基于ADAMS的穿梭車曲線通過性能研究

黃金鳳，衡智博

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省工業(yè)機器人產業(yè)技術研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

復雜路徑轉運穿梭車是物料運輸交換所使用的關鍵設備之一，該設備的可用性決定著生產線能否正常運轉。軌道穿梭車運行速度快并且可以進行高密度作業(yè)，但是當穿梭車以較快速度在小半徑彎道行駛時，由于向心力的作用會使其存在傾翻或者脫軌的危險。現(xiàn)有的穿梭車大多采用子母軌道或者大半徑過彎的方式，這樣會使得系統(tǒng)結構比較復雜且不能適用于某些小型場地[1，2]。所以要針對不同的工作場合和功能需求，在已有機械結構的基礎上進一步改進和優(yōu)化，對穿梭車的結構設計進行深入研究，設計出適用范圍更廣、性能更突出、生產效率更高的穿梭車[3]。

本文簡要分析小過彎半徑穿梭車對軌道的適應性，采用建立三維模型、重要參數(shù)的理論計算和動力學仿真分析的方式進行最小半徑曲線上車輛通過性能的研究，利用ADAMS便捷的參數(shù)化設計功能進行運動學仿真。根據(jù)仿真的計算結果，分析車輛的動力學性能以及尋求改善其性能的方法，為工業(yè)穿梭車過彎結構設計提供參考[4-6]。

1 穿梭車結構分析及三維模型的建立

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

圖1 穿梭車轉運裝置整體結構 圖2 導向裝置結構

根據(jù)現(xiàn)場實際工況來確定轉運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行設計然后再進行組裝和配合，盡量選用標準件方便維修和替換，所設計的穿梭車結構簡單且采用模塊化設計，很大程度上降低了故障率和維修難度。

2 理論分析

2.1 導向裝置的驅動力矩

穿梭車在彎道行駛過程中，隨著速度的變化會產生不同的慣性力和離心力，因此穿梭車的導向輪與軌道側面將會產生擠壓碰撞，導向裝置會受到一個能夠使小車轉彎的反向力，這個力將在車體形成一個使得穿梭車橫向搖頭轉向的力矩Md，具體表示為：

Md=(Fd2+Fd3-Fd1-Fd4)·L/2.

(1)

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

2.2 防傾覆系數(shù)及過彎穩(wěn)定性

當穿梭車在較大速度條件下通過小半徑彎道時，會受到較大的離心力作用，這時導向輪會不同程度地受到一些突然變化的力的影響，使車輛轉彎時產生震動，從而影響穿梭車的工作穩(wěn)定性。

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

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

(2)

其中：Fw為過彎時外側主動輪和從動輪所受垂向力；Fn為過彎時內側主動輪和從動輪所受垂向力。

由公式(2)可以看出，當某一側主動輪和從動輪所受到的垂向力等于零，此時所在側的車輪可以認為已經不與軌道表面接觸，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時才能使穿梭車保持正常工作狀態(tài)。

3 動力學模型的建立

利用ADAMS/View軟件建立小過彎半徑下的穿梭車動力學模型。因為動力學仿真實際上是對構件之間的相互作用關系和受力進行仿真，對構件的幾何外形沒有嚴格要求，所以要對建立的三維模型進行合理的抽象、簡化，并等效成只考慮導向輪、車體和軌道間相互作用的穿梭車物理模型。根據(jù)生產要求對參數(shù)進行設定，穿梭車運行速度為0.5 m/s～1.0 m/s，最大拖動功率為500 W，整車重量為150 kg，左轉彎半徑為1.0 m，減震彈簧預緊力為100 N，軌道寬度為490 mm，行走輪間距為422 mm，車長度為692 mm，兩側導向輪中心距為306 mm，前后導向輪中心距為594 mm。穿梭車主要材料為S30408不銹鋼，設定密度為7 930 kg/m3。

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

4 車輛曲線通過時的受力仿真分析

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

圖3 扭轉彈簧形變角度隨時間的變化

圖4 走行輪所受垂向力隨時間的變化

圖5 穿梭車彎道行駛時角速度隨時間的變化

圖6 曲線通過時穿梭車的受力狀態(tài)

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

由圖4可知：當穿梭車在小半徑軌道過彎時，內側行走輪所受垂向力先增大后減小，說明穿梭車過彎時，內側行走輪所受載荷增加明顯。分別讀取內側走行輪垂向力和外側走行輪垂向力數(shù)據(jù)，經公式(2)計算得M=0.2<0.8，說明車輛以設定參數(shù)行駛時具有一定的抗傾覆穩(wěn)定性。

由圖5可知：直道運行時，車體角速度等于零；進入彎道后，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；重新進入直道后，車體角速度又恢復到之前水平。穿梭車在彎道行駛時，角速度會存在突變和波動，需要通過對過彎速度的控制以及對彎道參數(shù)的進一步調節(jié)，將其控制在合理范圍內。

5 結語

利用ADAMS仿真軟件對穿梭車結構中各部分受力情況進行分析，得到了一系列具體的指標和重要影響因素，明確了穿梭車各構件的受力情況及其對整車轉彎過程的影響，可以為不同工況下穿梭車的參數(shù)化設計提供依據(jù)。