電動雙軌山地運(yùn)輸車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡江銀，孫松林，胡文武，蔣 蘋，謝方平

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410000）

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，南方地區(qū)特別是重慶、云南、貴州、四川、湖南等地的林果產(chǎn)業(yè)規(guī)模也進(jìn)一步擴(kuò)大。由于林果產(chǎn)業(yè)的季節(jié)性問題，作業(yè)時(shí)間相對集中，增加了勞動的強(qiáng)度和成本。加之丘陵山地的坡度較陡，道路條件不理想，導(dǎo)致其產(chǎn)業(yè)很難形成規(guī)模化、機(jī)械化。丘陵山地如開溝、耕土、施肥、采摘、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，由于農(nóng)機(jī)不便于上山，很大程度上仍依靠人力來進(jìn)行；進(jìn)一步加大了果林農(nóng)業(yè)的種植難度，限制了其效率和發(fā)展。

因此，研制出一種能夠適宜我國南方各種丘陵地區(qū)，滿足各種坡度丘陵山地作業(yè)需求，且推廣難度和成本都較低的山地運(yùn)輸機(jī)械，勢必將能提升林果農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，降低果農(nóng)的勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本［1］。

當(dāng)前，山區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺主要集中在電機(jī)、柴汽油機(jī)纜繩牽引式軌道運(yùn)輸機(jī)、齒鏈自走式軌道運(yùn)輸車、纜繩拉索式運(yùn)輸機(jī)等方式。如由湖北省宜昌市開發(fā)的山地果園雙軌軟索運(yùn)輸系統(tǒng)，其拖車前軸處安裝了一個緊急制動裝置，當(dāng)鋼絲繩斷裂時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動停車。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了用于山地桔園的鏈?zhǔn)奖P山循環(huán)貨運(yùn)索道系統(tǒng)，索道上可以安裝氣動剪對果樹進(jìn)行修剪，實(shí)現(xiàn)了索道的綜合利用。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的7YGD-35型牽引式單軌道果園運(yùn)輸機(jī)，其對35°以下的丘陵有良好的適應(yīng)能力，在35°以上的大坡度下，可依靠牽引繩保證其可靠性和安全性［2］。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在原有的機(jī)型上還研制了7YGS-45型自走式雙軌道果園運(yùn)輸機(jī)等［3-5］。現(xiàn)有采用電機(jī)牽引的設(shè)備，往往需要現(xiàn)場提供380V交流電，而農(nóng)村由于供電線路較遠(yuǎn)等問題，使得現(xiàn)場供電電壓不足，系統(tǒng)適用性受到限制，而采用柴油、汽油機(jī)供電的設(shè)備，當(dāng)坡度變化較大時(shí)，對發(fā)動機(jī)的布局等提出更高的要求。上述設(shè)備主要用于運(yùn)輸質(zhì)量較輕的農(nóng)產(chǎn)品或者單批次少量農(nóng)資，難以滿足體積較大、單體質(zhì)量較重的農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)，針對特有的地理環(huán)境，設(shè)計(jì)了一款能夠運(yùn)輸大質(zhì)量物料，爬坡坡度在50°以內(nèi)、具備整體吊裝功能的雙軌電動軌道運(yùn)輸車，可以解決現(xiàn)場供電、驅(qū)動裝置布局等系列問題，實(shí)現(xiàn)大件農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)，同步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排作業(yè)。

本山地運(yùn)輸車主要由電控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓牽引系統(tǒng)、翻斗調(diào)頻系統(tǒng)、整車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電動旋臂吊系統(tǒng)等組成。其中，動力系統(tǒng)包括鋰電池和直流電機(jī)，牽引系統(tǒng)包括液壓牽引裝置和斷繩保護(hù)裝置，調(diào)平系統(tǒng)包括兩個翻斗油缸和水平感應(yīng)器，整車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括底盤和車廂，整車三維效果如圖1所示。

圖1 整車3D圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，旋轉(zhuǎn)吊車為外購件，其他部件通過設(shè)計(jì)進(jìn)行加工，設(shè)計(jì)過程中，在約束了車廂尺寸的基礎(chǔ)上，將主承重梁、承重軸、承重軸軸承、槽鋼、滾輪以及懸臂吊連接底板進(jìn)行了嚴(yán)格的校核計(jì)算，并試制樣機(jī)。

本運(yùn)輸車底盤主要作用有兩個，第一是承受運(yùn)輸車因承重和運(yùn)動所產(chǎn)生的各種作用力，第二是為布置各個系統(tǒng)的執(zhí)行元器件提供空間和安裝位置。車廂的主要功能有三個，第一是提供一個角度可調(diào)節(jié)的翻轉(zhuǎn)平臺，第二是為電控系統(tǒng)和動力系統(tǒng)提供安放位置，第三是為轉(zhuǎn)運(yùn)物料提供運(yùn)輸空間并保證轉(zhuǎn)運(yùn)過程的安全性。

為設(shè)計(jì)和加工方便，底盤和車廂的結(jié)構(gòu)初步確認(rèn)均為框型架構(gòu)，兩者間用銷軸串接。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場地的丘陵山地地形，加之考慮到實(shí)際運(yùn)輸過程中，產(chǎn)品的運(yùn)載空間需要足夠充裕，初步確定了底盤主體尺寸為800 mm×2000 mm，車廂的主體尺寸為1600 mm×2200 mm×500 mm。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)安裝各個系統(tǒng)所需要的加梁和配件，得到初步的整車架構(gòu)三維模型。以下為多功能山地運(yùn)輸車車體結(jié)構(gòu)的三視圖見圖 2～圖 4。

本運(yùn)輸車底盤內(nèi)部受力條件較為復(fù)雜，承力主要集中在兩根主縱梁上，由于兩根主梁受力較多較大，故初步選定主梁材料為80×40×2.5的熱軋矩形鋼管，其參數(shù)如表1所示。矩形鋼管截面圖見圖5。

圖2 正視圖

圖3 側(cè)視圖

圖4 俯視圖

表1 型材80×40×3.5矩形鋼管的技術(shù)參數(shù)

圖5 矩形鋼管截面圖

根據(jù)初步確認(rèn)的各元件安裝位置，可得到以下主縱梁的受力分析簡化圖見圖6。

圖6 主縱梁受力分析簡圖

對以上所選型材做受力校核：主縱梁在側(cè)平面上受的力可簡化為以上兩個，F(xiàn)1為與車廂連接部分承力，F(xiàn)2為翻斗油缸推力的反作用力的豎直分力，按最大化原則，F(xiàn)1取5000 N，F(xiàn)2取 3500 N，且圖 6 中，l1=200 mm，l2=1500 mm，l3=50 mm，由此，可得出 Mmax8.325 kN·M。

查表可知，該鋼材的許用應(yīng)力［σ］=205MPa，則該梁的抗彎截面系數(shù)應(yīng)滿足：

且空心矩形鋼管的抗彎截面系數(shù)：

綜上，所選型材能夠滿足該系統(tǒng)內(nèi)的受力要求。

同理，可以校核懸臂吊主梁的強(qiáng)度，已知主梁所用裁量為 Q235型鋼，規(guī)格為 60×40×3.5，長度為 1.5 m，最大起吊質(zhì)量為300 kg。查表可知，該規(guī)格的型材，抗彎截面系數(shù)WZ＝23．323 cm3，滿足：

山地車所受的各種復(fù)雜作用力，最終都集中在底盤主體上，因此，底盤主體各梁之間的焊接要求熔深足夠大，對應(yīng)力集中承受能力較強(qiáng)；其次，山地的環(huán)境惡劣多變，加之南方潮濕的氣候，焊縫需要較強(qiáng)的抗銹蝕能力；第三，由于底盤不易翻轉(zhuǎn)且部分梁之間的空間容量有限，故焊接方式應(yīng)具有適當(dāng)?shù)撵`活性。

綜合上述要求，選擇電弧穿透力強(qiáng)、熔深大；且保護(hù)氣體具有氧化作用，能提高焊縫抗拉強(qiáng)度，減少延遲裂紋和脆性斷裂的二氧化碳保護(hù)焊。

母材的厚度，由表1可知為3.5 mm，故查表可知，焊絲直徑應(yīng)在φ0.5～φ1.2，此焊絲屬于細(xì)絲焊接，故焊絲的伸出長度應(yīng)為8～14mm。

對于主要大梁間的焊接，由于其受力較大且較集中，立焊時(shí)應(yīng)采用由下向上的焊接方式，這樣焊縫熔深較深，加強(qiáng)面高；仰焊時(shí)則應(yīng)適當(dāng)調(diào)慢焊絲的送料速度，加大熔深［6］。

本設(shè)計(jì)的山地運(yùn)輸車中，承重軸的主要作用是承受上部所有機(jī)構(gòu)的質(zhì)量及安裝滾輪，同時(shí)滾輪受到的各個方向的作用力，也將通過承重軸傳導(dǎo)給底盤。

初步選定承重軸的材料為普通碳鋼Q235，其許用應(yīng)力［σ］=235 MPa，且在極限情況下，軸的受力簡圖如圖7所示。

圖7 承重軸受力簡圖

由極限條件可知，F(xiàn)=5 kN，且由∑MA=0，∑MB=0可得出：RA＝RB＝F=5 kN。又根據(jù)所建立的三維模型簡化可得，l＝95 mm，L=950mm。

對A1段，在距A端為X1的任意截面出將軸假想截開，并考慮左段平衡：

由∑FY=0 可知：RA-F（S1）=0，得出截面處的剪力 F（S1）=RA=5 kN

又由∑M=0，可得：-RA·x1+Mx1=0

得出：Mx1=RA·x（10≤x1≤1）

同理可知：對于12段，在距A端為x2的截面處，存在：

對于2B段，在距A端為x3的截面處，存在：

由此，可畫出以下剪力圖與彎矩圖見圖8、圖9。

圖8 承重軸剪力圖

圖9 承重軸彎矩圖

由上圖易知：最大力矩：Mmax=0.475 kN·M

且實(shí)心軸的抗彎截面系數(shù)：WZ=π·d3/32

故取承重軸的最小直徑為30mm，結(jié)合軸承座的安裝位置和滾輪所需的安裝尺寸，設(shè)計(jì)出圖10所示承重軸。

圖10 承重軸零件圖

槽鋼支撐整機(jī)質(zhì)量，并為運(yùn)輸車行走提供軌道參考，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的載重量，并考慮到實(shí)際地形，選擇強(qiáng)度較大的12號普通熱軋槽鋼作為軌道，槽鋼截面圖見圖11，具體參數(shù)見表2。

圖11 槽鋼截面圖

由設(shè)計(jì)的槽鋼布置方式可知，槽鋼的主要受力面為腰部，且為靠近地面一端的腰部。

由受力的方向可知，其形變主要沿Y-Y方向，故選取其抗彎截面系數(shù)Wy=10.2 cm3，軌所受的最大力矩Mmax=F×其中，L為兩枕軌間的距離，結(jié)合實(shí)際地形的施工問題，取L=2m。其中，F(xiàn)的大小，由運(yùn)輸車的整車整備質(zhì)量為1.5 T可知，F(xiàn)max=5kN，取安全系數(shù)

材料許用應(yīng)力［σ］=215MPa。當(dāng)材料滿足受力要求時(shí)，存在：

由此知12號槽鋼可滿足該環(huán)境上的受力要求。

滾輪的設(shè)計(jì)與校核

滾輪的主要作用有兩個，第一是將運(yùn)輸車與軌道間相對位移所產(chǎn)生的摩擦力，轉(zhuǎn)化為對運(yùn)動影響最小的滾動摩擦；第二是通過其形狀約束，使運(yùn)輸車只能沿軌道運(yùn)動，既不能翻轉(zhuǎn)，也不能偏移。

由圖11和表3可知。若要限定運(yùn)輸車的翻轉(zhuǎn)，則滾輪的中心剖面形狀應(yīng)與槽鋼剖面大致重合，中間可留有一定的緩沖間隙；若要限制運(yùn)輸車在軌道上運(yùn)動不發(fā)生偏移，則滾輪上應(yīng)設(shè)計(jì)一限位臺階。由此，基本可以得出滾輪的外形尺寸，如下所示：

表2 槽鋼的參數(shù)

圖12 滾輪截面圖

滾輪與軌道間的接觸為線接觸，考慮到運(yùn)輸車重心的偏移問題，極限情況下單個滾輪所承受的載荷可達(dá)8000 N，滾輪的材料為普通低碳鋼Q235，其許用應(yīng)力［σ］=235 MPa假設(shè)在8000 N的作用力下，滾輪就已經(jīng)達(dá)到了最大變形量，由此可知，極限情況下，滾輪被擠壓出的面積：

線接觸的長度Z=39.7 mm，由于應(yīng)力擠壓造成的形變，近似地可以將其看成一個矩形，由面積公式可得出矩形寬度b=0.0856 mm。

故可求出其徑向絕對變形大小：

查表可知，低碳鋼的彈性模量 E∈［200，210］GPa，由縱向形變與鋼材彈性模量關(guān)系可以得到此時(shí)的應(yīng)力σ=ε·E＜［σ］。

故易知8000 N的力在給滾輪造成的形變，在滾輪材料允許的變化范圍以內(nèi)。

吊臂底板強(qiáng)度校核及選型

吊臂底板需承受的力矩較為集中，對安裝板的強(qiáng)度要求較高，故需結(jié)合吊臂安裝位置及起吊質(zhì)量，校核安裝板所需的材料及板材厚度，也需對安裝螺栓的強(qiáng)度做校核。

吊臂為采購的成品件，其最大起吊質(zhì)量為300 kg，此時(shí)吊臂長1.5m，故可得出最大的起重力矩Mmax=4.5 kN·M。此時(shí)，吊臂與安裝底板間的安裝孔位如圖13所示。

圖13 吊臂底板安裝孔位

由力矩平衡原則，安裝板的四個孔位，在極限情況下，相鄰的兩個孔位需共同承受最大為4.5 kN·M的力矩，受力的矩形截面為厚度為h，寬度b為250 mm，鋼板上的力臂長度可簡化為孔位中心到吊臂軸心在板側(cè)面的投影距離l=85 mm。在材料的選擇上，鋼板選擇普通Q235低碳鋼，其許用應(yīng)力［σ］=235 MPa

矩形板的抗彎截面系數(shù)WZ需滿足

故可得出鋼板厚度h條件：

故安裝板選擇目前市場上易得的20 mm厚的普通熱軋低碳鋼板。

由最大力矩Mmax=4.5 kN·M，孔位中心到吊臂軸心在板側(cè)面的投影距離l=85 mm，且單個螺栓所承受的拉應(yīng)力F滿足：Mmax=F×l

可求得F=26.5 kN，考慮到螺栓有可能受到?jīng)_擊載荷，查表可知，在載荷變化的情況下，應(yīng)取螺栓的安全系數(shù)SS＝5，故選擇機(jī)械等級為10.9級，螺紋規(guī)格M20的高強(qiáng)度螺栓，該螺栓的預(yù)緊力為142 kN。

卷揚(yáng)機(jī)底板校核分析及選型

卷揚(yáng)機(jī)的安裝位置如圖14所示，與主梁接觸的縫隙均要求滿焊。

圖14 卷揚(yáng)機(jī)安裝板位置

在極限情況下，卷揚(yáng)機(jī)需在50°的坡道上牽引1.5T的運(yùn)輸車上行，此時(shí)，若鋼絲繩滿卷，鋼絲繩距安裝板平面距離l為40cm。故可測得此時(shí)的力矩

安裝板尺寸初步定義為500×210×16，在SolidWorks上將安裝板三側(cè)面固定，模仿焊接緊固條件，在安裝面上加上大小為5.66 kN·M，方向與Mmax相反的力矩，做有限元分析，得出結(jié)果見圖15。

圖15 卷揚(yáng)機(jī)安裝板有限元分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果得出，在只有三面滿焊的情況下，承受該力矩時(shí)，板件會發(fā)生變形，故在板下加裝兩縱梁，以承受使安裝板彎曲的力矩。加裝縱梁與主梁材料選型相同，均為普通低碳鋼 Q235，方管 80×40×2.5。

縱梁位置在變形最大點(diǎn)向?qū)ΨQ的兩端55 mm處，與主縱梁平行。現(xiàn)校核優(yōu)化后的鋼板強(qiáng)度，承受主要力矩的平面已優(yōu)化為兩加裝縱梁間的安裝底板部分，其最大力矩Mmax=5.66 kN·M，許用應(yīng)力［σ］=235 MPa，其抗彎截面系數(shù)：

可得出：h≥9.71mm，板材厚度為16mm，滿足要求。

試驗(yàn)與結(jié)論

結(jié)合上述計(jì)算推理，采用SolidWorks三維建模方法，設(shè)計(jì)了整機(jī)3D模型與設(shè)計(jì)圖紙，并進(jìn)行了樣機(jī)的開發(fā)，開發(fā)樣機(jī)如圖16所示。

圖16 試制樣機(jī)

樣機(jī)安裝于湖南省湘鄉(xiāng)市栗山鎮(zhèn)西山村的天藍(lán)花海-湖南省適機(jī)田土改造試驗(yàn)示范基地，軌道長度45m，試驗(yàn)開展了啟動、停車、吊裝、卸貨、自動調(diào)平等作業(yè)操作，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，懸臂吊支撐底板可靠的支撐2臺微耕機(jī)（300kg）的上下吊裝吊裝作業(yè)，軌道在滿負(fù)載狀態(tài)下，可靠的支撐了底盤的行駛，往復(fù)20次運(yùn)行后，軌道寬度變形在內(nèi)，軌道內(nèi)部寬度變形在，有效的支撐了底盤的行駛。底盤滾輪在軌道中靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，未出現(xiàn)卡死等異常情況。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目的，滿足實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用需求。