穿梭車道岔設計與有限元分析

文/賀燦輝

穿梭車（Rail Guided Vehicle，RGV）目前廣泛采用兩種形式：往復式和環形。對于環形穿梭車，主要問題是輸送能力有限，而且容易發生堵車現象。為了提高輸送效率，多采用T型軌道，這就很好地解決了輸送效率低、閉環軌道上交通堵塞的問題[1]。采用T型軌道，RGV就必須進行換軌，這就需要設計快速可靠的換軌裝置，即：道岔。道岔是使RGV從一個線路轉換到另一個線路上的轉換裝置，道岔大體上分為三種型式：轉舌式道岔、平移式道岔、轉盤式道岔[2]。本文將采用轉盤式道岔進行研究。

國內外對道岔特別是穿梭車系統做了大量研究。劉洋對穿梭車道岔的控制系統進行了研究，他通過PLC結合DKZ控制器的共同控制，解決了RGV使用效率低和閉環軌道交通堵塞的問題[1]。陳建洪、廖永樟設計了基于Profibus-DP現場總線的遠程道岔控制系統，有遠程和現場兩種控制模式，當RGV進入道岔前一定距離內，自動連鎖，無法遠程控制道岔，當RGV離開道岔一定距離后，自動解鎖，可以遠程控制道岔[3]。

現有研究大多從控制的角度對穿梭車道岔進行研究，本文則從機械設計的角度，對穿梭車道岔的設計方法和要點，以及有限元分心進行論述和研究。

一、RGV道岔工作原理

1.轉盤式道岔的構成

轉盤式道岔主要由工作機構、底座和定位機構三大部分組成，如圖1所示。工作機構實際就是曲柄搖桿機構，由驅動機構（動力）、曲柄、連桿、轉盤（搖桿）等零部件組成。四根活動軌道裝在轉盤上，在活動軌道端頭正下方，均設置有腳輪，使得RGV進入道岔時，活動軌道下沉量顯著減少。道岔直行和轉彎兩個工作位，分別設置在曲柄搖桿機構的兩個死點位置，這樣可以極大提高道岔的定位精度。底座在轉盤的正下方，通過回轉支承與轉盤連接，起支撐作用。定位機構有一套自動伸縮的插銷裝置，該裝置能在道岔到位后，伸出插入轉盤，防止轉盤位置發生變動。

圖1 轉盤式道岔的構成

2.工作原理

RGV進入T型路口時，有直行和轉彎兩種選擇，而這一功能由道岔實現。RGV需要直行時，轉盤轉動帶動活動軌道與直行軌道對齊，如圖2.a所示；RGV需要轉彎時，轉盤轉動帶動活動軌道與轉彎軌道對齊，如圖2.b所示。道岔動作流程為：首先，插銷從轉盤縮回；然后，驅動機構驅動曲柄旋轉，曲柄通過連桿帶動轉盤轉動，轉盤到達工作位后停止；最后，插銷再插入轉盤。

二、工作機構

1.驅動機構

驅動機構是道岔工作的動力，由驅動底座和減速電機組成。驅動底座是焊接框架結構，用于安裝固定減速電機。道岔基本參數，如表1所示。

有了表1中參數，結合道岔結構尺寸，根據經典力學和運動學原理，就可以計算出電動機的功率，選擇合適的減速電機。需要注意的是，由于曲柄搖桿機構的特性，各時刻的瞬時功率都不一樣，本次研究采取的方法是計算工作過程的等效平均功率，根據該功率初選電機，然后校核最大功率是否滿足要求。通過選型計算，減速電機基本參數如表2所示。

表1 道岔基本參數

表2 減速電機參數

2.曲柄搖桿機構

道岔曲柄搖桿機構的設計要點是將道岔的兩個工作位設計在曲柄搖桿機構的兩個死點位置，同時滿足空間尺寸的要求。通過設計優化，曲柄長度取300mm，連桿長度取1600mm，搖桿長度1300mm，機架即地面。該機構具體結構如圖3所示。道岔在兩個工作位之間是自動切換的，該功能通過在道岔兩個工作位的曲柄所在位置各設置一個接近開關來實現。當曲柄旋轉到工作位時，接近開關會給信號到PLC，PLC就控制該機構停止。

圖3 曲柄搖桿機構

3.轉盤有限元分析

轉盤是焊接框架結構，它除了實現道岔對位功能外，還需要承載RGV滿載的重量。由于道岔工作工況和運動形式比較簡單，故對模型簡化，進行靜力學分析就可以滿足設計要求。

（1）直行分析

①正常工況

通過SolidWorks建立3D模型，材質Q355B，本模型不大，采用3D實體單元進行網格劃分，以提高分析精度。邊界條件如圖4所示，在中間添加軸承約束和滾柱/滑桿約束，連桿連接處添加軸承約束，軌道端頭下方添加滾柱/滑桿約束，然后，給整個結構添加自重載荷，在直行軌道一端添加載荷30000N。最后對模型進行分析計算。

圖4 直行分析邊界條件

通過計算，道岔在直行工作位時，如圖5所示，轉盤最大應力48.5Mpa，如圖6所示，最大位移0.5mm，Q355B屈服應力355Mpa，轉盤最大允許位移2380/1000=2.38mm，故均能滿足要求。從分析結果可以看出，直行工況，轉盤最薄環節是軌道端頭，但是應力不大，不需特別加強。

圖5 正常直行工況轉盤應力

圖6 正常直行工況轉盤位移

②故障工況

腳輪失效，不起作用，RGV任滿載進入道岔，此故障情況下，轉盤受力最為惡劣。該條件下，對轉盤進行分析，此時需要取消滾柱/滑桿約束，其他約束條件和載荷與前邊“正常工況”一致。通過計算，道岔在故障直行工況時，如圖7所示，轉盤最大應力157.3Mpa，如圖8所示，最大位移2.98mm，最大應力沒有超過Q355B的屈服應力，故均能滿足要求，故障工況對變形不做考慮。從分析結果可以看出，轉盤與連桿連接的鉸點是薄弱點，但應力不太大。

圖7 故障直行工況轉盤應力

圖8 故障直行工況轉盤位移

（2）轉彎分析

①正常工況

轉彎分析的方法和流程跟直行分析一樣，只是邊界條件略有不同：RGV滿載載荷改到彎軌上，另外在彎軌上增加5333N的水平向心力。通過計算，道岔在轉彎工作位時，如圖9所示，轉盤最大應力138.4Mpa，如圖10所示，最大位移1.3mm，Q355B屈服應力355Mpa，轉盤最大允許位移2380/1000=2.38mm，故均能滿足要求。從分析結果可以看出，正常轉彎工況，轉盤最薄環節是軌道端頭，設計時，軌道端頭的固定，需特別加強。

圖9 正常轉彎工況轉盤應力

圖10 正常轉彎工況轉盤位移

②故障工況

在腳輪失效，不起作用的故障工況下，對轉盤進行轉彎分析，此時需要取消滾柱/滑桿約束，其他約束條件和載荷與前邊“正常工況”一致。通過計算，道岔在故障轉彎時，如圖11所示，轉盤最大應力230.2Mpa，如圖12所示，最大位移3mm，最大應力沒有超過Q355B的屈服應力，故均能滿足要求，故障工況對變形不做考慮。從分析結果可以看出，故障轉彎工況，轉盤與連桿連接的鉸點是薄弱點，此設計能滿足要求，以后設計此處需注意加強。

圖11 故障轉彎工況轉盤應力

圖12 故障轉彎工況轉盤位移

三、底座

底座是焊接框架結構，其作用是支撐轉盤，需承載整個道岔和RGV的重量。通過轉盤的靜力分析可以知道，轉彎工況是最惡劣的工況，故在此僅列舉底座在轉彎工況下的靜力分析結果。

1.正常工況

正常工況下，由于轉盤有腳輪支撐，不會對底座產生額外彎矩，該工況下，底座主要承載轉盤和RGV的重量。通過計算，正常工況下，如圖13所示，底座最大應力85.7Mpa，如圖14所示，最大位移0.63mm，Q355B屈服應力355Mpa，底座最大允許位移1100/1000=1.1mm，故均能滿足要求。從分析結果可以看出，正常轉彎工況，底座最薄環節是中心孔周邊面板處，但應力不大，結構不需特別處理。

圖13 正常轉彎工況底座應力

圖14 正常轉彎工況底座位移

2.故障工況

在腳輪失效，不起作用的故障工況下，對底座進行轉彎分析。通過計算，道岔在轉彎工作位時，如圖15所示，底座最大應力196.1Mpa，如圖16所示，最大位移0.8mm，最大應力沒有超過Q355B的屈服應力，故均能滿足要求，故障工況對變形不做考慮。從分析結果可以看出，故障轉彎工況，底座最薄環節是中心孔周邊面板處，設計時，面板下方需增加筋板，進行加強。

圖15 故障轉彎工況底座應力

圖16 故障轉彎工況底座位移

四、定位機構

定位機構就是一套自動插銷裝置，主要作用是，防止RGV進出道岔時，軌道對接位發生錯位。該機構通過電動推桿或者氣缸提供動力，另外，配置伸出和縮回到位兩個接近開關，從而自動控制插銷伸出和縮回的動作。

五、結論

將穿梭車道岔應用于環形穿梭車系統，能顯著提高環形穿梭車系統的輸送效率，緩解交通堵塞的問題。利用曲柄搖桿機構死點的特性，將道岔的兩個工作位置設置在死點處，有效提高了道岔的定位精度，通過試驗驗證定位精度可以達到0.5mm以內。定位機構的設計，解決了RGV進出道岔時，軌道對接位易發生錯位的問題。在活動軌道端頭設置腳輪，能顯著地降低RGV進入道岔時，活動軌道下沉量。通過有限元分析，找到了轉盤和底座的薄弱環節，指導設計針對薄弱環節進行加強。并且對極端故障工況進行了分析，確保極端情況下，道岔結構也不會發生損壞。