某型2T 叉車車架的模態分析與諧響應分析

李冠文

（1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.廣西建工集團冶金建設有限公司，廣西 柳州 545005）

叉車隨著物流不斷發展而增長，但用戶對叉車的要求越來越高，除了能滿足安全性要求，其舒適性也需要提升。傳統的內燃機存在叉車噪聲大、振動大等缺點，使得用戶使用過程中不太滿意［1］。欲解決這些問題，需要從機械振動方面對人體和車架的影響進行分析入手，振動的強度、頻率、方向和持續時間不同影響也不同［2］。對叉車的關鍵部件進行合理化設計以及分析優化，在設計階段就要對叉車的關鍵部件進行分析優化，避免共振帶來的振動問題。叉車車架作為關鍵部件之一，本文則對叉車的車架進行模態分析和諧響應分析，分析和預測車架振動情況，避免共振。

1 建 模

叉車車架主要采用邊梁式和箱式兩種結構，車架主要是通過焊接形成［3］。本文叉車車架采用UG NX 進行三維建模，如圖1 所示。

圖2 車架受力分析圖

圖1 叉車車架三維模型

2 車架基礎條件分析

在實際工作中叉車車架受力較為復雜，不同部位由于安裝的零部件不同受力也不同。如圖2 所示，受力分析過程如下［4］：

車架的前端兩塊連接板與驅動橋連接，連接板上均設置有與驅動橋螺紋連接的螺紋光孔，此部分將車輪和驅動橋所給的力傳動到車架上，如圖2 所示，兩塊連接板受外部力大小分別用N11和N12表示；

此外，在車架上還安裝有變速器和發動機，分別安裝在車架內部的中間和中后部分，給車架的重力分別用G3和G4表示，方向向下；頂部主要承載著人和座椅的重量，給車架的重力用G5表示，方向向下；護頂架安裝在車架頂部，連接點為四個，給車架的重力用G11、G12、G13、G14表示，方向均向下。

車架前端處，即車架和門架傾斜油缸鉸接的支座處，此處承載著貨物及門架重量傳來的分力及部分慣性力，給車架的拉力用T11、T12表示。車架尾端處安裝著平衡重塊，叫做平衡重安裝區域。此處主要承受由平衡重作用于其上的力和安裝于其上的護頂架及駕駛員、駕駛座傳來的部分重力，此部分給車架的重力用G6表示，方向向下。車架尾端處，即轉向橋支撐座處，此處主要承載轉向橋負載作用和轉向輪作用于其上的摩擦力作用［5］。

對于整個車架所使用的材料，本次設計車架的各個部件擬采用的材料均為Q235-A，Q235-A 的性能指標表1 所示。

表1 Q235-A 的性能指標

3 車架模態分析

3.1 模型的前置處理

在ANSYS Workbench 中建立模態分析的關系圖，即進入Mechanical 中即可建立modal 的分析，在模態分析結果創建前6 階模態分析。

3.2 模型的后處理

經過求解分析，得到前6 階模態分析變形云圖如下圖2 所示，前6 階模態分析的固有頻率如表2 所示。

圖2 前6 階模態分析結果

表2 前6 階模態分析的固有頻率

叉車工作的振動來源是發動機，發動機不同工作狀態的轉速與對應的工作頻率也不一樣。叉車所用的發動機主要為柴油機，振動相對較大，叉車用的發動機在怠速時發動機的轉速在700～780 r/min，其發出的一階振動頻率約為23～26 Hz，二階頻率約為46～52 Hz；叉車正常工作的時候發動機轉速一般為2000 r/min 上下，所以對應的發動機一階頻率約為66.7 Hz，二階干擾頻率約為133.4 Hz；叉車空載的時候能達到最大速度，對應的發動機最高工作轉速約為2400 r/min，此時對應的頻率約為為160 Hz［2］。

從模態分析的結果可以看出叉車的車架的第1 階、第2 階、第3 階、第5 階和第6 階模態的固有頻率為29.272、54.793、57.918、75.729、87.495 Hz，都跟發動機怠速運轉與正常運轉時的激勵頻率沒有重疊，發生共振可能性小。叉車車架的第4 階固有頻率為70.58 Hz 與發動機高速正常運轉的激勵頻率相近66.7 Hz，應該進行調整。此外，叉車工作過程中的頻率可能來源還有行駛過程中地面給叉車傳遞的頻率，但均產生較低的頻率，約為4～6 Hz，均與叉車叉架固有頻率相差較大［2］?？傮w來說，叉車車架的其他階次的固有頻率均無重疊或者相近的，所以發生共振現象可能性小，總體來說車架的設計是安全合理的。

4 車架的諧響應分析

在ANSYS Workbench 中建立車架諧響應分析，創建與靜力結構分析一致的約束，發動機最大速度運轉時的最大輸出頻率為160 Hz，設置諧響應分析中最小頻率0 Hz，最大頻率160 Hz，分160 步求解；在車架上安裝發動機的位置處施加激振力大小為500 N，方向為Y 方向；阻尼系數 設置為c=0.075 N·s·mm-1；最后在結果分析中添加總變形和諧響應結果，進行求解得到諧響應的結果如下圖3。

圖3 車架的諧響應分析結果

5 結 語

從圖3 的車架諧響應分析結果可知，車架出現峰值的位置頻率約為103 Hz 左右，這與車架的共振振動頻率與內燃機、叉車正常行駛的頻率錯開，所以該叉車車架的設計是安全合理的。