一种轻简化可拆式果园运输轨道的设计与试验

2021-10-08王永坤朱杰威吴传宇

福建农林大学学报（自然科学版） 2021年5期

王永坤, 靳成, 杨琪, 朱杰威, 吴传宇

(福建农林大学机电工程学院，福建福州 350002)

我国果树资源丰富，2000年以来果树种植面积和水果产量逐年增加，水果行业具有很好的市场前景[1-2].福建是我国蜜柚的主要原产地之一，目前多数果园坡度都在20°以上，有些甚至达到60°，果树栽植株距为2.0～3.5 m，因此，果实的搬运需要投入大量的人力，工作时间长且劳动强度大[3-4].近年来，我国已开发出多种类型果园轨道运输机.根据轨道和动力形式的不同果园轨道运输机可分为单轨、双轨、牵引式、自走式以及索道果园运输机等多种类型[5-10].但现有的大部分山地果园运输机需建造固定的运输轨道，难度大，成本高，周期长，而水果运输是季节性的产物，使用周期短，故这类运输机在果园中难以推广[11].因此，研究一种适合在山地及丘陵果园工作的轻简化果园运输机械对促进我国果业进一步发展具有重要意义.

轻简化可拆式果园运输系统的主要部件可拆卸.蜜柚采摘是季节性工作，可在果实成熟时铺设轨道，运输蜜柚；采摘完成后进行下一片果园轨道的铺设，运输蜜柚.可拆卸运输轨道显著提高果园运输系统的使用率，具有使用灵活、应用广、成本低等优点.可拆式果园运输系统为分段快捷连接、易于装卸的简易地面轨道，在保障安全性和可靠性的前提下最大限度提高地面轨道的可承载范围和轻量化程度，以降低铺设难度和成本.

1 果园运输系统结构

轻简化果园运输系统主要由运输车、运输轨道、牵引装置、钢丝绳等组成.牵引装置包括交流电机、减速器、卷筒.运输车由车架、行走轮、连接轴和导向杆等部件组成.牵引装置位于轨道一端，利用钢丝绳牵引货运小车，钢丝绳索只承受拉力，不起承载作用.通过消除负载重力对钢丝绳的作用，减小钢丝绳的张力，从而减小钢丝绳的直径、重量.货物运输车通过钢丝绳的牵引实现逆坡上行；顺坡下行时电动机反转，并依靠货运小车及货物重力完成运输.运输系统工作时，可以通过无线遥控器控制电动机的正、反转和停止来实现货运小车的前进、后退[12].可拆式轨道是由方管、可拆卸式脚桩组成.可拆卸方管依照果园地形铺设，通过快速装卸接头固定方管，最后可拆卸桩脚将方管轨道固定在地面上.在保障安全性和可靠性前提下，最大限度利用地面来承载重量，提高地面轨道的可承载范围和轻量化程度.运输系统结构设计图见图1，设计参数如表1所示.

1.运输车;2.运输轨道;3.可拆卸脚桩;4.转向装置;5.钢丝绳;6.绞盘机.图1 运输系统总体结构图Fig.1 Overall structure diagram of the transport system

表1 运输系统设计参数 Table 1 Parameters of the transport system

2 可拆式轨道的设计

2.1 可拆式轨道受力模型的建立

为了保证运输机在铺设的轨道上实现平稳的直行、转弯、上下坡，防止出现脱轨和抖动等，轨道依照果园的地形铺设，地势平坦处轨道直接铺设在地面上，陡坡处通过搭建支架架设轨道.轨道两端支撑最大跨距设为1 m，轨道受力图如图2所示.每节轨道两端固定梁结构，由于轨道受到的都是垂直于轨道的载荷，因此只需满足剪切强度和弯曲强度要求，在不考虑轨道振动的情况下，轨道受力情况满足如下静力平衡方程：

∑MA=0R2(S1+S2+S3)-P1S1-P2(S1+S2)=0

(1)

∑MD=0P1(S2+S3)+P2S3-R1(S1+S2+S3)=0

(2)

(3)

式中：P1表示前支撑轮对轨道的作用力(N)；P2表示后支撑轮对轨道的作用力(N)；R1、R2分别表示轨道两端点的支撑杆对轨道的作用力(N)；MA、MD表示运输小车对轨道的力矩(N·m-1)；S1表示运输车前轮距轨道端面的距离(mm)；S2表示运输车前后轮距离(mm)；S3表示运输车后轮距轨道端面的距离(mm).

图2 轨道受力示意图Fig.2 Force diagram of the track

2.2 可拆式轨道的仿真设置

仿真材料选用长度为1 m的Q235号方钢管，材料弹性模量2.01×105MPa，屈服强度235 MPa，泊松比0.3，密度7 800 kg·m-3.对轨道两端添加固定约束，P1在距离端面A点0、100、200、300 mm处分别施加600 N压力(垂直于轨道表面)，利用ANSYS APDL模块分析轨道整体形变及应力情况，仿真结果见表2.

表2 轨道不同位置的应力与变形量Table 2 Stress and deformation at different positions of the track

2.3 可拆式轨道受力试验

由于轨道太长无法在万能试验机上进行受力分析，故使用相似试验法对轨道进行受力分析.选用总体尺寸12 mm×12 mm×1 mm、长度200 mm的Q235号钢.方管长度缩小5倍，总体尺寸缩小2.5倍，假设试验过程中方管受到相同的弯曲应力σ，计算出试验机所需施加的力，研究其变形情况，具体推导过程表示如下：

(4)

(5)

假设M点为最大挠度位置，根据梁在简单载荷作用下的变形公式得到梁的变形，应用叠加法求得M点的挠度：

(6)

(7)

WM=WM1+WM2

(8)

式中：WM1表示轨道上M点挠度(mm)；WM2表示方管M′点挠度(mm)；x1表示M点到前车轮支撑点的位置(mm)；x2表示M点到后车轮支撑点的位置(mm)；S1表示前支撑轮到轨道前端面的距离(mm)；S2表示后支撑轮到轨道后端面的距离(mm)；EI表示方管的抗弯强度(kN·mm-2).

设计4组试验模型，使用MTS公司的SANS万能试验机进行压缩试验.采用力控制法进行压缩，即每秒钟施加10 N的力，最大压力值设置为200 N[13-14].当试验机压力达到200 N时停止压缩，在压缩过程中，与试验机连接的电脑会同时显示试验方管在0～200 N作用下的变形量,本试验取的方管变形量为192 N.

2.4 轨道运输试验

为了验证轨道结构设计的正确性，在果园进行可拆式轨道的实际运行试验.轨道依据果园地形铺设(图3).从图3可知轨道间距为800 mm，垂直方向最小转弯半径为8 m，最大坡度为45°，运输车运行速度为1.2 m·s-1，运输蜜柚载重量为50～160 kg.分别测试运输车上行和下行两个过程中的行走效果、轨道受力变形、脚桩连接等情况.运输图见图4.

图3 果园运输系统运输轨道Fig.3 Overview of the transport track

3 结果与分析

3.1 可拆式轨道的受力

为了方便计算，以轨道的左支撑点A为坐标原点建立坐标系，运输小车前轮支撑力P1作用于B点，后轮支撑力P2作用于C点，受力简图如图5所示.对AB、BC、CD段内的剪力Q和弯矩W分段考虑，确定最大剪力Q和最大弯矩W.按照轨道设计的要求，前后行走轮间距S2=400 mm，运输车总载荷为240 kg，采用双轨道铺设，因此P1=P2=600 N.当S3=600 mm时，轨道受到最大剪切力，最大剪力为960 N，因此，轨道受到的最大剪切力Q(x)=960 N.

(9)

式中：Emin表示最小空心形钢截面面积(mm2)；[τ]表示Q235号钢材料许用剪切力(MPa)；E表示30 mm×30 mm×2.5 mm方钢管截面面积(mm2).

当S3=200 mm时，轨道承受最大弯曲应力M，根据弯曲强度计算公式计算最大弯曲应力：

(10)

式中：Wmin表示最小抗弯截面系数(mm)；[σ]表示Q235钢材料许用弯曲应力(MPa);WZ表示30 mm×30 mm×2.5 mm方钢管的抗弯截面系数(mm3).

根据上式分别计算S3=0 mm、S3=100 mm、S3=300 mm时轨道受到的弯曲应力为61.83、77.28、76.15 MPa，轨道承受的弯曲应力均小于Q235号钢的许用弯曲应力，故满足使用要求.

图5 轨道受力简图Fig.5 Force diagram of the track

3.2 可拆式轨道的仿真

从图6、7可以看出，轨道弯曲应力和变形主要集中在中间位置.由表2可知，在距离轨道端面200和600 mm处，轨道受到最大等效应力，最大应力发生在轨道下表面，应力值为108.56 MPa，小于材料屈服应力.轨道受到最大应力时的最大变形量为2.818 mm，变形情况为向下弯曲，变形量较小，满足刚度要求.故材质为Q235号钢的方管满足运输轨道的设计要求.

最大弯曲应力σ0为108.56 MPa.图6 轨道仿真弯曲应力云图Fig.6 Nephogram of the bending stress of track

3.3 轨道受力试验

通过计算得出轨道在运输过程中的最大弯曲应力为82.43 MPa，从图6可知轨道最大弯曲应力为108.56 MPa，与仿真结果相近.造成仿真偏差的原因是轨道受力点出现局部应力集中，从而导致应力值变大.由仿真结果可以得出，受到最大弯曲应力时产生的最大变形量为2.818 mm，变形情况为向下弯曲，变形量较小.通过相似试验验证得出轨道受力的试验结果和理论计算结果满足WM1=10WM2，两者误差小于10%.由此可知，该分析具有较高的准确性，可拆式轨道的强度、刚度满足使用要求[15].