周景成，楊建國(guó)，楊晨星

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

有軌導(dǎo)引小車又稱穿梭車，是現(xiàn)代自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的最常用的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備。它在電控系統(tǒng)控制下，通過編碼器、激光測(cè)距傳感器等地址識(shí)別方式精確定位在各個(gè)輸入、輸出工位，接受物料后進(jìn)行往復(fù)穿梭運(yùn)輸[1]。有軌導(dǎo)引車與無軌自動(dòng)引導(dǎo)車相比，具有傳輸速度快、動(dòng)態(tài)運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，能使物料在不同工位之間的傳送及輸送線布局更加迅速、緊湊、簡(jiǎn)捷，從而提高物料的輸送效率[2]，其主要應(yīng)用于等單元物料高速、高效的平面輸送自動(dòng)化物流系統(tǒng)中。

由于有軌導(dǎo)引穿梭車運(yùn)行速度越來越快，在高速運(yùn)行下，RGV的運(yùn)動(dòng)性能對(duì)RGV的安全性關(guān)系重大。所以在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)有軌導(dǎo)引小車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，檢測(cè)校驗(yàn)設(shè)計(jì)的有軌導(dǎo)引小車的運(yùn)動(dòng)性能是否合理。在制造物理樣機(jī)前，找出和發(fā)現(xiàn)潛在的問題，既縮短產(chǎn)品開發(fā)周期又降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

1 相關(guān)研究

RGV運(yùn)動(dòng)性能涉及小車自身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌平順狀況，輪軌間的相互作用力及貨架的振動(dòng)等多種因素[3]，是一個(gè)包含慣性、彈性和阻尼等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)零件多、受力復(fù)雜。由于組成穿梭車各機(jī)械系統(tǒng)(如轉(zhuǎn)向、車架、伸縮機(jī)構(gòu))之間的相互耦合，使得穿梭車的動(dòng)態(tài)特征相當(dāng)復(fù)雜。穿梭車的運(yùn)行工況也是各式各樣，在其實(shí)際工作過程中，會(huì)受來自多方面的外在激勵(lì)和內(nèi)在控制因素的影響，不同的工況下車輛各零件的空間位置及受力情況也有所變化[4]。這方面的研究很多，S.G. Lee等人對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)中有軌導(dǎo)引小車的出入庫(kù)效率進(jìn)行了仿真[2]，而對(duì)小車出入庫(kù)運(yùn)行的安全性未做考慮；胡敏，楊建國(guó)等人對(duì)RGV在直線軌道上的側(cè)偏做了原因分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[5]，而對(duì)彎道運(yùn)行情況未有涉及；程鵬等人對(duì)車輛在彎道運(yùn)行過程中的控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以增強(qiáng)車輛在彎道行駛過程中的操控性[6]，而對(duì)車輛與軌道的結(jié)構(gòu)影響未做探究；李永剛對(duì)車輛在截面為楔形的彎道上行駛時(shí)的側(cè)滑和傾覆性做了理論分析[7]，但是并未涉及運(yùn)行安全的評(píng)價(jià)方法。以上及其它文章尚未對(duì)RGV在水平彎道上的傾覆性影響因素做出理論分析與研究，更未引進(jìn)明確的評(píng)價(jià)方法。

2 RGV彎道行駛傾覆性仿真方法

RGV在彎道上行駛問題，是研究RGV運(yùn)動(dòng)性能最典型的工況之一。在對(duì)有軌導(dǎo)引穿梭車進(jìn)行彎道運(yùn)行性能分析時(shí)，對(duì)研究對(duì)象的建模、分析與求解始終是一個(gè)關(guān)鍵性問題。穿梭車本身是一個(gè)復(fù)雜的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，外界載荷的多重作用使其分析研究更為復(fù)雜。主要困難之一便是怎樣對(duì)復(fù)雜受力條件下多重自由度的分析對(duì)象有效的建立模型和求解。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使我們?cè)谔幚韽?fù)雜問題方面有了質(zhì)的飛躍?？梢暬囿w動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS可以避免建立繁瑣的動(dòng)力學(xué)微分方程，具有快速建模和仿真分析的優(yōu)勢(shì)，通過此軟件可對(duì)穿梭車進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

盡管ADAMS具有很強(qiáng)的整機(jī)性能測(cè)試與優(yōu)化功能，但是在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)運(yùn)算時(shí)，由于其只考慮零件質(zhì)心和質(zhì)量等少數(shù)幾個(gè)參數(shù)，而對(duì)零件的外形不予考慮，因此在模型中精確地描述紛繁復(fù)雜的零件外形并沒有太大的實(shí)際意義[8]。為了節(jié)省仿真建模的時(shí)間，并且保證仿真能夠順利進(jìn)行，在建立仿真模型之前要對(duì)實(shí)際三維模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

3 RGV彎道行駛傾覆性仿真模型的建立

本文將So lid Wo rks軟件設(shè)計(jì)好的三維實(shí)體模型以X-T格式導(dǎo)入ADAMS軟件中，為了縮短仿真運(yùn)行時(shí)間，針對(duì)模型仿真的目的，對(duì)有軌導(dǎo)引穿梭車的實(shí)體模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。1)簡(jiǎn)化原有造型中零部件的幾何形狀；2)省略原模型中不必要的零件；3)將多個(gè)無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件合并成單一的剛體來考慮。設(shè)計(jì)改進(jìn)前穿梭車整車參數(shù)如表1所示。簡(jiǎn)化后改進(jìn)前穿梭車模型如圖1所示。

表1 設(shè)計(jì)改進(jìn)前穿梭車整車參數(shù)

圖1 改進(jìn)前有軌導(dǎo)引穿梭車虛擬樣機(jī)模型

4 穿梭車彎道行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

4.1 仿真條件設(shè)置

為了評(píng)估穿梭車在彎道運(yùn)行方面設(shè)計(jì)的合理性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中隱藏的潛在問題，對(duì)穿梭車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。仿真條件依據(jù)穿梭車項(xiàng)目開發(fā)設(shè)定的彎道運(yùn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示和通用材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行，如表3、表4所示。導(dǎo)向輪材料為PC，輪胎材料為TPU，導(dǎo)軌材料為Q235D優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。通過觀察建立的穿梭車模型在仿真時(shí)運(yùn)行是否順利，穿梭車在高速運(yùn)行下是否會(huì)出現(xiàn)打滑、側(cè)滑、傾覆等情形。

表2 穿梭車彎道仿真運(yùn)行條件

表3 車輪與導(dǎo)軌接觸設(shè)置

表4 導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)接觸設(shè)置

4.2 傾覆性分析及評(píng)價(jià)系數(shù)

穿梭車傾覆性趨勢(shì)強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)方法有多種，有穩(wěn)定度/穩(wěn)定角法、穩(wěn)定性極坐標(biāo)圖法[9]、傾覆系數(shù)等。其中穩(wěn)定度/穩(wěn)定角法以及穩(wěn)定性極坐標(biāo)圖法只能反映穿梭車在靜態(tài)受力情況下的傾覆趨勢(shì)強(qiáng)弱，不能反映有加速度情況下的傾覆趨勢(shì)情況。因此，本文選用歐盟現(xiàn)行物流車輛標(biāo)準(zhǔn)EN 528-2008中對(duì)車輛傾覆趨勢(shì)強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)方法（如式1所示）和限定標(biāo)準(zhǔn)。

彎道運(yùn)行過程中，穿梭車受力以及相關(guān)力臂尺寸如圖2所示，具體含義與數(shù)值見表5。

圖2 穿梭車彎道運(yùn)行主視、俯視受力示意圖

表5 受力圖參數(shù)含義和相關(guān)數(shù)值

由于：

帶入計(jì)算得：

因此：

又由于：

帶入得：

同時(shí)：

綜合式(2)～式(4)可得，穿梭車將先發(fā)生側(cè)滑，隨后導(dǎo)向輪提供彎道行駛所需部分向心力。式(3)即為傾覆系數(shù)評(píng)價(jià)公式。

4.3 動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)

為了獲得合乎實(shí)際的仿真數(shù)據(jù)，運(yùn)用step函數(shù)使模型在2s內(nèi)加速到5000mm/s，輸出衡量穿梭車傾覆趨勢(shì)大小的穩(wěn)定系數(shù)變化曲線和代表車速的穿梭車質(zhì)心速度變化曲線、側(cè)向滑移曲線，用以檢驗(yàn)穿梭車運(yùn)行是否順利。穿梭車動(dòng)力學(xué)仿真得出的車速、側(cè)滑變化曲線如圖3所示，傾覆系數(shù)變化曲線如圖4所示。

圖3 穿梭車質(zhì)心速度、側(cè)向滑移變化曲線

圖4 穿梭車重心高度變化曲線

圖5 穿梭車傾覆系數(shù)變化曲線

通過圖3可以看出，穿梭車運(yùn)行速度勻速增加，2s時(shí)達(dá)到在5000mm/s左右，接近仿真設(shè)定速度，同時(shí)穿梭車在運(yùn)行之初發(fā)生了側(cè)滑，因?yàn)閷?dǎo)軌摩擦力不足以提供此時(shí)運(yùn)行所需向心力，當(dāng)滑移至導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)接觸后導(dǎo)向輪開始起導(dǎo)向作用同時(shí)提供部分向心力，此后穿梭車一直壓迫外導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)并摩擦前行。在2s左右階段，穿梭車速度曲線有波動(dòng)，是因?yàn)榇┧筌嚢l(fā)生了向外的傾覆，側(cè)移曲線以及圖4中的重心高度變化曲線在2s處的突變均驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

通過圖5可以看出，穿梭車穩(wěn)定運(yùn)行后的穩(wěn)定系數(shù)低于現(xiàn)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍，初始值很大且迅速下降是因?yàn)榇┧筌嚦跏妓俣葟牧阊杆僭黾拥脑?。從以上可以看出必須?duì)穿梭車車彎道行駛過程中的傾覆性影響因素進(jìn)行分析并對(duì)穿梭車原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

5 設(shè)計(jì)改進(jìn)

由式(3)可知，除設(shè)計(jì)指定運(yùn)行指標(biāo)外影響穿梭車在彎道上行駛傾覆系數(shù)大小的因素有重心高度、軸距以及導(dǎo)向輪中心高度。

鑒于穿梭車結(jié)構(gòu)上的布置，為改善和避免車輛傾覆，通過降低輪徑即降低重心高度的方式和增加輪距來改善穿梭車的傾覆性。

表6 改進(jìn)尺寸與數(shù)值

由于初次建模時(shí)，穿梭車的軸距、輪徑等尺寸都已進(jìn)行了參數(shù)化，因此只需修改數(shù)據(jù)即可。對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真，對(duì)穿梭車的速度、重心高度、側(cè)移量進(jìn)行檢測(cè)并查看改進(jìn)后的效果。改進(jìn)后的穿梭車速度和側(cè)移量、重心高度、傾覆系數(shù)變化曲線分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 改進(jìn)后穿梭車運(yùn)行速度、側(cè)移量變化曲線

圖7 改進(jìn)后穿梭車重心高度變化曲線

圖8 改進(jìn)后穿梭車傾覆系數(shù)變化曲線

由圖6、圖7可以看出，改進(jìn)后的穿梭車速度曲線在加速和勻速狀態(tài)下即2s前后均很順滑；重心高度曲線也相對(duì)穩(wěn)定，之所以看起來波動(dòng)厲害是因?yàn)閳D像被放大了，曲線前端的上升和振蕩是由穿梭車側(cè)滑和與導(dǎo)軌的碰撞產(chǎn)生的，但運(yùn)行穩(wěn)定后的波動(dòng)只在1mm以內(nèi)；這些均表明穿梭車在彎道上的運(yùn)行比較平穩(wěn)。

改進(jìn)后的穿梭車傾覆系數(shù)變化曲線如圖8所示，仿真期間始終位于極限值1.5以上，符合歐盟的標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

1）基于虛擬樣機(jī)技術(shù),在ADAMS環(huán)境下,建立了有軌引導(dǎo)小車模塊化虛擬樣機(jī)模型,并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

2）仿真結(jié)果表明穿梭車在彎道行駛時(shí)不符合歐盟EN 528-2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，彎道行駛過程中存有產(chǎn)生傾覆的潛在危險(xiǎn)。這將給穿梭車的量產(chǎn)帶來阻礙，容易引發(fā)事故。通過對(duì)穿梭車輪徑和軸距的改進(jìn)，避免了穿梭車穩(wěn)定性差，易傾覆的問題，使穿梭車符合歐盟物流車輛標(biāo)準(zhǔn)，改善了穿梭車的運(yùn)行性能。

3）所建仿真模型可有效反映穿梭車彎道行駛動(dòng)力學(xué)過程，可以方便、可視化地研究穿梭車的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，部分代替物理樣機(jī)試驗(yàn)。通過仿真發(fā)現(xiàn)穿梭車設(shè)計(jì)中隱藏的問題，在降低成本的情況下縮短開發(fā)周期，同時(shí)也可以為參數(shù)優(yōu)化等后續(xù)研究提供依據(jù)。

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