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        AGV車體減振機構(gòu)穩(wěn)定性研究

        2022-06-16 08:03:22張曉燕
        紡織器材 2022年3期
        關(guān)鍵詞:振動系統(tǒng)

        張曉燕

        (浙江長征職業(yè)技術(shù)學院,杭州 310023)

        0 引言

        隨著紡織產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)發(fā)展以及用工難、用工貴等問題的日益凸顯,無人搬運車系統(tǒng)(Automated Guided Vehicle,簡稱AGV)以其靈活機動、智能精準等特點越來越受紡織企業(yè)青睞,也逐漸成為紡織智能工廠的標配。AGV搭載有光學、電磁或智能激光導航系統(tǒng),能夠自動或手動沿著規(guī)劃路徑,進行工位與工位、工位與倉庫、倉庫和倉庫之間的貨物搬運及倉儲工作。AGV減振系統(tǒng)是車架與車橋之間的彈性連接機構(gòu),通過該系統(tǒng)可互相傳遞車架與車橋之間的力和力矩,緩和載荷沖擊,減少車體跳動,使小車平順安全行駛。

        AGV減振系統(tǒng)設(shè)計不合理將嚴重影響其功能的實現(xiàn)。一方面,由于該系統(tǒng)通過伺服電機驅(qū)動,電機轉(zhuǎn)速及方向?qū)⑼ㄟ^AGV控制器精準計算,若減振系統(tǒng)設(shè)計不合理,引起車輪打滑和跳動,將嚴重影響AGV運行精度。另一方面,AGV通過激光、磁條等方式導航,當路面不平或有障礙物時會引發(fā)AGV車體橫傾和縱傾的問題,對AGV導航產(chǎn)生較大影響或使車體偏移目標路線,嚴重情況下甚至發(fā)生碰撞等危險情況。因此,AGV減振機構(gòu)設(shè)計需遵循以下原則:① 輪系同地性,須保證所有驅(qū)動輪共同接觸地面,防止驅(qū)動輪打滑;② 驅(qū)動輪產(chǎn)生的驅(qū)動力應(yīng)大于其運行阻力;③ 減振機構(gòu)在保證尺寸的條件下,應(yīng)加大驅(qū)動輪縱向伸縮范圍,以適用于各種復雜路面,且應(yīng)具有吸振、防側(cè)翻功能。較為合理的減振系統(tǒng),是AGV設(shè)計的重點。

        1 AGV減振系統(tǒng)模型

        鑒于AGV減振系統(tǒng)對其運行穩(wěn)定性有嚴重影響,相關(guān)研究者對此做了大量的工作。如:韓樂列舉了各類不同AGV減振浮動機構(gòu),并提出該機構(gòu)的設(shè)計需求[1];方春富通過比較有、無懸架減振機構(gòu)移動機器人的振動情況,結(jié)果表明懸架結(jié)構(gòu)具有良好的隔振效果,垂直振動加速度減少約80%[2];周益林等為保證AGV運行可靠性,通過ADAMS軟件建立AGV受力模型,最終驗證所設(shè)計AGV減振機構(gòu)的合理性[3]。下文筆者將基于Matlab對目前較為普遍的2種AGV減振機構(gòu)進行設(shè)計,并在不同路面激勵下建立多自由度振動系統(tǒng),以計算、比較車體在不同系統(tǒng)中的振動情況,為AGV的懸架設(shè)計提供技術(shù)引導。

        圖1為目前較為普遍的2種AGV減振方式,兩者均為六輪結(jié)構(gòu),中軸放置驅(qū)動輪,車體前后各放置2組萬向輪。

        在如圖1a)所示的杠桿原理減振機構(gòu)中,前后輪通過杠桿相連,支點與車身相連,該結(jié)構(gòu)可保證驅(qū)動輪時刻觸地,且驅(qū)動輪所受壓力可隨車身質(zhì)量等比增加,防止出現(xiàn)打滑,復雜路況下可減少車輛跳動;缺點為前后輪振動會互相影響,且結(jié)構(gòu)較為復雜。

        圖1b)所示的六輪獨立減振機構(gòu),優(yōu)點是振動互不干涉;缺點為驅(qū)動輪與地面摩擦力僅受車身彈簧影響,AGV在滿載時驅(qū)動力不能隨負載增加而增加,存在空轉(zhuǎn)的可能性。

        a) 杠桿原理減振 b) 六輪獨立減振圖1 2種AGV減振方式

        由于車體振動機制主要由懸架方式及各減振單元性能決定,合理設(shè)計并選擇各系統(tǒng)參數(shù),將對提高AGV行駛平順性至關(guān)重要。張軍等人設(shè)計分析如圖1b)所示的懸掛系統(tǒng)[4],并通過結(jié)構(gòu)分析和實驗驗證其穩(wěn)定可靠性,發(fā)現(xiàn)當AGV行駛速度相對較小且處于低頻振動時,振動位移將清晰反映振動強度的大小。

        2 減振機構(gòu)振動模型

        路面信息為該AGV振動主要激勵輸入,筆者利用功率譜密度Gq(n)(也稱路面不平整系數(shù))構(gòu)建路面信息。 則:

        (1)

        式中:

        n——空間頻率;

        n0——參考空間頻率;

        W——頻率系數(shù)。

        通過模型進行整體振動研究,需進行如下假設(shè):在AGV小車振動模型中,前后萬向輪與車體之間均具有減振彈簧,且都具有摩擦阻尼;萬向輪和驅(qū)動輪均近似為無阻尼彈簧;AGV車體與減振機構(gòu)及車輪均為剛性連接;AGV左右結(jié)構(gòu)對稱,車體質(zhì)心位于對稱軸上,且兩側(cè)的前、中、后輪均位于同一直線;杠桿原理減振和六輪獨立減振機構(gòu)均為九自由度振動系統(tǒng),即4個萬向輪和2個驅(qū)動輪豎直跳動,以及車體的豎直、俯仰和傾斜振動。

        2.1 杠桿原理減振機構(gòu)中車輪對車體的作用力

        2.1.1根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動原理,計算杠桿原理減振機構(gòu)各車輪對車體的作用力為:

        F2=CRQ×(US2-U2)

        F5=CRQ×(US5-U5)

        式中:

        CR——萬向輪與車體之間彈簧彈性系數(shù);

        R1~R6——分別為車體左前、左中、左后、右前、右中和右后位置;

        UR1~UR6——車輪與車體連接處的運動位移;

        RR——萬向輪與車體之間彈簧阻尼系數(shù);

        U1~U6——各車輪的位移;

        CRQ——驅(qū)動輪彈性系數(shù);

        S2,S5——杠桿原理減振機構(gòu)中左右兩側(cè)的杠桿支點;

        US2,US5——左、右驅(qū)動輪在杠桿支點處的位移。

        2.1.2杠桿原理減振機構(gòu)的豎直振動、俯仰和傾斜以及杠桿轉(zhuǎn)動的微分運動方程為:

        MA·üA=F1+F2+F3+F4+F5+F6

        (F4+F5+F6)

        L1·(F5+F6)

        式中:

        MA——車體總質(zhì)量;

        UA——車體運動位移;

        θ,Jθ——車輛傾斜角度及其轉(zhuǎn)動慣量;

        φ,Jφ——車輛俯仰角度及其轉(zhuǎn)動慣量;

        γ,Jγ——右側(cè)杠桿轉(zhuǎn)動角度及其轉(zhuǎn)動慣量;

        β,Jβ——左側(cè)杠桿轉(zhuǎn)動角度及其轉(zhuǎn)動慣量;

        L1~L5——車體質(zhì)心與車輪的距離,見圖1。

        2.1.3杠桿原理減振機構(gòu)內(nèi)前萬向輪與驅(qū)動輪位于杠桿兩端,其相對于車體位移方向相反,AGV各車輪位移方程為:

        U1=UA-L5·sinθ-L1·sinφ+L3·sinγ

        U2=UA-L5·sinθ-L1·sinφ-L4·sinγ

        U3=UA-L5·sinθ+L2·sinφ

        U4=UA+L5·sinθ-L1·sinφ+L3·sinβ

        U5=UA+L5·sinθ-L1·sinφ-L4·sinβ

        U6=UA+L5·sinθ+L2·sinφ

        2.2 六輪獨立減振機構(gòu)中車輪對車體的作用力

        2.2.1六輪獨立減振機構(gòu)中車輪對車體的作用力計算公式為:

        式中,RRQ為驅(qū)動輪阻尼系數(shù);其余同前。

        2.2.2六輪獨立減振機構(gòu)中各輪為獨立振動,其側(cè)傾、俯仰微分運動方程為:

        MA·üA=F1+F2+F3+F4+F5+F6

        (F4+F5+F6)

        (F5+F6)

        2.2.3六輪獨立減振機構(gòu)中各車輪位移方程為:

        U1=UA-L5·sinθ-(L1+L3)·sinφ

        U2=UA-L5·sinθ-(L1-L4)·sinφ

        U3=UA-L5·sinθ+L2·sinφ

        U4=UA+L5·sinθ-(L1+L3)·sinφ

        U5=UA+L5·sinθ-(L1-L4)·sinφ

        U6=UA+L5·sinθ+L2·sinφ

        分別將車輪受力、位移等方程帶入受力方程中,即可得到AGV不同減振機構(gòu)的多體振動方程。

        3 結(jié)果分析

        在AGV行駛方向的右側(cè)輪行駛于較為平整的路面時,其最大幅值為2.8 mm、長度為10 m,AGV的行駛速度為1 m/s;在AGV車體所行駛的左側(cè)路面較差時,其最大幅值為15 mm。設(shè)AGV總質(zhì)量為200 kg,筆者通過Matlab進行模擬計算,利用精度較高的ode45方程進行微分方程的求解,模擬出如圖2和圖3所示的結(jié)果。

        圖2 AGV車體在不同萬向輪彈性系數(shù)下的振程

        圖3 AGV車體在不同萬向輪阻尼系數(shù)下的振程

        比較圖2曲線可知,AGV在首次迎接較大路面激勵時,具有較小萬向輪彈性系數(shù)的車體擁有較好的吸振能力,但該車體也因彈簧變軟出現(xiàn)劇烈晃動。隨著萬向輪彈簧系數(shù)的合理增加,車體吸振能力減弱,但車體則在隨后的振動中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,當彈性系數(shù)加大到127 500 N/m時,車體的穩(wěn)定性急劇變差。因此,萬向輪彈性系數(shù)過大或過小的選擇都將增加車體在運行過程中的不穩(wěn)定性。觀察圖3可知,在車體經(jīng)過較大路面激勵后,車體振動隨著阻尼系數(shù)變小而增加。

        AGV杠桿原理減振機構(gòu)是通過杠桿連接驅(qū)動輪與前萬向輪,其六輪機構(gòu)可確保該AGV驅(qū)動輪與路面接觸,并且隨著負載增加,驅(qū)動輪與地面摩擦力也隨之增加,AGV車體垂直動態(tài)性能將由杠桿支點以及后輪振動特性決定,且杠桿支點瞬時振程將受前輪和驅(qū)動輪合成影響,因此該類型減振機構(gòu)將緩和車輪受到的瞬時沖擊。此結(jié)論也可通過圖4得到證明,AGV車體振程在行駛距離為3 m和9 m處,均出現(xiàn)較大波動;相比之下,杠桿減振機構(gòu)沖擊較為緩和,在3 m處杠桿減振機構(gòu)比六輪獨立減振機構(gòu)的車體振程減少約15%,在9m處有50%以上的減少量,減振效果明顯。

        圖4 車體在不同減振機構(gòu)下的振程

        4 結(jié)論

        4.1通過比較AGV的2種不同減振系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)利用杠桿原理實現(xiàn)的減振系統(tǒng)比六輪獨立減振系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好,車體振動相對較為平緩,且驅(qū)動力矩可隨負載增加而增強,對今后AGV減振機構(gòu)設(shè)計具有指導意義。

        4.2采用萬向輪彈性系統(tǒng)對AGV車體具有吸振效果,合理選擇彈性系數(shù)可提高搬運車行駛的穩(wěn)定性和平順性,準確計算彈性系數(shù)是設(shè)計AGV減振系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

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