基于單片機的側立輪式雙軌山地運輸系統★

張寶宏 卞長青 呂家樂 何永明 齊逸飛

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，我國水果的需求量不斷激增。目前我國大量水果種植在地形復雜的丘陵地區，在果樹種植、維護和水果采收過程中，樹苗、肥料、農藥等農資和水果的運輸仍然以人力運輸為主。人力運輸勞動強度大，生產效率低，成本高[1]，為了解決這些問題，論文研究了側立輪式雙軌山地運輸系統。該系統主要用于山地果園中農資的運輸，也可應用于森林旅游、自然保護區和濕地生態旅游，還可用于運送消防物資和消防人員，以及森林管護監督人員和科學考察人員[2]。側立輪式雙軌山地運輸系統對我國農業機械化的發展及山地運輸機械的發展都具有重要的意義。

1 系統總體結構

1.1 系統結構

側立輪式雙軌山地運輸系統由軌道子系統、智能小車子系統和遠程自動控制子系統組成。軌道子系統由軌道和立柱及其連接件組成，采用雙軌側立方式安裝，兩條軌道上下平行安裝在立柱一側，立柱處通過支座和連接板連接。上方軌道下側有齒條，和齒輪配合驅動智能小車。智能小車子系統由蓄電池、電機、控制模塊和車廂組成。根據載運量、地形等實際情況可以選擇單個或多個車廂。智能小車子系統可接收遠程控制子系統發出的指令，并通過單片機控制智能小車按照指令運行。遠程自動控制子系統即手持式控制終端，由觸屏顯示器、處理器和發射天線等組成[3]。系統總體結構見圖1。

雙軌側立式山地運輸系統的運行通過手持終端和智能小車上的單片機實現[5]。控制系統結構見圖2。

控制系統工作時，通過觸屏顯示器輸入控制指令，經處理器處理后再通過天線發送給單片機控制器，最后傳送到執行機構，實現前進、后退、加速和減速等操作。

1.2 系統設備

考慮到經濟性和實用性，系統設備均采用價格低廉，性價比高的國產設備。該設計方案根據側立輪式雙軌山地運輸系統控制模塊的特點，綜合考慮可靠性和經濟性[6]，并最大限度地提高控制精度。系統方案各部分組件選擇如下：

1)單片機。控制模塊采用型號為AT89C51的單片機。該單片機采用高密度存儲器制造技術，與工業標準的指令集和輸出管腳相兼容。

2)側立式雙軌。鋼軌采用50 mm×50 mm規格的Q235鍍鋅方管。齒條采用3模無淬火齒條，齒距為9.42 mm，齒深6.75 mm。

3)無線數傳模塊采用億佰特E62-433T30D。該模塊采用全雙工點對點高速傳輸方式，可同時收發數據，同時具有跳頻擴頻功能，抗干擾能力強。

4)電源狀態監控模塊選擇RFPM系列AFPM3-2AV型號的三路監控模塊，該模塊具有靈敏度高、耗電省、可靠性好、造價低廉等特點。

5)電動機選擇型號為MY1120ZXF的600 W尤奈特永磁直流有刷電機。該電機重量輕，發熱少，動力強勁。

6)蓄電池采用駱駝牌型號為6-QWLZ額36 V鉛酸電池。該電池續航時間久、使用壽命長，充電快，適用于各種環境。

2 遠程單片機自動控制系統設計

2.1 多功能調壓程序

單片機自動控制模塊中嵌入了多功能調壓程序，用來控制電源的輸出功率，從而改變電動機轉速，實現控制運輸車的運行速度。調壓控制元件一般采用晶閘管[7]，變壓器兩端的電壓通過晶閘管的閉合和斷開來調節。晶閘管調壓電路由交流電源、晶閘管VT1和VT2及負載RL組成。晶閘管交流調壓原理和電壓變化如圖3a)和圖3b)所示。

交流電方向為正時觸發VT1閉合，方向為負時觸發VT2閉合。如果正負周期均以α移相角觸發兩個方向的晶閘管，負載端電壓的有效值將根據α移相角的變化而變化，從而實現交流調壓。

2.2 電壓調節電路

電壓調節電路由晶閘管驅動電路和同步檢測電路組成。晶閘管驅動電路工作過程：單片機發出觸發指令號，經過光電隔離元件、晶體管、脈沖變壓器進行處理，形成晶閘管觸發指令。

同步檢測電路由同步變壓器、電壓比較器和光電隔離器件組成，同步檢測電路見圖4。

同步檢測電路是調壓電路的關鍵，它能夠有效控制電壓的大小和周期。

3 側立式雙軌運輸系統設計

3.1 運輸系統空間結構

由側立式雙軌、小車和無線傳輸模塊以及遠程單片機自動控制系統等組成。側立式雙軌道設計，小車的平衡性以及防側翻性能大大提高。小車整體結構、蓄電池和電機左右對稱設置。滾輪均采用夾持結構設計，確保小車沿單軌道行駛。

側立式雙軌上下平行安裝在立柱一側，通過支座連接板連接。電動機轉動帶動齒輪式驅動輪轉動，齒輪式驅動輪與帶狀齒條嚙合構成驅動系統。自動控制系統控制電動機的啟動、停止以及加減速。

3.2 側立雙軌參數

確定齒輪式驅動輪和齒條式軌道的傳動比只與齒輪式驅動輪分度圓直徑有關。材料均為42CrMo，經過淬硬處理，齒輪式車輪直徑不宜過小，否則影響轉矩。也不宜過大，否則會導致齒輪式車輪和齒條式軌道整體體積過大，質量增加，不利于軌道的設計和系統輕量化的要求。齒條式軌道采用GB 1356-C型輪廓，齒條式軌道的分度圓直徑為無窮大[8]。實際應用安裝過程中，要對主要參數和幾何尺寸進行校核，并對強度進行校驗。滿足應用的前提條件，是建立的工程模型要與實際工程一致，材料選擇和尺寸大小與常規齒輪齒條沒有區別，主要相關技術指標參數如表1所示。

表1 齒輪、齒條式輪軌主要參數

分度圓直徑校驗見式(1)：

(1)

齒條式軌道寬度校驗見式(2)：

b2=μd1

(2)

齒輪式車輪齒寬校驗見式(3)：

b1=b2+10

(3)

其中，m1為齒輪式車輪模數；z1為齒輪式車輪齒數；β為齒輪式車輪螺旋角。

接觸應力a的計算方法采用赫茲接觸應力計算，見式(4)。

(4)

校核齒面接觸疲勞強度計算見式(5)。

(5)

式中：Ze——彈性系數；

Zh——區域系數；

Zm——重合度系數；

u——齒數之比；

K——設計參數。

齒輪式車輪彎曲疲勞強度是指嚙合齒根部達到彎曲應力極大點時的強度。齒輪式車輪彎曲疲勞強度驗算，一般以齒根點計算彎曲應力是否大于允許彎曲應力來判斷齒輪齒條能否滿足使用要求。在計算時，要考慮所用的材料、工況及試件的尺寸與試驗條件的差異。各種影響因素在計算公式中體現為一系列修正系數，修正模型見式(6)。

(6)

其中，YF為齒形系數；YS為應力修正系數；YA為使用系數；YV為動載系數；KFα為嚙間分配系數；KFβ為嚙間分布系數。

根據實際齒輪、齒條的參數，對式(6)涉及的多個修正系數進行賦值，可得到齒根彎曲應力為624 MPa。

上述所有計算過程，可通過Adams軟件對齒輪式車輪和齒條式軌道的傳動進行運動學仿真，驗證理論分析的正確性，同時也驗證其在實際應用的可行性。

4 齒輪式車輪和齒條式軌道嚙合有限元分析

4.1 實體建模

對齒輪式車輪與齒條式軌道嚙合實體建模，是采用ABAQUS有限元仿真軟件進行齒輪式車輪與齒條式軌道嚙合靜態仿真的基礎。根據《機械設計手冊》和相關標準進行三維建模，生成的齒輪和齒條三維模型如圖5a)，圖5b)所示。

該齒輪齒條模型為三維實體模型，其強度是否滿足要求需要進行應力云圖分析。

4.2 應力云圖分析模型

齒輪齒條應力云圖分析模型建立過程如下：第一步，生成模型齒廓為直線的齒條，并將車輪的齒廓面作為源接觸面；第二步，將軌道齒廓面作為目標接觸面，并設置接觸面滑動摩擦系數和剛度系數；第三步，劃分網格，該步驟對有限元分析的計算速度和精度有較大影響。網格越細，精度越高，但運行的速度越慢。因此需要對分析的關鍵部位實施細化處理，見圖6。

應力云模型建立過程實際上就是確定源接觸面和目標接觸面，以及網格劃分的過程。

4.3 應力云圖分析結果

完成應力云圖分析模型后，將車輪軸處內表面設置為圓柱形約束，同時約束軸向和徑向的位移，使車輪只有繞齒輪回轉中心的轉動自由度。然后對車輪軸內表面施加等同載荷的扭矩，可通過應力云圖來展現應力和應變的分布，從而分析接觸面的接觸應力和等效應力。

通過分析應力云圖能夠得到，齒根部分的應力值最大。齒條受拉側齒根彎曲應力沿齒根不均勻分布，應力最大點出現在靠近齒輪端部的齒根表面。用此方法，齒根最大彎曲應力僅有574 MPa，而按照國家標準的方法進行計算的齒根彎曲應力可達到624 MPa，兩種方法的誤差為8.71%，小于國際標準10%，符合要求。

5 結語

本文主要設計了側立輪式雙軌山地運輸系統的總體結構和控制系統，并用ABAQUS軟件建立了驅動模型，并進行了有限元分析。系統建模和有限元分析表明，系統齒輪齒條驅動結構力學性能滿足使用和規范的要求。