7ZDGS-300型山地果園自走式電動單軌運輸機的研制

摘要：針對傳統的山地果園運輸裝備轉向不靈活、結構復雜、穩定性差和傳動效率低等問題，研制了7ZDGS--300型山地果園自走式電動單軌運輸機。首先，對滿載工況下的運輸機爬坡進行受力分析，得到滿足運輸機爬坡要求下的最小牽引力；然后，對運輸機的電動機和蓄電池組進行選型；接著，設計運輸機的齒輪傳動裝置、減振機構、限速保護裝置、限位停車裝置、防側翻裝置等關鍵部件；最后，對運輸機的整體工作性能進行試驗測試。測試結果表明，該運輸機的最大爬坡角度為36.5°，最大運載質量為300"kg，平地最大行駛速度為0.94"m/s，遠程穩定遙控距離為900"m，各項技術指標均達到設計要求，為山地果園運輸機的設計提供理論參考。

關鍵詞：山地果園；單軌運輸機；電動；遠程遙控

中圖分類號：S225.99 """""""""""文獻標志碼：A """"""""""文章編號：1674-2605（2024）06-0003-09

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.06.003"""""""""""""""""""""開放獲取

Development of 7ZDGS-300 Self-propelled Electric Monorail Transport Machine for Mountain Orchards

LI Bo YI"Yuanfei LI Wenli LI Zhen

（1.Guangdong Zhensheng Technology Group Co.， Ltd.， Meizhou， Guangdong 540000， China

2.College of Agricultural Engineering， Guangxi Vocational University of Agriculture， Nanning， Guangxi， 530007， China

3.College of Electronic Engineering （College of Artificial Intelligence）， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China "4.Mechanization Research Laboratory of National Citrus Industry Technology System， Guangzhou 510642， China）

Abstract："In response to the problems of inflexible steering， complex structure， poor stability， and low transmission efficiency of traditional mountain orchard transportation equipment， the 7ZDGS-300 self-propelled electric monorail transport machine for mountain orchards has been developed. Firstly， the force analysis of the transport machine climbing under full load conditions is carried out to obtain the minimum traction force that meets the requirements of the transport machine climbing; Then， select the electric motor and battery pack for the transport machine; Next， design key components such as the gear transmission device， vibration reduction mechanism， speed limit protection device， limit parking device， and anti rollover device for the transport machine; Finally， conduct experimental tests on the overall performance of the transport machine. The test results show that when the climbing angle is 36.5° and the maximum carrying capacity is 300 kg， the maximum speed on flat ground is 0.94 m/s， and the remote stable control distance is 900 m. All technical indicators meet the design requirements， providing theoretical reference for the design of mountain orchard transport machine.

Keywords："mountain orchards; monorail transport machine; electric; remote control

0 引言

中國南方果園多分布在丘陵山地中，機械化運輸能夠有效提高生產效率、降低勞動強度^[1-3]。近年來，隨著水果產業的快速發展，我國山地果園面積不斷擴大，對勞動力的需求也逐步增加。而勞動力成本的快速上升，已成為制約水果產業發展的重要因素。此外，勞動力老齡化、女性化，也使水果采摘運輸下山較為困難。為此，相關專業人士研制了山地果園鏈式循環貨運索道^[4-6]、鋼絲繩牽引式雙軌運輸機^[7-9]、自走式雙軌道山地果園運輸機^[10]、遙控單軌運輸機^[11-12]、履帶式運輸車^[13]和輪式運輸車^[14]等適合我國山地果園作業的運輸裝備。這些運輸裝備除運送農資物料和果品外，還可以搭載植保噴霧機、果枝修剪機、挖穴機等作業機具進行聯合作業，有效提高了我國山地果園運輸和管理作業的機械化水平。其中，山地果園自走式單軌運輸機因具有軌道鋪設靈活、成本低、安裝操

作簡便、轉彎半徑小等特點而被廣泛應用^[15-17]。

現有的山地果園自走式單軌運輸機主要以電動機或內燃機為動力源，傳動系統主要利用蝸輪蝸桿減速機、鏈條或齒輪進行傳動。采用蝸輪蝸桿減速機傳動的山地果園自走式單軌運輸機雖然可以實現下坡控速和自鎖等功能，但在平地或上坡時，機械效率較低^[15]。以內燃機為動力源的山地果園自走式單軌運輸機對環境污染嚴重、運行噪聲較大、自動控制設計與改造較復雜、維護難度大，難以推廣應用。

為此，本文研制一款7ZDGS-300型山地果園自走式電動單軌運輸機（以下簡稱單軌運輸機），可實現無級調速、遠程遙控、自動控制等功能，為山地果園運輸裝備的研制提供參考依據。

1 單軌運輸機設計

單軌運輸機主要由運輸機、運輸拖車和運輸軌道等組成，其整體結構如圖1所示。

運輸機主要包括電動機、手動控制面板、控制系統（見2.3）、齒輪傳動裝置（見2.4）、減振機構（見2.5）、限速保護裝置（見2.6）、限位停車裝置（見2.7）、失電剎車器、通電剎車器、限速器和驅動輪等，用于拖動或推動運輸拖車。

運輸拖車固定在防側翻裝置（見2.8）的承重活動支架上，并通過連接機構與運輸機連接。

運輸軌道通過軌道支撐柱沿山坡架設，在運輸軌道下側面焊接嚙合齒節。運輸機和運輸拖車通過驅動輪和夾緊輪等騎跨在運輸軌道上方。

1.1 工作原理與設計目標

單軌運輸機以蓄電池為動力源，通過控制系統控制其運行狀態，電動機輸出的動力通過齒輪傳動裝置傳遞給運輸機的驅動輪，驅動輪與運輸軌道齒節嚙合帶動運輸機行駛。控制系統可接收手動控制面板和遙控器的遠程控制信號，并根據接收的信號來控制電動機的啟停、剎車器的制動和解除等操作。

根據山地果園的實際運輸需求，單軌運輸機的總體設計目標如下：

1） 適應丘陵山地的地形條件，具有良好的穩定性和通用性，能夠實現上/下坡、直線和轉彎路況下，任意點的前進、后退和停止；

2） 整體結構緊湊、經濟性好、綠色環保，具備手動控制和遠程遙控功能，遠程遙控距離大于650 m；

3） 山地果園一般建在坡度小于25°的坡面上^[18]。為滿足山地果園的運輸要求，爬坡角度需達到35°，爬坡運載質量需達到300 kg，平地行駛速度應大于0.6"m/s。

1.2 主要技術參數

根據丘陵山地的作業要求，運輸機的主要技術參數如表1所示。

2 關鍵技術解決方案

2.1 電動機選型

運輸機在爬坡時，需要克服自身重力與摩擦力的作用。因此，當運輸機以爬坡角度35°，運載300"kg貨物爬坡行駛時，所需的功率最大。運輸機以θ爬坡角度滿載勻速爬坡時的受力分析如圖2所示。

根據公式（2）及F"= 2 765"N，計算可得電動機的輸出功率P"= 2 138"W。即當運輸機以0.75 m/s滿載爬坡行駛時，電動機額定功率應大于2.138"kW。考慮到功率儲備和極限工況的問題，最終選用額定功率為""3"kW、額定工作電壓為48 V、額定轉速為1 500 r/min的直流無刷電機作為運輸機的動力驅動源。

2.2 蓄電池組選型

蓄電池組通過電池箱安裝在運輸拖車上。為滿足運輸機的供電需求，蓄電池組需具備高容量、大功率、大電流以及電池容量衰減小等特性。通過理論計算，運輸機爬坡行駛時的平均功耗約為2.1"kW，按照每天持續工作4"h計算，所需的電能為8.4"kW·h。蓄電池的容量為8.4"kW·h"/"48"V"＝"175"A·h。綜合考慮放電效率、電池容量衰減和電池重量等因素，本文選用兩組額定電壓為24"V、容量為220"A·h的鋰電池串聯組成運輸機的供電電池。

2.3 控制系統

單軌運輸機的控制系統由供電電路、限速保護電路和主控電路3大部分組成，主要包括48"V鋰電池組、電源轉換模塊、繼電器控制執行模塊、通電剎車器、失電剎車器、限速器、離心開關、手動控制模塊和遠程控制模塊等，其整體電氣框圖如圖3所示。

控制系統采用模塊化設計，除了通過手動控制模塊和遠程控制模塊實現手動/遠程遙控運輸機的前進、后退和停止等基礎功能外，還具有坡道檢測、緊急制動、限速保護和限位自動停車保護等功能，控制系統流程圖如圖4所示。

2.4 齒輪傳動裝置

針對傳統蝸輪蝸桿減速機傳動結構復雜、運行噪聲大、穩定性差等問題，單軌運輸機的齒輪傳動裝置采用華南農業大學自主研發的三級傳動雙軸輸出設計，可有效增強驅動輪與運輸軌道齒節嚙合，使運輸機在行駛過程中更加穩定。齒輪傳動裝置的結構和實物如圖5所示。

式中：i₁、i₂、i₃分別為一級、二級、三級齒輪組之間的傳動比；i為總傳動比；z₁"="48為齒輪1的齒數，z₂"="80為齒輪2的齒數，z₃"="40為齒輪3的齒數，z₄"=100為齒輪4的齒數，z₅"="40為齒輪5的齒數，z₆ = 100為齒輪6的齒數。

將各級齒輪齒數z₁"～ z₆代入公式（3）～（6），計算得到i₁＝1.667，i₂＝2.500，i₃＝2.500，i"=10.419。

由運輸軌道齒節的間距及驅動輪有效直徑R"="0.135"m，可得驅動輪的轉速為

根據公式（7）計算可得運輸機驅動輪的轉速約為"1nbsp;m/s，即運輸機的理論設計最高行駛速度為1"m/s。

2.5 減振機構

運輸機在運輸軌道上行駛時，受輪軌結構、嚙合誤差以及受載彈性變形等影響，在輪軌嚙合的過程中會產生嚙合沖擊振動^[20]，影響運輸機的平穩性。為了減少嚙合沖擊導致的運輸機振動，本文設計了一款可根據實際需求裝配不同減振彈簧的減振機構。減振機構主要由松緊螺絲組件、減振外殼體、減振彈簧、彈簧限位擋板、壓緊輪和驅動輪等組成，結構示意圖如圖6所示。

減振外殼體與運輸機底部的支撐鋼板焊接固定，壓緊輪與驅動輪在減振彈簧的作用下，將運輸機夾緊并安裝在運輸軌道上方。該減振機構不僅有效降低了運輸機在行駛過程中的振動，還利用了壓緊輪與驅動輪兩側輪緣的凸緣設計，使其具有防側翻功能。

2.6 限速保護裝置

運輸機在坡面行駛的過程中，除了受電動機輸出的動力和摩擦力作用外，還受重力在坡面方向上的分力作用^[19-20]。當運輸機下坡行駛時，由于齒輪傳動裝置沒有自鎖功能，重力在坡面方向上的分力會使其加速運行。為此，本文設計了限速保護裝置，主要包括限速金屬外殼體、固定螺柱、離心開關、剎車蹄塊固定卡柱、限速器固定軸、剎車蹄塊、離心彈簧、彈簧卡柱等，其結構示意圖如圖7所示。

當運輸機下坡行駛速度超過設定的安全值時，安裝在運輸機輸出軸上的離心開關會在離心力的作用下甩開接通，并向控制系統發送限速信號，啟動限速保護裝置。限速保護裝置通過調節電動機驅動器自動切換低速擋來減速；若速度仍然持續加快，限速器則通過剎車蹄塊和限速金屬外殼體進行機械摩擦限速，并接通通電剎車器來調壓限速，確保運輸機在滿載下坡的過程中能夠穩定控制速度。當運輸機行駛速度恢復到安全范圍后，解除上述限速保護措施，運輸機恢復正常的行駛狀態，從而解決了單軌運輸機下坡行駛時的飛車問題。

2.7 限位停車裝置

為防止運輸機在運輸軌道始末端脫軌^[13]，本文設計了一款限位停車裝置。該裝置主要包括限位行程開關、限位觸板等，結構示意圖如圖8所示。

當運輸機行駛到運輸軌道始末端時，限位行程開關觸碰到限位觸板，限位行程開關閉合并向控制系統發送停車信號；控制系統控制限位行程開關繼電器自鎖，運輸機停止行駛且不能再次啟動前行，只允許反方向行駛，以防止運輸機在始末兩端沖出運輸軌道，從而實現自動停車功能。

2.8 防側翻裝置

防側翻裝置由行走支架、承重活動支架、承重輪、夾緊輪、調節螺桿、彈簧安裝筒、張緊彈簧、限位活動連桿和自由連桿等組成，結構示意圖如圖9所示。

承重輪通過對應的支撐軸與行走支架連接，支撐軸上鉸接2個自由連桿；2個夾緊輪分別通過支撐軸對應連接在自由連桿的下端部；限位活動連桿通過自由連桿連接2個夾緊輪，用于限制2個夾緊輪間的最大張開距離，防止承重輪和夾緊輪在夾緊運輸軌道時因間隙過大而發生側翻。張緊彈簧安裝在彈簧安裝筒內，調節螺桿串接穿過張緊彈簧和彈簧安裝筒，利用調節螺母將張緊彈簧和彈簧安裝筒裝配在一起，通過調節螺母調整彈簧安裝筒內張緊彈簧的伸縮量，以實現彈簧彈力的調節，進而根據實際需求調整承重輪和夾緊輪夾緊運輸軌道的間隙。

夾緊輪貼合在運輸軌道下端，并沿著運輸軌道滾動行駛。承重輪和夾緊輪兩側輪緣均采用凸緣設計，可防止運輸機因受力不均或超重而發生側翻。此外，運輸拖車固定安裝在承重活動支架上，該支架能夠前后擺動和沿水平面旋轉，從而增加運輸拖車的靈活性，有效地解決了運輸機轉向不靈活的問題。

3 單軌運輸機試驗與分析

3.1 試驗條件和設備

在華南農業大學的山地果園運輸裝備試驗場進行單軌運輸機的整機性能測試。該試驗場設有果園平地、轉彎和上下坡等代表性運輸軌道，軌道總長度約為135 m，測試坡段的長度約為18 m，最大坡度為36.5°，如圖10所示。

利用標準砝碼進行運載質量試驗，單個砝碼質量為25"kg，運輸機的運載質量范圍為0"～"300"kg。試驗按照每次50"kg遞增（0、50、100、150、200、250和300"kg，0"kg時定義為空載， 300"kg時定義為滿載），測試了7種運載質量下運輸機的性能。每次試驗時確保蓄電池組充滿電量。測試設備包括運輸機、數顯傾角儀、庫侖計、電子秒表、卷尺、砝碼等。

3.2 行駛速度測試

利用卷尺測量運輸軌道的長度，電子秒表測量運輸機行駛的時間，根據公式v"= s/t計算運輸機的行駛速度。運輸機搭載不同質量的砝碼在平地、上坡和下坡等路況下行駛，在不同運載質量下分別測試10次，由公式v₀"= ∑"v/n計算其平均速度，取10次測試數據的平均值作為最終測試結果。運輸機在不同運載質量下的行駛速度測試數據如表2所示。

由表2可知：運輸機運載質量為0～300"kg，且在平地（爬坡角度為1.8°～2.9°）行駛時，行駛速度基本穩定在0.93"m/s，R²為0.844 6，表明運輸機平地行駛速度受運載質量的影響較小；運輸機運載質量為0～300"kg，且爬坡行駛時，行駛速度在0.73～0.85"m/s，R²為0.964 3，表明運輸機爬坡行駛速度受運載質量的影響較大；運輸機下坡行駛時，隨著運載質量的增加，運輸機行駛速度逐漸加快，但在限速保護裝置的作用下，其行駛速度能夠確保在安全范圍內。

3.3 遠程遙控性能測試

在從化某柑橘園對運輸機的遠程遙控性能進行測試，包括遠程遙控距離測試和通信穩定性測試。其中，通信穩定性測試是在遠程遙控距離測試的過程中同步完成的，即通過在不同遠程遙控距離條件下的通信成功率，評估遙控器的通信穩定性。遙控器通信成功率計算公式為

本文對大功率無線遙控器KGS-D24-4000進行測試，如圖11所示。當遙控器發出信號后，若接收器對應的指示燈閃爍，則表示其成功接收到控制信號。遠程遙控有效距離通過手機衛星地圖進行定位測量，定位精度為3～5 m^[21]。

影響遠程遙控距離的主要因素包括果園的植被密度、植被高度、山體坡度和遙控天線是否拔出等。從化某柑橘園每公頃柑橘樹的種植量為1 000"～"1 100株，果園坡度為10°～15°，柑橘樹的平均高度約為"""3"m。參照運輸軌道鋪設的高度和運輸機的安裝高度，遙控器的接收器安裝高度約為1"m。在有無山體遮擋和遙控器天線是否拔出的狀態下進行遠程遙控距離測試和通信穩定性測試，每個測試點的直線距離為25"m，通信次數為10次，測試結果如表3所示。

由表3可知：當無山體遮擋且遙控器天線未拔出時，遙控器的遠程穩定遙控距離可達到650"m，當遙控距離增加到675"m時，遙控器的通信成功率下降至60%；當無山體遮擋且遙控器天線已拔出時，遙控器的遠程穩定遙控距離可達到900"m，當遙控距離增加到925"m時，遙控器的通信成功率下降至80%，表明在無山體遮擋情況下，遙控器天線是否拔出時的遙控距離相差約250"m，遠程遙控距離受遙控天線是否拔出影響較大。

當有山體遮擋且遙控器天線未拔出時，遙控器的遠程穩定遙控距離僅為300"m，當遙控距離增加到325"m時，遙控器的通信成功率下降至20%；當有山體遮擋且遙控器天線已拔出時，遙控器的遠程穩定遙控距離可達到425"m，當遙控距離增加到450"m時，遙控器的通信成功率下降至90%，表明在遙控器天線拔出的情況下，有無山體遮擋的遙控距離相差約475"m，山體遮擋嚴重影響了遙控器的遙控距離。

在通信穩定性測試過程中，若10次通信中有失敗的情況出現，則判定為通信不穩定。通過測試可知，該遙控器在無山體遮擋且遙控器天線拔出時，遠程穩定遙控距離可達900"m，滿足運輸機遙控器無線通信的需求。

3.4 續航能力測試

為了盡可能地模擬運輸機在丘陵山地行駛的真實狀態，在山地果園運輸裝備試驗場選擇運輸軌道長度為15"m（上坡和下坡各7.5"m），坡度為36.5°的坡段進行續航能力測試。

試驗使用的蓄電池組為48V/220 A·h。試驗前先將蓄電池組充滿電量，電池容量記為100%，再將300"kg的砝碼裝載在運輸機上，讓其不間斷地在測試坡段來回行駛，直到電池容量降至20%。運輸機能耗測試結果如表4所示。

由表4可知，蓄電池組在滿電的狀態下續航時間可達5"h以上，能夠滿足無電網覆蓋下山地果園的運輸需求。

4 結論

本文研制了單軌運輸機，并對其主要技術參數進行試驗，得出以下結論：

1） 運輸機操作簡單、控制靈活，具備手動和遙控2種控制方式，可實現前進、后退、停止3種狀態的任意切換；

2） 運輸機的最大爬坡角度為36.5°，平地最大行駛速度為0.94"m/s，最大爬坡運載質量為300"kg，遙控器的有效遙控距離可達900"m，均滿足設計要求；

3） 運輸機在運載質量為0～300"kg，且平地和爬坡行駛時，R²分別為0.844"6和0.964"3，說明運輸機在平地行駛時，速度受運載質量的影響較小，而在爬坡行駛時，速度受運載質量的影響較大；

4） 運輸機使用蓄電池組供電，續航時間可達""5"h以上，能夠滿足山地果園的實際應用需求，解決了無電網覆蓋山地果園的穩定運輸問題。

針對山地果園無電網覆蓋情況下運輸機長期穩定運行的難題，可進一步研究運輸機在下坡行駛過程中的穩定控速技術和動能回收系統，以提升運輸機的續航時間和能源效率。

?The author（s） 2024. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 License （https：//creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/4.0/）

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作者簡介：

李波，男，1980年生，大專，工程師，主要研究方向：丘陵山地農業機械與裝備。E-mail："gd401lb@163.com

易遠飛，男，1994年生，碩士研究生，助教，主要研究方向：丘陵山地農機裝備及智能信息化。E-mail："582472405@qq.com

李文理，男，1999年生，碩士研究生，主要研究方向：山地果園機械。E-mail： 2547827317@qq.com

李震（通信作者），男，1981年生，博士研究生，教授，博導，主要研究方向：智能農機裝備。E-mail： lizhen@scau.edu.cn