基于ADAMS的穿梭車曲線通過(guò)性能研究

黃金鳳，衡智博

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

復(fù)雜路徑轉(zhuǎn)運(yùn)穿梭車是物料運(yùn)輸交換所使用的關(guān)鍵設(shè)備之一，該設(shè)備的可用性決定著生產(chǎn)線能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。軌道穿梭車運(yùn)行速度快并且可以進(jìn)行高密度作業(yè)，但是當(dāng)穿梭車以較快速度在小半徑彎道行駛時(shí)，由于向心力的作用會(huì)使其存在傾翻或者脫軌的危險(xiǎn)?，F(xiàn)有的穿梭車大多采用子母軌道或者大半徑過(guò)彎的方式，這樣會(huì)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且不能適用于某些小型場(chǎng)地[1，2]。所以要針對(duì)不同的工作場(chǎng)合和功能需求，在已有機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，對(duì)穿梭車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)出適用范圍更廣、性能更突出、生產(chǎn)效率更高的穿梭車[3]。

本文簡(jiǎn)要分析小過(guò)彎半徑穿梭車對(duì)軌道的適應(yīng)性，采用建立三維模型、重要參數(shù)的理論計(jì)算和動(dòng)力學(xué)仿真分析的方式進(jìn)行最小半徑曲線上車輛通過(guò)性能的研究，利用ADAMS便捷的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。根據(jù)仿真的計(jì)算結(jié)果，分析車輛的動(dòng)力學(xué)性能以及尋求改善其性能的方法，為工業(yè)穿梭車過(guò)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考[4-6]。

1 穿梭車結(jié)構(gòu)分析及三維模型的建立

穿梭車轉(zhuǎn)運(yùn)裝置包括轉(zhuǎn)運(yùn)小車和轉(zhuǎn)運(yùn)軌道兩部分。轉(zhuǎn)運(yùn)小車由導(dǎo)向裝置、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、防傾翻輪、電機(jī)、差速器以及車體組成。軌道由彎道、直道、氣密性封閉外殼、轉(zhuǎn)運(yùn)站、維修站以及各種傳感器組成。穿梭車轉(zhuǎn)運(yùn)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。軌道采用雙軌C型軌道，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪均在軌道表面行駛，導(dǎo)向輪和防傾翻輪緊貼軌道側(cè)壁起到良好的導(dǎo)向作用，防傾翻輪正常工作狀態(tài)下不受力。該結(jié)構(gòu)可以在發(fā)生危險(xiǎn)的情況下確保穿梭車按照設(shè)計(jì)的彎道行走自如[7-9]。

圖1 穿梭車轉(zhuǎn)運(yùn)裝置整體結(jié)構(gòu) 圖2 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況來(lái)確定轉(zhuǎn)運(yùn)車各部分的具體參數(shù)，先按照不同功能將穿梭車分為不同的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)然后再進(jìn)行組裝和配合，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件方便維修和替換，所設(shè)計(jì)的穿梭車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且采用模塊化設(shè)計(jì)，很大程度上降低了故障率和維修難度。

2 理論分析

2.1 導(dǎo)向裝置的驅(qū)動(dòng)力矩

穿梭車在彎道行駛過(guò)程中，隨著速度的變化會(huì)產(chǎn)生不同的慣性力和離心力，因此穿梭車的導(dǎo)向輪與軌道側(cè)面將會(huì)產(chǎn)生擠壓碰撞，導(dǎo)向裝置會(huì)受到一個(gè)能夠使小車轉(zhuǎn)彎的反向力，這個(gè)力將在車體形成一個(gè)使得穿梭車橫向搖頭轉(zhuǎn)向的力矩Md，具體表示為：

Md=(Fd2+Fd3-Fd1-Fd4)·L/2.

(1)

其中：L為兩側(cè)導(dǎo)向輪中心距；Fd1為車頭左側(cè)導(dǎo)向輪所受徑向力；Fd2為車頭右側(cè)導(dǎo)向輪所受徑向力；Fd3為車尾左側(cè)導(dǎo)向輪所受徑向力；Fd4為車尾右側(cè)導(dǎo)向輪所受徑向力。

2.2 防傾覆系數(shù)及過(guò)彎穩(wěn)定性

當(dāng)穿梭車在較大速度條件下通過(guò)小半徑彎道時(shí)，會(huì)受到較大的離心力作用，這時(shí)導(dǎo)向輪會(huì)不同程度地受到一些突然變化的力的影響，使車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)，從而影響穿梭車的工作穩(wěn)定性。

雖然設(shè)計(jì)有防傾翻裝置，但是要使得穿梭車能夠在正常工作狀態(tài)下順利過(guò)彎，還是要對(duì)其進(jìn)行防傾翻受力分析，從而得出一個(gè)安全且合理的過(guò)彎速度范圍，保障生產(chǎn)安全性。影響車體傾翻的因素主要是主動(dòng)輪和從動(dòng)輪行駛過(guò)程中所受到的垂向力，這里將主要對(duì)其進(jìn)行分析，得到一個(gè)可以作為設(shè)計(jì)參考的系數(shù)指標(biāo)。定義防傾覆系數(shù)M為：

M=(Fw-Fn)/(Fw+Fn).

(2)

其中：Fw為過(guò)彎時(shí)外側(cè)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪所受垂向力；Fn為過(guò)彎時(shí)內(nèi)側(cè)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪所受垂向力。

由公式(2)可以看出，當(dāng)某一側(cè)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪所受到的垂向力等于零，此時(shí)所在側(cè)的車輪可以認(rèn)為已經(jīng)不與軌道表面接觸，可以判定為脫軌，在這種工作速度下是非常不安全的。定義防傾覆系數(shù)小于等于0.8時(shí)才能使穿梭車保持正常工作狀態(tài)。

3 動(dòng)力學(xué)模型的建立

利用ADAMS/View軟件建立小過(guò)彎半徑下的穿梭車動(dòng)力學(xué)模型。因?yàn)閯?dòng)力學(xué)仿真實(shí)際上是對(duì)構(gòu)件之間的相互作用關(guān)系和受力進(jìn)行仿真，對(duì)構(gòu)件的幾何外形沒(méi)有嚴(yán)格要求，所以要對(duì)建立的三維模型進(jìn)行合理的抽象、簡(jiǎn)化，并等效成只考慮導(dǎo)向輪、車體和軌道間相互作用的穿梭車物理模型。根據(jù)生產(chǎn)要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，穿梭車運(yùn)行速度為0.5 m/s～1.0 m/s，最大拖動(dòng)功率為500 W，整車重量為150 kg，左轉(zhuǎn)彎半徑為1.0 m，減震彈簧預(yù)緊力為100 N，軌道寬度為490 mm，行走輪間距為422 mm，車長(zhǎng)度為692 mm，兩側(cè)導(dǎo)向輪中心距為306 mm，前后導(dǎo)向輪中心距為594 mm。穿梭車主要材料為S30408不銹鋼，設(shè)定密度為7 930 kg/m3。

作用力參數(shù)可以通過(guò)設(shè)定穿梭車行駛過(guò)程中的速度和加速度仿真得到，下面主要對(duì)輪軌之間的作用力和車輛行駛過(guò)程中的角速度進(jìn)行分析討論。

4 車輛曲線通過(guò)時(shí)的受力仿真分析

穿梭車曲線通過(guò)性能的好壞主要由穿梭車4個(gè)行走輪和周圍導(dǎo)向裝置的受力決定。本文針對(duì)穿梭車的導(dǎo)向輪、車體和走行輪進(jìn)行仿真分析。由于穿梭車在彎道行駛過(guò)程中導(dǎo)向輪受力大小變化幅度比較大且不易觀察，模型中將導(dǎo)向輪和車體之間用扭轉(zhuǎn)彈簧連接，通過(guò)彈簧形變角度分析導(dǎo)向輪受力變化情況。仿真得到了穿梭車經(jīng)過(guò)彎道時(shí)導(dǎo)向輪所連接的扭轉(zhuǎn)彈簧形變角度、走行輪所受垂向力以及穿梭車在彎道行駛時(shí)角速度隨時(shí)間變化的曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)彈簧形變角度隨時(shí)間的變化

圖4 走行輪所受垂向力隨時(shí)間的變化

圖5 穿梭車彎道行駛時(shí)角速度隨時(shí)間的變化

圖6 曲線通過(guò)時(shí)穿梭車的受力狀態(tài)

由圖3可知：當(dāng)穿梭車在直線行駛的狀態(tài)下導(dǎo)向輪所受力矩較小，并保持恒定；當(dāng)穿梭車進(jìn)入彎道后，導(dǎo)向輪所受力矩先增大后減小，內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)向輪受力大小的差值保持恒定，說(shuō)明穿梭車行駛過(guò)程較為平穩(wěn)；穿梭車在彎道行駛過(guò)程中前面兩個(gè)導(dǎo)向輪受力之和小于后面兩個(gè)導(dǎo)向輪受力之和，說(shuō)明在彎道行駛過(guò)程中后面兩個(gè)導(dǎo)向輪承擔(dān)了更多的轉(zhuǎn)向作用，右后導(dǎo)向輪和左前導(dǎo)向輪受力的變化響應(yīng)時(shí)間快于左后導(dǎo)向輪和右前導(dǎo)向輪，在進(jìn)入彎道的過(guò)程中右后導(dǎo)向輪和左前導(dǎo)向輪首先接觸彎道，并提供穿梭車轉(zhuǎn)彎所需轉(zhuǎn)向力矩；在離開彎道的過(guò)程中，左后導(dǎo)向輪和右前導(dǎo)向輪最后離開彎道，并提供穿梭車轉(zhuǎn)彎所需轉(zhuǎn)向力矩。通過(guò)觀察4個(gè)導(dǎo)向輪的受力變化和互相之間的受力大小差值，結(jié)合公式(1)中4個(gè)導(dǎo)向輪受到的力與穿梭車整體受到的扭矩之間的關(guān)系可知，4個(gè)導(dǎo)向輪受到的力會(huì)在車體上形成一個(gè)搖頭力矩，促使穿梭車能夠順利過(guò)彎，具體受力狀態(tài)如圖6所示。

由圖4可知：當(dāng)穿梭車在小半徑軌道過(guò)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)行走輪所受垂向力先增大后減小，說(shuō)明穿梭車過(guò)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)行走輪所受載荷增加明顯。分別讀取內(nèi)側(cè)走行輪垂向力和外側(cè)走行輪垂向力數(shù)據(jù)，經(jīng)公式(2)計(jì)算得M=0.2<0.8，說(shuō)明車輛以設(shè)定參數(shù)行駛時(shí)具有一定的抗傾覆穩(wěn)定性。

由圖5可知：直道運(yùn)行時(shí)，車體角速度等于零；進(jìn)入彎道后，在軌道曲率變化的作用下，角速度突然增大并保持在一定范圍波動(dòng)；重新進(jìn)入直道后，車體角速度又恢復(fù)到之前水平。穿梭車在彎道行駛時(shí)，角速度會(huì)存在突變和波動(dòng)，需要通過(guò)對(duì)過(guò)彎速度的控制以及對(duì)彎道參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，將其控制在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用ADAMS仿真軟件對(duì)穿梭車結(jié)構(gòu)中各部分受力情況進(jìn)行分析，得到了一系列具體的指標(biāo)和重要影響因素，明確了穿梭車各構(gòu)件的受力情況及其對(duì)整車轉(zhuǎn)彎過(guò)程的影響，可以為不同工況下穿梭車的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。