穿梭車道岔設(shè)計與有限元分析

文/賀燦輝

穿梭車（Rail Guided Vehicle，RGV）目前廣泛采用兩種形式：往復(fù)式和環(huán)形。對于環(huán)形穿梭車，主要問題是輸送能力有限，而且容易發(fā)生堵車現(xiàn)象。為了提高輸送效率，多采用T型軌道，這就很好地解決了輸送效率低、閉環(huán)軌道上交通堵塞的問題[1]。采用T型軌道，RGV就必須進(jìn)行換軌，這就需要設(shè)計快速可靠的換軌裝置，即：道岔。道岔是使RGV從一個線路轉(zhuǎn)換到另一個線路上的轉(zhuǎn)換裝置，道岔大體上分為三種型式：轉(zhuǎn)舌式道岔、平移式道岔、轉(zhuǎn)盤式道岔[2]。本文將采用轉(zhuǎn)盤式道岔進(jìn)行研究。

國內(nèi)外對道岔特別是穿梭車系統(tǒng)做了大量研究。劉洋對穿梭車道岔的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，他通過PLC結(jié)合DKZ控制器的共同控制，解決了RGV使用效率低和閉環(huán)軌道交通堵塞的問題[1]。陳建洪、廖永樟設(shè)計了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的遠(yuǎn)程道岔控制系統(tǒng)，有遠(yuǎn)程和現(xiàn)場兩種控制模式，當(dāng)RGV進(jìn)入道岔前一定距離內(nèi)，自動連鎖，無法遠(yuǎn)程控制道岔，當(dāng)RGV離開道岔一定距離后，自動解鎖，可以遠(yuǎn)程控制道岔[3]。

現(xiàn)有研究大多從控制的角度對穿梭車道岔進(jìn)行研究，本文則從機械設(shè)計的角度，對穿梭車道岔的設(shè)計方法和要點，以及有限元分心進(jìn)行論述和研究。

一、RGV道岔工作原理

1.轉(zhuǎn)盤式道岔的構(gòu)成

轉(zhuǎn)盤式道岔主要由工作機構(gòu)、底座和定位機構(gòu)三大部分組成，如圖1所示。工作機構(gòu)實際就是曲柄搖桿機構(gòu)，由驅(qū)動機構(gòu)（動力）、曲柄、連桿、轉(zhuǎn)盤（搖桿）等零部件組成。四根活動軌道裝在轉(zhuǎn)盤上，在活動軌道端頭正下方，均設(shè)置有腳輪，使得RGV進(jìn)入道岔時，活動軌道下沉量顯著減少。道岔直行和轉(zhuǎn)彎兩個工作位，分別設(shè)置在曲柄搖桿機構(gòu)的兩個死點位置，這樣可以極大提高道岔的定位精度。底座在轉(zhuǎn)盤的正下方，通過回轉(zhuǎn)支承與轉(zhuǎn)盤連接，起支撐作用。定位機構(gòu)有一套自動伸縮的插銷裝置，該裝置能在道岔到位后，伸出插入轉(zhuǎn)盤，防止轉(zhuǎn)盤位置發(fā)生變動。

圖1 轉(zhuǎn)盤式道岔的構(gòu)成

2.工作原理

RGV進(jìn)入T型路口時，有直行和轉(zhuǎn)彎兩種選擇，而這一功能由道岔實現(xiàn)。RGV需要直行時，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動帶動活動軌道與直行軌道對齊，如圖2.a所示；RGV需要轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動帶動活動軌道與轉(zhuǎn)彎軌道對齊，如圖2.b所示。道岔動作流程為：首先，插銷從轉(zhuǎn)盤縮回；然后，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄通過連桿帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤到達(dá)工作位后停止；最后，插銷再插入轉(zhuǎn)盤。

二、工作機構(gòu)

1.驅(qū)動機構(gòu)

驅(qū)動機構(gòu)是道岔工作的動力，由驅(qū)動底座和減速電機組成。驅(qū)動底座是焊接框架結(jié)構(gòu)，用于安裝固定減速電機。道岔基本參數(shù)，如表1所示。

有了表1中參數(shù)，結(jié)合道岔結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)和運動學(xué)原理，就可以計算出電動機的功率，選擇合適的減速電機。需要注意的是，由于曲柄搖桿機構(gòu)的特性，各時刻的瞬時功率都不一樣，本次研究采取的方法是計算工作過程的等效平均功率，根據(jù)該功率初選電機，然后校核最大功率是否滿足要求。通過選型計算，減速電機基本參數(shù)如表2所示。

表1 道岔基本參數(shù)

表2 減速電機參數(shù)

2.曲柄搖桿機構(gòu)

道岔曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計要點是將道岔的兩個工作位設(shè)計在曲柄搖桿機構(gòu)的兩個死點位置，同時滿足空間尺寸的要求。通過設(shè)計優(yōu)化，曲柄長度取300mm，連桿長度取1600mm，搖桿長度1300mm，機架即地面。該機構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。道岔在兩個工作位之間是自動切換的，該功能通過在道岔兩個工作位的曲柄所在位置各設(shè)置一個接近開關(guān)來實現(xiàn)。當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)到工作位時，接近開關(guān)會給信號到PLC，PLC就控制該機構(gòu)停止。

圖3 曲柄搖桿機構(gòu)

3.轉(zhuǎn)盤有限元分析

轉(zhuǎn)盤是焊接框架結(jié)構(gòu)，它除了實現(xiàn)道岔對位功能外，還需要承載RGV滿載的重量。由于道岔工作工況和運動形式比較簡單，故對模型簡化，進(jìn)行靜力學(xué)分析就可以滿足設(shè)計要求。

（1）直行分析

①正常工況

通過SolidWorks建立3D模型，材質(zhì)Q355B，本模型不大，采用3D實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以提高分析精度。邊界條件如圖4所示，在中間添加軸承約束和滾柱/滑桿約束，連桿連接處添加軸承約束，軌道端頭下方添加滾柱/滑桿約束，然后，給整個結(jié)構(gòu)添加自重載荷，在直行軌道一端添加載荷30000N。最后對模型進(jìn)行分析計算。

圖4 直行分析邊界條件

通過計算，道岔在直行工作位時，如圖5所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力48.5Mpa，如圖6所示，最大位移0.5mm，Q355B屈服應(yīng)力355Mpa，轉(zhuǎn)盤最大允許位移2380/1000=2.38mm，故均能滿足要求。從分析結(jié)果可以看出，直行工況，轉(zhuǎn)盤最薄環(huán)節(jié)是軌道端頭，但是應(yīng)力不大，不需特別加強。

圖5 正常直行工況轉(zhuǎn)盤應(yīng)力

圖6 正常直行工況轉(zhuǎn)盤位移

②故障工況

腳輪失效，不起作用，RGV任滿載進(jìn)入道岔，此故障情況下，轉(zhuǎn)盤受力最為惡劣。該條件下，對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行分析，此時需要取消滾柱/滑桿約束，其他約束條件和載荷與前邊“正常工況”一致。通過計算，道岔在故障直行工況時，如圖7所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力157.3Mpa，如圖8所示，最大位移2.98mm，最大應(yīng)力沒有超過Q355B的屈服應(yīng)力，故均能滿足要求，故障工況對變形不做考慮。從分析結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)盤與連桿連接的鉸點是薄弱點，但應(yīng)力不太大。

圖7 故障直行工況轉(zhuǎn)盤應(yīng)力

圖8 故障直行工況轉(zhuǎn)盤位移

（2）轉(zhuǎn)彎分析

①正常工況

轉(zhuǎn)彎分析的方法和流程跟直行分析一樣，只是邊界條件略有不同：RGV滿載載荷改到彎軌上，另外在彎軌上增加5333N的水平向心力。通過計算，道岔在轉(zhuǎn)彎工作位時，如圖9所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力138.4Mpa，如圖10所示，最大位移1.3mm，Q355B屈服應(yīng)力355Mpa，轉(zhuǎn)盤最大允許位移2380/1000=2.38mm，故均能滿足要求。從分析結(jié)果可以看出，正常轉(zhuǎn)彎工況，轉(zhuǎn)盤最薄環(huán)節(jié)是軌道端頭，設(shè)計時，軌道端頭的固定，需特別加強。

圖9 正常轉(zhuǎn)彎工況轉(zhuǎn)盤應(yīng)力

圖10 正常轉(zhuǎn)彎工況轉(zhuǎn)盤位移

②故障工況

在腳輪失效，不起作用的故障工況下，對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行轉(zhuǎn)彎分析，此時需要取消滾柱/滑桿約束，其他約束條件和載荷與前邊“正常工況”一致。通過計算，道岔在故障轉(zhuǎn)彎時，如圖11所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力230.2Mpa，如圖12所示，最大位移3mm，最大應(yīng)力沒有超過Q355B的屈服應(yīng)力，故均能滿足要求，故障工況對變形不做考慮。從分析結(jié)果可以看出，故障轉(zhuǎn)彎工況，轉(zhuǎn)盤與連桿連接的鉸點是薄弱點，此設(shè)計能滿足要求，以后設(shè)計此處需注意加強。

圖11 故障轉(zhuǎn)彎工況轉(zhuǎn)盤應(yīng)力

圖12 故障轉(zhuǎn)彎工況轉(zhuǎn)盤位移

三、底座

底座是焊接框架結(jié)構(gòu)，其作用是支撐轉(zhuǎn)盤，需承載整個道岔和RGV的重量。通過轉(zhuǎn)盤的靜力分析可以知道，轉(zhuǎn)彎工況是最惡劣的工況，故在此僅列舉底座在轉(zhuǎn)彎工況下的靜力分析結(jié)果。

1.正常工況

正常工況下，由于轉(zhuǎn)盤有腳輪支撐，不會對底座產(chǎn)生額外彎矩，該工況下，底座主要承載轉(zhuǎn)盤和RGV的重量。通過計算，正常工況下，如圖13所示，底座最大應(yīng)力85.7Mpa，如圖14所示，最大位移0.63mm，Q355B屈服應(yīng)力355Mpa，底座最大允許位移1100/1000=1.1mm，故均能滿足要求。從分析結(jié)果可以看出，正常轉(zhuǎn)彎工況，底座最薄環(huán)節(jié)是中心孔周邊面板處，但應(yīng)力不大，結(jié)構(gòu)不需特別處理。

圖13 正常轉(zhuǎn)彎工況底座應(yīng)力

圖14 正常轉(zhuǎn)彎工況底座位移

2.故障工況

在腳輪失效，不起作用的故障工況下，對底座進(jìn)行轉(zhuǎn)彎分析。通過計算，道岔在轉(zhuǎn)彎工作位時，如圖15所示，底座最大應(yīng)力196.1Mpa，如圖16所示，最大位移0.8mm，最大應(yīng)力沒有超過Q355B的屈服應(yīng)力，故均能滿足要求，故障工況對變形不做考慮。從分析結(jié)果可以看出，故障轉(zhuǎn)彎工況，底座最薄環(huán)節(jié)是中心孔周邊面板處，設(shè)計時，面板下方需增加筋板，進(jìn)行加強。

圖15 故障轉(zhuǎn)彎工況底座應(yīng)力

圖16 故障轉(zhuǎn)彎工況底座位移

四、定位機構(gòu)

定位機構(gòu)就是一套自動插銷裝置，主要作用是，防止RGV進(jìn)出道岔時，軌道對接位發(fā)生錯位。該機構(gòu)通過電動推桿或者氣缸提供動力，另外，配置伸出和縮回到位兩個接近開關(guān)，從而自動控制插銷伸出和縮回的動作。

五、結(jié)論

將穿梭車道岔應(yīng)用于環(huán)形穿梭車系統(tǒng)，能顯著提高環(huán)形穿梭車系統(tǒng)的輸送效率，緩解交通堵塞的問題。利用曲柄搖桿機構(gòu)死點的特性，將道岔的兩個工作位置設(shè)置在死點處，有效提高了道岔的定位精度，通過試驗驗證定位精度可以達(dá)到0.5mm以內(nèi)。定位機構(gòu)的設(shè)計，解決了RGV進(jìn)出道岔時，軌道對接位易發(fā)生錯位的問題。在活動軌道端頭設(shè)置腳輪，能顯著地降低RGV進(jìn)入道岔時，活動軌道下沉量。通過有限元分析，找到了轉(zhuǎn)盤和底座的薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)設(shè)計針對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強。并且對極端故障工況進(jìn)行了分析，確保極端情況下，道岔結(jié)構(gòu)也不會發(fā)生損壞。