于欢　刘昊翔　孔祥浩　高阳　李志鑫

摘要：该方案为了解决果农采摘山地柑橘费时费力、效率低、成本高、危险性高的难题，通过铺设轨道、缆绳，以卷扬机作为动力源，使得载物小车从山顶到山脚可以根据果农的遥控器信号沿着轨道在不同的橘园装载柑橘，并且实现载物台水平高度可调控制、紧急刹车、缆绳导向、避震等一系列功能。对推广应用山地橘园省力化运送机械，柑橘生产升级换代，节本增效有着重大的意义。

关键词：省力机械;运送装置;山坡轨道;牵引机

1 前言

1.1 设计的目的与意义

据考察，我国的柑橘果树绝大多数栽培在运输道路困难的山地、丘陵等地，农民在柑橘的采摘运送方面往往要耗费大量的时间和劳动力，导致柑橘的生产成本偏高、效率低下。该作品就是为了减轻农民的劳动强度，同时提高效率降低成本，并且推广应用山地橘园省力化运送机械，对于柑橘生产升级换代、节本增效、推进农业设备现代化有着重大的意义。

1.2 国内外研究水平比较

目前，国内的橘园机械化运输尚处于研究和中试阶段。我国柑橘绝大多数栽培在山地，运输、管理费力费时，劳动强度很大，生产成本偏高。山地橘园省力化栽培机械与相配套栽培技术研究任重道远，发展索道运输、喷雾灌溉等机械大有可为。

2008年，由华中农业大学张衍林等人研发的果园单轨运输机在湖北宜昌市试制并投入试运行。这种运输机试具运行速度0.7～1.2米/秒，能试用坡度为40度以下的果园。除了可以运输柑橘和化肥，还配套了果园植保喷雾机械进行自带药水、机械喷雾。该单轨运输机取得了重大突破，在国内尚属国内首创。但其结构复杂，机型庞大，制造成本高，很难被一般橘园农户所接受。同年，华南农业大学大学洪添胜等人山地橘园链式循环货运索道在广东惠州龙门县进行了试验示范。该轨道可实现上下坡，直线或拐弯运行，长输送距离等功能，但其各环节的零件较多，不能保证柑橘和采摘人员的安全，而且建设成本也高。

2009年，“山地橘园省力化栽培机械及相配套栽培技术研究与示范项目”作为国家公益性行业（农业）科研专项已正式启动。研究山地园运输机械化技术符合农业机械化发展的迫切要求，符合我国大多数山地果园的生产需求，具有促进和推动农业产业化发展的作用，在当今劳动力成本增加的今天，具有很好的应用推广前景。

2 作品设计

2.1 主要问题及其解决方案一

2.1.1 卷扬机选型

设山地坡度为α，一台运送车匀速上坡时的牵引力为：其中，δ为滚动摩阻系数，钢质车轮与钢轨为0.05mm，r为滚轮半径，取45mm ，αmax =60°，Gmax=G车+G橘max=（0.2+1）X10kN=12kN。因为山坡轨道上有两台串联的运送车，故所需的牵引力为kN。运行时，卷扬机卷筒与钢绳之间的阻力为W=0.02T，钢丝绳的张紧力为：其中，μ为卷筒与钢绳的摩擦系数，可取μ=0.15;α为包角，取α=180°;e=2.718。由以上可得，电机功率为：其中，ν为运送车上坡速率，一般为0.3m/s，η为卷扬机效率，约为0.93。根据以上推导，可以得到使运送车载重上坡所需牵引力为kN，电机功率Pd=6.8kw。结合运送车爬坡速度和橘园山坡坡面路程等实际情况，选择型号为JK1型的卷扬机组。

2.1.2 轨道铺设

轨道将引导运送车上下坡，如图所示是轨道一侧，采用双轨槽钢开口相对安装，双轨槽钢顺着山坡坡度铺设，运送车车轮则在槽钢凹槽内运动。该槽钢轨拆卸方便，可避免日晒雨淋，同时不破坏地表。其规格：型号为8的80×43×5热轧普通槽钢。双轨的宽为600mm，轨道内侧的高度为48mm，内侧宽带=60mm.（轨道的材料选用12KG，Q235）

2.1.3 整车设计

（1） 运送车底架

为了使运送车拥有较大的载重量，同时在轨道上运行平稳。运送车底采用如图所示的三角底架，它将前后轮轴固连在一起。前轮部分可以绕着三角底架的顶点在垂直纸面的方向旋转，以适应轨道左右不平行性，减缓整车的倾斜度。（车底架选用材料Q235-C）

（2） 前轮车架

当轨道不平行时，前轮架会产生一定角度的倾斜，如图所示，若不采取措施，则轮子或者轨道会受到彼此的挤压而毁坏，而平行四边形机构能够保证轮子与轨道的始终面面接触，不破坏运送装置的情况下使运送车平稳运行。

（3） 载物平台

柑橘等物料在运送时，一般都会正向上放置。考虑到山地橘园坡度较陡且地形各异，必须使载物台水平或接近水平放置，使得货物不会滑落运送车。采用曲柄滑块机构使载物台绕着一轮轴旋转，根据橘园山地坡度，调整载物台与运送车底架平面的夹角，使其达到一个平均的水平，适应不同的坡度，以使所载货物在运送过程中保持平稳。

（4） 安全保护装置

当机械出现故障时，如钢丝绳失去作用，导致运送车翻车或下滑，为保证人身、所运货物及运送车本身的安全，设置了两套紧急制动装置。一旦钢索失去对运送车的拉力，将会自动刹车，使运送车经过一定的缓冲后停在轨道上。第一种是采用橡胶垫的保护装置。橡胶与钢材摩擦系数大，当钢丝绳失去作用时，经过机构的动作配合，内置弹簧会使橡胶垫嵌入轮子与轨道之间，将运送车卡在轨道上。第二种则使用拉钩保护装置。当钢丝绳失去作用时，拉钩在自身重力的作用下，落下并勾住轨道横杠，经过缓冲，将运送车刹主。它可以有效防止在山地斜坡段任何轨道面处短绳跑车，具体的尺寸及细节在工程图中给出。（其中吊钩的材料选用Q235B）

2.2 运送车定位

要使运送车在山地斜坡任何轨道面处停下以装载或卸载物料，可以从山顶到山脚沿轨道布置拉绳，绳的一端连着山顶处即卷扬机旁的发声器。作业中，任意时刻拉动绳子使发声器鸣响，提醒操纵卷扬机的人员停下卷扬机，完后再次拉绳，操作员启动卷扬机使运送车继续运送。

（1）车轮与轨道的连接方式

由过山车的设计产生设计灵感，该方案采用一个承载轮，一个限位轮，还有一个侧轮分别接触轨道的上，下，外三侧。可以保证在快速行驶的过程中车轮始终与轨道接触，确保平稳进行。轨道采用圆柱形，便于轮与轨道的接触，同时减少他们之间的摩擦。

（2）调整载物台的倾斜度方式

采用丝杆代替调节载物台的倾斜度，起到更方便快捷地调整载物台的倾斜度的作用。

（3）运送车的定位

运送车的定位我们采用了遥控的方式，电线则通过铺设在圆柱形轨道连接到山上。为了避免由于树林的遮挡、发送距离太长等外界环境因素而导致电机接收器接收不到遥控信号的情况，在几个采摘橘点附近相应地在圆柱形空心轨道里布置几个分接收器，再通过电线连到山上的主接收器，从而有效控制电机。

（4）轨道两侧采用中空，里面可以布置电线，从山顶连接到山脚，有效地保护电线，降低天气的影响。

（5）缆绳与车采用万向节配合连接，正常工作状态绳处于绷紧，一旦发生意外缆绳断裂，则该万向节会旋转一定角度卡在轨道上，使得车子减速然后静止，达到安全保护作用。

（6）减震装置。

在后轮的对称两侧各放一片有一定弯度厚度的铁片（参照钢板弹簧），一头跟圆管焊接，另一部分保持活动，当发生上下跳动时，能起到减震的作用。

（7）丝杆调节结构，通过车子两侧对称的丝杆上的螺母墊片调整，可控制载物平台的水平高度。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].第五版.北京：机械工业出版社，2010.