大坡度山地果園運輸機行走機構設計與試驗

歐陽愛國， 吳 建， 劉燕德， 胡 軍， 姜 飛

(華東交通大學光機電技術及應用研究所，江西南昌 330013)

我國果園大多分布在山地丘陵區域，由于早期規劃不合理，具有果樹行距小、山地坡度大等特點，造成農資運輸不便、果園作業困難等問題。為了解決山地果園農資運輸困難問題，提高農產品運輸效率，國內許多專家學者研究并開發出多種類型的果園運輸機械。近年來，國內果園軌道運輸機技術發展迅速，已開發出多種類型果園運輸機，根據軌道和動力形式的不同可分為單軌、雙軌和牽引式、自走式以及索道果園運輸機等多種類型[1-3]。其中牽引式山地果園軌道運輸機是一種由電機驅動，通過鋼絲繩牽引載物滑車在軌道上按指定路徑行走的農資運輸機械，能夠適應10°～50°坡度范圍的山地、丘陵等地形的運輸要求，大幅度提高山地果園農資運輸效率和山地果園管理機械化、省力化程度，在國內得到了廣泛的研究和應用[4-6]。

我國果園智能化和省力化技術的研究起步較晚，通過農業現代化進程的不斷深入，國內高校及研究所在山地果園雙軌運輸機的研究應用上取得了較大進步[7-14]。由于果園雙軌運輸機具有結構簡單、運行穩定、價格較低等優點，因此具有很大的市場應用前景。行走機構是山地果園雙軌運輸機重要組成部分，它是貨物車架與軌道的直接聯系者，起到承載貨物重量與車架自重的作用，同時實現在軌道上的移動。為了保證雙軌運輸機在坡地鋪設的軌道上安全、穩定地運輸物資，筆者設計了一種大坡度山地果園雙軌道運輸機行走機構，采用鼓型上下輪結構，將軌道約束在上下輪中間，轉彎半徑小，能夠適應地形復雜的山地果園運輸條件，同時計算出行走機構關鍵設計參數，確保行走機構的安全性和平穩性。

1 軌道運輸機總體結構與技術要求

1.1 軌道運輸機總體結構

牽引式果園軌道運輸機主要由牽引裝置、鋼絲繩、運輸車、雙軌道、導索輪、控制裝置和安全制動裝置等部分組成。動力驅動裝置包括電機、減速器、卷筒和排繩裝置，運輸車由車架、行走機構、導向桿和斷繩保護裝置等部件構成。軌道是由2根圓形鋼管和支撐柱、橫梁焊接而成，支撐柱可根據地形調整高度，有效減少軌道鋪設對地形的要求。牽引式山地果園雙軌道運輸機總體結構如圖1所示，驅動牽引裝置位于軌道上方(或者下方)，電機通過聯軸器、電磁制動器、減速器、卷筒和鋼絲繩將動力傳遞到貨物運輸車，貨物運輸車通過鋼絲繩的牽引力實現上行，下行時電機反轉，并依靠貨物運輸車自重及貨物重量完成。運輸機工作時，可以通過遙控器實時地控制電機正、反轉和停止來實現貨運滑車上行、下行和停止等動作。

1.2 運輸機技術要求

我國果樹種植密度一般約為1 200株/hm2，株距約為 2.9 m，樹冠間隙一般小于1.2 m[6]。根據山地果園地形條件以及山地果園水果、農藥等物資運輸需求，山地果園雙軌道運輸機設計應滿足：驅動裝置置于山頂，減少繩索的長度；爬坡角度在10°～50°，額定裝載質量300 kg，運輸機寬度小于 0.8 m；運輸機在軌道垂直方向和水平方向最小轉彎半徑不小于8、5 m；運輸機的作業范圍可達到軌道左右100 m。山地果園雙軌道運輸機主要技術參數見表1。

表1 運輸機主要技術參數

2 行走機構結構設計與工作原理

2.1 結構設計

行走機構是雙軌道運輸車的重要結構，運輸車通過行走機構在雙軌道上實現滑行、轉彎作業。要保證運輸車在彎曲起伏的軌道上安全平穩運行，防止出現脫軌、卡軌和抖動等現象，設計行走機構結構時必須滿足防傾覆、防脫軌、轉彎平穩等要求。為滿足山地果園雙軌道運輸機的技術要求，運輸機行走輪組結構圖如圖2所示，對稱安裝在車架的4個角上構成運輸機的行走機構，行走輪組主要由承重輪、防翻輪、支座組成。

行走輪和防翻輪均設計為鼓形結構，增加了輪軌的接觸面積，有利于減少輪軌之間的壓力，改善輪軌間的磨損情況。同時，行走輪和防翻輪對軌道形成的包裹效應，能有效防止運輸機出現脫軌或傾覆。

2.2 總體結構與工作原理

行走機構總體結構如圖3所示，行走輪與防翻輪為鼓形結構，分別安裝在軌道上下兩側，支撐整個運輸車的重量并防止運輸車向上跳動及側翻事故的發生，同時鼓形結構的行走輪可防止運輸車在運行過程中向軌道兩側滑動，減少運輸車的晃動對果品品質產生的破壞。行走輪組分別焊接在底架的4個角，與車架組成行走機構的整體結構。行走輪中部鼓形直徑大于鋼管軌道直徑，行走機構在水平轉彎時可調整輪軌間隙，防止行走輪出現抱軌現象。在鋼絲繩的牽引下，行走機構沿著既定軌道滑行。行走機構與底架構成一個運輸平臺，平臺可搭載貨物車架運輸物資，也可搭載噴藥機與采摘機械等作業裝備。

3 行走機構關鍵參數確定

山地果園運輸機軌道一般由直線、水平轉彎和垂直轉彎3種形式組成，甚至出現既有水平也有垂直方向的螺旋狀轉彎。行走機構與軌道在轉彎過程中，輪軌位置不斷發生變化，輪軌尺寸關系對運輸車轉彎運行是否平穩和安全具有重要影響，因此必須考慮行走輪、防翻輪與軌道之間的尺寸關系。行走機構設計的關鍵參數包括左右行走輪端面距離b、行走輪與防翻輪輪距L及前后承重輪輪距a，軌道和行走機構結構見圖4。

3.1 行走輪端面距離

為滿足運輸機水平最小轉彎半徑為5 m的設計要求，使運輸車平穩順利通過水平彎道，不出現脫軌、卡軌等問題，根據軌道的最小轉彎半徑及行走機構尺寸可計算出合適的左右行走輪端面距離，行走機構水平轉彎極限位置如圖5所示。

根據水平轉彎極限位置幾何關系可得左右承重輪端面距離計算公式。

(1)

δ≈R-L；

(2)

b=c+δ。

(3)

式中：a、b分別為前后行走輪輪距和左右行走輪端面距離，mm；c為軌道寬度，mm；R為軌道最小水平轉彎半徑，mm；L為行走輪外端面到最小轉彎半徑中心點的距離，mm；δ為行走輪邊緣與軌道的間隙，mm；

根據山地果園雙軌運輸機的設計要求，最小轉彎半徑R=5 000 mm，前后行走輪輪距a=800 mm，代入式(1)～式(3)可得行走輪邊緣與軌道的間隙δ≈12 mm，左右行走輪端面距離b=612 mm。

3.2 行走輪與防翻輪軸距

為滿足運輸機垂直方向最小轉彎半徑為8 m的設計要求，實現運輸車順利通過垂直方向的彎道，防翻輪與軌道之間需要留有一定間隙。根據行走機構在凸型和凹形垂直方向極限轉彎時和彎軌道的位置及尺寸關系，分別計算出兩種情況下行走輪軸與防翻輪軸的距離。圖6-a為凸型垂直轉彎極限位置示意圖，可推導出在最小凸型垂直方向轉彎半徑下行走輪與防翻輪的軸距計算公式如式(4)～式(6)。

(4)

α=β；

(5)

(6)

式中：a為前后行走輪輪距，mm；d、d1分別為軌道直徑和行走輪直徑，mm；L1為行走輪與防翻輪軸距，mm；R為垂直方向最小轉彎半徑，mm。

由行走機構的結構尺寸可得，a=800 mm，R=8 000 mm，d=48 mm，d1=60 mm。代入式(4)～式(6)計算可得L1≈91 mm。

凹形垂直轉彎軌道示意圖如圖6-b所示，可推導出在最小凹形垂直方向轉彎半徑下行走輪與防翻輪的軸距計算公式為式(7)～式(9)。

(7)

α=β；

(8)

(9)

式中：a為前后行走輪輪距，mm；d、d2分別為軌道直徑和防翻輪直徑，mm；L2為行走輪與防翻輪輪距，mm；R為垂直方向最小轉彎半徑，mm。

由行走機構的結構尺寸可得，a=800 mm，R=8 000 mm，d=48 mm，d2=48 mm。代入式(7)～式(9)計算可得L2≈92 mm。

比較凹、凸型2種垂直方向極限轉彎位置時行走輪與防翻輪輪距理論計算值，選取兩者較大值為順利通過彎道的最小輪距。結合行走機構實際運行情況，為了保證行走機構通過極限位置時運行平穩、順利，在極限位置處防翻輪應與軌道留有一定余量的間隙，故行走輪與防翻輪輪距可取L2=95 mm。

根據上述計算結果可得行走機構的尺寸參數(表2)。

表2 行走機構主要設計參數

4 運行效果測試

為了進一步驗證行走機構結構和參數設計的正確性，測試運輸機的實際運行效果，在贛州某果園示范基地進行安裝測試。軌道依據地形鋪設，包括直線部分和彎道部分，軌道如圖7所示。軌道水平和垂直方向最小轉彎半徑分別為5 m和8 m，最大坡度為50°，運輸車運行速度為0.5 m/s，裝載質量為300 kg。

分別測試運輸車上行和下行2個過程，行走機構與軌道在運輸車空載和滿載時的接觸狀況，尤其是轉彎處的接觸情況，觀察行走輪、防翻輪與軌道的間隙大小是否合理，是否出現脫軌、卡軌等不良接觸現象。當軌道水平和垂直方向最小轉彎半徑及軌道寬度設計要求分別為5、8、0.6 m時，行走輪與防翻輪輪距、前后行走輪輪距、左右承重輪端面距離等設計參數為95、800、612 mm，運輸機運行效果表明，行走機構與軌道配合良好，彎道運行過程中不會出現脫軌和卡軌等現象，運輸車運行過程平穩，也不會出現抖動現象，因此與軌道相配套的行走機構設計和參數計算合理。運輸車運行測試現場與行走機構局部分別如圖8、圖9所示。

5 結論

(1)根據山地果園雙軌道運輸機的設計要求，以及運輸機在垂直方向和水平方向最小轉彎半徑的要求，提出了行走機構的設計方案，確定了行走機構和軌道的重要關聯參數，包括左右行走輪端面距離、行走輪與防翻輪軸距等參數，保證運輸機行走機構運行的可靠性。

(2)驗證了行走機構設計參數的合理性，對運輸機通過軌道直線段和彎道的性能進行測試，行走機構在水平及垂直轉彎處運行平順，不會出現抖動、卡軌及跳軌等不良運行狀況，測試結果驗證了行走機構主要技術參數的合理性，滿足設計要求。

(3)本研究中未涉及到關鍵零部件的受力分析及強度校核，本研究在結構設計過程中充分考慮了行走機構的受力情況，關鍵零部件的強度均符合條件。

(4)在某些地形復雜的區域可能會出現立體轉彎情況，即螺旋狀軌道，后續研究需針對螺旋狀軌道進一步驗證行走機構設計的合理性和可靠性。

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