有轨导引小车的弯道倾覆性分析及其设计改进

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Doi：10.3969/J.1ssn.1009-01 34.201 3.07(下).1 5u 亏I置 征的复杂非线性系统，其特点是运动零件多、受有轨导引小车又称穿梭车，是现代自动化物 力复杂。由于组成穿梭车各机械系统(如转向、车流系统中的最常用的自动化搬运设备。它在电控 架、伸缩机构)之间的相互耦合，使得穿梭车的动系统控制下，通过编码器、激光测距传感器等地 态特征相当复杂。穿梭车的运行工况也是各式各址识别方式精确定位在各个输入、输出工位，接 样，在其实际工作过程中，会受来 自多方面的外受物料后进行往复穿梭运输。有轨导引车与无轨 在激励和内在控制因素的影响，不同的工况下车自动引导车相比，具有传输速度快、动态运输等 辆各零件的空间位置及受力情况也有所变化钔。这特点，能使物料在不同工位之间的传送及输送线 方面的研究很多，S.G.Lee等人对立体仓库中有轨布局更加迅速、紧凑、简捷，从而提高物料的输 导引小车的出入库效率进行了仿真 ，而对小车出送效率障 ，其主要应用于等单元物料高速、高效的 入库运行的安全性未做考虑；胡敏，杨建国等人平面输送自动化物流系统中。 对RGV在直线轨道上的侧偏做了原因分析与结构由于有轨导引穿梭车运行速度越来越快，在 改进 ，而对弯道运行情况未有涉及；程鹏等人对高速运行下，RGV的运动性能对RGV的安全性关 车辆在弯道运行过程中的控制参数进行了优化，系重大。所以在设计阶段，应对有轨导引小车进 以增强车辆在弯道行驶过程中的操控性网，而对车行动力学仿真分析，检测校验设计的有轨导引小 辆与轨道的结构影响未做探究；李永刚对车辆在车的运动性能是否合理。在制造物理样机前，找 截面为楔形的弯道上行驶时的侧滑和倾覆性做了出和发现潜在的问题，既缩短产品开发周期又降 理论分析 ，但是并未涉及运行安全的评价方法。

低产品的开发成本。 以上及其它文章尚未对RGV在水平弯道上的倾覆1 相关研究 性影响因素做出理论分析与研究，更未引进明确RGV运动性能涉及小车 自身结构，导轨平顺 /J 。

状况，轮轨间的相互作用力及货架的振动等多种 2 RGV弯道行驶倾覆性仿真方法因 ，是-个包含惯性、弹性和阻尼等运动学特 RGV在弯道上行驶问题，是研究RGV运动性救稿日捆：2013-05-10基金项目：上海仓储物流设备工程技术研究中心项目 (10dz2250800) 作青篙介：周景成 (1985-)，男，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向为物流装备设计。

第35卷 第7期 2013-07(下) 53l务l 甸 化能最典型的工况之-。在对有轨导引穿梭车进行弯道运行性能分析时，对研究对象的建模、分析与求解始终是-个关键性问题。穿梭车本身是-个复杂的多体动力学系统，外界载荷的多重作用使其分析研究更为复杂。主要困难之-便是怎样对复杂受力条件下多重自由度的分析对象有效的建立模型和求解。计算机技术的迅猛发展，使我们在处理复杂问题方面有了质的飞跃∩视化多体动力学仿真分析软件ADAMS可以避免建立繁琐的动力学微分方程，具有快速建模和仿真分析的优势，通过此软件可对穿梭车进行有效的运动学仿真分析。

尽管ADAMS具有很强的整机性能测试与优化功能，但是在进行运动学、动力学运算时，由于其只考虑零件质心和质量等少数几个参数，而对零件的外形不予考虑，因此在模型中精确地描述纷繁复杂的零件外形并没有太大的实际意义8。为了节省仿真建模的时间，并且保证仿真能够顺利进行，在建立仿真模型之前要对实际三维模型进行必要的简化。

3 RGV弯道行驶倾覆性仿真模型的建立本文将Solid Works软件设计好的三维实体模型以X-T格式导入ADAMS软件中，为了缩短仿真运行时间，针对模型仿真的 目的，对有轨导引穿梭车的实体模型进行了-定的简化。1)简化原有造型中零部件的几何形状；2)省略原模型中不必要的零件；3)将多个无相对运动的零部件合并成单-的刚体来考虑。设计改进前穿梭车整车参数如表1所示。简化后改进前穿梭车模型如图1所示。

表1 设计改进前穿梭车整车参数图1 改进前有轨导引穿梭车虚拟样机模型[541 第35卷 第7期 2013-07(下)4 穿梭车弯道行驶运动学仿真4.1仿真条件设置为了评估穿梭车在弯道运行方面设计的合理性，发现设计中隐藏的潜在问题，对穿梭车进行动力学仿真。仿真条件依据穿梭车项目开发设定的弯道运行设计指标如表2所示和通用材料参数实验数值进行，如表3、表4所示。导向轮材料为PC，轮胎材料为TPU，导轨材料为Q235D优质碳素结构钢。通过观察建立的穿梭车模型在仿真时运行是否顺利，穿梭车在高速运行下是否会出现打滑、侧滑、倾覆等情形。

表2 穿梭车弯道仿真运行条件Stiffness 3072N/ramPenetration depth 0.21mmDamping 0.41Force exponent 2.0Static coefficient 0.30 Dynamic coefficient 0.29Stiction transition ve1. 0.1mm/s Fricilon transition ve1. 10OOmm/sS廿ffnessPenetrationdepthSmile coefficientStiction transition ve1。

2000N/ram0.29mmO.1O.1mln/sDampingForce exponentDynamic coeficientFriction tran sition ve1。

4.2倾覆性分析及评价系数穿梭车倾覆性趋势强弱的评价方法有多种，有稳定度/稳定角法、稳定性极坐标图法 、倾覆系数等。其中稳定度/稳定角法以及稳定性极坐标图法只能反映穿梭车在静态受力情况下的倾覆趋势强弱，不能反映有加速度情况下的倾覆趋势情况。因此，本文选用欧盟现行物流车辆标准EN528-2008中对车辆倾覆趋势强弱的评价方法 (如式1N示)和限定标准。

. ∑稳定力矩 r1、∑倾覆力矩当 1.5时，认为车辆处于安全状态，不会倾覆。

当1)。≥1.1时，认为车辆处于危险状态，随时可能倾覆。

弯道运行过程中，穿梭车受力以及相关力臂尺寸如图2所示，具体含义与数值见表5。

务I 訇 化(a)主视受力示意图(b)俯视受力示意图图2 穿梭车弯道运行主视、俯视受力示意图表5 受力图参数含义和相关数值名称 数值，含义 名称 数值，含义由于：l雌 umg： 带入计算得：153.95 N≈818.19N因此： 厶 < (2)又由于： 、 ：圣整室 堑∑倾覆力矩- ×g×f1/')sOmg x1丽 ×f2，前 JXc∞ J 3 -u。0为在假设不发生滑移情况下仿真初始稳定系数，0c为穿梭车前后导向轮之间连线对应的圆心角。

带入得：0 1.17 (4)同时：× 204.55N

4.3动力学仿真数据为了获得合乎实际的仿真数据，运用step函数使模型在2s内加速到5000mrn/s，输出衡量穿梭车倾覆趋势大小的稳定系数变化曲线和代表车速的穿梭车质心速度变化曲线、侧向滑移曲线，用以检验穿梭车运行是否顺利。穿梭车动力学仿真得出的车速、侧滑变化曲线如图3所示，倾覆系数变化曲线如图4所示。

图3 穿梭车质心速度、侧向滑移变化曲线图5 穿梭车倾覆系数变化曲线通过图3可以看 出，穿梭车运行速度匀速增加，2s时达到在5000mm/s左右，接近仿真设定速度，同时穿梭车在运行之初发生了侧滑，因为导轨摩擦力不足以提供此时运行所需向心力，当滑移至导向轮与导轨内侧接触后导向轮开始起导向作用同时提供部分向心力，此后穿梭车-直压迫外导轨内侧并摩擦前行。在2s左右阶段，穿梭车速度曲线有波动，是因为穿梭车发生了向外的倾覆，侧移曲线以及图4中的重心高度变化曲线在2s处的突变均验证了这-点。

通过图5可以看出，穿梭车稳定运行后的稳定第35卷 第7期 2013-07(下) [551务I 匐 出系数低于现行欧洲标准的规定范围，初始值很大且迅速下降是因为穿梭车初始速度从零迅速增加的原因。从以上可以看出必须对穿梭车车弯道行驶过程中的倾覆性影响因素进行分析并对穿梭车原有结构进行改进。

5 设计改进由式(3)可知，除设计指定运行指标外影响穿梭车在弯道上行驶倾覆系数大小的因素有重心高度、轴距以及导向轮中心高度。

鉴于穿梭车结构上的布置，为改善和避免车辆倾覆，通过降低轮径即降低重心高度的方式和增加轮距来改善穿梭车的倾覆性。

表6 改进尺寸与数值由于初次建模时，穿梭车的轴距、轮径等尺寸都已进行了参数化，因此只需修改数据即可。

对改进后的模型进行仿真，对穿梭车的速度、重心高度、侧移量进行检测并查看改进后的效果。

改进后的穿梭车速度和侧移量、重心高度、倾覆系数变化曲线分别如图6、图7和图8所示。

- ， L幔 m II畸 槲 10 05∞图6 改进后穿梭车运行速度、侧移量变化曲线～ LL 憎 0 144Q图7 改进后穿梭车重心高度变化曲线由图6、图7可以看出，改进后的穿梭车速度曲线在加速和匀速状态下即2s前后均很顺滑；重心高度曲线也相对稳定，之所以看起来波动厉害是因为图像被放大了，曲线前端的上升和振荡是[561 第35卷 第7期 2013-07(下)由穿梭车侧滑和与导轨的碰撞产生的，但运行稳定后的波动只在lmm以内；这些均表明穿梭车在弯道上的运行比较平稳。

改进后的穿梭车倾覆系数变化曲线如图8所示，仿真期间始终位于极限值1.5以上，符合欧盟的标准。

6 结论1)基于虚拟样机技术，在ADAMS环境下，建立了有轨引导小车拈化虚拟样机模型，并对其进行了动力学仿真。

2)仿真结果表明穿梭车在弯道行驶时不符合欧盟EN 528-2008标准的要求，弯道行驶过程中存有产生倾覆的潜在危险。这将给穿梭车的量产带来阻碍，容易引发事故。通过对穿梭车轮径和轴距的改进，避免了穿梭车稳定性差，易倾覆的问题，使穿梭车符合欧盟物流车辆标准，改善了穿梭车的运行性能。

3)所建仿真模型可有效反映穿梭车弯道行驶动力学过程，可以方便、可视化地研究穿梭车的动态力学性能，部分代替物理样机试验。通过仿真发现穿梭车设计中隐藏的问题，在降低成本的情况下缩短开发周期，同时也可以为参数优化等后续研究提供依据。