大坡度山地果園運(yùn)輸機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

歐陽愛國(guó)， 吳 建， 劉燕德， 胡 軍， 姜 飛

(華東交通大學(xué)光機(jī)電技術(shù)及應(yīng)用研究所，江西南昌 330013)

我國(guó)果園大多分布在山地丘陵區(qū)域，由于早期規(guī)劃不合理，具有果樹行距小、山地坡度大等特點(diǎn)，造成農(nóng)資運(yùn)輸不便、果園作業(yè)困難等問題。為了解決山地果園農(nóng)資運(yùn)輸困難問題，提高農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸效率，國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者研究并開發(fā)出多種類型的果園運(yùn)輸機(jī)械。近年來，國(guó)內(nèi)果園軌道運(yùn)輸機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，已開發(fā)出多種類型果園運(yùn)輸機(jī)，根據(jù)軌道和動(dòng)力形式的不同可分為單軌、雙軌和牽引式、自走式以及索道果園運(yùn)輸機(jī)等多種類型[1-3]。其中牽引式山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)是一種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過鋼絲繩牽引載物滑車在軌道上按指定路徑行走的農(nóng)資運(yùn)輸機(jī)械，能夠適應(yīng)10°～50°坡度范圍的山地、丘陵等地形的運(yùn)輸要求，大幅度提高山地果園農(nóng)資運(yùn)輸效率和山地果園管理機(jī)械化、省力化程度，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的研究和應(yīng)用[4-6]。

我國(guó)果園智能化和省力化技術(shù)的研究起步較晚，通過農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，國(guó)內(nèi)高校及研究所在山地果園雙軌運(yùn)輸機(jī)的研究應(yīng)用上取得了較大進(jìn)步[7-14]。由于果園雙軌運(yùn)輸機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，因此具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。行走機(jī)構(gòu)是山地果園雙軌運(yùn)輸機(jī)重要組成部分，它是貨物車架與軌道的直接聯(lián)系者，起到承載貨物重量與車架自重的作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在軌道上的移動(dòng)。為了保證雙軌運(yùn)輸機(jī)在坡地鋪設(shè)的軌道上安全、穩(wěn)定地運(yùn)輸物資，筆者設(shè)計(jì)了一種大坡度山地果園雙軌道運(yùn)輸機(jī)行走機(jī)構(gòu)，采用鼓型上下輪結(jié)構(gòu)，將軌道約束在上下輪中間，轉(zhuǎn)彎半徑小，能夠適應(yīng)地形復(fù)雜的山地果園運(yùn)輸條件，同時(shí)計(jì)算出行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，確保行走機(jī)構(gòu)的安全性和平穩(wěn)性。

1 軌道運(yùn)輸機(jī)總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

1.1 軌道運(yùn)輸機(jī)總體結(jié)構(gòu)

牽引式果園軌道運(yùn)輸機(jī)主要由牽引裝置、鋼絲繩、運(yùn)輸車、雙軌道、導(dǎo)索輪、控制裝置和安全制動(dòng)裝置等部分組成。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、減速器、卷筒和排繩裝置，運(yùn)輸車由車架、行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向桿和斷繩保護(hù)裝置等部件構(gòu)成。軌道是由2根圓形鋼管和支撐柱、橫梁焊接而成，支撐柱可根據(jù)地形調(diào)整高度，有效減少軌道鋪設(shè)對(duì)地形的要求。牽引式山地果園雙軌道運(yùn)輸機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，驅(qū)動(dòng)牽引裝置位于軌道上方(或者下方)，電機(jī)通過聯(lián)軸器、電磁制動(dòng)器、減速器、卷筒和鋼絲繩將動(dòng)力傳遞到貨物運(yùn)輸車，貨物運(yùn)輸車通過鋼絲繩的牽引力實(shí)現(xiàn)上行，下行時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，并依靠貨物運(yùn)輸車自重及貨物重量完成。運(yùn)輸機(jī)工作時(shí)，可以通過遙控器實(shí)時(shí)地控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)和停止來實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)滑車上行、下行和停止等動(dòng)作。

1.2 運(yùn)輸機(jī)技術(shù)要求

我國(guó)果樹種植密度一般約為1 200株/hm2，株距約為 2.9 m，樹冠間隙一般小于1.2 m[6]。根據(jù)山地果園地形條件以及山地果園水果、農(nóng)藥等物資運(yùn)輸需求，山地果園雙軌道運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：驅(qū)動(dòng)裝置置于山頂，減少繩索的長(zhǎng)度；爬坡角度在10°～50°，額定裝載質(zhì)量300 kg，運(yùn)輸機(jī)寬度小于 0.8 m；運(yùn)輸機(jī)在軌道垂直方向和水平方向最小轉(zhuǎn)彎半徑不小于8、5 m；運(yùn)輸機(jī)的作業(yè)范圍可達(dá)到軌道左右100 m。山地果園雙軌道運(yùn)輸機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 運(yùn)輸機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)是雙軌道運(yùn)輸車的重要結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸車通過行走機(jī)構(gòu)在雙軌道上實(shí)現(xiàn)滑行、轉(zhuǎn)彎作業(yè)。要保證運(yùn)輸車在彎曲起伏的軌道上安全平穩(wěn)運(yùn)行，防止出現(xiàn)脫軌、卡軌和抖動(dòng)等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)時(shí)必須滿足防傾覆、防脫軌、轉(zhuǎn)彎平穩(wěn)等要求。為滿足山地果園雙軌道運(yùn)輸機(jī)的技術(shù)要求，運(yùn)輸機(jī)行走輪組結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，對(duì)稱安裝在車架的4個(gè)角上構(gòu)成運(yùn)輸機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，行走輪組主要由承重輪、防翻輪、支座組成。

行走輪和防翻輪均設(shè)計(jì)為鼓形結(jié)構(gòu)，增加了輪軌的接觸面積，有利于減少輪軌之間的壓力，改善輪軌間的磨損情況。同時(shí)，行走輪和防翻輪對(duì)軌道形成的包裹效應(yīng)，能有效防止運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)脫軌或傾覆。

2.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

行走機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，行走輪與防翻輪為鼓形結(jié)構(gòu)，分別安裝在軌道上下兩側(cè)，支撐整個(gè)運(yùn)輸車的重量并防止運(yùn)輸車向上跳動(dòng)及側(cè)翻事故的發(fā)生，同時(shí)鼓形結(jié)構(gòu)的行走輪可防止運(yùn)輸車在運(yùn)行過程中向軌道兩側(cè)滑動(dòng)，減少運(yùn)輸車的晃動(dòng)對(duì)果品品質(zhì)產(chǎn)生的破壞。行走輪組分別焊接在底架的4個(gè)角，與車架組成行走機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)。行走輪中部鼓形直徑大于鋼管軌道直徑，行走機(jī)構(gòu)在水平轉(zhuǎn)彎時(shí)可調(diào)整輪軌間隙，防止行走輪出現(xiàn)抱軌現(xiàn)象。在鋼絲繩的牽引下，行走機(jī)構(gòu)沿著既定軌道滑行。行走機(jī)構(gòu)與底架構(gòu)成一個(gè)運(yùn)輸平臺(tái)，平臺(tái)可搭載貨物車架運(yùn)輸物資，也可搭載噴藥機(jī)與采摘機(jī)械等作業(yè)裝備。

3 行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)確定

山地果園運(yùn)輸機(jī)軌道一般由直線、水平轉(zhuǎn)彎和垂直轉(zhuǎn)彎3種形式組成，甚至出現(xiàn)既有水平也有垂直方向的螺旋狀轉(zhuǎn)彎。行走機(jī)構(gòu)與軌道在轉(zhuǎn)彎過程中，輪軌位置不斷發(fā)生變化，輪軌尺寸關(guān)系對(duì)運(yùn)輸車轉(zhuǎn)彎運(yùn)行是否平穩(wěn)和安全具有重要影響，因此必須考慮行走輪、防翻輪與軌道之間的尺寸關(guān)系。行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)包括左右行走輪端面距離b、行走輪與防翻輪輪距L及前后承重輪輪距a，軌道和行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖4。

3.1 行走輪端面距離

為滿足運(yùn)輸機(jī)水平最小轉(zhuǎn)彎半徑為5 m的設(shè)計(jì)要求，使運(yùn)輸車平穩(wěn)順利通過水平彎道，不出現(xiàn)脫軌、卡軌等問題，根據(jù)軌道的最小轉(zhuǎn)彎半徑及行走機(jī)構(gòu)尺寸可計(jì)算出合適的左右行走輪端面距離，行走機(jī)構(gòu)水平轉(zhuǎn)彎極限位置如圖5所示。

根據(jù)水平轉(zhuǎn)彎極限位置幾何關(guān)系可得左右承重輪端面距離計(jì)算公式。

(1)

δ≈R-L；

(2)

b=c+δ。

(3)

式中：a、b分別為前后行走輪輪距和左右行走輪端面距離，mm；c為軌道寬度，mm；R為軌道最小水平轉(zhuǎn)彎半徑，mm；L為行走輪外端面到最小轉(zhuǎn)彎半徑中心點(diǎn)的距離，mm；δ為行走輪邊緣與軌道的間隙，mm；

根據(jù)山地果園雙軌運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)要求，最小轉(zhuǎn)彎半徑R=5 000 mm，前后行走輪輪距a=800 mm，代入式(1)～式(3)可得行走輪邊緣與軌道的間隙δ≈12 mm，左右行走輪端面距離b=612 mm。

3.2 行走輪與防翻輪軸距

為滿足運(yùn)輸機(jī)垂直方向最小轉(zhuǎn)彎半徑為8 m的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車順利通過垂直方向的彎道，防翻輪與軌道之間需要留有一定間隙。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)在凸型和凹形垂直方向極限轉(zhuǎn)彎時(shí)和彎軌道的位置及尺寸關(guān)系，分別計(jì)算出兩種情況下行走輪軸與防翻輪軸的距離。圖6-a為凸型垂直轉(zhuǎn)彎極限位置示意圖，可推導(dǎo)出在最小凸型垂直方向轉(zhuǎn)彎半徑下行走輪與防翻輪的軸距計(jì)算公式如式(4)～式(6)。

(4)

α=β；

(5)

(6)

式中：a為前后行走輪輪距，mm；d、d1分別為軌道直徑和行走輪直徑，mm；L1為行走輪與防翻輪軸距，mm；R為垂直方向最小轉(zhuǎn)彎半徑，mm。

由行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸可得，a=800 mm，R=8 000 mm，d=48 mm，d1=60 mm。代入式(4)～式(6)計(jì)算可得L1≈91 mm。

凹形垂直轉(zhuǎn)彎軌道示意圖如圖6-b所示，可推導(dǎo)出在最小凹形垂直方向轉(zhuǎn)彎半徑下行走輪與防翻輪的軸距計(jì)算公式為式(7)～式(9)。

(7)

α=β；

(8)

(9)

式中：a為前后行走輪輪距，mm；d、d2分別為軌道直徑和防翻輪直徑，mm；L2為行走輪與防翻輪輪距，mm；R為垂直方向最小轉(zhuǎn)彎半徑，mm。

由行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸可得，a=800 mm，R=8 000 mm，d=48 mm，d2=48 mm。代入式(7)～式(9)計(jì)算可得L2≈92 mm。

比較凹、凸型2種垂直方向極限轉(zhuǎn)彎位置時(shí)行走輪與防翻輪輪距理論計(jì)算值，選取兩者較大值為順利通過彎道的最小輪距。結(jié)合行走機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行情況，為了保證行走機(jī)構(gòu)通過極限位置時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)、順利，在極限位置處防翻輪應(yīng)與軌道留有一定余量的間隙，故行走輪與防翻輪輪距可取L2=95 mm。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可得行走機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)(表2)。

表2 行走機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4 運(yùn)行效果測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，測(cè)試運(yùn)輸機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效果，在贛州某果園示范基地進(jìn)行安裝測(cè)試。軌道依據(jù)地形鋪設(shè)，包括直線部分和彎道部分，軌道如圖7所示。軌道水平和垂直方向最小轉(zhuǎn)彎半徑分別為5 m和8 m，最大坡度為50°，運(yùn)輸車運(yùn)行速度為0.5 m/s，裝載質(zhì)量為300 kg。

分別測(cè)試運(yùn)輸車上行和下行2個(gè)過程，行走機(jī)構(gòu)與軌道在運(yùn)輸車空載和滿載時(shí)的接觸狀況，尤其是轉(zhuǎn)彎處的接觸情況，觀察行走輪、防翻輪與軌道的間隙大小是否合理，是否出現(xiàn)脫軌、卡軌等不良接觸現(xiàn)象。當(dāng)軌道水平和垂直方向最小轉(zhuǎn)彎半徑及軌道寬度設(shè)計(jì)要求分別為5、8、0.6 m時(shí)，行走輪與防翻輪輪距、前后行走輪輪距、左右承重輪端面距離等設(shè)計(jì)參數(shù)為95、800、612 mm，運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行效果表明，行走機(jī)構(gòu)與軌道配合良好，彎道運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)脫軌和卡軌等現(xiàn)象，運(yùn)輸車運(yùn)行過程平穩(wěn)，也不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，因此與軌道相配套的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算合理。運(yùn)輸車運(yùn)行測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)與行走機(jī)構(gòu)局部分別如圖8、圖9所示。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)山地果園雙軌道運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)要求，以及運(yùn)輸機(jī)在垂直方向和水平方向最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求，提出了行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，確定了行走機(jī)構(gòu)和軌道的重要關(guān)聯(lián)參數(shù)，包括左右行走輪端面距離、行走輪與防翻輪軸距等參數(shù)，保證運(yùn)輸機(jī)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。

(2)驗(yàn)證了行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，對(duì)運(yùn)輸機(jī)通過軌道直線段和彎道的性能進(jìn)行測(cè)試，行走機(jī)構(gòu)在水平及垂直轉(zhuǎn)彎處運(yùn)行平順，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)、卡軌及跳軌等不良運(yùn)行狀況，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了行走機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)的合理性，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)本研究中未涉及到關(guān)鍵零部件的受力分析及強(qiáng)度校核，本研究在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中充分考慮了行走機(jī)構(gòu)的受力情況，關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度均符合條件。

(4)在某些地形復(fù)雜的區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)立體轉(zhuǎn)彎情況，即螺旋狀軌道，后續(xù)研究需針對(duì)螺旋狀軌道進(jìn)一步驗(yàn)證行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

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