基于行星輪機構運送緩沖器的移動裝置的運動學分析

李琳

摘要：結合動車組調試車間運輸緩沖器裝置耗費人力、耗時長的問題，設計一種運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，設計升降平臺和移動平臺，并確定各個參數，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，對移動平臺進行仿真分析，包括直線行走、圓周運動、垂直越障三種不同工況，其中圓周運動采用的是差速轉彎的方法。最后，仿真結果得出，移動平臺的直線運動、圓周運動和垂直越障滿足設計要求，滿足運輸緩沖器要求。

關鍵詞：移動平臺;升降平臺;緩沖器;Adams

0 ?引言

隨著軌道交通蓬勃發展，電力機車組充當客運車輛的主力軍，其中“復興號”扮演者重要角色，是目前世界上運營速度最快的高速電力機車組。在列車調試過程中，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試，需要對緩沖器進行運輸，每次運輸需要安排多人，從地面到列車安裝拆卸緩沖器都需人工搬運，如圖1所示。為了節省更多人力，節約工作時間，設計一種運送緩沖器的移動機構。

一種運送緩沖器的移動裝置設計與研究，是將移動機構和升降平臺兩個結合，其中，移動機構完成在各車間之間運輸緩沖器，升降平臺完成將緩沖器從地面提升到列車車底位置。其中，移動機構有輪式、足式和履帶式，機械結構采用輪式的特點有速度快、運動靈活，能耗低，結構簡單，控制方便，自重輕，承載大，但是在復雜地形，位移能力差。機械結構采用履帶式的特點有適應地形能力強，越障能力強，但是摩擦阻力大，行駛機構易磨損。另外，升降平臺采用液壓式，能夠平穩提升大重量貨物，具備故障率低、安全高效、運行可靠、結構穩定、維修方便、方便等優點。

1 ?整體樣機設計

整體樣機設計根據使用現場要求，需要滿足在工廠內復雜路況行駛，由于車間地面平整，所以移動機構采用輪式機構。其中，移動機構采用的是行星輪輪胎式，每個行星輪輪式機構由一個太陽輪、三個惰輪、三個行星輪、三個輪胎構成，整個移動平臺由四個輪胎式機構組成。另外，升降平臺采用液壓驅動，有兩個液壓缸組成，每個液壓升降平臺可以放置三個緩沖器。升降平臺初始狀態，液壓缸屬于縮進狀態，隨著液壓缸伸出，升降平臺也會緩慢伸出，升降平臺終止狀態，液壓缸完全伸展。一種運輸緩沖器的移動平臺由移動平臺和升降平臺結合在一起，樣機結構示意圖如圖2所示。

本論文所提及的的升降平臺如圖2所示，由底座、兩個液壓缸、連桿機構、儲物導槽等四部分組成。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方式，伸出長度決定升降平臺的工作高度;連桿機構各個旋轉副關節串聯在一起，軸承減少各個連桿的摩擦損耗;儲物導槽用來放置緩沖器。本文主要研究對象是移動平臺，下文主要針對其進行分析研究。

2 ?移動平臺三維模型的建立及尺寸設計

建立運輸緩沖器的移動機構三維模型，設計整體尺寸為：長930mm，寬520mm，高380mm。懸架選用的是鋁合金材質，不僅保證了結構的強度，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。

設計行星輪組的具體尺寸參數，克服不同高度的臺階進行越障會出現兩種不同的工況。工況一，當障礙物較低時，電機驅動太陽輪轉動，轉矩經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生的摩擦力平移滾過障礙物;工況二，當障礙物較高時，整個行星輪架繞太陽輪軸轉動，通過自身電機的動力和后輪的推進力被動翻越障礙物。

3 ?移動平臺運動學仿真分析及性能研究

3.1 直線行走的運動學分析

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副等多個約束，然后給四個電機施加相同的驅動速度，使得太陽輪旋轉速度為298°/s，此外，履帶輪與行星輪轉速相同，由于行星輪與太陽輪的轉速比為2：1，根據行星輪組結構關系可以推導出輪胎的線速度應為0.5m/s。

對該移動平臺進行直線的運動學仿真，由圖3的仿真結果可以看出，5秒鐘內，移動平臺實際向前行走了2510mm，而理論推導結果為2500mm，精確度99.6%，在允許誤差范圍內，因此尺寸參數設計較為合理。

3.2 轉彎運動的運動學分析

建立轉彎運動仿真模型，在Adams中設置外側兩個電機的轉速為298.0°/s，內側為178.4°/s，轉速比為1.67，車身寬度W=515mm，讓移動平臺做轉彎半徑為1000mm的圓周運動。得到質心G點在X軸和Y軸方向運動的位移仿真結果分別如圖4和圖5所示。可以看出，該過程中，質心在水平方向的位移最小值為-1002.1mm，最大值為1014.2mm，轉彎半徑為1008.15mm，與理論推導出的半徑存在誤差，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 轉彎運動的運動學分析

根據該移動機構的工作環境要求，設計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所示的仿真結果中可以看出，在行走到第2秒的時候，車體質心的y坐標由115.8mm變化至266.6mm，隨后穩定在265.8mm。分析數據得出，機器人剛開始翻越障礙是，質心突然變化幅值為150.8mm，是由于機器人翻越障礙時顛簸造成，隨后機器人的質心高度不變，說明煤礦救援機器人成功翻越臺階。

4 ?總結

①設計了一種運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動機構，由并聯雙液壓缸作為動力源頭，具有高負載、適應能力強特點;移動平臺采用的基于行星輪輪式移動結構，特點是結構簡單，便于控制。

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

③在Adams中建立仿真模型，并對移動平臺進行勻速直線行駛、越障、轉彎三種不同工況進行了理論推導以及仿真分析。所得仿真結果均在誤差允許范圍內，驗證移動平臺各部分參數設計的合理性。

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