于歡　劉昊翔　孔祥浩　高陽(yáng)　李志鑫

摘要：該方案為了解決果農(nóng)采摘山地柑橘費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低、成本高、危險(xiǎn)性高的難題，通過(guò)鋪設(shè)軌道、纜繩，以卷?yè)P(yáng)機(jī)作為動(dòng)力源，使得載物小車從山頂?shù)缴侥_可以根據(jù)果農(nóng)的遙控器信號(hào)沿著軌道在不同的橘園裝載柑橘，并且實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)水平高度可調(diào)控制、緊急剎車、纜繩導(dǎo)向、避震等一系列功能。對(duì)推廣應(yīng)用山地橘園省力化運(yùn)送機(jī)械，柑橘生產(chǎn)升級(jí)換代，節(jié)本增效有著重大的意義。

關(guān)鍵詞：省力機(jī)械;運(yùn)送裝置;山坡軌道;牽引機(jī)

1 前言

1.1 設(shè)計(jì)的目的與意義

據(jù)考察，我國(guó)的柑橘果樹絕大多數(shù)栽培在運(yùn)輸?shù)缆防щy的山地、丘陵等地，農(nóng)民在柑橘的采摘運(yùn)送方面往往要耗費(fèi)大量的時(shí)間和勞動(dòng)力，導(dǎo)致柑橘的生產(chǎn)成本偏高、效率低下。該作品就是為了減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高效率降低成本，并且推廣應(yīng)用山地橘園省力化運(yùn)送機(jī)械，對(duì)于柑橘生產(chǎn)升級(jí)換代、節(jié)本增效、推進(jìn)農(nóng)業(yè)設(shè)備現(xiàn)代化有著重大的意義。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究水平比較

目前，國(guó)內(nèi)的橘園機(jī)械化運(yùn)輸尚處于研究和中試階段。我國(guó)柑橘絕大多數(shù)栽培在山地，運(yùn)輸、管理費(fèi)力費(fèi)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，生產(chǎn)成本偏高。山地橘園省力化栽培機(jī)械與相配套栽培技術(shù)研究任重道遠(yuǎn)，發(fā)展索道運(yùn)輸、噴霧灌溉等機(jī)械大有可為。

2008年，由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張衍林等人研發(fā)的果園單軌運(yùn)輸機(jī)在湖北宜昌市試制并投入試運(yùn)行。這種運(yùn)輸機(jī)試具運(yùn)行速度0.7～1.2米/秒，能試用坡度為40度以下的果園。除了可以運(yùn)輸柑橘和化肥，還配套了果園植保噴霧機(jī)械進(jìn)行自帶藥水、機(jī)械噴霧。該單軌運(yùn)輸機(jī)取得了重大突破，在國(guó)內(nèi)尚屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)型龐大，制造成本高，很難被一般橘園農(nóng)戶所接受。同年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)洪添勝等人山地橘園鏈?zhǔn)窖h(huán)貨運(yùn)索道在廣東惠州龍門縣進(jìn)行了試驗(yàn)示范。該軌道可實(shí)現(xiàn)上下坡，直線或拐彎運(yùn)行，長(zhǎng)輸送距離等功能，但其各環(huán)節(jié)的零件較多，不能保證柑橘和采摘人員的安全，而且建設(shè)成本也高。

2009年，“山地橘園省力化栽培機(jī)械及相配套栽培技術(shù)研究與示范項(xiàng)目”作為國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)已正式啟動(dòng)。研究山地園運(yùn)輸機(jī)械化技術(shù)符合農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的迫切要求，符合我國(guó)大多數(shù)山地果園的生產(chǎn)需求，具有促進(jìn)和推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的作用，在當(dāng)今勞動(dòng)力成本增加的今天，具有很好的應(yīng)用推廣前景。

2 作品設(shè)計(jì)

2.1 主要問(wèn)題及其解決方案一

2.1.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)選型

設(shè)山地坡度為α，一臺(tái)運(yùn)送車勻速上坡時(shí)的牽引力為：其中，δ為滾動(dòng)摩阻系數(shù)，鋼質(zhì)車輪與鋼軌為0.05mm，r為滾輪半徑，取45mm ，αmax =60°，Gmax=G車+G橘max=（0.2+1）X10kN=12kN。因?yàn)樯狡萝壍郎嫌袃膳_(tái)串聯(lián)的運(yùn)送車，故所需的牽引力為kN。運(yùn)行時(shí)，卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒與鋼繩之間的阻力為W=0.02T，鋼絲繩的張緊力為：其中，μ為卷筒與鋼繩的摩擦系數(shù)，可取μ=0.15;α為包角，取α=180°;e=2.718。由以上可得，電機(jī)功率為：其中，ν為運(yùn)送車上坡速率，一般為0.3m/s，η為卷?yè)P(yáng)機(jī)效率，約為0.93。根據(jù)以上推導(dǎo)，可以得到使運(yùn)送車載重上坡所需牽引力為kN，電機(jī)功率Pd=6.8kw。結(jié)合運(yùn)送車爬坡速度和橘園山坡坡面路程等實(shí)際情況，選擇型號(hào)為JK1型的卷?yè)P(yáng)機(jī)組。

2.1.2 軌道鋪設(shè)

軌道將引導(dǎo)運(yùn)送車上下坡，如圖所示是軌道一側(cè)，采用雙軌槽鋼開口相對(duì)安裝，雙軌槽鋼順著山坡坡度鋪設(shè)，運(yùn)送車車輪則在槽鋼凹槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)。該槽鋼軌拆卸方便，可避免日曬雨淋，同時(shí)不破壞地表。其規(guī)格：型號(hào)為8的80×43×5熱軋普通槽鋼。雙軌的寬為600mm，軌道內(nèi)側(cè)的高度為48mm，內(nèi)側(cè)寬帶=60mm.（軌道的材料選用12KG，Q235）

2.1.3 整車設(shè)計(jì)

（1） 運(yùn)送車底架

為了使運(yùn)送車擁有較大的載重量，同時(shí)在軌道上運(yùn)行平穩(wěn)。運(yùn)送車底采用如圖所示的三角底架，它將前后輪軸固連在一起。前輪部分可以繞著三角底架的頂點(diǎn)在垂直紙面的方向旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)軌道左右不平行性，減緩整車的傾斜度。（車底架選用材料Q235-C）

（2） 前輪車架

當(dāng)軌道不平行時(shí)，前輪架會(huì)產(chǎn)生一定角度的傾斜，如圖所示，若不采取措施，則輪子或者軌道會(huì)受到彼此的擠壓而毀壞，而平行四邊形機(jī)構(gòu)能夠保證輪子與軌道的始終面面接觸，不破壞運(yùn)送裝置的情況下使運(yùn)送車平穩(wěn)運(yùn)行。

（3） 載物平臺(tái)

柑橘等物料在運(yùn)送時(shí)，一般都會(huì)正向上放置?？紤]到山地橘園坡度較陡且地形各異，必須使載物臺(tái)水平或接近水平放置，使得貨物不會(huì)滑落運(yùn)送車。采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)使載物臺(tái)繞著一輪軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)橘園山地坡度，調(diào)整載物臺(tái)與運(yùn)送車底架平面的夾角，使其達(dá)到一個(gè)平均的水平，適應(yīng)不同的坡度，以使所載貨物在運(yùn)送過(guò)程中保持平穩(wěn)。

（4） 安全保護(hù)裝置

當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)，如鋼絲繩失去作用，導(dǎo)致運(yùn)送車翻車或下滑，為保證人身、所運(yùn)貨物及運(yùn)送車本身的安全，設(shè)置了兩套緊急制動(dòng)裝置。一旦鋼索失去對(duì)運(yùn)送車的拉力，將會(huì)自動(dòng)剎車，使運(yùn)送車經(jīng)過(guò)一定的緩沖后停在軌道上。第一種是采用橡膠墊的保護(hù)裝置。橡膠與鋼材摩擦系數(shù)大，當(dāng)鋼絲繩失去作用時(shí)，經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作配合，內(nèi)置彈簧會(huì)使橡膠墊嵌入輪子與軌道之間，將運(yùn)送車卡在軌道上。第二種則使用拉鉤保護(hù)裝置。當(dāng)鋼絲繩失去作用時(shí)，拉鉤在自身重力的作用下，落下并勾住軌道橫杠，經(jīng)過(guò)緩沖，將運(yùn)送車剎主。它可以有效防止在山地斜坡段任何軌道面處短繩跑車，具體的尺寸及細(xì)節(jié)在工程圖中給出。（其中吊鉤的材料選用Q235B）

2.2 運(yùn)送車定位

要使運(yùn)送車在山地斜坡任何軌道面處停下以裝載或卸載物料，可以從山頂?shù)缴侥_沿軌道布置拉繩，繩的一端連著山頂處即卷?yè)P(yáng)機(jī)旁的發(fā)聲器。作業(yè)中，任意時(shí)刻拉動(dòng)繩子使發(fā)聲器鳴響，提醒操縱卷?yè)P(yáng)機(jī)的人員停下卷?yè)P(yáng)機(jī)，完后再次拉繩，操作員啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)使運(yùn)送車?yán)^續(xù)運(yùn)送。

（1）車輪與軌道的連接方式

由過(guò)山車的設(shè)計(jì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)靈感，該方案采用一個(gè)承載輪，一個(gè)限位輪，還有一個(gè)側(cè)輪分別接觸軌道的上，下，外三側(cè)?？梢员ＷC在快速行駛的過(guò)程中車輪始終與軌道接觸，確保平穩(wěn)進(jìn)行。軌道采用圓柱形，便于輪與軌道的接觸，同時(shí)減少他們之間的摩擦。

（2）調(diào)整載物臺(tái)的傾斜度方式

采用絲桿代替調(diào)節(jié)載物臺(tái)的傾斜度，起到更方便快捷地調(diào)整載物臺(tái)的傾斜度的作用。

（3）運(yùn)送車的定位

運(yùn)送車的定位我們采用了遙控的方式，電線則通過(guò)鋪設(shè)在圓柱形軌道連接到山上。為了避免由于樹林的遮擋、發(fā)送距離太長(zhǎng)等外界環(huán)境因素而導(dǎo)致電機(jī)接收器接收不到遙控信號(hào)的情況，在幾個(gè)采摘橘點(diǎn)附近相應(yīng)地在圓柱形空心軌道里布置幾個(gè)分接收器，再通過(guò)電線連到山上的主接收器，從而有效控制電機(jī)。

（4）軌道兩側(cè)采用中空，里面可以布置電線，從山頂連接到山腳，有效地保護(hù)電線，降低天氣的影響。

（5）纜繩與車采用萬(wàn)向節(jié)配合連接，正常工作狀態(tài)繩處于繃緊，一旦發(fā)生意外纜繩斷裂，則該萬(wàn)向節(jié)會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度卡在軌道上，使得車子減速然后靜止，達(dá)到安全保護(hù)作用。

（6）減震裝置。

在后輪的對(duì)稱兩側(cè)各放一片有一定彎度厚度的鐵片（參照鋼板彈簧），一頭跟圓管焊接，另一部分保持活動(dòng)，當(dāng)發(fā)生上下跳動(dòng)時(shí)，能起到減震的作用。

（7）絲桿調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)車子兩側(cè)對(duì)稱的絲桿上的螺母墊片調(diào)整，可控制載物平臺(tái)的水平高度。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.