适用山地果园的电动单轨运输车.pdf

0引言我国幅员辽阔，地形各异。以江西赣南地区为例，其地形大面积为丘陵，起伏连绵，加至碱性红土、气候适宜，造就了以赣南脐橙为代表的柑橘类、茶叶类等经济农作物。随着城镇化进程加快，越来越多的劳动力涌向城市，导致农村劳动力短缺，机械化生产方式在农业产业发展中的作用越来越大1,2。因赣南地区地形地貌大多以山地丘陵为主，经济作物大多种植在丘陵山坡凹凸不平地带，且种植方式传统，使得一般的农用机械难以进入，这给实现农业机械化带来很大困难3,4。针对这一难题，国内科研单位和生产企业研制了链式循环货运索道5,6,7、钢丝绳牵引式双轨运输机8、自走式双轨运输机9、遥控单轨运输机10,11、自走式微型履带运输车12,13和轻型轮式运输车14等一系列适合我国山地果园的机械化运输装备。但因现有装备存在价格昂贵、作业安全行不足、不易操作等原因，山地果园机械化运输装备依旧没有在各地推广开。本文设计了一款山地果园单轨运输车，其具有轨道铺设灵活、安装及操作简便、维护成本低、作业安全性高、加装智能化装置等。可以极大得提高山地果园运输效率，且大大节约劳动力成本。1总体方案单轨运输车要求符合在山林、陡坡、崎岖等复杂多变的山地环境行驶。专向性要求在动力性能上，要保证满载情况下的爬坡等能力的前提下，不侧翻、且足够灵活，能克服长期上下坡；在使用寿命方面，运输车工作强度较高且属于露天工作，对电机、轨道、机架等部件材料的选用有较高的要求，防腐耐磨且需控制成本；操作方面要简单易学，山顶的遥控台设计采用按键式的遥控器。1 1.1 1 单轨运输车总体结构设计单轨运输车总体结构设计电动单轨运输车主要由动力传动装置、翻转支撑机构、控制系统这三个部分组成如图1所示，其中动力传动装置包括传动系统和动力系统；运输车的翻转机构作用是在支撑杆的辅助下清卸货框里的物料；轨道和支架的组合固定能够支撑及引导运输车的行进；以单片机为基础的远程遥控设备是控制系统的核心。设计采用母车与子车分开的方式进行运输工作，母车是对子车进行收集或发放货物的主线适用山地果园的电动单轨运输车黄昌海徐 亮李佳昌邱 香摘摘要要：根据山地农业生产运输需要，结合三下乡的调研情况，对山地电动单轨运输车的动力参数选择、传动方案、结构造型等进行设计计算，并对运料装置进行翻转控制、完成控制系统的设计方案，得到了较为完整的符合我国农业国情的山地果园生产运输装置，达到了高效率、低成本的运输效果，为丘陵山地地区的农业种植带来便利。关键字关键字：山地果园；单轨运输车；电动；农业作者简介：李佳昌（2002）男，江西科技学院人工智能学院，本科生。专业：车辆工程。邱香（1981），女，江西科技学院科研处（学科办），教授。研究方向：汽车动力学及控制。基金项目：国家级大学生创新训练项目（NO.2021108463）。ACADEMICRESEARCHOFJXUT江科学术研究第18卷第1期2023年6月Vol.18No.1Jun.2023江科学术研究（2023）垂直方向运输工作，而子车则负责支线水平方向，合理分配布置好轨道停车定点及设计辅助卸货机构。1 1.2 2 单轨运输车控制流程单轨运输车控制流程整车是采用远程无线遥控装置来控制单轨运输车的运行。单轨运输车的控制系统主要组成有遥控台的发射装置、运输车控制系统、及轨道上的相应传感器。遥控台布置于山顶以便于能够清楚的观察到整个运输路线的运行情况如图2所示。1.支架；2.轨道；3.链条与链轮；4.控制装置；5.机架；6.电机；7.支撑杆；8.把手；9.驱动齿与齿条；10.支撑轴承；11.减速箱；12.顶盖；13.货框；14.防倾轮；15.制动器；16.联轴器图1单轨运输车总结构示意图图2单轨运输车整体控制简图动力系统中，传动装置决定运输车的载重量和爬坡运行的能力。传动装置如图3所示，电机的动力通过联轴器传递至减速箱，随后经过减速箱及链轮链条组减速增扭后，最后通过驱动轮与轨道上的齿条啮合来带动运输车的行进。1.电机；2.联轴器；3.减速箱（3.1.第一轴；3.2.第二轴；3.3.第三轴；3.4.齿；3.5.齿；3.6.齿；3.7.齿；3.8.齿；3.9.齿）；4.链轮与链条；5.驱动齿；6.制动器；7.齿条图3传动装置简图图4电机安装示意图2 2.1 1电机的选择电机的选择根据电动单轨运输车的主要性能指标及成本价格考虑，本设计选择了型号为Y160M4的Y系列的三相异步电机，额定功率11kw、额定转速1450r/min、最大扭矩72.4N/m的Y系列的三相异步电机，安装于机架侧面，如图4所示。（1）电机选定为证明设计的单轨运输车在轨道上运行的平均速度v=1.5m/s，最大载重取G=550g，且最大爬坡角度为45运输车与轨道间的摩擦系数取=0.17时，计算是否合理。表1传动系统参数位置滚子链1斜齿圆柱齿轮2联轴器3轴承4直齿圆锥型齿5转动效率0.960.970.980.980.9797式中；ped电机得额定功率，kw；po电机得输出功率。由以上公式得出：ped11kw;Po7.79kw；pedP0。（2）驱动轮的运行转速设计设计要求取驱动轮的直径d=222mm；滚子链的传动比取i1=2；两极减速箱的传动比i2=5.6；联轴器的传动比为i3=1的情况下，考虑其传动比与转速计算选择出电机的转速范围。式中：n0电机转速。计算得：n0=1450r/min经计算得结果，型号为Y160M4的Y系列的三相异步电机完全符合使用要求。2 2.2 2 滚子链的选用滚子链的选用动力经减速箱输出后，与驱动轴上的驱动轮距离较远，而且减速箱输出轴传递过来的功率较小、转速较低，故采用滚子链传动较精准合适。并且滚子链传动满足质量轻、振幅小、能耗低等要求，能够使单轨运输车更平稳运行。以机械设计手册第五版为标准，要求滚子链达到传动比i1=2；滚子链的节距p=6.16；确定选用小链轮齿数Z11=14；模数m1=2；所以大齿轮齿数Z12=28。（1）确定链节数初定中心距a0=40p，计算链节数取Lp=102节（2）计算链长和中心距中 心 距 减 小 量:a=(0.0020.004)a=0.4980.996mm；则实际中心距 a,=248.104248.603mm，取 a,=248mm；链长L=0.63m。（3）链条波动滚子链在运行传动中存在多变效应，滚子链会出现线速度波动，波动程度利用速度不均匀度来表示：式中：K链条速度不均匀度；vmax链条最大线速度；vmin链条最小线速度；vm链条平均线速度；r链轮分度半径；链轮角速度；z链轮齿数；经计算得出K=0.05，线速度波动值v=vK=0.075m/s，波动小不会影响运行。2 2.3 3 减速箱的设计减速箱的设计减速箱是单轨车用于减速增扭的核心部件。要求有足够大的传动比，且电机正反转时，输入端能够做出正确的动载荷影响、且结构简单耐用，两级减速齿轮和轴承要有一种润滑方式润滑，选用展开式斜齿圆柱齿轮抵消其产生的轴向力。2.3.1 减速箱的传动比理论计算得传动系总的传动比：在设计要求传动比的范围，取滚子链的传动比i1=2,则减速箱的总传动比为：减速箱传动比i2=5.6，取高速传动比i21=3，低速传动比i22=1.87，锥齿轮组传动比i23=1。下表是通过计算得出的数据表2；表2减速箱各轴的动力参数2.3.2 减速箱齿轮的设计为更好推广本设计的使用，满足企业生产的通用化、标准化要求，减速箱设计选用的齿轮均用压力角 为 =20 螺 旋 角 为 =25 精 度 等 级 8 级（GB轴名轴轴轴驱动轴功率P(kw)7.086.736.145.78转矩T(N*m)67.447192.345328.24617.616转速n(r/m)1450488.3258.4129.2黄昌海徐 亮李佳昌邱 香：适用山地果园的电动单轨运输车98江科学术研究（2023）10095-88）。为避免发生齿轮根切并且保证齿面的强度要求，各轴上的齿轮齿数的选用必须满足Z大于或等17。（1）根据齿轮设计计算公式计算，即：式中：K载荷系数；T1齿轮传递转矩；d齿宽系数；啮合齿轮分度直径之比；ZE弹性影响系数；H齿面许用接触应力；d1小齿轮分度圆直径。经查机械设计手册第五版可得：使用系数KA=1.00，动载荷系数 KV=1.11，齿间载荷分配系数 K=1.20，齿向载荷分配系数K=1.10；齿轮T1=72.4103N.mm；齿轮相对轴承为非对称布置，所以取d=0.8，取弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2，齿轮接触疲劳寿命系数ZN1=ZN2=1。根据以上公式计算小齿轮直径，得K=1.465；H=545.5MPa；d1=64.4mm。（2）根据上述所求数据i21=3，初定Z1=26,确定中心距。式中：中心距；mn标志模数；Z1,Z2高速齿组。计算得=12.8mm；又因中心距尽量圆整成位数为0或5，因此初定=130mm；得模数mn=2.5；高速齿轮组Z1=26，Z2=78。（3）经查取机械设计手册得：Flim1=Flim2=230MPa;SFmin=1.5;YN1=YN2=1，计算齿轮得齿根弯曲疲劳强度的公式为：由上述计算得结果 Z1和 Z2，确定 YFa1=2.6;YFa2=2.24;Ysa1=1.60;YSa2=1.75。式中：d齿轮分度圆直径；b齿轮宽度；计算得：F1=66.695FP;F2=62.827FP。因此齿轮的齿根弯曲疲劳强度满足设计要求，设计计算正确合理，同理低速齿组也可以由上述公式计算得出。表3减速箱齿轮的基本参数（mm）由于齿和齿为一对直齿圆锥齿轮其作用只是改变动力传递的方向故设计选用传动比为1的齿轮即可。3单轨运输车翻转支撑机构3 3.1 1 翻转机构翻转机构根据单轨运输车的作业要求，设计子车与母车通过合理配合的方式来完成运输作业。运输车工作环境较为复杂多变属山坡、岗地等地形，母车用于垂直方向主线上的运输，子车则负责支线水平方向，在母车运输物料至设定的停车点之时，需要将物料转移到子车上，子车再将物料运输至相应位置。母车运输的物料质量比较重，光靠人力搬运效率太低且费时，所以设计翻转机构来提高物料的转移效率。单轨运输车的翻转机构是利用支撑杆实现物料的清卸，通过支撑杆的伸缩动作来使货框翻转以便清卸货物。由于单轨运输车的最大载重500kg，对此我们设计选用了氮气支撑杆，氮气支撑杆优点是可压缩行程比液压要大。当母车运行到相应停车点后，解开齿名齿齿齿齿齿齿齿数267830572626分度圆直径65195901716565齿顶圆直径69199961776969齿根圆直径60190871686060齿宽575277725757模数2.52.5332.52.599货框一侧的锁扣只需要人工对货框上的把手施加一定向上的力，在氮气支撑杆的作用下货框就可实现翻转清卸物料，在清卸任务结束后使货框翻转归位上好锁扣，防止单轨运输车运行过程因颠簸发生意外。子车与母车的结构示意图5所示。3 3.2 2 支撑机构支撑机构运输车作业环境复杂，果园地形主要为山坡、岗地，上下落差大。为了避免运输车脱轨倾翻等事故，设计的防侧倾轮具有以下特征：外形尺寸与工字型轨道一侧凹槽配合，保证能正确安装于卡位，且表面光滑；所选用材料要有缓冲效果，具备耐磨损、抗高温、防腐蚀等特性。固定连接于机架的一侧如图6所示。轨道采用工字型结构如图7所示。运输车的齿条而另外一侧则用于配合胶制的防倾轮，防倾轮的直径大小能够与轨道凹侧面形成间隙配合，保证运输车在爬坡时不会因重心偏移而发生脱轨。同时驱动轮的布置方式是横向啮合在齿条上的，进而避免运输车在水平侧倾时发生脱轨现象。母运输车上设有辅助卸货机构，在确保运输车已经完全静止时，只需要人工对货框侧面的卡扣进行解锁后给予翻转把手一定向上的力，即可让液压支撑杆伸展翻转支撑起货框清卸货物。图5子/母车结构示意图图6防倾轮装示意图图7轨道示意图4控制系统单轨运输车的控制系统主要组成有遥控台的发射装置、运输车控制系统、及轨道上的相应传感器。运输车控制系统的功能包括：使用无线通讯实现定点停车；到达轨道末端时自动停车，以防脱轨；设置紧急停车制动按钮，当遇到紧急情况时，人员可以通过紧急制动按钮使运输车停止。控制装置由的组成部分有：单片机处理器、供电模块、无线通讯模块、手动控制模块、末端停车模块、制动模块组成。各模块与单片机处理器通讯，同时受单片机处理器的调控；供电模块为整个运输车提供能源；制动模块可以使运输车快速有效的减速和停车；无线通讯模块为运输车与通讯台提供点对点通信；手动控制模块控制运输车的启动与突发状况的紧急停止，末端停车模块可以保证运输车在到达轨道末端时不会脱轨。通过各模块的共同配合，对运输车进行高效准确的控制。（a）子车（b）母车（a）母车轨道（b）子车轨道黄昌海徐 亮李佳昌邱 香：适用山地果园的电动单轨运输车 100江科学术研究（2023）5总结本研究设计了一种适用于丘陵地区的单轨运输车方案，预先提出设计指标，结合机械设计相关知识，对方案进行设计，最终设计方案满足所有设计指标。设计方案中，采用滚子链传动方式，不仅传动比准确、效率高、过载能力强，而且适用恶劣的工作环境；翻转支撑机构中，安装了氮气支撑杆，可实现翻转清卸物料，同时加装防倾轮，避免脱轨倾翻等事故；控制系统，可对运输车运程操控，定点停车及停车后自锁制动。研究成果可以为电动单轨运输车的设计提供参考。参考文献：1柴光荣，王晨洋.丘陵山地果园运输机械的发展现状与展望J.农业技术与装备，2019(3)：30-31.2宋月鹏，张红梅，高东升，等.国内丘陵山地果园运输机械发展现状与趋势J.中国农机化学报，2019，40(1)：50-55+67.3秦福，樊桂菊，张昊，等.果园输运装备发展现状与趋势J.中国农机化学报，2019，40(2)：113-118.4高锐，陈志强，吕亚凤，等.轨道运输机在丘陵山地果园研究应用进展J.福建农机，2019(4)：10-13.5洪添胜，苏建，朱余清，等.山地橘园链式循环货运索道设计J.农业机械学报，2011，42（6）：108-111.6文韬，洪添胜，苏建，等.山地果园链式循环货运索道张紧力检测装置J.农业机械学报，2011，42（8）：80-847吴伟斌，许棚搏，朱余清，等.山地果园链式索道货运机链条拉力检测系统J.广东农业科学，2015，42（21）：161-1658洪添胜，张衍林，宋淑然，等.山地果园运输与喷雾机械的研究与应用J.现代农业装备，2014（5）：21-27，31.9姚振林，常斌.山地果园单轨机械运输线推广应用与实践J.湖北农机化，2019（3）：29.10邓广.自走式单轨果园运输机械关键部件设计及应用D.长沙：湖南农业大学，2015.11刘佛良，张震邦，杨晓彬，等.山地果园双履带微型运输车的设计、仿真与试验J.华中农业大学学报，2018，37（4）：15-23.12张子军，徐永华，刘华，等.丘陵山地履带式多功能管理机的研制J.现代农业装备，2019，40（2）：33-38，48.13吴伟斌，廖劲威，洪添胜，等.山地果园轮式运输机车架结构分析与优化J.农业工程学.14高锐，陈志强，吕亚凤，等.轨道运输机在丘陵山地果园研究应用进展J.福建农机，2019（4）：10-13.（责任编辑责任编辑：李先启）图8控制原理图 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