基于行星輪機(jī)構(gòu)運(yùn)送緩沖器的移動裝置的運(yùn)動學(xué)分析

李琳

摘要：結(jié)合動車組調(diào)試車間運(yùn)輸緩沖器裝置耗費(fèi)人力、耗時(shí)長的問題，設(shè)計(jì)一種運(yùn)送緩沖器的移動裝置，其主要有移動平臺和升降平臺兩部分組成。首先，設(shè)計(jì)升降平臺和移動平臺，并確定各個(gè)參數(shù)，并在Solidworks中建立移動裝置的三維模型。其次，在虛擬仿真軟件Adams中，對移動平臺進(jìn)行仿真分析，包括直線行走、圓周運(yùn)動、垂直越障三種不同工況，其中圓周運(yùn)動采用的是差速轉(zhuǎn)彎的方法。最后，仿真結(jié)果得出，移動平臺的直線運(yùn)動、圓周運(yùn)動和垂直越障滿足設(shè)計(jì)要求，滿足運(yùn)輸緩沖器要求。

關(guān)鍵詞：移動平臺;升降平臺;緩沖器;Adams

0 ?引言

隨著軌道交通蓬勃發(fā)展，電力機(jī)車組充當(dāng)客運(yùn)車輛的主力軍，其中“復(fù)興號”扮演者重要角色，是目前世界上運(yùn)營速度最快的高速電力機(jī)車組。在列車調(diào)試過程中，需要對列車解編和重新編組，其中緩沖器需要拆解和安裝，由于列車在不同車間調(diào)試，需要對緩沖器進(jìn)行運(yùn)輸，每次運(yùn)輸需要安排多人，從地面到列車安裝拆卸緩沖器都需人工搬運(yùn)，如圖1所示。為了節(jié)省更多人力，節(jié)約工作時(shí)間，設(shè)計(jì)一種運(yùn)送緩沖器的移動機(jī)構(gòu)。

一種運(yùn)送緩沖器的移動裝置設(shè)計(jì)與研究，是將移動機(jī)構(gòu)和升降平臺兩個(gè)結(jié)合，其中，移動機(jī)構(gòu)完成在各車間之間運(yùn)輸緩沖器，升降平臺完成將緩沖器從地面提升到列車車底位置。其中，移動機(jī)構(gòu)有輪式、足式和履帶式，機(jī)械結(jié)構(gòu)采用輪式的特點(diǎn)有速度快、運(yùn)動靈活，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，自重輕，承載大，但是在復(fù)雜地形，位移能力差。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用履帶式的特點(diǎn)有適應(yīng)地形能力強(qiáng)，越障能力強(qiáng)，但是摩擦阻力大，行駛機(jī)構(gòu)易磨損。另外，升降平臺采用液壓式，能夠平穩(wěn)提升大重量貨物，具備故障率低、安全高效、運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、維修方便、方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 ?整體樣機(jī)設(shè)計(jì)

整體樣機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)使用現(xiàn)場要求，需要滿足在工廠內(nèi)復(fù)雜路況行駛，由于車間地面平整，所以移動機(jī)構(gòu)采用輪式機(jī)構(gòu)。其中，移動機(jī)構(gòu)采用的是行星輪輪胎式，每個(gè)行星輪輪式機(jī)構(gòu)由一個(gè)太陽輪、三個(gè)惰輪、三個(gè)行星輪、三個(gè)輪胎構(gòu)成，整個(gè)移動平臺由四個(gè)輪胎式機(jī)構(gòu)組成。另外，升降平臺采用液壓驅(qū)動，有兩個(gè)液壓缸組成，每個(gè)液壓升降平臺可以放置三個(gè)緩沖器。升降平臺初始狀態(tài)，液壓缸屬于縮進(jìn)狀態(tài)，隨著液壓缸伸出，升降平臺也會緩慢伸出，升降平臺終止?fàn)顟B(tài)，液壓缸完全伸展。一種運(yùn)輸緩沖器的移動平臺由移動平臺和升降平臺結(jié)合在一起，樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

本論文所提及的的升降平臺如圖2所示，由底座、兩個(gè)液壓缸、連桿機(jī)構(gòu)、儲物導(dǎo)槽等四部分組成。其中，底座的作用是將移動平臺固定在移動平臺，通過螺栓連接方式固定;液壓缸采用雙組并聯(lián)方式，伸出長度決定升降平臺的工作高度;連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)旋轉(zhuǎn)副關(guān)節(jié)串聯(lián)在一起，軸承減少各個(gè)連桿的摩擦損耗;儲物導(dǎo)槽用來放置緩沖器。本文主要研究對象是移動平臺，下文主要針對其進(jìn)行分析研究。

2 ?移動平臺三維模型的建立及尺寸設(shè)計(jì)

建立運(yùn)輸緩沖器的移動機(jī)構(gòu)三維模型，設(shè)計(jì)整體尺寸為：長930mm，寬520mm，高380mm。懸架選用的是鋁合金材質(zhì)，不僅保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還可以減輕車體本身的重量。輪式行星輪組由太陽輪、惰輪、行星輪、行星輪架、接地輪、傳動軸及軸承等部分組成。

設(shè)計(jì)行星輪組的具體尺寸參數(shù)，克服不同高度的臺階進(jìn)行越障會出現(xiàn)兩種不同的工況。工況一，當(dāng)障礙物較低時(shí)，電機(jī)驅(qū)動太陽輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)矩經(jīng)行星輪組傳遞給履帶輪，并帶動履帶通過與地面直接接觸產(chǎn)生的摩擦力平移滾過障礙物;工況二，當(dāng)障礙物較高時(shí)，整個(gè)行星輪架繞太陽輪軸轉(zhuǎn)動，通過自身電機(jī)的動力和后輪的推進(jìn)力被動翻越障礙物。

3 ?移動平臺運(yùn)動學(xué)仿真分析及性能研究

3.1 直線行走的運(yùn)動學(xué)分析

在Adams中建立仿真模型，首先分別在太陽輪與惰輪、惰輪與行星齒輪之間添加齒輪副，軸與行星架之間添加旋轉(zhuǎn)副等多個(gè)約束，然后給四個(gè)電機(jī)施加相同的驅(qū)動速度，使得太陽輪旋轉(zhuǎn)速度為298°/s，此外，履帶輪與行星輪轉(zhuǎn)速相同，由于行星輪與太陽輪的轉(zhuǎn)速比為2：1，根據(jù)行星輪組結(jié)構(gòu)關(guān)系可以推導(dǎo)出輪胎的線速度應(yīng)為0.5m/s。

對該移動平臺進(jìn)行直線的運(yùn)動學(xué)仿真，由圖3的仿真結(jié)果可以看出，5秒鐘內(nèi)，移動平臺實(shí)際向前行走了2510mm，而理論推導(dǎo)結(jié)果為2500mm，精確度99.6%，在允許誤差范圍內(nèi)，因此尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)較為合理。

3.2 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)分析

建立轉(zhuǎn)彎運(yùn)動仿真模型，在Adams中設(shè)置外側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為298.0°/s，內(nèi)側(cè)為178.4°/s，轉(zhuǎn)速比為1.67，車身寬度W=515mm，讓移動平臺做轉(zhuǎn)彎半徑為1000mm的圓周運(yùn)動。得到質(zhì)心G點(diǎn)在X軸和Y軸方向運(yùn)動的位移仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯觯撨^程中，質(zhì)心在水平方向的位移最小值為-1002.1mm，最大值為1014.2mm，轉(zhuǎn)彎半徑為1008.15mm，與理論推導(dǎo)出的半徑存在誤差，誤差為1.63%;在豎直方向的位移最小值為-2007.9mm，最大值為8.9mm，誤差為1.68%。

3.3 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)分析

根據(jù)該移動機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境要求，設(shè)計(jì)其三維模型的斜邊豎直高度為300mm。在Adams中建立障礙物高度為150mm。驅(qū)動太陽輪，使車體以0.5m/s的速度勻速向前。通過圖6所示的仿真結(jié)果中可以看出，在行走到第2秒的時(shí)候，車體質(zhì)心的y坐標(biāo)由115.8mm變化至266.6mm，隨后穩(wěn)定在265.8mm。分析數(shù)據(jù)得出，機(jī)器人剛開始翻越障礙是，質(zhì)心突然變化幅值為150.8mm，是由于機(jī)器人翻越障礙時(shí)顛簸造成，隨后機(jī)器人的質(zhì)心高度不變，說明煤礦救援機(jī)器人成功翻越臺階。

4 ?總結(jié)

①設(shè)計(jì)了一種運(yùn)送緩沖器的移動裝置。主要由移動平臺和升降平臺兩部分組成，其中升降平臺采用的液壓式驅(qū)動機(jī)構(gòu)，由并聯(lián)雙液壓缸作為動力源頭，具有高負(fù)載、適應(yīng)能力強(qiáng)特點(diǎn);移動平臺采用的基于行星輪輪式移動結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。

②行星輪移動平臺在垂直越障時(shí)，其越障狀態(tài)可以描述為三個(gè)階段：當(dāng)0≤臺階高度≤Hmax時(shí)，行星履帶輪滾過障礙物;當(dāng)Hmax≤臺階高度≤L/2時(shí)，行星履帶輪翻過障礙物;當(dāng)臺階高度≥L/2時(shí)，無法完成越障。

③在Adams中建立仿真模型，并對移動平臺進(jìn)行勻速直線行駛、越障、轉(zhuǎn)彎三種不同工況進(jìn)行了理論推導(dǎo)以及仿真分析。所得仿真結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證移動平臺各部分參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

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