基于Adams的駝峰解體自動摘鉤裝置運(yùn)動軌跡與仿真

王戰(zhàn)中，趙 賽，劉超穎，楊長建，熊 蒙

（石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043）

0 引言

隨著我國編組站駝峰自動化進(jìn)程的飛速提升，駝峰解體自動摘鉤越來越引起專家學(xué)者的重視[1]。之所以自動摘鉤會成為制約駝峰自動化乃至編組站全面自動化的瓶頸，主要原因如下：

1）待摘車鉤為移動目標(biāo)，定位困難；

2）摘鉤環(huán)境復(fù)雜，工況條件惡劣；

3）待解列車車型多樣化，造成摘鉤點(diǎn)難以控制。

上述原因決定了自動摘鉤實(shí)現(xiàn)的難易程度。本文結(jié)合人工摘鉤的動作過程，設(shè)計(jì)出一種懸掛式駝峰自動摘鉤裝置，并應(yīng)用Adams軟件對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真。

1 駝峰自動摘鉤裝置工作原理

1.1 駝峰自動摘鉤裝置簡介

該駝峰自動摘鉤裝置結(jié)構(gòu)是根據(jù)工廠車間橋式起重機(jī)的布局方案而設(shè)計(jì)[2]，裝置支架4橫架于貨車上空，由于其末端執(zhí)行器懸垂而下，故稱該裝置為懸掛式自動摘鉤裝置。在高架上鋪設(shè)行走軌道，懸掛的自動摘鉤裝置在軌道上行走，行走軌道分布在列車兩側(cè)。其特點(diǎn)是該裝置充分利用了駝峰的空間，縮小了地面占用量，受地形影響小。主體結(jié)構(gòu)分為行走系統(tǒng)和摘鉤系統(tǒng)兩部分，采用電液混合的工作方式。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動摘鉤裝置

1.2 自動摘鉤裝置的作業(yè)過程

自動摘鉤裝置的作業(yè)過程分為五個(gè)步驟。

第一步，自動摘鉤裝置接收到摘鉤命令后，電機(jī)驅(qū)動行走系統(tǒng)開始定位摘鉤點(diǎn)，直至摘鉤裝置與待編車鉤達(dá)到同步；第二步，液壓缸的三節(jié)套筒開始以一定的速度下降，直到安裝在裝置端部的電磁機(jī)構(gòu)上的傳感器接觸到改進(jìn)后的車鉤后，停止向下運(yùn)動；第三步，電磁機(jī)構(gòu)吸附車鉤上鉤銷，隨即液壓缸開始做向上提拉動作，完成摘鉤作業(yè)；第四步，電磁機(jī)構(gòu)保持吸附直至達(dá)到分鉤點(diǎn)后，液壓缸整體做上升運(yùn)動，與此同時(shí)完成收縮運(yùn)動；第五步，自動裝置返回初始位置，準(zhǔn)備下一鉤動作。

1.3 自動摘鉤裝置的動作分析

取自動摘鉤裝置末端執(zhí)行器的質(zhì)心作為仿真marker點(diǎn)，并繪制理論上完成一次摘鉤作業(yè)該marker點(diǎn)的軌跡圖，如圖2所示[3]。

圖2 末端執(zhí)行器質(zhì)心理論軌跡圖

圖2 中：

1）A-B段：自動摘鉤裝置追蹤定位

A點(diǎn)為自動摘鉤裝置的初始位置，初始點(diǎn)；

B點(diǎn)為自動摘鉤裝置定位車鉤并同步的位置，同步點(diǎn)；

該段為摘鉤裝置接到控制命令后，以一定的加速度精確定位到本次摘鉤的車鉤位置，并保持與車鉤相對靜止。

2）B-C段：摘鉤準(zhǔn)備

C點(diǎn)為本次摘鉤動作的起點(diǎn)，摘鉤點(diǎn)；

當(dāng)自動摘鉤裝置與車鉤相對靜止后，裝置支架部分繼續(xù)與貨車同步向前行走，與此同時(shí)伸縮油缸部分開始做摘鉤準(zhǔn)備動作，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)由末端執(zhí)行器開始摘鉤。

3）C-D段：摘鉤動作

D點(diǎn)為本次摘鉤動作的終點(diǎn)，護(hù)鉤點(diǎn)；

本階段摘鉤裝置由行走系統(tǒng)的驅(qū)動并保持與車鉤同步，再由摘鉤系統(tǒng)第一節(jié)液壓缸的拉力完成提拉動作。實(shí)際提拉距離根據(jù)車鉤的種類不同，距離會有所差別。

4）D-E段：護(hù)鉤動作

E點(diǎn)為護(hù)鉤動作的終點(diǎn)，分鉤點(diǎn)；

為了防止已經(jīng)摘解完畢的車鉤在失去拉力的瞬間產(chǎn)生沖擊，使其在自重的作用重新鎖死。故在摘鉤動作完成后，繼續(xù)對其施加拉力，即護(hù)鉤。

5）E-F段：液壓缸收縮

F點(diǎn)為裝置末端執(zhí)行器的初始位置；

本階段在完成護(hù)鉤動作后，摘鉤裝置應(yīng)迅速收縮，恢復(fù)到初始狀態(tài)。

6）F-E段：返回初始狀態(tài)

2 駝峰自動摘鉤裝置軌跡仿真

2.1 摘鉤裝置仿真模型的建立

首先用Solid Works軟件建立自動摘鉤裝置的三維模型，然后將該模型另存為*.x_t格式，并導(dǎo)入Adams環(huán)境中，依次定義每個(gè)零件的材料、顏色、屈服強(qiáng)度、泊松比等物理屬性[4]，如圖3所示。最后在各個(gè)零件之間添加相應(yīng)約束副，具體如下。

圖3 自動摘鉤裝置樣機(jī)

1）齒條與大地相接構(gòu)成固定副；

2）行走裝置采用兩個(gè)齒輪副：Gear1和Gear2，驅(qū)動為：MOTION_xingzouqd；

3）液壓缸與機(jī)架采用齒輪齒條配合：Gear4，驅(qū)動為：MOTION_yeyaqd；

4）液壓缸與活塞桿之間為移動配合分別為：Joint17、Joint18、Joint19，對應(yīng)的驅(qū)動為：MOTION_yeya43、MOTION_yeya32、MOTION_yeya21。

至此，已建立好自動摘鉤裝置的仿真模型。

2.2 Step函數(shù)的建立

根據(jù)圖2末端執(zhí)行器質(zhì)心理論軌跡圖，運(yùn)用Step函數(shù)設(shè)置各個(gè)驅(qū)動，如表1所示。

表1 自動摘鉤裝置樣機(jī)關(guān)節(jié)驅(qū)動

各個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)折線如圖4～6所示。

圖4 函數(shù)1折線圖

圖5 函數(shù)2、3、4折線圖

圖6 函數(shù)5折線圖

3 仿真分析

設(shè)定仿真時(shí)間為6s，仿真步數(shù)為1000。然后，觀察自動摘鉤裝置末端執(zhí)行器仿真運(yùn)動情況，待仿真完成，進(jìn)入adams/Postprocessor窗中調(diào)出末端執(zhí)行器質(zhì)心的軌跡圖，如圖5所示[5]。將末端執(zhí)行器質(zhì)心實(shí)際軌跡圖與理論軌跡圖進(jìn)行對比，不難看出：

1）仿真軌跡圖中0～1s代表理論軌跡圖中A-B段，即追蹤定位；

2）仿真軌跡圖中1～3s代表理論軌跡圖中B-C段，即摘鉤準(zhǔn)備；

3）仿真軌跡圖中3～3.5s代表理論軌跡圖中C-D段，即摘鉤動作；

4）仿真軌跡圖中3.5～4s代表理論軌跡圖中D-E段，即護(hù)鉤動作；

5）仿真軌跡圖中4～5s代表理論軌跡圖中E-F段，即液壓缸收縮；

6）仿真軌跡圖中5～6s代表理論軌跡圖中F-E段，即返回初始狀態(tài)。

仿真軌跡曲線與理論軌跡曲線變化趨勢相吻合。

圖7 末端執(zhí)行器質(zhì)心實(shí)際軌跡圖

4 結(jié)論

通過Adams對自動摘鉤裝置的運(yùn)動仿真，得到了其末端執(zhí)行器質(zhì)心的運(yùn)動軌跡。仿真結(jié)果顯示仿真曲線與理論曲線吻合性良好，從而可以說明自動摘鉤裝置運(yùn)動功能的可行性。另外，仿真結(jié)果為駝峰自動摘鉤裝置的控制策略提供了依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)駝峰全面自動化奠定了基礎(chǔ)，在編組站自動化改造中具有一定的參考價(jià)值。

[1] 徐為民.鐵路提鉤機(jī)器人技術(shù)的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),1992(3):32-37.

[2] 楊長葵.起重機(jī)械[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[3] 董海薇.一種新型鐵路貨車自動摘鉤系統(tǒng)模型的研制[D].北京交通大學(xué),2006.

[4] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[5] 陳德民,槐創(chuàng)鋒,張克濤.精通ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.