吳偉斌，馮運琳，羅　闊，詹瀟智，曾偉鵬，廖勁威，盧迪豪，黃　濤，洪添勝

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州　510642)

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可調(diào)地隙采摘式菠蘿運輸車底盤的設(shè)計與研究

吳偉斌，馮運琳，羅闊，詹瀟智，曾偉鵬，廖勁威，盧迪豪，黃濤，洪添勝

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州510642)

摘要：目前，我國的菠蘿的采收與運輸主要以人工為主，缺乏機械化，生產(chǎn)效率低，人工成本較高。為此，研制了一款可調(diào)地隙采摘式菠蘿運輸車，并基于實地調(diào)研資料，設(shè)計了新式的車架與車廂結(jié)構(gòu)，使運輸車適應(yīng)于菠蘿種植業(yè)作業(yè)需求。采用SolidWorks進行三維建模，并進行運動仿真，利用SolidWorks Simulation軟件對車橫梁、車架、升降機構(gòu)等進行有限元受力分析，校核設(shè)計機構(gòu)的合理性，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)。本產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)為采用了剪叉式液壓升降結(jié)構(gòu)，可滿足離地間隙可調(diào)的性能要求，并采用汽油發(fā)電機混合動力提供行駛動力，簡化了傳動機構(gòu)且降低了油耗。

關(guān)鍵詞：菠蘿地作業(yè);可調(diào)地隙;運輸車底盤

0引言

菠蘿是我國熱帶亞熱帶地區(qū)最具特色和優(yōu)勢的熱帶水果品種之一，該產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已成為華南主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，為促進農(nóng)民增收和擴大城鄉(xiāng)居民就業(yè)做出了重要的貢獻。其中，廣東省是我國的最大的菠蘿主產(chǎn)區(qū)。然而，目前菠蘿的采收與運輸主要以人工為主，缺乏機械化，其生產(chǎn)效率低、人工成本較高。而目前國內(nèi)外還未出現(xiàn)專門針對菠蘿采收和運輸?shù)霓r(nóng)業(yè)機械。為此，研發(fā)省力化運輸車，對實現(xiàn)菠蘿產(chǎn)業(yè)機械化、推動菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、降低人工勞動強度及減少成本等都有重要的意義[1-2]。

1現(xiàn)狀與展望

1.1菠蘿采摘機械發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外發(fā)達國家雖然使用了運輸機械設(shè)備，但并非為菠蘿采摘、運輸?shù)膶Ｓ脵C械運輸設(shè)備。絕大部分發(fā)展中國家仍采用純?nèi)斯み\輸?shù)姆绞交蛳韧ㄟ^人工采摘果品再使用田外運輸機械運輸?shù)姆绞?，且發(fā)展中國家絕大多數(shù)果農(nóng)沒有購買大型采摘機和運輸車的經(jīng)濟條件。同時，發(fā)達國家的菠蘿種植嚴格根據(jù)作業(yè)機械的特性來科學(xué)規(guī)劃的，因此植株高度，間距合理，適合大型機械作業(yè)，而發(fā)展中國家的菠蘿種植缺乏規(guī)劃，植株高度不一，種植密度大，一般的菠蘿運輸車難以進入以及自由穿梭作業(yè)，同時亦容易對菠蘿植株造成傷害，機械采摘難度較大[3-5]。為此，研發(fā)一種能適用于發(fā)展中國家的菠蘿種植特點，具有實際使用效益的采摘運輸車是非常有必要的。

1.2運輸車底盤類型發(fā)展現(xiàn)狀

為了使菠蘿運輸車能夠適用于菠蘿地的地形特點，采用合適的運輸車底盤是十分有必要的。目前，用于山地丘陵果園的運輸機械主要分為輪式運輸機、履帶式運輸機及履帶輪式運輸機3種類型。輪式運輸機是一種介于汽車和拖拉機之間的運輸機械，主要適用于運輸路程短、運輸路況較差的緩丘陵地帶，且有載重能力和靈活性較強、易于操作、運行速度慢及價格較低等特點；但爬坡度較小。履帶式運輸機操作方便、適應(yīng)性好、橡膠履帶附著力強、可在多石地、濕軟的地面上行駛并有較好的越障能力；但成本較高，需預(yù)先鋪設(shè)道路系統(tǒng)，運輸速度較慢。履帶輪式運輸車可在凹凸起伏、地形復(fù)雜的丘陵山地上平穩(wěn)路過，具有較大的接地面積和牽引力，適應(yīng)性更強，應(yīng)用場合廣，雖然融合了輪式運輸機和履帶式運輸機的優(yōu)點；但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可更換履帶輪轉(zhuǎn)換技術(shù)也需要進一步研究[6]。

綜合考慮各方面的問題，本作品采用輪式運輸機的形式，而且為了使為運輸車適用于菠蘿的非機械化種植規(guī)劃、行株距窄、磚紅壤土地及植株高度不一等實際種植地形，所設(shè)計的運輸車底盤離地間隙可調(diào)，從而大大提高運輸車地形可通過性及行走安全性。

2設(shè)計與方法

2.1菠蘿運輸車設(shè)計要求

本設(shè)計結(jié)合菠蘿地的實際地形，設(shè)計了可調(diào)地隙的底盤升降結(jié)構(gòu)，提出了以下設(shè)計要求：①在菠蘿地中運行有較好的通過性，能在坡度角θ約為11.3°(即坡度為20%)的田間自由穿梭作業(yè)；②具有一定的承載能力，適應(yīng)實際農(nóng)地運輸作業(yè)；③優(yōu)化底盤結(jié)構(gòu)及整車結(jié)構(gòu)布置，使底盤在抗壓性、抗拉性和抗側(cè)翻性上都能符合使用要求。

該設(shè)計的技術(shù)參數(shù)為：平地最大載量1t，速度5～10km/h，整車質(zhì)量920kg,升降結(jié)構(gòu)最大張開角度60°，最大升降高度525mm，最小轉(zhuǎn)向圓直徑不大于11m，在各種載荷工況下都具備較好的抗側(cè)翻性能[7]。

2.2整車的布置與設(shè)計

可調(diào)地隙的菠蘿運輸車除了具有菠蘿地平順安全的行駛能力之外，還需要在高載重下進行工作。因此，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求上，不僅需要布局合理且結(jié)構(gòu)緊湊，而且應(yīng)該確保有足夠大的驅(qū)動力從而獲得較好的承載運輸性能[8]。整車的基本參數(shù)如表1所示。

表1　整車參數(shù)

2.2.1去除車橋的行走系統(tǒng)設(shè)計

采用精簡化的行走系統(tǒng)設(shè)計，行走系整體由車架底部、輪胎及剪叉式液壓升降桿等組成。該設(shè)計取消了車橋的設(shè)置，通過對升降桿的控制來改變車架重心，大大提高了菠蘿運輸車在菠蘿地的可通過性。

2.2.2輪轂電機驅(qū)動的動力模型

采用“汽油發(fā)電—蓄電池—電機驅(qū)動車輪”的混合動力模式實現(xiàn)動力傳輸。一方面，采用輪轂電機驅(qū)動，將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，使運輸車具有超低轉(zhuǎn)速輸出性能和足夠大的驅(qū)動力；同時，能夠省略大量的傳動部件，讓運輸車的結(jié)構(gòu)更為簡單。相較于傳統(tǒng)車輛來說，輪轂電機不需要加裝離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器，大大減輕了整車質(zhì)量以及簡化了車輛結(jié)構(gòu)。其次，采用輪轂電機驅(qū)動使得運輸車可以獲得更好的空間利用率，提高了傳動效率。另一方面，由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性，可以比較輕松地實現(xiàn)各種不同的驅(qū)動形式；而且輪轂電機可以通過左右車輪的差速來實現(xiàn)車輛的差動轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，甚至可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，對于菠蘿運輸車來說很有價值[9-10]。

2.3離地間隙可調(diào)的底盤設(shè)計

底盤的離地間隙可調(diào)是通過采用剪叉式升降桿來實現(xiàn)的，改善了升降臺起升的穩(wěn)定性和承載能力。另外，升降機工作臺面均可設(shè)置操作按鈕實現(xiàn)多點控制。具體設(shè)計思路為：在車架上方水平放置液壓桿，添加推力使剪叉機構(gòu)上部兩桿之間橫向距離縮小或收力，從而使橫向距離增大以實現(xiàn)升降平臺升降。該設(shè)計解決了液壓桿放置空間的難題，使其傳統(tǒng)液壓桿的縱向推動改為橫向推動。通過該設(shè)計，節(jié)省了液壓桿布置的空間，優(yōu)化了整車結(jié)構(gòu)的布置。

菠蘿運輸車的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.凸臺　2.車廂　3.發(fā)電機　4.蓄電池　5.車架頂部

3模型構(gòu)造及性能分析

利用SolidWorks三維實體建模軟件對整車底盤行走系、傳動轉(zhuǎn)向系、車廂和其他附件4部分建立三維實體模型；每個部分都先由各自的零件組裝，再進行整車的裝配；在裝配完成后再進行相關(guān)的應(yīng)力分析，檢驗設(shè)計是否符合設(shè)計要求。

基于SolidWorks三維實體建模軟件建立的三維實體模型如圖2所示。

圖2　整車三維模型

3.1橫梁受力安全性分析

本車橫梁采用材料鋁合金6061鋁合金，限定載重1 000kg，取安全系數(shù)為2，滿載時橫梁受力F=10 000N。

當(dāng)安全系數(shù)大于2時，證明車架是安全的。其中，安全系數(shù)=最大極限應(yīng)力(屈強比)除以車架實際收到最大的應(yīng)力。進行SolidWorks靜應(yīng)力分析，得出車架應(yīng)力分布圖及受到的最大應(yīng)力，如圖3所示。

圖3　車架屈服力分析

運輸車架受力面積為(1.375×104+2.261 2×104)×6+2.649×105=4.83×105mm2。

根據(jù)Simulation Xpress軟件分析得到車架的von miles應(yīng)力圖并得出安全系數(shù)是34.965 1，遠大于規(guī)定的安全系數(shù)2， 故得出結(jié)論：本設(shè)計運輸車架校核安全。

3.2剪叉式升降平臺分析

為了解剪叉式升降平臺的性能，我們需要對剪叉式升降平臺進行位置參數(shù)、運動參數(shù)、受力及強度分析。

3.2.1剪叉式升降平臺位置參數(shù)分析

剪叉式升降機構(gòu)如圖4所示。

圖4中：H為任意位置時升降平臺的高度；C為任意位置時鉸接點B到液壓鉸接點G的距離；L為支撐桿的長度；l為支撐桿固定鉸支點A到鉸接點F的距離；h為M到G的距離；α為支撐桿與水平線的夾角；β為活塞桿與水平線的夾角。

圖4　剪叉式升降機構(gòu)簡化圖

其中，GM方向為豎直向上并保持不變。

由勾股定理得

h2+MB2=C2

H2+MB2=L2

結(jié)合上述兩式得

C2-h2=L2-H2

(1)

設(shè)λ=C/C0,θ=H/H0，代入式(1)得

(2)

式中H0—升降平臺的初始高度；

C0—液壓缸初始長度。

3.2.2剪叉式升降平臺機構(gòu)的運動參數(shù)分析

剪叉式升降機構(gòu)如圖5所示。

圖5　剪叉式升降機構(gòu)運動簡圖

圖5中，v1是B點的絕對速度，v是液壓缸活塞平均相對速度，v2是升降平臺升降速度。由圖5可得

v1cosα=v2

(3)

v1sin(α+β)=v

(4)

結(jié)合式(3)、式(4)得

(5)

由于實際上菠蘿車的液壓裝置是水平放置的，所以取β=0，則式(2)、式(5)變成

(6)

(7)

由上述公式可以通過t=(H-H0)/v2算出升降臺由初始高度升至最大高度的時間。

3.2.3剪叉式升降平臺機構(gòu)的受力分析

剪叉式升降機構(gòu)如圖6所示。

圖6　剪叉式升降機構(gòu)受力圖

圖6中，P為負載，F(xiàn)和F′是液壓缸作用于剪叉桿的大小相等方向相反的力，N1和N2是支撐剪叉桿的力，P2為負載的分力，F(xiàn)1為左桿作用于右桿的力。

由圖1可得

(8)

由圖2可得

N1=P2，F(xiàn)1=F′

F′(L-1)sinα=N1Lcosα

(9)

結(jié)合式(8)、式(9)得

當(dāng)α增大時，液壓缸的負荷減?。环粗龃?。

代入數(shù)據(jù)得F'=1 517.18N～4 827.40N 。

液壓缸受到的總力為6F'=9 103.08～28 964.38N。

在滿足升降行程和整體結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，選取較高的α初始值，在整個機構(gòu)中AB桿是主要受力部件，應(yīng)對其重點進行強度校核。

3.2.4剪叉桿的強度分析

假設(shè)每個剪叉桿受力大小相同，α最小值為25.43°，利用SolidWorks對AB桿進行靜應(yīng)力分析，得出AB桿的應(yīng)力圖并根據(jù)應(yīng)力圖(見圖7)算得實際安全系數(shù)為123遠大于規(guī)定安全系數(shù)2，所以AB桿是安全的。

圖7　剪叉桿強度校核

3.3整車抗側(cè)翻性能分析

設(shè)運輸車重心離地面高度為h,輪距為d，運輸車模型如圖8所示。

設(shè)使運輸車發(fā)生側(cè)翻的臨界速度是v翻，當(dāng)運輸車在平直路面沿直線行駛時，兩邊車輪受到地面的彈力相等。當(dāng)運輸車做圓周運動時，如果以運輸車本身為參考系來研究，此參考系為非慣性系，運輸車還受到與參考系的加速度方向相反的慣性力的作用(也稱為慣性離心力，是虛擬的一個力，實際并不存在)，可認為該慣性力作用在整車的重心上，方向水平向外。此慣性力對軸產(chǎn)生了力矩，為了保持力矩的平衡，路面對外側(cè)輪胎的支持力大于對內(nèi)側(cè)輪胎的支持力。當(dāng)運輸車恰要側(cè)翻時，內(nèi)側(cè)車輪恰要離開地面，支持力為0，受力如圖8所示[11]。

圖8　運輸車物理模型

以外側(cè)車輪與地面接觸點連線為轉(zhuǎn)動軸，則由力矩平衡可得

整車所受慣性力為

由上式可得

可見，輪距越大，重心就越低，轉(zhuǎn)彎半徑就越大，從而導(dǎo)致翻車的臨界速度就越大，越不容易翻車。

由以上公式和數(shù)據(jù)可算出兩種情況下的最大側(cè)翻速度分別為重心離地高度最低時(h=h1),v翻≈10.35m/s≈37.26km/h；重心離地高度最高時(h=h2),v翻≈8.86/s≈31.90km/h。

當(dāng)運輸車在角度為θ的斜坡上作業(yè)時，路面支持力和運輸車重力的合力充當(dāng)向心力。當(dāng)該合力恰好提供向心力時，則有

所以當(dāng)運輸車以vm通過此處彎道時，地面對車輪沒有側(cè)向摩擦力，運輸車比較安全。

由以上公式和數(shù)據(jù)可算出兩種情況下的最大側(cè)翻速度為vm≈3.28m/s ≈11.808km/h。

由計算結(jié)果和設(shè)計的要求可知：運輸車在平地上和在坡度為20%的斜坡上作業(yè)時的臨界側(cè)翻速度均大于運輸車的平均速度5～10km/h，所以運輸車正常工作時不易出現(xiàn)側(cè)翻，即該設(shè)計能夠較好地提高運輸車的抗側(cè)翻性能。

基于以上的抗側(cè)翻分析，用比例為4/15的模型和角度傳感器及托板等試驗材料進行了抗側(cè)翻試驗，模型的參數(shù)如表2所示。根據(jù)試驗得出的結(jié)果可知：重心最低時的最大側(cè)翻角度為62.61°，重心最高時的最大側(cè)翻角度為54.52°，這個角度遠大于正常的山地坡度。由此可以得出，整車在11.3°的坡度工作時不易產(chǎn)生側(cè)翻，該設(shè)計能夠較好地提高運輸車的抗側(cè)翻性能。

表2　模型參數(shù)

圖9　抗側(cè)翻實驗圖

4結(jié)論

1)根據(jù)菠蘿種植地的特點，為解決傳統(tǒng)菠蘿運輸車通過性和穩(wěn)定性較差等問題，對整車布局提出了可行的設(shè)計方案。

2)建立了整車三維實體模型，對各部分組件進行虛擬裝配后并對其進行應(yīng)力分析，使設(shè)計符合技術(shù)要求，提高了整車通過性能和穩(wěn)定性能。

3)菠蘿運輸車采用可調(diào)地隙的底盤結(jié)構(gòu)，不僅解決了傳統(tǒng)菠蘿車通過性差的問題，也有效調(diào)節(jié)整車重心，防止了側(cè)翻，解決了其他傳統(tǒng)運輸機械的不足。

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Design and Research of Chassis of Pineapple Transporter with Plucking and Adjustable Ground Clearance

Wu Weibin, Feng Yunlin, Luo Kuo, Zhan Xiaozhi, Zeng Weipeng,Liao Jinwei, Lu Dihao, Huang Tao, Hong Tiansheng

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：At present, the harvest and transportation of pineapple in China are mainly depengding on artificial labor,which lacks mechanization, leading to the low production efficiency and the high labor cost. In order to promote the development of Chinese pineapple industry, realize the mechanization of the pineapple planting industry, improve the efficiency of pineapple transportation as well as reduce the orchardist’s laboring intensity, our team designed a type of pineapple transporter with plucking and adjustable to gap.Based on the field investigation data , we designed a kind of new frame and new carriage structure to make the transporter meet the need of pineapple planting industry.With SolidWorks 3d modeling and motion simulation, using SolidWorks Simulation software to study the car beam, frame and lifting mechanism by finite element stress method,we check the rationality of the design and optimize organization structure of the design.The pivotal technology is using hydraulic scissor lift structure to meet the need of adjustable ground clearance of pineapple transporter, and using gasoline-electric hybrid provides driving force in order to simplify the transmission and reduce the fuel consumption.

Key words：work in pineapple orchards； adjustable ground-clearance； chassis of pineapple transporter

文章編號：1003-188X(2016)05-0132-06

中圖分類號：S229+.1

文獻標識碼：A

作者簡介：吳偉斌(1978-)，男，廣東中山人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wuweubin@scau.edu.cn。通訊作者：洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)thong@scau.edu.cn。

基金項目：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410564025)

收稿日期：2015-04-10