黃家偉柴瑞謙羅光欽盧 龍

(1.防城港市防城區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣服務(wù)中心，廣西 防城港 538000；2.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 0660042；3.廣西合浦縣惠來(lái)寶機(jī)械制造有限公司，廣西 合浦 536100)

新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車的設(shè)計(jì)及研發(fā)

黃家偉1柴瑞謙2羅光欽3盧 龍3

(1.防城港市防城區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣服務(wù)中心，廣西 防城港 538000；2.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 0660042；3.廣西合浦縣惠來(lái)寶機(jī)械制造有限公司，廣西 合浦 536100)

針對(duì)“推進(jìn)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化”這一重要舉措，文章提出一種新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車，該車為一款用于收集甘蔗的運(yùn)輸車輛。文章首先對(duì)區(qū)內(nèi)外同類車型進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比研究。在此基礎(chǔ)上，完成整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要技術(shù)參數(shù)、側(cè)翻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及牽引用車選型等工作，隨后分析其整車穩(wěn)定性，最后進(jìn)行了樣機(jī)試制及試車試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提出了展望。

甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車；整車設(shè)計(jì)；樣機(jī)試制

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，廣西已成為全國(guó)最大的原料蔗種植和蔗糖生產(chǎn)省份，糖料蔗種植面積、原料蔗和食糖產(chǎn)量均超全國(guó)總量的 60%。但是廣西平地少、山地多，零散農(nóng)戶種植零散，在生產(chǎn)、收獲、運(yùn)輸?shù)确矫娑茧y以發(fā)揮規(guī)模效益，這些都制約了廣西糖業(yè)的發(fā)展。為此，廣西壯族自治區(qū)人民政府出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)我區(qū)糖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的意見》，其中建設(shè)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化示范區(qū)，是廣西農(nóng)機(jī)部門突破甘蔗機(jī)收、機(jī)種“瓶頸”，推進(jìn)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化的一項(xiàng)重要舉措。

針對(duì)這一舉措，本文提出了一種新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成了整車結(jié)構(gòu)和側(cè)翻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整車穩(wěn)定性分析，并制造出了樣車，通過(guò)試車試驗(yàn)改進(jìn)了原有方案。

1 區(qū)內(nèi)外同類車型對(duì)比

在設(shè)計(jì)之初，首先對(duì)區(qū)內(nèi)外幾種同類車型進(jìn)行了調(diào)研和對(duì)比研究。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)其中部分車型重心靠前，穩(wěn)定性較差，多數(shù)車輛采用兩組液壓缸，成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且，這些轉(zhuǎn)運(yùn)車只適合田間甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)，只能在甘蔗收獲季節(jié)使用，使用率較低。與上述車型相比，本文提出的新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用全掛牽引形式，可以適應(yīng)多種牽引車型，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。（2）輪胎為工程平面胎，對(duì)甘蔗宿根破壞較小。（3）設(shè)計(jì)的輪距和甘蔗種植行距相匹配，減少對(duì)宿根的破壞。（4）采用兩個(gè)液壓缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、安全可靠、轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高。

2 整車結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)要求

（1）配套拖拉機(jī)功率100hp

（2）外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高約為 7000mm×2200mm× 3600mm

（3）轉(zhuǎn)彎半徑≤12m

（4）滿載質(zhì)量3000kg

（5）舉升高度≥4000mm

（6）物料卸凈率達(dá)100%

（7）輪距適應(yīng)甘蔗種植農(nóng)藝要求

2.2整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本轉(zhuǎn)運(yùn)車屬于拖拽式的運(yùn)輸車，其由牽引車和掛車兩部分組成，牽引車和掛車之間通過(guò)牽引銷進(jìn)行鏈接，牽引車的輸出動(dòng)力通過(guò)牽引銷傳遞到掛車，從而帶動(dòng)掛車行駛。由于該轉(zhuǎn)運(yùn)車屬于全掛車，因此可以通過(guò)更換牽引用車實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。本轉(zhuǎn)運(yùn)車底盤設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由兩道200×100的工字型縱梁和三道橫梁焊接而成，車橋從工字梁中間腹板位置穿過(guò)，這樣可以有效降低底盤的離地間隙。該轉(zhuǎn)運(yùn)車車廂高度為 2米，一側(cè)為鋼板，另外 3面由鋼絲網(wǎng)圍繞焊接而成，其目的是為了減輕車身重量，同時(shí)便于清晰的觀察甘蔗實(shí)際裝載量。整車效果如圖1所示。

圖1　整車效果

2.3整車參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）整車外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高約為8000mm×2210mm ×2632mm；

（2）車廂尺寸：長(zhǎng)×寬×高約為 5200mm×2210mm× 2632mm；

（3）牽引形式：掛車（拖拽式）；

（4）重量：掛車重量為2690Kg，額定載重量為4000Kg；

（5）輪距：1680mm；

（6）輪胎型號(hào)：17.5-25工程平面胎，胎面寬445mm。

3 主要部件設(shè)計(jì)及選型

3.1側(cè)翻機(jī)構(gòu)

本轉(zhuǎn)運(yùn)車的側(cè)翻機(jī)構(gòu)由液壓操縱系統(tǒng)和舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩部分組成，通過(guò)控制液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車廂的舉升和翻轉(zhuǎn)，側(cè)翻機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2　側(cè)翻機(jī)構(gòu)

液壓操縱系統(tǒng)主要由液壓油箱、液壓缸、液壓泵、液壓管路以及手動(dòng)換向閥組成，通過(guò)液壓泵的作用，將液壓油輸送到各液壓缸中，以實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮動(dòng)作。該轉(zhuǎn)運(yùn)車采用兩個(gè)相同的液壓油缸，其型號(hào)為HSG100-70-2000×2400，并將兩個(gè)液壓缸分別斜置安裝在車廂前后兩側(cè)，通過(guò)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)車廂的舉升和翻轉(zhuǎn)。

該轉(zhuǎn)運(yùn)車的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由垂直支撐架、縱向支撐架、導(dǎo)軌、導(dǎo)向桿和油缸安裝底座組成。導(dǎo)軌與垂直支撐架通過(guò)焊接成為一體，并與車架相連?？v向支撐位于車箱翻轉(zhuǎn)一側(cè)，通過(guò)螺栓與垂直支撐架連在一起，起到了很好的支撐和加強(qiáng)作用。導(dǎo)向桿與導(dǎo)軌共同組成了轉(zhuǎn)運(yùn)車的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)向桿上升到導(dǎo)軌限位點(diǎn)時(shí)車廂開始翻轉(zhuǎn)，從而完成整個(gè)舉升翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，整個(gè)舉升翻轉(zhuǎn)過(guò)程用時(shí)約為1分15秒。

3.2液壓缸的選型

應(yīng)用相關(guān)軟件對(duì)車廂的舉升和翻轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行分析，液壓缸的受力情況如圖3所示。

圖3　液壓缸受力分析

從圖 3中可以看出，液壓缸的受力可以分為三個(gè)階段。第一階段是車廂均勻上升階段，油缸受力比較均勻，約為57010N，第二階段是翻轉(zhuǎn)點(diǎn)至車廂稍微翻轉(zhuǎn)的短暫過(guò)程，約為 237800N，由于翻轉(zhuǎn)時(shí)油缸會(huì)受到?jīng)_擊，所以經(jīng)實(shí)際計(jì)算，可知油缸受力為 184370N，第三階段是甘蔗傾卸過(guò)程，在此過(guò)程中，液壓缸推力逐漸減小直到翻轉(zhuǎn)完成。

根據(jù)常用油缸情況，選取液壓缸的額定壓力P=16MPa，已知液壓缸的最大受力F=184370N，根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出液壓缸內(nèi)徑

經(jīng)計(jì)算可得：D=85.67mm，因此，可選液壓缸內(nèi)徑D=100mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用行程為2000mm的液壓缸，所選液壓缸的主要參數(shù)如表1所示。

表1　液壓缸的主要參數(shù)

3.3牽引車選型

轉(zhuǎn)運(yùn)車在甘蔗地作業(yè)時(shí)，不計(jì)道路坡度，干燥地面附著系數(shù)f=0.2，泥濘地面附著系數(shù)f′=0.15。已知滿載時(shí)掛車和貨物總質(zhì)量為6960kg，所以拖動(dòng)掛車所需最大牽引力為：

根據(jù)式（2）計(jì)算可得，F(xiàn)=13.46KN。已知沃得奧龍 604拖拉機(jī)標(biāo)定牽引力為15KN，輸出軸功率為37.5KW，網(wǎng)報(bào)價(jià)格5.8萬(wàn)元，其不僅滿足牽引力要求，而且價(jià)格適中，所以該轉(zhuǎn)運(yùn)車選用沃得奧龍604拖拉機(jī)作為牽引用車。

4 整車穩(wěn)定性分析

由于本轉(zhuǎn)運(yùn)車采用側(cè)翻的形式，翻轉(zhuǎn)高度為4100mm，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，整車重心位置會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)，當(dāng)重心橫向移動(dòng)量較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整車側(cè)翻，因此需要對(duì)整車的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以確保轉(zhuǎn)運(yùn)車的工作安全可靠。

應(yīng)用三維軟件建立甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車的三維模型，對(duì)各零部件賦予材料屬性，以掛車兩車輪中心對(duì)稱點(diǎn)為參考坐標(biāo)原點(diǎn)，分別對(duì)整車滿載未舉升、舉升到導(dǎo)軌終點(diǎn)、開始傾卸、完全翻轉(zhuǎn)四種狀態(tài)的重心位置進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1整車滿載未舉升時(shí)

整車在滿載未舉升時(shí)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1132.12，-2.44，719.09），即整車重心橫向偏移量?jī)H為2.44mm，由于轉(zhuǎn)運(yùn)車輪距為1680mm，所以重心的橫向偏移量可以忽略不計(jì)，即車輛重心位于兩側(cè)車輪的中間位置，掛車兩側(cè)車輪載荷基本相同，車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4(a)所示。

4.2舉升到導(dǎo)軌終點(diǎn)時(shí)

當(dāng)車輛滿載沿導(dǎo)軌上升至導(dǎo)軌終點(diǎn)時(shí)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1132.12，-196.20，1339.46），整車重心向車廂翻轉(zhuǎn)一次偏移，其橫向偏移量為196.20mm，如圖4(b)所示。

4.3開始傾卸狀態(tài)

將車廂斜板翻轉(zhuǎn)到水平時(shí)定義為開始傾卸狀態(tài)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1232.54，-174.82，2116.85），整車重心向車廂翻轉(zhuǎn)一側(cè)偏移，其橫向偏移量為174.82mm，如圖4(c)所示。

4.4完全翻轉(zhuǎn)時(shí)

整車滿載舉升到完全翻轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1998.39，-145.74，1125.04）。整車重心橫向偏移為145.74mm，如圖4(d)所示。

圖4　整車重心偏移量

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車滿載時(shí)，從車廂開始舉升到完全翻轉(zhuǎn)，相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)，整車重心經(jīng)歷了外移——內(nèi)移的變化過(guò)程。與之相反，當(dāng)甘蔗傾卸完成，車廂復(fù)位時(shí)，整車重心會(huì)隨之回到初始位置。雖然整車重心發(fā)生了橫向偏移，但是與輪距相比，該偏移量相對(duì)較小，所以轉(zhuǎn)運(yùn)車穩(wěn)定性能良好，在傾斜甘蔗過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻危險(xiǎn)。

5 試制與試驗(yàn)

5.1樣機(jī)試制

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)外同類車型的調(diào)研和對(duì)比研究，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，首先確定了本轉(zhuǎn)運(yùn)車的設(shè)計(jì)方案，然后建立了三維設(shè)計(jì)模型，并運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)其各方面性能進(jìn)行了分析研究，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)零部件的加工和選型，最終制造出了第一批試驗(yàn)樣機(jī)（1臺(tái)）如圖5所示。

圖5　第一批試制樣機(jī)

5.2試車試驗(yàn)

在第一批樣車試制完成以后，對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá) 200小時(shí)的試車試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖6所示。

圖6　轉(zhuǎn)運(yùn)車試驗(yàn)圖

通過(guò)試車試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該樣機(jī)還存在許多問(wèn)題，如導(dǎo)軌與導(dǎo)向桿摩擦阻力較大，上升翻轉(zhuǎn)過(guò)程速度較慢且不夠平穩(wěn)，兩側(cè)油缸進(jìn)油時(shí)間不同步，油缸伸縮長(zhǎng)度不同，車廂兩側(cè)上升高度有一定差距等。

針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，通過(guò)在導(dǎo)軌外側(cè)增加滾輪，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦。另外，在車架底部布置三根油管使液壓油先從油箱到車廂中間位置，然后再分流到兩個(gè)油缸，從而避免了兩側(cè)油缸的進(jìn)油時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)了油缸的同步伸縮以及車廂的同步上升和翻轉(zhuǎn)，提高了車輛的安全可靠性能。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)，重新生產(chǎn)試制 2臺(tái)樣車，并交付廣西崇左市扶綏金光農(nóng)場(chǎng)。經(jīng)試用，第二批甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車得到了用戶的一致好評(píng)，如圖7所示。

圖7　第二批樣機(jī)

6 結(jié)論

目前，本轉(zhuǎn)運(yùn)車共有13臺(tái)，其中第一批1臺(tái)，第二批2臺(tái)，第三批10臺(tái)，且前兩批已交付用戶使用。與同類型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械相比，其具有裝載量大、轉(zhuǎn)彎半徑小、輕巧靈活、安全可靠、轉(zhuǎn)運(yùn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。雖然如此，但還需要進(jìn)一步改進(jìn)，其中部分結(jié)構(gòu)需要加固和輕量化設(shè)計(jì)，在降低成本的同時(shí)提高轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)的安全性能。另外，關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)工藝需要改進(jìn)，以提高產(chǎn)品批量化生產(chǎn)效率。

總之，該轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)不僅填補(bǔ)了甘蔗收集轉(zhuǎn)運(yùn)專用機(jī)械領(lǐng)域的空白，滿足了甘蔗全程機(jī)械化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需要，而且對(duì)加快我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的前進(jìn)步伐，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)發(fā)展具有重大意義。

[1] 鄧沖其.半掛側(cè)翻式甘蔗運(yùn)輸車的開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng),2011,18(9):50-51.

[2] 羅國(guó)剛.新型全掛側(cè)翻式自卸車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].專用汽車,2009,(2):62-63.

Design and development of a new type of drag-and-drop sugarcane transport vehicle

According to the important step of promoting the sugarcane fully mechanized production, a new type of drag-and-drop sugarcane transport vehicle is proposed in this paper. This vehicle is used for sugarcane collection. At first , on the basis of the research and comparative study of some domestic similar vehicles, the vehicle structure design, main technical parameters, rolling over mechanism design and traction vehicle type selection is completed. And then, the vehicle stability is analyzed. Finally, prototype and trial test has conducted, and further optimization and improvement is put forward in this paper.

Sugarcane transport vehicle; vehicle structure design; prototype test

S37

A

1008-1151(2015)07-0047-03

2015-06-09

“50萬(wàn)畝甘蔗基地全程機(jī)械化裝備研發(fā)-小型甘蔗收集轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)的研制”（桂科攻1433001-7）。

黃家偉（1960－），男，廣西防城港人，防城港市防城區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣服務(wù)中心工程師。