基于行星轮机构运送缓冲器的移动装置的运动学分析

李琳

摘要：结合动车组调试车间运输缓冲器装置耗费人力、耗时长的问题，设计一种运送缓冲器的移动装置，其主要有移动平台和升降平台两部分组成。首先，设计升降平台和移动平台，并确定各个参数，并在Solidworks中建立移动装置的三维模型。其次，在虚拟仿真软件Adams中，对移动平台进行仿真分析，包括直线行走、圆周运动、垂直越障三种不同工况，其中圆周运动采用的是差速轉弯的方法。最后，仿真结果得出，移动平台的直线运动、圆周运动和垂直越障满足设计要求，满足运输缓冲器要求。

关键词：移动平台;升降平台;缓冲器;Adams

0  引言

随着轨道交通蓬勃发展，电力机车组充当客运车辆的主力军，其中“复兴号”扮演者重要角色，是目前世界上运营速度最快的高速电力机车组。在列车调试过程中，需要对列车解编和重新编组，其中缓冲器需要拆解和安装，由于列车在不同车间调试，需要对缓冲器进行运输，每次运输需要安排多人，从地面到列车安装拆卸缓冲器都需人工搬运，如图1所示。为了节省更多人力，节约工作时间，设计一种运送缓冲器的移动机构。

一种运送缓冲器的移动装置设计与研究，是将移动机构和升降平台两个结合，其中，移动机构完成在各车间之间运输缓冲器，升降平台完成将缓冲器从地面提升到列车车底位置。其中，移动机构有轮式、足式和履带式，机械结构采用轮式的特点有速度快、运动灵活，能耗低，结构简单，控制方便，自重轻，承载大，但是在复杂地形，位移能力差。机械结构采用履带式的特点有适应地形能力强，越障能力强，但是摩擦阻力大，行驶机构易磨损。另外，升降平台采用液压式，能够平稳提升大重量货物，具备故障率低、安全高效、运行可靠、结构稳定、维修方便、方便等优点。

1  整体样机设计

整体样机设计根据使用现场要求，需要满足在工厂内复杂路况行驶，由于车间地面平整，所以移动机构采用轮式机构。其中，移动机构采用的是行星轮轮胎式，每个行星轮轮式机构由一个太阳轮、三个惰轮、三个行星轮、三个轮胎构成，整个移动平台由四个轮胎式机构组成。另外，升降平台采用液压驱动，有两个液压缸组成，每个液压升降平台可以放置三个缓冲器。升降平台初始状态，液压缸属于缩进状态，随着液压缸伸出，升降平台也会缓慢伸出，升降平台终止状态，液压缸完全伸展。一种运输缓冲器的移动平台由移动平台和升降平台结合在一起，样机结构示意图如图2所示。

本论文所提及的的升降平台如图2所示，由底座、两个液压缸、连杆机构、储物导槽等四部分组成。其中，底座的作用是将移动平台固定在移动平台，通过螺栓连接方式固定;液压缸采用双组并联方式，伸出长度决定升降平台的工作高度;连杆机构各个旋转副关节串联在一起，轴承减少各个连杆的摩擦损耗;储物导槽用来放置缓冲器。本文主要研究对象是移动平台，下文主要针对其进行分析研究。

2  移动平台三维模型的建立及尺寸设计

建立运输缓冲器的移动机构三维模型，设计整体尺寸为：长930mm，宽520mm，高380mm。悬架选用的是铝合金材质，不仅保证了结构的强度，还可以减轻车体本身的重量。轮式行星轮组由太阳轮、惰轮、行星轮、行星轮架、接地轮、传动轴及轴承等部分组成。

设计行星轮组的具体尺寸参数，克服不同高度的台阶进行越障会出现两种不同的工况。工况一，当障碍物较低时，电机驱动太阳轮转动，转矩经行星轮组传递给履带轮，并带动履带通过与地面直接接触产生的摩擦力平移滚过障碍物;工况二，当障碍物较高时，整个行星轮架绕太阳轮轴转动，通过自身电机的动力和后轮的推进力被动翻越障碍物。

3  移动平台运动学仿真分析及性能研究

3.1 直线行走的运动学分析

在Adams中建立仿真模型，首先分别在太阳轮与惰轮、惰轮与行星齿轮之间添加齿轮副，轴与行星架之间添加旋转副等多个约束，然后给四个电机施加相同的驱动速度，使得太阳轮旋转速度为298°/s，此外，履带轮与行星轮转速相同，由于行星轮与太阳轮的转速比为2：1，根据行星轮组结构关系可以推导出轮胎的线速度应为0.5m/s。

对该移动平台进行直线的运动学仿真，由图3的仿真结果可以看出，5秒钟内，移动平台实际向前行走了2510mm，而理论推导结果为2500mm，精确度99.6%，在允许误差范围内，因此尺寸参数设计较为合理。

3.2 转弯运动的运动学分析

建立转弯运动仿真模型，在Adams中设置外侧两个电机的转速为298.0°/s，内侧为178.4°/s，转速比为1.67，车身宽度W=515mm，让移动平台做转弯半径为1000mm的圆周运动。得到质心G点在X轴和Y轴方向运动的位移仿真结果分别如图4和图5所示。可以看出，该过程中，质心在水平方向的位移最小值为-1002.1mm，最大值为1014.2mm，转弯半径为1008.15mm，与理论推导出的半径存在误差，误差为1.63%;在竖直方向的位移最小值为-2007.9mm，最大值为8.9mm，误差为1.68%。

3.3 转弯运动的运动学分析

根据该移动机构的工作环境要求，设计其三维模型的斜边竖直高度为300mm。在Adams中建立障碍物高度为150mm。驱动太阳轮，使车体以0.5m/s的速度匀速向前。通过图6所示的仿真结果中可以看出，在行走到第2秒的时候，车体质心的y坐标由115.8mm变化至266.6mm，随后稳定在265.8mm。分析数据得出，机器人刚开始翻越障碍是，质心突然变化幅值为150.8mm，是由于机器人翻越障碍时颠簸造成，随后机器人的质心高度不变，说明煤矿救援机器人成功翻越台阶。

4  总结

①设计了一种运送缓冲器的移动装置。主要由移动平台和升降平台两部分组成，其中升降平台采用的液压式驱动机构，由并联双液压缸作为动力源头，具有高负载、适应能力强特点;移动平台采用的基于行星轮轮式移动结构，特点是结构简单，便于控制。

②行星轮移动平台在垂直越障时，其越障状态可以描述为三个阶段：当0≤台阶高度≤Hmax时，行星履带轮滚过障碍物;当Hmax≤台阶高度≤L/2时，行星履带轮翻过障碍物;当台阶高度≥L/2时，无法完成越障。

③在Adams中建立仿真模型，并对移动平台进行匀速直线行驶、越障、转弯三种不同工况进行了理论推导以及仿真分析。所得仿真结果均在误差允许范围内，验证移动平台各部分参数设计的合理性。

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