一种轻质电动林业单轨车的设计

2021-10-20郑成徐道春曹佳乐李文彬

林业工程学报 2021年5期

郑成，徐道春，曹佳乐，李文彬

(北京林业大学工学院，林业装备与自动化国家林草局重点实验室，北京 100083)

近年来，我国经济林业不断发展，种植面积不断增大，产业规模持续增长，但由于地形因素和林果园的不规范建设，导致轮式车辆通行困难，肥料、农药、果实等运输难度较大；而如果采用人力搬运，会造成人力成本上升、运输时间延长、果实腐败等问题，不利于产业规模持续增长[1-3]。

林果轨道运输机作为一种短程输送设备，对于修路困难的丘陵山地通过设置轨道，在不破坏原有生态与地貌的条件下可实现农林果品和生产资料的灵活运输[4-6]。然而目前应用的齿轮齿条啮合型单轨运输车存在轨道铺设困难、安装成本高、维修难度大、磨损大等缺点，齿条需要通过点焊安装在轨道下方，工艺要求高[7-9]，并且使用汽油、柴油作为燃料的发动机不仅噪声大还会污染林区环境[10-11]。针对以上问题，已有相关学者进行了研究。张凯鑫等[8]提出了由两侧橡胶辊驱动的果园运输机，在橡胶辊上施加一对正压力和一对相向扭矩实现驱动；Timofeev等[12]提出了一种采用环形导轨的摩擦式牵引齿轮的设计方案；李震等[13]在已有的以内燃机为动力的山地果园单轨运输机基础上，制作了山地果园蓄电池驱动单轨运输机；刘岳等[4]提出了一种基于蜗轮蜗杆的双路传动链传动系统，并采用蓄电池驱动。但上述结构均较为复杂，不适用于小型单轨运输车。同时，由于最小转弯半径受具体结构尺寸影响，目前已有的转向方式大多通过轨道侧面与导向轮安装的配合间隙实现，不同转弯半径需要配置不同的配合间隙，当由转弯半径较小处转到较大处时，轨道侧面距导向轮较远，即不能保证导向轮和轨道侧面的相对滚动。参考已有文献，对于齿轮齿条啮合式单轨运输机[5,14-15]、悬挂式单轨车辆[16]、跨坐式单轨车辆[17]运行最小转弯半径已有实例研究，但对于摩擦驱动型单轨车最小转弯半径研究较少。

针对现有单轨车轨道安装难度大、整车质量大、轨道磨损严重、运行时存在扰民与环境污染等问题，笔者设计了一种由轮毂电机驱动、可调隙转向的轻质电动林业单轨车，结合方钢轨道和正下方支撑机构，进行了林业单轨车动力学仿真分析，并研制了样机，开展了样机转弯性能和爬坡性能试验。

1 轻质电动林业单轨车设计

1.1 设计构思

设计的轻质电动林业单轨车如图1所示，尺寸为900 mm×800 mm×725 mm。林业单轨车工作时，驱动装置采用轮毂电机直接驱动，配装锂电池供电，省去了变速箱、离合器等装置，使得单轨车车体结构简单轻巧。车体设置调隙转向装置，用于在车体运动时进行调隙转向。在侧导向轮支架后加入碟形弹簧，在转弯时侧导向轮受轨道的径向力碟形弹簧压缩，使车体尽可能地紧贴轨道，保证了车体运行的稳定性。轨道是由80 mm×80 mm×2.5 mm空心镀锌方管连接而成的，不设置齿条，使得轨道部署方便且成本低。侧导向轮设置成倒“T”形起导向作用，且使车体不易侧翻；前导向轮设置为“H”形，起承重和一部分转弯作用。此外，所采用的轨道支撑装置能使车辆在硬质地面和土面2种不同的地面条件进行作业。土面支撑主要用于土面作业环境，为“人”字形；硬质地面支撑则考虑到在轨道运输过程中还可能含有水泥等硬质路面环境，即土面支撑不能适用的情况。

图1 轻质电动林业单轨车的机构示意图Fig. 1 Mechanism diagram of lightweight electric forestry monorail vehicle

1.2 车体转弯结构分析

单轨车的前导向轮主要起承重和一部分导向作用，侧导向轮起导向作用，但均不能安装使用万向轮结构，因此，前导向轮、侧导向轮等都影响着单轨车的最小转弯半径。

在转弯过程中，当一组车体中只有2个成斜对角的侧导向轮与轨道接触，其余2个侧导向轮与轨道不接触时，将侧导向轮与轨道接触的数学模型表示如图2所示。

注：e为碟形弹簧可调节位移，mm；e1为外轨道侧导向轮的横向位移，mm；e2为前/后侧导向轮均与轨道相切时2个切点连线在轨道上表面的投影距离，mm；L2为侧导向轮轴距，mm；S为轨道宽度，mm；R为最小转弯半径，mm。图2 侧导向轮计算图Fig. 2 Side guide wheel calculation diagram

根据图2，推导计算公式如下：

(1)

(2)

当侧导向轮由与轨道相切处移动到图2中的虚线处时，竖直方向移动的位移为e，此时竖直方向上侧导向轮距轨道内侧距离约为e，则：

e≈[e2-(S-e1)]/2

(3)

前导向轮不仅起着承重的作用，对于导向也起着一部分作用，因此在考虑转向时，有必要将前导向轮轮缘、含入轨道弦长等考虑其中。前导向轮与轨道接触的计算模型如图3所示。

注：L1为前导向轮与驱动轮轴距，mm；A为前导向轮轮缘含入轨道弦长，mm；σ为轨道与前导向轮的间隙，mm；r1为前导向轮轮缘半径，mm；r2为前导向轮工作半径，mm。图3 前导向轮计算图Fig. 3 Front guide wheel calculation diagram

根据图3，推导公式如下：

(4)

(5)

侧导向轮轴距L2=700 mm，前导向轮与驱动轮轴距L1=750 mm，轨道宽度S=80 mm，前导向轮轮缘半径r1=50 mm，前导向轮工作半径r2=36 mm。由式(1)～(5)可得最小转弯半径R=6 000 mm，碟形弹簧可调节位移e=5.11 mm，轨道与前导向轮间隙σ=4.70 mm。

2 轻质电动林业单轨车的爬坡和转弯运动分析

2.1 单轨车动力学模型

以提供动力的一组车体为例，建立单轨车的动力学模型如图4所示。单组车体共有横移(Y)、垂向位移(Z)、横摆(θ1)、俯仰(θ2)，侧倾(θ3)5个自由度，约束主要由4个侧导向轮、1个驱动轮和前导向轮组成。

注：K1为碟形弹簧刚度，N/mm；K2为驱动轮径向刚度，N/mm；h1为侧导向轮中心与车体重心(M)的垂向距离，mm；h2为侧导向轮的上底面距轨道下表面的距离，mm；h3为驱动轮轴与车体重心的垂向距离，mm。图4 动力学模型Fig. 4 Kinetic model

当角度θ较小时，tanθ≈θ，由图4可得侧导向轮径向力F1前右、F1后右、F1前左、F1后左的计算公式为：

(6)

由于轮毂电机后置，驱动轮径向力(F2)为：

F2=K2(Z-L1θ2/2)

(7)

前导向轮径向力(F3)为：

F3=K2(Z+L1θ2/2)

(8)

侧导向轮侧偏角(α1前左、α1前右、α1后左、α1后右)为：

(9)

式中，v为车体运行速度，mm/s。

驱动轮侧偏角(α2)为：

(10)

侧导向轮径向力和驱动轮侧偏角均影响车体的横向运动；驱动轮径向力、前导向轮径向力、侧导向轮侧偏角均影响车体的垂向运动。

2.2 爬坡、转弯工况仿真分析

以提供动力的一组车组为例，首先建立三维模型，并定义相对应的材料[18-19]。当有铰链连接时，在配合中尽量用铰链约束代替同心约束和重合约束，且将无相对运动的部件装配在一起，利用SolidWorks中的Motion模块输出.adm文件，然后导入ADAMS中完善约束关系，为了避免车轮与轨道的穿透情况，使得仿真更加精确，在ADAMS仿真环境中建立轨道。轨道由3部分组成，分别为转弯半径为6 m且90°转弯的一条弧形轨道、长40 m的直轨道以及长30 m的斜坡。基于摩擦驱动的局限性，在仿真中将斜坡坡度设置为20°，并添加旋转副、固定副、接触力等约束和驱动。设置仿真时间90 s，步长1 000，速度1 m/s。

轻质电动林业单轨车在爬坡时，采用后轮驱动，截取仿真过程中的3个状态，分别为上坡前、上坡起步以及上坡中，如图5所示。从水平直轨道过渡到坡度为20°的斜坡并爬坡时，车体速度以及质心在Z方向的位移变化见图6a：0 s时为上坡前状态；0～1.2 s时为上坡起步状态，速度在1 m/s附近波动；1.2～30 s时为上坡中状态，速度稳定在1 m/s，Z方向位移为9.8 m。图6b为前导向轮和驱动轮径向载荷变化，在上坡起步状态时波动较大，在上坡中趋于稳定。由图5和6可以得出在仿真环境中能顺利爬坡，仿真验证了单轨车载质量150 kg下爬20°坡度坡道的工况。

图5 上坡图Fig. 5 Uphill diagram

图6 爬坡分析Fig. 6 Climbing analysis

当转弯半径为6 m时，侧导向轮径向载荷变化情况见图7a，前右侧导向轮和后左侧导向轮径向力总体趋势先增加后减少。最大径向力出现在缓和曲线上，即发生在转弯角度为90°时，前右侧导向轮先达到最大径向力，之后后左侧导向轮达到最大径向力，前左侧导向轮和后右侧导向轮径向力基本无变化，即在一组车组的4个导向轮中，实际上只有2个成斜对角的轮子起导向作用。图7b为当转弯半径为6 m时，侧导向轮与轨道两侧之间碟形弹簧可调节距离的变化趋势，前右侧导向轮和后左侧导向轮与轨道两侧之间碟形弹簧可调节距离总体趋势先增加后减少。最大形变量为3.4 mm即发生在转弯角度90°时，前右侧导向轮与轨道两侧之间碟形弹簧先达到最大形变量，之后后左侧导向轮与轨道两侧之间碟形弹簧达到最大形变3.4 mm，说明设计时将e设计为5.11 mm合理。图7c和d为当转弯半径为6 m，轨道下表面距侧导向轮下底面的距离h2不同时，侧导向轮竖直方向的位移变化情况。图7c中4个侧导向轮的质心在竖直方向上取值一致且h2为7 mm；而图7d中前侧导向轮和后侧导向轮的上底面距轨道下表面距离h2取值不同，前侧导向轮的h2为2 mm，后侧导向轮的h2为12 mm时，由图7c和d可得前后2组侧导向轮在竖直方向上的位移波动浮动不同。结合图7c和d可以明显看出，h2越小，竖直方向上的摆动就越小，车组的平稳性就越好，说明了h2对整个车组行驶平稳性的影响，也能从一定程度上说明侧导向轮设计成倒“T”形具有一定的防侧倾作用。

图7 转弯分析Fig. 7 Turning analysis

3 样机性能测试

结合设计参数与仿真结果，自主设计加工制造了不含拖车的电动林业单轨车样机，如图8所示。样机由72V20Ah的锂电池为2 000 W轮毂电机供电，将锂电池放在前导向轮支架上方并固定。其中得到的样机中单轨车车体质量为73.20 kg，与森林生态型单轨车[20]牵引车的发动机、变速装置、驱动装置和制动装置四部分相比，所设计单轨车样机精简了整车结构，车体总质量相比原来的148 kg减少了50.54%。同时，相比森林生态型单轨车牵引车的60 mm×60 mm×3.2 mm轨道且需焊接齿条，所设计样机轨道改为80 mm×80 mm×2.5 mm空心镀锌方管，总质量减少22.46%。

图8 样机Fig. 8 Prototype

为测试单轨车的实际运行效果，2020年9月15日在河北省保定市双方机械加工厂厂房外搭建一条长65 m的轨道，包含直道59 m、弯道3 m和坡道3 m，其中最小转弯半径为6 m、最大坡度为20°。主要检测林业单轨车的平均运行速率、转弯和爬坡能力。为了降低运行时的速度，采用电机自带的适配器将电机限速至30%并结合线性调速部件进行速度调节，可实现林业单轨车行驶速度在0.5～1.5 m/s范围内调节，采用盘式制动器与轮毂电机直接相连并通过制动开关控制启停。经过测试，单轨车能在空载时通过所设轨道，测试过程中相较于汽油、柴油作为燃料的单轨车噪声更小，更环保，证明了所设计轻质电动林业单轨车合理可行。考虑到车体在运行过程中需要人为操作线性调速部件和制动开关，后续工作将把具有线性调速和制动开关功能的相关部件进行整合，以进行自巡航无人遥感电动单轨车的研制。