大坡度山地果园运输机行走机构设计与试验

2018-06-07欧阳爱国刘燕德

江苏农业科学 2018年10期

欧阳爱国，吴建，刘燕德，胡军，姜飞

(华东交通大学光机电技术及应用研究所，江西南昌 330013)

我国果园大多分布在山地丘陵区域，由于早期规划不合理，具有果树行距小、山地坡度大等特点，造成农资运输不便、果园作业困难等问题。为了解决山地果园农资运输困难问题，提高农产品运输效率，国内许多专家学者研究并开发出多种类型的果园运输机械。近年来，国内果园轨道运输机技术发展迅速，已开发出多种类型果园运输机，根据轨道和动力形式的不同可分为单轨、双轨和牵引式、自走式以及索道果园运输机等多种类型[1-3]。其中牵引式山地果园轨道运输机是一种由电机驱动，通过钢丝绳牵引载物滑车在轨道上按指定路径行走的农资运输机械，能够适应10°～50°坡度范围的山地、丘陵等地形的运输要求，大幅度提高山地果园农资运输效率和山地果园管理机械化、省力化程度，在国内得到了广泛的研究和应用[4-6]。

我国果园智能化和省力化技术的研究起步较晚，通过农业现代化进程的不断深入，国内高校及研究所在山地果园双轨运输机的研究应用上取得了较大进步[7-14]。由于果园双轨运输机具有结构简单、运行稳定、价格较低等优点，因此具有很大的市场应用前景。行走机构是山地果园双轨运输机重要组成部分，它是货物车架与轨道的直接联系者，起到承载货物重量与车架自重的作用，同时实现在轨道上的移动。为了保证双轨运输机在坡地铺设的轨道上安全、稳定地运输物资，笔者设计了一种大坡度山地果园双轨道运输机行走机构，采用鼓型上下轮结构，将轨道约束在上下轮中间，转弯半径小，能够适应地形复杂的山地果园运输条件，同时计算出行走机构关键设计参数，确保行走机构的安全性和平稳性。

1 轨道运输机总体结构与技术要求

1.1 轨道运输机总体结构

牵引式果园轨道运输机主要由牵引装置、钢丝绳、运输车、双轨道、导索轮、控制装置和安全制动装置等部分组成。动力驱动装置包括电机、减速器、卷筒和排绳装置，运输车由车架、行走机构、导向杆和断绳保护装置等部件构成。轨道是由2根圆形钢管和支撑柱、横梁焊接而成，支撑柱可根据地形调整高度，有效减少轨道铺设对地形的要求。牵引式山地果园双轨道运输机总体结构如图1所示，驱动牵引装置位于轨道上方(或者下方)，电机通过联轴器、电磁制动器、减速器、卷筒和钢丝绳将动力传递到货物运输车，货物运输车通过钢丝绳的牵引力实现上行，下行时电机反转，并依靠货物运输车自重及货物重量完成。运输机工作时，可以通过遥控器实时地控制电机正、反转和停止来实现货运滑车上行、下行和停止等动作。

1.2 运输机技术要求

我国果树种植密度一般约为1 200株/hm2，株距约为 2.9 m，树冠间隙一般小于1.2 m[6]。根据山地果园地形条件以及山地果园水果、农药等物资运输需求，山地果园双轨道运输机设计应满足：驱动装置置于山顶，减少绳索的长度；爬坡角度在10°～50°，额定装载质量300 kg，运输机宽度小于 0.8 m；运输机在轨道垂直方向和水平方向最小转弯半径不小于8、5 m；运输机的作业范围可达到轨道左右100 m。山地果园双轨道运输机主要技术参数见表1。

表1 运输机主要技术参数

2 行走机构结构设计与工作原理

2.1 结构设计

行走机构是双轨道运输车的重要结构，运输车通过行走机构在双轨道上实现滑行、转弯作业。要保证运输车在弯曲起伏的轨道上安全平稳运行，防止出现脱轨、卡轨和抖动等现象，设计行走机构结构时必须满足防倾覆、防脱轨、转弯平稳等要求。为满足山地果园双轨道运输机的技术要求，运输机行走轮组结构图如图2所示，对称安装在车架的4个角上构成运输机的行走机构，行走轮组主要由承重轮、防翻轮、支座组成。

行走轮和防翻轮均设计为鼓形结构，增加了轮轨的接触面积，有利于减少轮轨之间的压力，改善轮轨间的磨损情况。同时，行走轮和防翻轮对轨道形成的包裹效应，能有效防止运输机出现脱轨或倾覆。

2.2 总体结构与工作原理

行走机构总体结构如图3所示，行走轮与防翻轮为鼓形结构，分别安装在轨道上下两侧，支撑整个运输车的重量并防止运输车向上跳动及侧翻事故的发生，同时鼓形结构的行走轮可防止运输车在运行过程中向轨道两侧滑动，减少运输车的晃动对果品品质产生的破坏。行走轮组分别焊接在底架的4个角，与车架组成行走机构的整体结构。行走轮中部鼓形直径大于钢管轨道直径，行走机构在水平转弯时可调整轮轨间隙，防止行走轮出现抱轨现象。在钢丝绳的牵引下，行走机构沿着既定轨道滑行。行走机构与底架构成一个运输平台，平台可搭载货物车架运输物资，也可搭载喷药机与采摘机械等作业装备。

3 行走机构关键参数确定

山地果园运输机轨道一般由直线、水平转弯和垂直转弯3种形式组成，甚至出现既有水平也有垂直方向的螺旋状转弯。行走机构与轨道在转弯过程中，轮轨位置不断发生变化，轮轨尺寸关系对运输车转弯运行是否平稳和安全具有重要影响，因此必须考虑行走轮、防翻轮与轨道之间的尺寸关系。行走机构设计的关键参数包括左右行走轮端面距离b、行走轮与防翻轮轮距L及前后承重轮轮距a，轨道和行走机构结构见图4。

3.1 行走轮端面距离

为满足运输机水平最小转弯半径为5 m的设计要求，使运输车平稳顺利通过水平弯道，不出现脱轨、卡轨等问题，根据轨道的最小转弯半径及行走机构尺寸可计算出合适的左右行走轮端面距离，行走机构水平转弯极限位置如图5所示。

根据水平转弯极限位置几何关系可得左右承重轮端面距离计算公式。

(1)

δ≈R-L；

(2)

b=c+δ。

(3)

式中：a、b分别为前后行走轮轮距和左右行走轮端面距离，mm；c为轨道宽度，mm；R为轨道最小水平转弯半径，mm；L为行走轮外端面到最小转弯半径中心点的距离，mm；δ为行走轮边缘与轨道的间隙，mm；

根据山地果园双轨运输机的设计要求，最小转弯半径R=5 000 mm，前后行走轮轮距a=800 mm，代入式(1)～式(3)可得行走轮边缘与轨道的间隙δ≈12 mm，左右行走轮端面距离b=612 mm。

3.2 行走轮与防翻轮轴距

为满足运输机垂直方向最小转弯半径为8 m的设计要求，实现运输车顺利通过垂直方向的弯道，防翻轮与轨道之间需要留有一定间隙。根据行走机构在凸型和凹形垂直方向极限转弯时和弯轨道的位置及尺寸关系，分别计算出两种情况下行走轮轴与防翻轮轴的距离。图6-a为凸型垂直转弯极限位置示意图，可推导出在最小凸型垂直方向转弯半径下行走轮与防翻轮的轴距计算公式如式(4)～式(6)。

(4)

α=β；

(5)

(6)

式中：a为前后行走轮轮距，mm；d、d1分别为轨道直径和行走轮直径，mm；L1为行走轮与防翻轮轴距，mm；R为垂直方向最小转弯半径，mm。

由行走机构的结构尺寸可得，a=800 mm，R=8 000 mm，d=48 mm，d1=60 mm。代入式(4)～式(6)计算可得L1≈91 mm。

凹形垂直转弯轨道示意图如图6-b所示，可推导出在最小凹形垂直方向转弯半径下行走轮与防翻轮的轴距计算公式为式(7)～式(9)。

(7)

α=β；

(8)

(9)

式中：a为前后行走轮轮距，mm；d、d2分别为轨道直径和防翻轮直径，mm；L2为行走轮与防翻轮轮距，mm；R为垂直方向最小转弯半径，mm。

由行走机构的结构尺寸可得，a=800 mm，R=8 000 mm，d=48 mm，d2=48 mm。代入式(7)～式(9)计算可得L2≈92 mm。

比较凹、凸型2种垂直方向极限转弯位置时行走轮与防翻轮轮距理论计算值，选取两者较大值为顺利通过弯道的最小轮距。结合行走机构实际运行情况，为了保证行走机构通过极限位置时运行平稳、顺利，在极限位置处防翻轮应与轨道留有一定余量的间隙，故行走轮与防翻轮轮距可取L2=95 mm。

根据上述计算结果可得行走机构的尺寸参数(表2)。

表2 行走机构主要设计参数

4 运行效果测试

为了进一步验证行走机构结构和参数设计的正确性，测试运输机的实际运行效果，在赣州某果园示范基地进行安装测试。轨道依据地形铺设，包括直线部分和弯道部分，轨道如图7所示。轨道水平和垂直方向最小转弯半径分别为5 m和8 m，最大坡度为50°，运输车运行速度为0.5 m/s，装载质量为300 kg。

分别测试运输车上行和下行2个过程，行走机构与轨道在运输车空载和满载时的接触状况，尤其是转弯处的接触情况，观察行走轮、防翻轮与轨道的间隙大小是否合理，是否出现脱轨、卡轨等不良接触现象。当轨道水平和垂直方向最小转弯半径及轨道宽度设计要求分别为5、8、0.6 m时，行走轮与防翻轮轮距、前后行走轮轮距、左右承重轮端面距离等设计参数为95、800、612 mm，运输机运行效果表明，行走机构与轨道配合良好，弯道运行过程中不会出现脱轨和卡轨等现象，运输车运行过程平稳，也不会出现抖动现象，因此与轨道相配套的行走机构设计和参数计算合理。运输车运行测试现场与行走机构局部分别如图8、图9所示。