7YGD—45型電動遙控式單軌果園運輸機(jī)

摘要：針對現(xiàn)階段山地果園運輸?shù)膹?fù)雜作業(yè)環(huán)境、人工運輸效率低、勞動強(qiáng)度大而國內(nèi)尚無可選機(jī)型的狀況，設(shè)計研制了7YGD-45型單軌果園運輸機(jī)。闡述了單軌果園運輸機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、總體結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對運輸軌道進(jìn)行了模態(tài)分析，為單軌運輸機(jī)在運行過程中的平穩(wěn)性分析提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：山地果園；運輸機(jī)；單軌；模態(tài)分析

中圖分類號：S229+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0443-05

中國的柑橘、蘋果和梨等果樹主要種植在難以形成較完善交通運輸網(wǎng)絡(luò)的崗地和山坡上。施肥、噴藥、采摘等生產(chǎn)過程中的運輸難度較大，勞動力成本高。平地尚可使用常規(guī)輪式運輸機(jī)，而山地則只能依靠人力，勞動力成本增加和勞動力不足制約了水果產(chǎn)業(yè)的高效、低成本發(fā)展，提高山地果園運輸機(jī)械化迫在眉睫，山地果園運輸機(jī)的發(fā)展勢在必行[1-5]。國外山地果園運輸技術(shù)起步較早，日本處于領(lǐng)先地位，中國于20世紀(jì)70年代從日本引進(jìn)了相關(guān)機(jī)械，對中國山地果園運輸機(jī)械化的發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用，但其不適應(yīng)國情且造價很高，未能在生產(chǎn)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

本研究設(shè)計出適合大坡度果園的7YGD-45型電動遙控式單軌果園運輸機(jī)，在湖北省丹江口柑橘試驗站進(jìn)行了演示運行，試用結(jié)果表明適用性較好，可用于山地果園中果實、肥料的運輸及進(jìn)行搭載噴霧作業(yè)，是山地果園生產(chǎn)機(jī)械化的適用設(shè)備。

1 單軌運輸機(jī)的設(shè)計

單軌果園運輸機(jī)主要應(yīng)用于地理位置不適合于人工采摘運輸?shù)墓麍@里，由于山地果園地形復(fù)雜，爬坡難度大。設(shè)計的果園運輸機(jī)要滿足如下要求。

1）經(jīng)濟(jì)成本。單軌運輸機(jī)是為了方便果農(nóng)采摘運輸柑橘而設(shè)計的，所以機(jī)械運輸?shù)某杀窘^不能高于人工運輸?shù)某杀尽?/p>

2）操作要求。單軌運輸機(jī)主要用于農(nóng)村果園農(nóng)場，其中必然涉及到操作運輸機(jī)人員對機(jī)械掌握的程度問題。在實際應(yīng)用中，廣大果農(nóng)普遍文化素質(zhì)不高，這就要求在設(shè)計單軌運輸機(jī)過程中要考慮操作易用、故障少、方便維修等問題。

3）可靠性要求。在果園運輸途中要保證單軌運輸機(jī)運行平穩(wěn)。在裝載貨物的條件下，運輸機(jī)的各個部件運行平穩(wěn)，要求強(qiáng)度、剛度、彎矩、扭矩都在設(shè)計的許可范圍之內(nèi)。

4）結(jié)構(gòu)要求。山地地理特殊、坡度大，在架設(shè)軌道過程中，施工難度比較大。所以在實際設(shè)計過程中，要求單軌果園運輸機(jī)結(jié)構(gòu)在滿足要求的情況下，結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸小，下坡靈活方便。

5）動力要求。單軌果園運輸機(jī)在運輸過程中，需要動力提供給運輸機(jī)使其在軌道上上下坡運動。因此需要選擇合理的驅(qū)動方式，保證單軌運輸機(jī)在上下坡以及水平運行時能提供足夠的動力。

1.1 主要結(jié)構(gòu)組成

7YGD-45型電動遙控式單軌果園運輸機(jī)主要由電機(jī)、皮帶、減速制動裝置、驅(qū)動輪對、運輸小車、軌道、驅(qū)動鋼絲繩以及電控裝置組成，其中減速制動裝置由減速箱和液壓塊式制動器組成（圖1）。圖1中，電動機(jī)為果園運輸機(jī)提供動力。減速箱降低電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，增大力矩。液壓塊式制動器直接與電動機(jī)相連，遙控裝置控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的同時也控制著制動器的制動和松開。驅(qū)動輪對是單軌運輸機(jī)的主要執(zhí)行工作部件，由其輸出轉(zhuǎn)矩帶動鋼絲繩牽引單軌運輸小車上下坡運動。這是通過鋼絲繩在驅(qū)動輪對輪槽中纏繞一定的圈數(shù)來產(chǎn)生摩擦力矩來實現(xiàn)的。軌道引導(dǎo)單軌運輸車運行，且直接承受支撐載荷。牽引鋼絲繩是單軌運輸機(jī)的牽引構(gòu)件，承擔(dān)全部的牽引力。防脫軌裝置由支撐輪、夾緊輪與軌道夾緊配合，保證果園運輸機(jī)的平穩(wěn)性，在運行的過程中不脫軌、不傾倒。牽引鋼絲繩拉緊裝置通過配重的重力作用拉緊牽引鋼絲繩，使鋼絲繩具有足夠的預(yù)緊力，使驅(qū)動輪對能夠?qū)恳摻z繩產(chǎn)生必要的牽引力。行程控制裝置的機(jī)械部分由上行程開關(guān)和下行程開關(guān)控制運輸小車運動的極限位置。運輸小車撞上行程開關(guān)，控制遠(yuǎn)程控制裝置切斷電源，使制動器制動、驅(qū)動輪對停止轉(zhuǎn)動、運輸小車停車。機(jī)架尺寸的大小直接決定了單軌運輸機(jī)載重量。

運輸小車在軌道上面的實物圖如圖2所示。

1.2 工作原理與設(shè)計目標(biāo)

電機(jī)通過皮帶、減速箱傳遞動力給驅(qū)動輪對。鋼絲繩通過驅(qū)動輪對并且兩端固定在運輸機(jī)架前后，由軌道末端的滑輪完成轉(zhuǎn)向，鋼絲繩形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。鋼絲繩沿軌道架設(shè)，由安裝在軌道下方的導(dǎo)向輪和下壓輪來保證鋼絲繩帶動運輸小車平行于軌道方向運動。牽引鋼絲繩通過鋼絲繩與驅(qū)動輪對間的摩擦驅(qū)動運輸小車，帶動其前進(jìn)以及后退。

7YGD-45型電動遙控式單軌果園運輸機(jī)既適應(yīng)地形蜿蜒起伏復(fù)雜變化的運輸需要，又適應(yīng)在較密集果樹中行駛的運輸需要，可用于山地果園中果實、肥料等的運輸及進(jìn)行搭載噴霧作業(yè)。主要適宜坡度小于40°的緩坡地，可以實現(xiàn)4 m轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)的轉(zhuǎn)彎。采用5.5 kW電動機(jī)作為動力源。

2 單軌運輸機(jī)的關(guān)鍵部件

2.1 機(jī)架的設(shè)計

機(jī)架是放置運輸貨物的裝置，機(jī)架的設(shè)計尺寸直接關(guān)系到載重貨物的容量。為了保證機(jī)架能在軌道上方平穩(wěn)運行，機(jī)架要有足夠的剛度和強(qiáng)度。為了防止貨物在運輸途中傾斜，機(jī)架的幾何外形要對稱。機(jī)架與方管接觸實物圖見圖3，各部件布置的原則是在方便安裝的前提下結(jié)構(gòu)緊湊，保證使整個機(jī)架的重心在方管上。

方管上方的支撐輪主要是承受機(jī)架及貨物的載重，而方管左右的夾緊輪是為了防止運輸小車在轉(zhuǎn)彎的過程中側(cè)翻。T形夾緊輪與方管夾緊，克服了機(jī)架在軌道上的上下跳動力，防止機(jī)架與軌道脫軌。

為了保證運輸小車安全平穩(wěn)地在軌道上運行，夾緊輪與軌道間的間隙應(yīng)盡可能的小，運輸小車運行過程中發(fā)生側(cè)翻的角度就小。同時，為了保證運輸小車在運輸過程中有較小的轉(zhuǎn)彎半徑，T形夾緊輪與軌道的間隙又必須足夠大。因此，T形夾緊輪與軌道之間的間隙決定了運輸小車在軌道上運行的最小轉(zhuǎn)彎半徑和運輸小車運行的穩(wěn)定性。

2.2 驅(qū)動輪對的設(shè)計

驅(qū)動輪對是單軌運輸機(jī)的主要執(zhí)行工作部件，由其輸出轉(zhuǎn)矩帶動鋼絲繩牽引單軌運輸小車上下坡運動。這是通過鋼絲繩在驅(qū)動輪對輪槽中纏繞一定的圈數(shù)產(chǎn)生摩擦力矩來實現(xiàn)的。

驅(qū)動輪對的結(jié)構(gòu)如圖4所示。驅(qū)動輪對由兩個軸線平行且各自帶有5個輪槽的主動驅(qū)動輪和被動驅(qū)動輪組成，驅(qū)動輪輪槽設(shè)計直徑為145.5 mm。牽引鋼絲繩從主動驅(qū)動輪上方輪槽進(jìn)入纏繞至被動驅(qū)動輪的下方輪槽，如此循環(huán)后從主動驅(qū)動輪下方輪槽引出。通過鋼絲繩與驅(qū)動輪對之間的摩擦附著力，使鋼絲繩能不斷順次交替進(jìn)出主動驅(qū)動輪和被動驅(qū)動輪上的輪槽。電動機(jī)經(jīng)過皮帶傳動、減速箱傳動帶動驅(qū)動輪對上面的鋼絲繩牽引單軌運輸車進(jìn)行作業(yè)。

電機(jī)通過減速箱實現(xiàn)減速，減速箱輸送給驅(qū)動輪對動力，帶動驅(qū)動輪對與鋼絲繩之間的摩擦實現(xiàn)運輸小車的上下坡運動。驅(qū)動輪對與鋼絲繩成“8字”形，主要用于增加摩擦附著力，防止鋼絲繩打滑。在試驗優(yōu)化的基礎(chǔ)上，驅(qū)動輪對設(shè)計為5個槽，滿足單軌果園運輸機(jī)對摩擦附著力的要求。

2.3 托繩輪與滑輪

為了保證運輸小車沿軌道運行，牽引鋼絲繩對運輸小車的作用力方向應(yīng)沿著軌道方向。鋼絲繩布置在軌道下方，并沿著軌道布置。鋼絲繩形成一個閉環(huán)，在軌道兩側(cè)分布。在牽引運輸小車運動的一側(cè)，為了保證鋼絲繩沿著軌道布置，在軌道下方布置了如圖5所示的托繩輪。

在軌道另一側(cè)，布置了限制鋼絲繩水平方向的滑輪和限制豎直方向的滑輪（圖6）。

2.4 鋼絲繩的選擇

整根鋼絲繩形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，通過驅(qū)動輪對提供的牽引力拉動運輸小車。參考《機(jī)械設(shè)計手冊》，鋼絲繩直徑可由鋼絲繩最大工作靜拉力確定[6]：

d=C■

式中，d為鋼絲繩最小直徑，mm；C為選擇系數(shù)，mm/N■；S為鋼絲繩最大工作靜拉力，N。

鋼絲繩最大工作靜拉力為運輸小車在軌道上面勻速行走的牽引力。為了保證鋼絲繩運輸中的安全，取S=5 000 N。取安全系數(shù)6作為牽引鋼絲繩的選擇系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計手冊》得C=0.106。則有：

d=C■=0.106×■mm≈7.5 mm

按鋼絲繩的工作級別有關(guān)的安全系數(shù)來選擇鋼絲繩直徑。所選鋼絲繩的破斷拉力應(yīng)滿足：

F0≥Sn=5 000×6 N=30 kN

式中，F(xiàn)0為鋼絲繩的破斷拉力，N；n為鋼絲繩的最小安全系數(shù)。

綜合考慮鋼絲繩的機(jī)械性能，初步選定鋼絲繩為光面圓股鋼絲繩6×19FC（纖維芯），公稱直徑為d=9.8 mm。

2.5 鋼絲繩拉緊裝置

鋼絲繩拉緊裝置設(shè)置在單軌運輸機(jī)的尾部，其作用是拉緊牽引鋼絲繩，使?fàn)恳摻z繩具有足夠的初張力，以使驅(qū)動輪對牽引鋼絲繩產(chǎn)生必要的牽引力。鋼絲繩拉緊裝置如圖7所示。

重錘式拉緊裝置的特點是經(jīng)過第一次拉緊之后，拉緊力G保持不變，由重物的重力產(chǎn)生。當(dāng)單軌運輸機(jī)開始運行時，初始瞬間由于鋼絲繩受力大，鋼絲繩繃緊，重物略微下降一點。隨后，重物的升降隨著運輸小車在軌道上運行而上下往復(fù)運動。

3 軌道的模態(tài)分析

單軌運輸機(jī)在運行過程中的安全性和穩(wěn)定性是考察其實用性的重要標(biāo)準(zhǔn)。軌道承載運輸小車的重量，同時也控制著運輸小車的行駛方向。軌道是由50 mm×50 mm×5 mm的方管焊接打磨成型，軌道與支撐立桿之間也是焊接。支撐立桿垂直于地面，運輸小車在運動的過程中始終保持其重心跟軌道的中心面在同一平面上。因此，支撐立桿對軌道的作用只是起到承載重量的作用，對軌道的模態(tài)分析影響不大。為了簡化模型和計算過程，軌道在ANSYS建模中就不考慮支撐桿，簡化模型在軌道兩端加上約束[7]。

軌道在ANSYS軟件中的建模參數(shù)為：兩支撐立桿之間的軌道長度L=1 500 mm，運輸小車與軌道之間是線接觸；材料的彈性模量E=206 GPa，密度ρ=7.85×103 kg/m3，泊松比μ=0.3；圖8為軌道模態(tài)分析1～10階振型圖。

4 結(jié)論

7YGD-45型單軌果園運輸機(jī)在丹江口市柑橘綜合試驗站安裝，實際使用過程中，運輸機(jī)工作可靠。單軌果園運輸機(jī)可實現(xiàn)爬坡、水平方向轉(zhuǎn)彎、垂直方向轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退和軌道上任意點制動等功能。通過遙控裝置能方便地控制運輸小車的啟動和停止，適合長距離大坡度果園運輸?shù)男枰?/p>

參考文獻(xiàn)：

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