Введение

Буксирующие AGV широко используются в интеллектуальных системах производства и складской логистики. Одна из основных проблем их конструкции заключается в том, соответствует ли тяговая способность системы привода общей нагрузке автомобиля и не возникает ли недостаточный крутящий момент во время запуска и ускорения.

В практических инженерных приложениях многие индивидуальные конструкции AGV по-прежнему в значительной степени полагаются на эмпирические методы выбора двигателя, используя в качестве ориентира только мощность двигателя или номинальный крутящий момент. Зачастую это приводит к следующим проблемам:

Перегрузка двигателя при запуске

Недостаточная тяга, приводящая к невозможности буксировать тележки должным образом.

Медленный отклик на ускорение

Чрезмерное воздействие или выход из строя буферных структур

Поэтому необходимо разработать единый метод моделирования и расчета нагрузки привода, сопротивления ускорению и систем пружинной амортизации, основанный на принципах классической механики.

2. Определение нагрузки на систему AGV

Основой расчета мощности буксировки AGV является общая масса системы:

М=m_AGV + m_load

Где:

m_AGV: собственный-вес AGV

m_load: буксируемая тележка или масса полезной нагрузки.

M: Общая масса системы

Полная гравитационная нагрузка автомобиля равна:

W = M × g

Где г=9.8 м/с².

3. Анализ сопротивления вождению (основная основа проектирования)

Во время прямолинейного горизонтального движения основные сопротивления, действующие на AGV, состоят из сопротивления качению и инерционного сопротивления ускорения.

3.1 Сопротивление качению (первичное устойчивое сопротивление-состояния)

Сопротивление качению возникает из-за деформации между колесом и поверхностью контакта с землей:

Ff=f × M × g

Где f — коэффициент сопротивления качению, обычно варьирующийся от 0,03 до 0,06.

Следует отметить, что в условиях поворота или неровной поверхности пола это сопротивление обычно увеличивается на 5–10%. Поэтому в инженерных приложениях необходимо зарезервировать достаточный расчетный запас, чтобы избежать недостаточной мощности при прохождении поворотов.

3.2 Сопротивление воздуха (незначительное на низкой скорости)

В закрытых системах AGV рабочая скорость обычно низкая, поэтому сопротивление воздуха оказывает минимальное влияние:

Fw=0.5 × rho × Cd × A × v²

В большинстве инженерных расчетов этим термином обычно пренебрегают.

3.3 Инерционное сопротивление ускорению (критическое при запуске)

При запуске или разгоне АГВ должна преодолеть инерцию всей массы системы:

Fj=M × а

Если учитывать вращательную инерцию двигателей, редукторов и других вращающихся компонентов, уравнение можно расширить как:

Fj=M × a + Σ(Ji × альфа_i/ri)

Однако в практическом инженерном проектировании обычно применяется упрощенная модель:

Fj ≈ M × а

3.4 Общая необходимая движущая сила

Следовательно, общая тяговая сила, необходимая для работы AGV, равна:

F_total=M × a + f × M × g

Это уравнение служит основной основой для выбора системы привода.

4. Связь между усилием на ведущем колесе и крутящим моментом.

Ведущее колесо является ключевым компонентом, отвечающим за преобразование крутящего момента двигателя в силу тяги грунта.

4.1 Базовая механическая связь

F = T / r

Где:

F: Сила тяги грунта

T: Выходной крутящий момент ведущего колеса

r: Радиус ведущего колеса

Видно, что меньший радиус колеса создает большую тяговую силу при том же крутящем моменте, что является важным направлением оптимизации в конструкции легких AGV.

4.2 Системы с несколькими-ведущими колесами

Для системы с n ведущими колесами:

T_total=n × T_wheel

Учитывая эффективность трансмиссии и уменьшение коробки передач:

T_wheel=(T_motor × i × eta) / n

Где:

i: передаточное число редуктора

eta: эффективность передачи (обычно 0,9–0,95).

5. Проверка ускорения и крутящего момента двигателя.

Конструкция AGV должна не только определять, может ли транспортное средство двигаться, но также проверять, может ли оно достичь целевых показателей ускорения.

5.1 Формула ускорения

Подставив движущую силу во второй закон Ньютона:

а=(F_total - f × M × g) / M

Далее расширено:

a = (n × T / r - f × M × g) / M

Эта формула используется для оценки фактической способности системы к ускорению.

5.2 Требуемый пусковой крутящий момент

Фаза запуска является наиболее критической, поскольку система должна одновременно преодолевать статическое трение и инерцию:

T_start=((M × a + f × M × g) × r)/n

5.3 Рабочий крутящий момент в установившемся-состоянии

При работе на постоянной-скорости необходимо преодолевать только сопротивление качению:

T_steady=(f × M × g × r) / n

6. Анализ инженерного примера (корректированный расчет)

В качестве примера рассмотрим типичный режим работы AGV:

М=100 кг

r = 0.015 m

f = 0.05

n = 2

Целевое ускорение:

a = 0.5 m/s²

6.1 Сопротивление качению

Ff=100 × 9,8 × 0.05=49 Н

6.2 Общая движущая сила

F_total=M × a + f × M × g

F_total=100 × 0.5 + 49=99 Н

6.3 Требуемый крутящий момент для одного колеса

Т=(F_total × r) / n

T = (99 × 0.015) / 2 = 0.7425 N·m

Инженерное заключение

Приведенный выше результат демонстрирует, что:

Проектирование энергосистемы AGV должно основываться на реальных целевых показателях ускорения.

Выбор двигателя не может зависеть исключительно от мощности двигателя или номинального крутящего момента.

В противном случае могут возникнуть ситуации, когда конструкция кажется теоретически осуществимой, но не работает в реальных условиях эксплуатации.

7. Выбор конструкции буферной пружины

Во время стыковки или предотвращения-столкновений для буксировки AGV требуются пружинные системы, поглощающие энергию удара.

7.1 Базовая модель (закон Гука)

F = k × x

Где:

k: жесткость пружины

x: Смещение при сжатии

7.2 Проект распределения нагрузки на несколько-пружинных пружин

Если в системе используются пружины n_s:

Одиночная пружинная нагрузка:

F_spring=(М × г) / n_s

Конструкция пружинной жесткости:

k=F_spring / x

7.3 Принципы проектирования

Основной принцип проектирования пружинных систем заключается не в том, что «чем жестче, тем лучше», а в следующем:

Нагрузка должна быть распределена равномерно

Должен быть гарантирован достаточный ход сжатия.

Необходимо избегать жесткой передачи удара на конструкцию транспортного средства.

8. Краткое описание основного проекта

Конструкция буксирных силовых систем AGV должна соответствовать следующим принципам:

Конструкция системы привода, по сути, представляет собой баланс между силой тяги, сопротивлением и инерцией.

Радиус колеса r, крутящий момент двигателя и передаточное число совместно определяют производительность системы.

Ускорение должно быть включено в качестве цели проектирования, а не просто результата проверки.

Мощность не может заменить анализ крутящего момента

Буферные системы должны быть структурно спроектированы с учетом распределения общей нагрузки.