摘要：針對(duì)現(xiàn)階段山地果園運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜作業(yè)環(huán)境、人工運(yùn)輸效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大而國內(nèi)尚無可選機(jī)型的狀況，設(shè)計(jì)研制了7YGD-45型單軌果園運(yùn)輸機(jī)。闡述了單軌果園運(yùn)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(jì)，并對(duì)運(yùn)輸軌道進(jìn)行了模態(tài)分析，為單軌運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)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(yùn)輸機(jī)；單軌；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：S229+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yùn)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(yùn)輸難度較大，勞動(dòng)力成本高。平地尚可使用常規(guī)輪式運(yùn)輸機(jī)，而山地則只能依靠人力，勞動(dòng)力成本增加和勞動(dòng)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(yùn)輸機(jī)械化迫在眉睫，山地果園運(yùn)輸機(jī)的發(fā)展勢在必行[1-5]。國外山地果園運(yùn)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(duì)中國山地果園運(yùn)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(jià)很高，未能在生產(chǎn)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

本研究設(shè)計(jì)出適合大坡度果園的7YGD-45型電動(dòng)遙控式單軌果園運(yùn)輸機(jī)，在湖北省丹江口柑橘試驗(yàn)站進(jìn)行了演示運(yùn)行，試用結(jié)果表明適用性較好，可用于山地果園中果實(shí)、肥料的運(yùn)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(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)

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

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

2）操作要求。單軌運(yùn)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(yùn)輸機(jī)人員對(duì)機(jī)械掌握的程度問題。在實(shí)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(jì)單軌運(yùn)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(yùn)輸途中要保證單軌運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。在裝載貨物的條件下，運(yùn)輸機(jī)的各個(gè)部件運(yùn)行平穩(wěn)，要求強(qiáng)度、剛度、彎矩、扭矩都在設(shè)計(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要求單軌果園運(yùn)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(dòng)力要求。單軌果園運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)輸過程中，需要?jiǎng)恿μ峁┙o運(yùn)輸機(jī)使其在軌道上上下坡運(yùn)動(dòng)。因此需要選擇合理的驅(qū)動(dòng)方式，保證單軌運(yùn)輸機(jī)在上下坡以及水平運(yùn)行時(shí)能提供足夠的動(dòng)力。

1.1 主要結(jié)構(gòu)組成

7YGD-45型電動(dòng)遙控式單軌果園運(yùn)輸機(jī)主要由電機(jī)、皮帶、減速制動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)輪對(duì)、運(yùn)輸小車、軌道、驅(qū)動(dòng)鋼絲繩以及電控裝置組成，其中減速制動(dòng)裝置由減速箱和液壓塊式制動(dòng)器組成（圖1）。圖1中，電動(dòng)機(jī)為果園運(yùn)輸機(jī)提供動(dòng)力。減速箱降低電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，增大力矩。液壓塊式制動(dòng)器直接與電動(dòng)機(jī)相連，遙控裝置控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的同時(shí)也控制著制動(dòng)器的制動(dòng)和松開。驅(qū)動(dòng)輪對(duì)是單軌運(yùn)輸機(jī)的主要執(zhí)行工作部件，由其輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)鋼絲繩牽引單軌運(yùn)輸小車上下坡運(yùn)動(dòng)。這是通過鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)輪對(duì)輪槽中纏繞一定的圈數(shù)來產(chǎn)生摩擦力矩來實(shí)現(xiàn)的。軌道引導(dǎo)單軌運(yùn)輸車運(yùn)行，且直接承受支撐載荷。牽引鋼絲繩是單軌運(yùn)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(yùn)輸機(jī)的平穩(wěn)性，在運(yùn)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(dòng)輪對(duì)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(yùn)輸小車運(yùn)動(dòng)的極限位置。運(yùn)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(dòng)器制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)輪對(duì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)輸小車停車。機(jī)架尺寸的大小直接決定了單軌運(yùn)輸機(jī)載重量。

運(yùn)輸小車在軌道上面的實(shí)物圖如圖2所示。

1.2 工作原理與設(shè)計(jì)目標(biāo)

電機(jī)通過皮帶、減速箱傳遞動(dòng)力給驅(qū)動(dòng)輪對(duì)。鋼絲繩通過驅(qū)動(dòng)輪對(duì)并且兩端固定在運(yùn)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(gè)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(dòng)運(yùn)輸小車平行于軌道方向運(yùn)動(dòng)。牽引鋼絲繩通過鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪對(duì)間的摩擦驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸小車，帶動(dòng)其前進(jìn)以及后退。

7YGD-45型電動(dòng)遙控式單軌果園運(yùn)輸機(jī)既適應(yīng)地形蜿蜒起伏復(fù)雜變化的運(yùn)輸需要，又適應(yīng)在較密集果樹中行駛的運(yùn)輸需要，可用于山地果園中果實(shí)、肥料等的運(yùn)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(shí)現(xiàn)4 m轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)的轉(zhuǎn)彎。采用5.5 kW電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。

2 單軌運(yùn)輸機(jī)的關(guān)鍵部件

2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架是放置運(yùn)輸貨物的裝置，機(jī)架的設(shè)計(jì)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(yùn)行，機(jī)架要有足夠的剛度和強(qiáng)度。為了防止貨物在運(yùn)輸途中傾斜，機(jī)架的幾何外形要對(duì)稱。機(jī)架與方管接觸實(shí)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(gè)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(yùn)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(dòng)力，防止機(jī)架與軌道脫軌。

為了保證運(yùn)輸小車安全平穩(wěn)地在軌道上運(yùn)行，夾緊輪與軌道間的間隙應(yīng)盡可能的小，運(yùn)輸小車運(yùn)行過程中發(fā)生側(cè)翻的角度就小。同時(shí)，為了保證運(yùn)輸小車在運(yùn)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(yùn)輸小車在軌道上運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)彎半徑和運(yùn)輸小車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 驅(qū)動(dòng)輪對(duì)的設(shè)計(jì)

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

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

電機(jī)通過減速箱實(shí)現(xiàn)減速，減速箱輸送給驅(qū)動(dòng)輪對(duì)動(dòng)力，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)與鋼絲繩之間的摩擦實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸小車的上下坡運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪對(duì)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(yàn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)輪對(duì)設(shè)計(jì)為5個(gè)槽，滿足單軌果園運(yùn)輸機(jī)對(duì)摩擦附著力的要求。

2.3 托繩輪與滑輪

為了保證運(yùn)輸小車沿軌道運(yùn)行，牽引鋼絲繩對(duì)運(yùn)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(gè)閉環(huán)，在軌道兩側(cè)分布。在牽引運(yùn)輸小車運(yùn)動(dòng)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(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過驅(qū)動(dòng)輪對(duì)提供的牽引力拉動(dòng)運(yùn)輸小車。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，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(yùn)輸小車在軌道上面勻速行走的牽引力。為了保證鋼絲繩運(yùn)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(jì)手冊(cè)》得C=0.106。則有：

d=C■=0.106×■mm≈7.5 mm

按鋼絲繩的工作級(jí)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(yùn)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(dòng)輪對(duì)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(diǎn)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(yùn)輸機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，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(diǎn)。隨后，重物的升降隨著運(yùn)輸小車在軌道上運(yùn)行而上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3 軌道的模態(tài)分析

單軌運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性是考察其實(shí)用性的重要標(biāo)準(zhǔn)。軌道承載運(yùn)輸小車的重量，同時(shí)也控制著運(yùn)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(yùn)輸小車在運(yùn)動(dòng)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(duì)軌道的作用只是起到承載重量的作用，對(duì)軌道的模態(tài)分析影響不大。為了簡化模型和計(jì)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(yùn)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(yùn)輸機(jī)在丹江口市柑橘綜合試驗(yàn)站安裝，實(shí)際使用過程中，運(yùn)輸機(jī)工作可靠。單軌果園運(yùn)輸機(jī)可實(shí)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(diǎn)制動(dòng)等功能。通過遙控裝置能方便地控制運(yùn)輸小車的啟動(dòng)和停止，適合長距離大坡度果園運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

參考文獻(xiàn)：

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