二自由度牽引裝置在軌道運(yùn)行中的應(yīng)用

邱雷

（山東康威通信技術(shù)股份有限公司 山東 濟(jì)南 250101）

二自由度牽引裝置在軌道運(yùn)行中的應(yīng)用

邱雷

（山東康威通信技術(shù)股份有限公司 山東 濟(jì)南 250101）

對(duì)隧道內(nèi)軌道上吊掛的巡檢設(shè)備在通過(guò)彎道時(shí)可能出現(xiàn)的車身與軌道之間的干涉進(jìn)行了分析，包括水平彎道和坡道提出了二自由度牽引裝置的結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)車身的前后輪組在彎道上的情況分別進(jìn)行了分析，提出了輪組轉(zhuǎn)軸相對(duì)于車身轉(zhuǎn)向角度在兩種自由度下的運(yùn)算方法，對(duì)車身能滿足的彎道最小半徑進(jìn)行求解。

軌道交通；二自由度；牽引裝置

軌道交通設(shè)備，尤其對(duì)于隧道或管廊內(nèi)的巡檢設(shè)備，因隧道內(nèi)空間狹窄彎曲，巡檢設(shè)備在行駛過(guò)程中會(huì)不可避免的遇到彎道問(wèn)題，一般隧道或管廊的水平方向的彎道半徑變化較大，有的值在幾米之間，甚至有直角彎，這種情況就取決于隧道的寬度，如隧道是2米寬度，則其中心線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑就只有1米。巡檢設(shè)備的軌道，其一般是安裝在隧道中心線位置，則軌道彎道的極限半徑就只能是1米，這對(duì)于在其上運(yùn)行的設(shè)備而言是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)榉彩茄矙z設(shè)備的車體結(jié)構(gòu)，都是具備前輪及后輪的，必然會(huì)存在前后輪距，當(dāng)經(jīng)過(guò)彎道時(shí)，前后輪距就會(huì)形成弧形彎道上一根弦，弦的中心與其所對(duì)應(yīng)的圓弧中心就會(huì)產(chǎn)生一段間距，這個(gè)間距K就是車體中心在彎道上的橫向偏移，當(dāng)這個(gè)橫向偏移過(guò)大時(shí)，那么車體結(jié)構(gòu)就很可能與軌道發(fā)生干涉，因?yàn)樵谄街避壍郎闲旭偟能圀w結(jié)構(gòu)件相對(duì)應(yīng)軌道是存在一定距離的，當(dāng)行至彎道時(shí)，由于橫向偏移距離K的存在，當(dāng)K過(guò)大時(shí)，超過(guò)了車體結(jié)構(gòu)件與導(dǎo)軌的間距H時(shí)，兩者之間就會(huì)發(fā)生干涉，導(dǎo)致車體不能在此彎道上通過(guò)?？梢愿淖?cè)O(shè)計(jì)，使車體結(jié)構(gòu)件與導(dǎo)軌間距K足夠大，二者不至于形成干涉，但導(dǎo)軌寬度是固定的，車輪作為車體結(jié)構(gòu)件的一部分，必然要在導(dǎo)軌的承載面運(yùn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)軌彎道R過(guò)小，前后輪距L過(guò)大時(shí)，由于間距K的影響，車輪會(huì)非常有可能偏離承載面，造成車體脫軌，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重事故。

同樣因?yàn)樗淼劳ǔ?huì)有落差，尤其在隧道銜接處會(huì)有工作井的出現(xiàn)，使得隧道通過(guò)工作井或落差大的隧道時(shí)也不可避免的出現(xiàn)軌道的坡道，當(dāng)坡道過(guò)于陡峭時(shí)，不僅考驗(yàn)車體的驅(qū)動(dòng)力，也挑戰(zhàn)了車體的通過(guò)性能，因?yàn)橥瑯影惭b于車體的結(jié)構(gòu)件會(huì)與導(dǎo)軌承載面發(fā)生干涉，尤其是對(duì)于車體經(jīng)過(guò)坡道結(jié)束時(shí)的拐點(diǎn)時(shí)，如果車體的輪式結(jié)構(gòu)之間連接為剛性結(jié)構(gòu)連接時(shí)，由于車體重心尚未經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)，則后輪與重心的作用，往往會(huì)使前輪翹起，并對(duì)導(dǎo)軌的承載面上施壓，如果這時(shí)前輪不是驅(qū)動(dòng)輪，影響不是太大，后輪的驅(qū)動(dòng)力會(huì)使車體重心通過(guò)拐點(diǎn)，前輪會(huì)因重力作用落在導(dǎo)軌支撐面上，如果這時(shí)前輪是驅(qū)動(dòng)輪，那么前輪的驅(qū)動(dòng)就會(huì)形同虛設(shè)，造成動(dòng)力不足，如果前輪是車體唯一的驅(qū)動(dòng)輪，那么車體在經(jīng)過(guò)此拐點(diǎn)時(shí)不僅不會(huì)前進(jìn)，車體還會(huì)因?yàn)闆](méi)有動(dòng)力而卡死，或者倒退。

另一種情況就是車體在行進(jìn)過(guò)程中，車輪在經(jīng)過(guò)坡道時(shí)如果不間斷與導(dǎo)軌觸碰或分離，必然會(huì)對(duì)車身形成顛簸，這對(duì)于車身裝載的設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生 不利影響，例如車載攝像機(jī)的晃動(dòng)會(huì)影響視頻質(zhì)量。所以在彎道半徑過(guò)小的情況下，如何提高車體在彎道上通過(guò)性能成為關(guān)鍵需要解決的問(wèn)題。

本文提出一種讓車體通過(guò)小彎道的解決方案，并對(duì)車體在行駛過(guò)程中遇到彎道時(shí)，進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和論述。

圖1

圖2

如果我們將圖1中的前后輪組在車架上的固定安裝變換為圖2中的形式，即前后輪組都可以在車架的裝配中心為軸旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)角度在車架導(dǎo)向輪的作用下完全可以跟隨軌道的走向而變，理論上兩組前后輪組的中心線延長(zhǎng)線的相交點(diǎn)便為彎道的圓心，此時(shí)前后輪組都會(huì)在彎軌的切線方向上進(jìn)行滾動(dòng)，這樣就不會(huì)與彎軌發(fā)生干涉，而車架可以懸掛于前后輪組的下方，也等于說(shuō)處于軌道的下方，那么對(duì)于前后輪組的中心距L而言，仍然可以保持不變，也可以說(shuō)仍然保持了車身的剛性，前后輪組各自旋轉(zhuǎn)并不影響車身內(nèi)各種結(jié)構(gòu)件的位置，而前后輪組卻能以無(wú)干涉的狀態(tài)通過(guò)軌道，能影響其不能通過(guò)的原因只有一點(diǎn)，那就是每一個(gè)輪組內(nèi)部的前后輪距，對(duì)于一定半徑的彎軌道而言，輪距越小，偏移量跟隨其成正比，而這個(gè)前后輪距，相對(duì)于前后輪組之間距L而言，要小得多，這就能夠大大縮小車身通過(guò)軌道的半徑，提高了車身對(duì)隧道的適應(yīng)性。

圖2中，α=車架中心線與輪組中心線的夾角；L=兩輪組間距；Rh=水平彎軌半徑；K=車體經(jīng)過(guò)彎道時(shí)與導(dǎo)軌中心線之間的理論偏移。

對(duì)于圖2中我們可以根據(jù)三角函數(shù)求出α的角度及間距K，來(lái)確定我們需要在設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)時(shí)，需要多大的角度，及車體結(jié)構(gòu)上相關(guān)結(jié)構(gòu)件相對(duì)于軌道做出多大的避讓。上式求解比較簡(jiǎn)單，只要知道前后輪組間距L、軌道半徑即可。

對(duì)于車體經(jīng)過(guò)坡道時(shí)的情形，則與經(jīng)過(guò)水平彎道不同，因?yàn)樗綇澋罆r(shí)左右對(duì)車體進(jìn)行限位，而經(jīng)過(guò)坡道時(shí)，車體下方有導(dǎo)軌的支撐面，而車體上方是不存在限位的，所以不會(huì)發(fā)生像過(guò)水平彎道情況時(shí)的干涉，但存在一種情況是，當(dāng)車身為剛性時(shí)，車輪在經(jīng)過(guò)坡道時(shí)，會(huì)因?yàn)槠碌赖挠绊?，車體重心發(fā)生某個(gè)車輪翹起的情況， 當(dāng)車體經(jīng)過(guò)坡道時(shí)，由于車身重心的存在，對(duì)于剛性固定的車輪，當(dāng)重心與后輪尚未經(jīng)過(guò)軌道的拐點(diǎn)時(shí)，前輪組很容易翹起，如果前輪組為驅(qū)動(dòng)輪，那么會(huì)導(dǎo)致該輪組的摩擦力喪失，導(dǎo)致動(dòng)力不足，或者伴隨著車身前進(jìn)，車輪離軌后又與軌面觸碰，而造成車體行進(jìn)中產(chǎn)生顛簸，如圖，當(dāng)車體經(jīng)過(guò)圓弧頂時(shí)，前后輪組可根據(jù)坡道的變化，在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，就能避免出現(xiàn)某個(gè)輪組行進(jìn)中翹起的現(xiàn)象，從而保證動(dòng)力及足夠的摩擦力。同時(shí)，兩個(gè)輪組車輪都能同時(shí)接觸軌面，可避免車體在行進(jìn)坡道上形成顛簸。

現(xiàn)將車體經(jīng)過(guò)坡道時(shí)的幾何關(guān)系說(shuō)明如下：為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將前后輪組簡(jiǎn)化成前后輪，之前圖示中前后輪組的旋轉(zhuǎn)中心軸即是圖3前后輪的中心軸，當(dāng)車體前輪處于圖示中的拱形坡道時(shí)，根據(jù)三角函數(shù)，圖示角度Β有如下計(jì)算關(guān)系。

圖3

上式中，L=輪組間距；Rv=圓拱導(dǎo)軌半徑；r=車輪半徑；h=拱形導(dǎo)軌高度；β=車身在坡道上時(shí)與水平方向夾角。

這樣可以在設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)時(shí)，得出相關(guān)結(jié)構(gòu)件相對(duì)于軌道做出多大的避讓。如式中所述，只要知道拱形坡道的半徑，前后輪距及車輪半徑即可求得該角度，或者可以根據(jù)車身結(jié)構(gòu)所能接受的最大限度的轉(zhuǎn)向角度，來(lái)反求我們需要設(shè)計(jì)的坡道半徑。

以上的計(jì)算方法和分析思路在實(shí)際工作是可行的，但是比較理想化的情況，在彎道上通過(guò)性的評(píng)價(jià)方法，沒(méi)有考慮側(cè)滑對(duì)軌道設(shè)備對(duì)彎道通過(guò)性的影響，在實(shí)際評(píng)價(jià)和制定方案時(shí)，應(yīng)考慮一定裕度。以上的計(jì)算方法和分析思路是在理想二維平面內(nèi)進(jìn)行。在評(píng)價(jià)軌道設(shè)備在水平彎道通過(guò)性時(shí)，還應(yīng)考慮在水平彎度變化的同時(shí)存在不存在坡道彎度的變化，當(dāng)過(guò)水平彎道時(shí)前后輪組在豎直方向上的擺動(dòng)角度有可能會(huì)造成兩個(gè)自由度均存在變化。這種影響主要表現(xiàn)在前后輪組與車架之間存在的兩個(gè)自由度聯(lián)動(dòng)時(shí)的干涉。在實(shí)際工作中往往是對(duì)隧道巡檢設(shè)備在一段道路的通過(guò)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此首先是采用簡(jiǎn)單的測(cè)量工具方法進(jìn)行初評(píng)，然后是采用準(zhǔn)確的CAD制圖模擬方法進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)價(jià)，最后是采用三維建模方法進(jìn)行全面評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，這樣的評(píng)價(jià)方法既有重點(diǎn)又全面。優(yōu)點(diǎn)是克服了隧道交通用設(shè)備在隧道內(nèi)拐彎半徑受限的問(wèn)題，以及行進(jìn)中遇到坡道驅(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)軌承載面不能充分接觸的問(wèn)題，拱形頂部車輪與承載面也能夠做到緊密的接觸，這對(duì)于保證隧道巡檢機(jī)器人在軌道的穩(wěn)定進(jìn)行有著重要意義。

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