平衡重式叉车稳定性研究

摘要：本文根据特征矢量法对平衡重式叉车的横向稳定性和纵向稳定性进行了统一的研究，通过分析失稳特征和失稳时的各轮受力与变形，确定了失稳坡度角与方位角、轮胎变形之间的关系，在此基础上建立了统一的失稳坡度角，随着方位角的变化的关系式和静态稳定区域图，并通过实例作稳定性分析。

关键词：平衡重式叉车 静态稳定性 特征矢量法

1.前言

随着专业化、多品种自动仓储系统和大型超市的纷纷建立，使得平衡重式叉车有了用武之地。由于平衡重式叉车在工作的过程中，具有转向机动性高、装载高度低、适用于越野路面和窄巷道、以及运输成本低等特点，因此被广泛的应用。但由于平衡重式叉车前后车体相对独立，其稳定性不足，在工程作业的过程中，特别是在斜坡上，经常发生翻车事故，所以稳定性分析对于平衡重式叉车来说，是非常重要的设计步骤。

2.车辆稳定性分析的常用手段

国外学者很早就开始对叉车的稳定性进行研究了，以便尽早的找出影响叉车稳定性的因素。为了检测叉车的稳定性，许多国家研制了专门的倾翻平台，并制定了相应的检测标准。国内学者从20世纪80年代开始对叉车的稳定性进行研究，摸清了平衡重式叉车的失稳机理，统一了认识，提出了以失稳坡度角来评价叉车稳定性的好坏。一般对叉车的稳定性分析从静态、准静态和动态三个角度进行，本文只从静态的角度对叉车的稳定性进行分析。

目前，对叉车的稳定性进行分析的方法主要有：力矩平衡法、翻转角法、倾斜平台实验法，但是这些方法都只针对平衡重式叉车在斜坡上某一特定的停机位置，无法得出叉车在任意停机位置时的失稳坡度角。针对这种情况，我国学者研究出了采用特征矢量法分析平衡重式叉车的稳定。当叉车发生侧翻时，重心和倾翻轴处在的平面恰好处于竖直状态，对应的特征矢量处于水平状态，在建立适当的坐标系后，根据特征矢量从初始状态到水平状态转过的角度，就可知叉车的失稳坡度角。

本文采用特征矢量法理论分析了某铰接式叉车的稳定性，并用倾斜平台实验法进行了验证。

3.叉车静态稳定性分析

首先对平衡重式叉车进行简单的布置，然后以后桥摆动中心O为原点，建立直角坐标系。根据叉车的各项参数，可以计算出整车和整车除后桥外的重心位置，平衡重式叉车的重心位置会随着转向角的变化而改变。为研究其静态稳定性，固定该叉车的转向角为右转30。

无论是一级失稳还是二级失稳，都可以用失稳坡度角来评价其稳定性。为了描述车辆在斜坡上的不同停机位置，引人方位角度的概念，其正负取值规定如下：以衔接车辆后桥中心连线的右侧为基准，梯度线在其逆时针方向时，右侧为正，反之则为负。

平衡重式叉车的稳定性按失稳方向分为纵向稳定性和横向稳定性。对于横向一级稳定性，其倾翻轴为一空间斜轴，是通过一个前轮接地点与后桥摆动中心相连的；至于横向二级稳定性，其倾翻轴是通过左（右）侧两车轮接地点与后桥摆动中心相连的。叉车发生横向一级失稳时表现为，除后桥外的其他车体部分倾斜，直到摆动桥上二个限位块相碰为止。在这个过程中，后桥没有发生侧倾，决定本叉车稳定性的是除后桥外的重心位置。根据稳定性理论的研究，平衡重式叉车发生横向一级失稳后，极有可能继续发生横向二级失稳，或者是向后的纵向失稳。发生横向二级失稳时表现为，车辆作为一个整体，以二个车轮接地点为轴而发生侧翻。在不同的方位角范围内，平衡重式叉车发生失稳的形式不同，特征矢量也不同。存在着这样的四个临界方位角，当坡度增加时，可使相邻的二个特征矢量同时为水平矢量，此时平衡重式叉车同时产生横向一级失稳和纵向一级失稳，包括向前和向右同时失稳的方位角、向前和向左同时失稳的方位角、向后和向右同时失稳的方位角以及向后和向左同时失稳的方位角。

在转向角和方位角都已知的情况下，可以确定重心及倾翻轴的坐标，计算出该状态下的失稳坡度角。以连接重心与倾翻轴的平面为特征面，其法向量为特征矢量，当车辆恰好失稳向右侧翻时，法向量与其水平投影之间的夹角仪即为失稳坡度角。

对于某个确定的转向角，当转向角在0～1800范围内发生变化时，将该叉车的各项参数带入相应的关系式，可以得到静态的一级稳定区域图。若平衡重式叉车，以方位角度停在坡度角为仪的斜坡上，则首先在相应的坐标之中描出点P，若点P在封闭曲线的内部，则平衡重式叉车处于稳定状态；若点P在封闭曲线的外部，则平衡重式叉车处于不稳定的状态。从相关的实践之中可以看出，当平衡重式叉车处于空载状态时，它的纵向失稳坡度角将大于横向失稳坡度角，从而可知叉车的纵向稳定性比横向稳定性高；当平衡重式叉车满载时，由于它的重心前移，导致向前的失稳坡度角大幅度减小，使得其稳定性变差。

平衡重式叉车二级失稳的机理与一级失稳一样，可以参考一级失稳的方法，推导出二级失稳坡度角与方位角的关系，得到静态二级稳定区域图。在得到静态二级稳定区域图时，在对各项参数值进行确定之前需要注意，平衡重式叉车在发生二级失稳时，向左、向右的横向二级失稳以及向后的纵向二级失稳的车体倾翻方向不同，会导致重心位置不同，从而重心和倾翻轴处在平面也就不会相同，因此对于这些都需要分别计算。

特征矢量法的特点是能够构建方位角和失稳坡度角之间的关系，在任意方位角和坡度角已知的情况下，都可以判断平衡重式叉车是否处于稳定状态。结合这一特点，利用倾斜平台实验法对理论分析结果进行检验。

从00开始，以600为阶跃，测量6个方位角的叉车失稳坡度角，将得出的数据描绘在一级稳定区域图内，可以与理论值进行对比。

上述多个实验证明，实验数据与理论数据基本上是一致的，可知采用特征矢量法对平衡重式叉车进行稳定性分析，结果是非常可靠的。

4.结论

4.1.本文通过特征矢量法对某平衡重式叉车进行了静态稳定性分析，并通过倾斜平台实验法证实了该方法的有效性。

4.2.由静态稳定区域图可知，平衡重式叉车的横向稳定性不如纵向稳定性好；满载时向前的纵向稳定性不如向后的好。鉴于此，驾驶员在坡道作业时，应尽量保持车尾朝向坡底。

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