３一ＤＶＩ２为优化设计变量，取值范围为 初值的正负１０的实数，以货叉调平角度变化幅度 最大值最小为优化目标，进行１０因素、１１水平、 有约束的单目标优化。优化前后各点取值及目标 值优化比较见表４。 ５产品改进 由于结构、产品性能参数约束、修改的 经济性等因素，不能对机构的所有设计变量进行 《起重运输机械》 ２０１２（１） 任意修改取值，可根据情况进行设计变量的取舍， 对部分变量进行优化。 根据所研究产品的结构布置、改进的性价比 等因素综合考虑，只在ＤＶ５和ＤＶ６初值的正负 １０ ｍｍ实数域对其进行优化，并对变量取值进行 调整，以适用于实际生产，优化结果见表５。 表４优化前后各点取值及目标值优化Ｅ 较 设计 优化后值 目标值／（。） 变量 初值／ｍｍ ／ｍｍ 优化前 优化后 Ｄ 一９５ —９７．９３３ ９ ＤＶ４ —４２０ —４２２．２８３ Ｄ 一１６４ —１６９．９１４ Ｄ 一１２７ —１２２．５０８ Ｄ 一２ ３７７．４ —２ ３７６．４４ １．５０１ ４８ ０．２５９ ５９９ Ｄ ｌ９５．１ １９４．７３７ ＤＩ／９ —２ ７７８．９ —２ ７７５．８６ Ｄ ０ —７５３．７ —７４７．１１４ ＤⅥ１ —２ ８６４ —２ ８６８．１ ＤⅥ２ —５５０．７ —５５６．９８７ 表５变量Ｄ 和Ｄ 优化前后的 取值及目标值优化比较 设计 初值 优化 调整后 目标值／（。） 变量 ／ｍｍ 后值 取值 ／ｍｍ ／ｍｍ 优化前 优化后 调整后 Ｄ 一１６４ —１７４ —１７４ １．５０１ ４８ Ｏ．６ｏ２ ３１８ Ｏ．６Ｏ９ ４ Ｄ 一１２７ —１２５．６６ —１２５．５ 按优化并调整后的０点的坐标值进行改进设 计并生产，达到了预期效果，其实测调平误差如 图３所示，实测变化幅度最大值为１．４。，较引进 样机的值数（３．１。）降低了５４．８４％。 １ ４ １ ２ 垂 ００．童２ 妪０ －０ ２ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ｌ１ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ ２Ｏ 测试点 图３改进后货叉调平角度测试 一６ｌ一 新型输油及贮气功能液压缸的设计 盛玉洁钟继萍王冬艳 安徽合力股份有限责任公司工业车辆安徽省重点实验室 合肥文章编号：１００１—０７８５（２０１２）Ｏ１—００６２—０２ ２３０６０１ ０概述 随着液压技术的广泛应用，对液压产品的性 由于４节门架结构需要，要求液压缸具备活 塞杆送油功能，将运动机构中的２级液压缸串联 起来。而没有送油功能的各级液压缸之间只能通 能要求越来越高，对于执行元件液压缸的功能要 求也越来越高。本文介绍一种新型液压缸，该液 压缸用于叉车的４节门架（一种起重机构）上， 是一种带有储气、输油功能的活塞液压缸，可满 过繁杂的接头、并联起来，同时这些液压缸 间的又必须通过滑轮机构才能运动，占用大 量的空间，导致４节门架的起重机构结构庞大复 杂，也增加了油路的压力损失，降低了机构效率， 采用具备活塞杆送油功能的液压缸可解决上述 弊端。 足４节门架的结构需求。 目前叉车上普遍采用的液压缸的结构特点： 具有送油功能的液压缸不具备贮气功能，而具备 贮气功能的液压缸没有送油功能。送油液压缸不 １液压缸的结构特点 液压缸结构如图１，活塞杆１由连接杆１２、 具备贮气功能，意味着该液压缸必须采用柱塞式 液压缸或活塞缸上腔带有回的。 外活塞杆１５、活塞杆空心心轴ｌ６、活塞组件 （活塞２Ｏ和单向阀２１）、密封圈１３、密封圈１４、 密封圈１８、挡片１７、钢丝挡圈１９组成，其中活 塞组件和活塞杆１通过钢丝挡圈１９连接在一起， 柱塞式液压缸的缺点：有效作用面积小，缸 径大，占用空间大，浪费材料；液压缸上腔有压 力油，柱塞杆处易漏油。带有回的活塞缸的 缺点：回占用空间，不美观，同时潮湿的外 连接杆１２、外活塞杆ｌ５、活塞杆空心心轴１６之 间通过密封件形成２个的空间，活塞组件内 部空气可通过回进入液压缸上腔，腐蚀缸筒 内壁和活塞杆。 安装单向阀２１。缸体８由缸筒２２和缸底２３焊接 参考文献 ６结论 建立了伸缩臂及其货叉调平机构的结构和力 学模型，对伸缩臂举升过程进行了仿真。进行了 以各点坐标值为设计变量、以货叉调平角度变化 ［１］马振书，穆希辉，罗磊．伸缩臂叉车货叉调平设计及 误差分析［Ｊ］．叉车技术，２００５（４）． ［２］祝效华，廖伟志，黄永安，等．ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＦＤ／ＶＰＴ／ ＳＣ软件协作技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出版 社，２００４． 幅度最大值最小为优化目标的设计研究和目标优 化，理论目标值由优化前的１．５０１ ４８。变为 ［３］任露泉．试验设计及其优化［Ｍ］．北京：科学出版 社，２００９． ０．２５９ ５９９。，减小８２．７％；选择其中２个变量进行 优化，目标理论值由优化前的１．５０１ ４８。变为 ０．６０９ ４。，减小５９．４１％；实测目标值由优化前的 ３．１。变为１．４。，减小了５４．８４％。 一作 地 邮 者：段全军 址：浙江杭州临安经济开发区东环路８８号杭叉门架 编：３１１１００ 收稿日期：２０１１—０７—１５ ６２一 《起重运输机械》 ２０１２（１）
