苗圃田間自走式電動雙軌運輸機設(shè)計與試驗

張建莉,岳丹丹,吳偉斌,2,洪添勝,2,楊曉彬,陳明,鄭澤鋒

1.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州 510642; 2.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室/國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室/廣東省山地果園機械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣州 510642

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越趨規(guī)?；?，苗圃田已經(jīng)成為農(nóng)民集中承包種植的基地，種植面積也大大增加[1-2]。由于苗圃田果樹缽苗密集、數(shù)量大、田地泥濘以及苗圃田不被允許修建硬底化道路等原因，導(dǎo)致傳統(tǒng)拖拉機等常規(guī)農(nóng)用運輸機械難以進入田間進行運輸作業(yè)[3-4]。目前，苗圃田果樹缽苗以人力牽引拖斗小車工作，立地條件差，勞動強度高，作業(yè)效率低。在美國、澳大利亞等國家規(guī)范整齊、行距寬的果園，常規(guī)農(nóng)用輪式運輸機可以進入作業(yè)[5-6]，而在日本、韓國和我國丘陵山地以及坡度較大的果園，軌道式運輸機相繼出現(xiàn)，有MonoRock單軌運輸機和QGC-B2型多功能單軌運輸機[7-8]，華中農(nóng)業(yè)大學張衍林教授團隊研制了以汽油機為動力源的自走式山地果園單軌運輸機等[9-11]，華南農(nóng)業(yè)大學研制了以電機為動力、鋼絲繩牽引的山地果園雙軌運輸機以及以蓄電池為動力的電動單軌運輸機[12-13]。本研究參考國內(nèi)外學者研發(fā)的軌道運輸機特點，結(jié)合實際農(nóng)業(yè)需求情況，研制了一種適用于苗圃田間的自走式電動雙軌運輸機，具有遠程遙控和避障等功能，可以解決目前苗圃田運輸難題，實現(xiàn)苗圃田間果樹缽苗快速搬運，進一步促進集中經(jīng)營承包的苗圃田農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 技術(shù)參數(shù)、總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1)技術(shù)參數(shù)。根據(jù)自走式電動雙軌運輸機的應(yīng)用環(huán)境、果樹缽苗數(shù)量和質(zhì)量(單個缽苗5.0 kg)需求，分析出運輸機應(yīng)具備的裝載量、整機功率、運輸速度等技術(shù)參數(shù)，具體要求如下：裝載量為750 kg，整機功率為1 kW，行駛速度為0.6 m/s，滿載行駛續(xù)航里程≥50 km。載貨滑車外形尺寸長寬分別為1 500、730 mm。

2)總體結(jié)構(gòu)。苗圃田間自走式電動雙軌運輸機主要由具有遙控和避障功能的牽引機頭、載貨滑車和軌道組成，其整體機構(gòu)如圖1A所示。牽引機頭如圖1B、1C所示，其中，牽引機頭上面采用機頭蓋罩蓋住電池和電路控制板，機頭四周安裝擋泥板，驅(qū)動機構(gòu)位于機頭下面。

3)工作原理。電機輸出軸連接到減速器中，電機的動力經(jīng)過減速增扭和轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)為到驅(qū)動摩擦輪的驅(qū)動力。驅(qū)動摩擦輪安裝在減振機構(gòu)下方的固定座上，當驅(qū)動摩擦輪在軌道上滾動時，產(chǎn)生牽引機頭的驅(qū)動力，然后，牽引機頭通過連接組件連接載貨滑車在軌道上滑行。

1.軌道 Track; 2.牽引機頭 Traction head; 3.軌道與載貨滑車鏈接組件 Track and cargo trolley link assembly; 4.載貨滑車Cargo trolley; 5.機蓋罩 Mechanism cover; 6.電池座 Battery holder; 7.拉緊彈簧 Drive mechanism support foot; 8.夾緊滑輪 Clamping pulley; 9.夾緊滑輪底座 Clamping pulley base;10.驅(qū)動摩擦輪 Drive friction wheel; 11.兩側(cè)擋泥板 Mudguards on both sides; 12.控制面板 Control panel;13.夾緊底座滑軌 Clamping base slide rail; 14.固定機構(gòu)上底板 Fixing mechanism upper bottom plate;15.減速器固定座 Reducer holder; 16.減速器 Reducer; 17.電機 Motor; 18.減振軸套 Damping sleeve; 19.減振彈簧 Damping spring; 20.減振機構(gòu)螺栓 Damping mechanism bolt.

1.2 電源及驅(qū)動電機的選擇

1)電源選擇。運輸機運行時，電壓變化應(yīng)該相對恒定。本運輸機選擇定制磷酸鐵鋰電池，其參數(shù)指標：電池長、寬、高分別為440、235、230 mm，電壓為24 V，電池質(zhì)量為22.4 kg，電池容量為220 A·h。

2)驅(qū)動電機的選擇。電動機選擇時主要考慮電機功率、電壓、電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速比等參數(shù)要求，從而確定型號。電機功率主要受運輸機驅(qū)動力和速度的影響，而運輸機驅(qū)動力受到加速阻力Fj、爬坡阻力Fi、滾動阻力Ff及風阻Fw影響[14-15]，由于運輸機速度小，可以忽略風阻影響，F(xiàn)w=0。計算運輸機在滿載、加速爬坡這種極限工況下所需要的功率，受力分析如圖2所示。

圖2 運輸機受力圖

解得運輸機滿載、加速爬坡所需要提供的驅(qū)動力為：

Ft=Fi+Fj+Ff+Fw

(1)

Fi=Gsinθ=(G1+G2)sinθ=414.66 N

(2)

(3)

Ff=(G1+G2)fcosθ=605.96 N

(4)

電壓選擇。機器使用的蓄電池電壓通常為12、24、36、48 V等，考慮安全電壓為36 V。本次選用電機電壓為24 V，既在安全電壓范圍內(nèi)，又可以降低大功率下的電流。

功率選擇。運輸機行駛所需的功率P：

(5)

傳動裝置使用了RV040減速器和槽摩擦輪傳動，減速器的傳動效率為0.90～0.97，槽摩擦輪的傳動效率為0.88～0.90，得傳動裝置的傳動效率η=0.792。運輸機設(shè)計速度為0.6 m/s，即電機所需的最大功率為P= 956.89 W。采用四驅(qū)驅(qū)動，單邊電機需要功率Pi為：

Pi=P/4

(6)

根據(jù)市場常見型號電機的功率情況，本研究選用三拓GW114165電機，該電機功率為250 W，整機功率為1 kW，額定電壓為24 V。

1.3 驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

運輸機驅(qū)動方式為4個電機直接驅(qū)動的牽引機頭通過牽引組件牽引載貨滑車在軌道上滑行。驅(qū)動機構(gòu)安裝在牽引機頭底部，主要包括電機、與電機輸出端連接的減速器、與減速器輸出端連接的摩擦輪、固定架和牽引機頭車架。如圖3所示，電機1安裝在固定架8上，電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速器2后帶動驅(qū)動摩擦輪7轉(zhuǎn)動。摩擦輪7在牽引機頭重力作用下在軌道7上進行滾動，從而在軌道上帶動著整個牽引機頭在軌道上行走。行走方向由電機的轉(zhuǎn)動方向決定。根據(jù)電機型號需求，選擇了250 W/24 V直流電機，其輸出軸直徑為11 mm，銷槽寬度為4 mm；固定孔位于以軸為圓心，直徑120 mm的圓邊上，其固定孔直徑為9 mm。電機總長為192 mm，軸長為30 mm，鍵槽為11 mm×4 mm。根據(jù)電機的尺寸，匹配相應(yīng)的減速器，型號為RV040。RV040中空軸孔直徑為18 mm，單向輸出軸直徑為18 mm，出軸長40 mm。減速器減速比為1∶18，電機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速后，轉(zhuǎn)速與原來方向垂直，速度變?yōu)樵瓉淼?/18。

1.電機 Motor; 2.減速器 Reducer; 3.拉緊彈簧 Tension spring; 4.夾緊支座 Clamping support; 5.夾緊滑輪 Clamping pulley; 6.軌道鋼管 Rail steel pipe; 7.驅(qū)動摩擦輪 Drive friction wheel; 8.固定支架 Fixing bracket.

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計基于PLC的控制電路，控制電路包括接線模塊、保險模塊、行程開關(guān)電路模塊、電機控制器模塊、遙控模塊、指示燈模塊、避障模塊、編碼器和PLC，各模塊之間通過PLC進行控制。PLC輸入端信號包含編碼器A、編碼器B、前進命令、后退命令、后退停止、前行程開關(guān)、后行程開關(guān)、前紅外避障開關(guān)、后紅外避障開關(guān)、設(shè)置模式開關(guān)等10個信號。PLC輸出端信號包含前進控制電路、后退控制電路、電機前進時調(diào)速電路、電機后退時調(diào)速電路以及設(shè)置模式指示燈等5個信號。另外將遙控停止開關(guān)、遙控前進開關(guān)和遙控后退開關(guān)、避障模塊開關(guān)等幾個信號輸入與手動開關(guān)并合輸入?？紤]到安裝接線問題，需要的輸入信號端可能超過12個，本研究選用30點的TX2N-30MR作為本次PLC控制器。

基于PLC的控制板硬件連接圖如圖4所示，主要包括信號輸入模塊、PLC、電機控制器、電機、保險和指示燈等。其中，信號輸入模塊共有7個輸入信號接到PLC輸入端X0～X7中，分別是編碼器A相信號、B相信號、紅外避障開關(guān)并入信號、遙控和手動停止開關(guān)并入信號、遙控和手動前進開關(guān)并入信號、遙控和手動后退開關(guān)并入信號、前程開關(guān)信號、后行程開關(guān)信號、設(shè)置模式開關(guān)信號。其中，調(diào)速線紅線和黃線連接為電機輸出最大功率，電機轉(zhuǎn)速線紅線和黑線連接，電機輸出功率為0，電機抱死制動，接在Y0、COM上，使得運輸機只有1個運行速度，并運行在最高車速上。電機控制器方向線為2根綠色線和1根黑色線。將黑色線接到PLC中Y2、Y3的COM端，Y2和Y3分別接2根方向線。當Y2輸出時，電機為前進轉(zhuǎn)向，此時前進燈亮起。當Y3輸出時，電機為后退方向的轉(zhuǎn)向，后退指示燈亮起。

圖4 基于PLC的控制板硬件連接圖

1.5 減振調(diào)平機構(gòu)設(shè)計

運輸機減振調(diào)平機構(gòu)固定在支撐腳和支架之間，每個調(diào)平機構(gòu)由4個彈簧、固定在車架上的穿孔夾板、4個套軸、4個定位和螺絲螺母組成。減振調(diào)平機構(gòu)使得車架與車輪彈性連接，當軌道面不平時，可保證每個支撐腳都能壓貼在軌道上。

1)減振作用過程。載荷不同時，彈簧壓縮長度發(fā)生變化，輪子支架板與穿孔板之間距離隨著變化，從而減弱運輸機豎直方向的沖擊，起到減振作用。由于穿孔板與車架固定在一起，而穿孔板與輪子支架為可活動連接，因此車架產(chǎn)生較小晃動時，不會造成輪子晃動，避免運輸機在軌道行駛方向搖擺不定。

2)調(diào)平過程。運輸機需要4個車輪同時壓在軌道上，這樣運輸機運行才平穩(wěn)。但由于三點可以決定一個面，所以如果4個車輪與車架距離的高度不變，遇到軌道不平時，容易出現(xiàn)1個車輪懸空在軌道上，導(dǎo)致運輸機載貨滑車或牽引機頭傾斜撞軌。由于減振調(diào)平機構(gòu)安裝在4個支撐腳上，支撐腳受到的壓力不一樣。如圖5，當Fa>Fb，則Ha

1.穿孔板 Perforated plate; 2.載荷作用力 Load force; 3.螺母 Nut; 4.彈簧 Spring; 5.輪子支架板 Wheel support plate; 6.軌道 Rail; 7.定位螺絲套 Set screw sleeve.

1.6 限位機構(gòu)設(shè)計

運輸機的限位機構(gòu)包括防止撞軌的萬向軸承、防止側(cè)翻的防側(cè)翻輪和承重滑輪或驅(qū)動摩擦輪，其作用為限定運輸機沿軌道行駛。萬向軸承安裝在支撐柱內(nèi)側(cè)，位于軌道高度中部。當運輸機左右擺動時，萬向軸承頂在軌道上，萬向軸承的頂珠與軌道發(fā)生滾動摩擦，從而減輕載貨滑車或牽引機頭側(cè)向力對軌道產(chǎn)生的摩擦力。防側(cè)翻輪安裝在軌道下方，如圖6所示。當運輸機傾斜時，軌道對防側(cè)翻輪的力Fdn與軌道對承重滑輪的力Fup形成力矩，方向與載貨滑車傾斜方向相反，從而使得載貨滑車無法進一步傾倒。

1.承重滑輪 Load-bearing pulley; 2.軌道 Track; 3.防側(cè)翻輪 Anti-rollover wheel; 4.萬向軸承 Universal bearing.

2 結(jié)果與分析

2.1 運行速度試驗

樣機如圖7所示，為了測試運輸機運行性能，分別在華南農(nóng)業(yè)大學實驗室和云南果樹缽苗圃基地搭建了軌道，并加載不同載荷，進行了實驗室和田間試驗。

圖7 運輸機樣機圖

1)實驗室試驗。在華南農(nóng)業(yè)大學實驗室搭建了軌道，軌道鋪設(shè)在平整的走廊上，坡度為0°。運輸機加載不同載荷進行試驗。試驗中設(shè)置軌道起點位置和停止點按下位置，在車輪安裝轉(zhuǎn)速傳感器，通過時間t接收到的傳感器脈沖信號數(shù)nplus，得出運輸機行駛速度v，v=πnd/t。試驗時,設(shè)置0、150、300、450、600、750 kg共6種載荷，取一段30 m長的軌道，標注出起始點。運輸機在不同載荷下的速度如表1所示。

2)田間試驗。在果樹缽苗圃田間鋪設(shè)200 m軌道，并安裝載貨滑車和牽引機頭，利用水平儀將軌道高度調(diào)整到接近水平。由于土壤松軟不一和地勢略有不平，導(dǎo)致軌道存在0°～2°的坡度誤差。因此，運輸機在室外進行速度試驗時，以平均值作為試驗值，即記錄其行駛120 m距離所需時間，其中120 m的行駛距離不包括加速距離和滑行距離。測試時，設(shè)置了2輛載貨滑車滿載(750 kg)、1輛載貨滑車滿載(375 kg)、空載(0 kg)。試驗結(jié)果顯示，運輸機運行速度為0.564～0.709 m/s(表2)，滿足設(shè)計要求。運輸機制動滑行距離為2.2 m左右，制動滑行時間小于5 s，緊急制動距離小于0.05 m，小于紅外避障傳感器監(jiān)測最小距離0.2 m，說明運輸機制動能滿足緊急避障的設(shè)計要求，且運輸機停車平順，緊急制動能滿足安全設(shè)計要求。

2.2 平地能耗運行試驗

1)實驗室試驗。試驗分為空載和滿載2種情況。試驗時設(shè)置20 m的軌道，讓運輸機在不同載荷下運行。利用庫倫儀對主電路的電流和電池端電壓進行監(jiān)測，記錄電流與電壓瞬時乘積作為瞬時功率，對瞬時功率與時間的乘積進行積分，作為能耗，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 運輸機在不同載荷條件下行駛情況 Table 1 The driving situation of the transport aircraft under each load

表2 不同載荷條件下運輸機運行速度試驗結(jié)果 Table 2 Different load running speed test

表3 運輸機室內(nèi)能耗試驗結(jié)果 Table 3 Test data of indoor energy consumption

2)田間試驗。試驗設(shè)置120 m的軌道，讓運輸機在空載和滿載載荷下運行。試驗過程利用庫倫儀(XLDZ-03，電壓精度0.001 V，電流精度0.01 A)對主電路的電流、電池端電壓、功率和能耗進行記錄，試驗結(jié)果如圖8所示，其中圖8A、C、E為運輸機滿載時電流、功率、能耗變化圖，圖8B、D、F為運輸機空載時電流、功率、能耗變化圖。從圖8C可知，運輸機在果樹缽苗圃滿載起步加速時，最大功率為906 W(起步坡度約2°)，功率由0 W突增到906 W，然后下降到600 W左右，表明選用1 kW電機能滿足峰值功率使用要求。滿載運行時，功率隨著軌道變化不斷變化，波動范圍為400～650 W。運輸機加速時電流最大值為43 A，勻速運行時電流在15～32 A波動。電流與功率變化幾乎同步，說明電池電壓不會因功率變化而有較大的波動，因此電池能滿足使用要求。運輸機能耗隨著運行積累不斷增加，120 m滿載運行過程消耗能量為33.1 W·h，折后百米能耗為27.6 W·h。運輸機空載運行時(圖8B),加速起步最大電流為17.71 A，之后電流在14 A上下波動，加速起步最大功率為431.5 W，運輸機勻速運行時功率在373 W上下波動。電流與功率變化同步，說明運輸機工作時電壓穩(wěn)定。由圖8F可知，運輸機行駛120 m所消耗的能耗為11 W·h，折合100 m功耗為9.16 W·h，比室內(nèi)條件下測得百米能耗多了1.4 W·h，表明田間試驗?zāi)芎臅葘嶒炇噎h(huán)境下能耗大。田間試驗空載每百米能耗為9.16 W·h，滿載每百米能耗為27.6 W·h。在忽略軌道的不平對能耗的影響時，實驗室試驗中百米空載能耗為7.76 W·h，滿載能耗為21.5 W·h。運輸機搭載的4塊220 (A·h)/24 V的電池能提供電能21 120 W·h。室內(nèi)滿載條件下，運輸機可行使98.23 km；室外滿載條件下，運輸機可行駛76.5 km。即設(shè)計的運輸機的行駛續(xù)航里程滿足設(shè)計要求。

圖8 動輸機運行時電流(A、B)、功率(C、D)、能耗(E、F)變化圖

2.3 振動試驗

由于運輸機常用于運載果苗，對果苗的根部保護要求較高，故運輸機運行過程中不宜有較大的振動，本研究測試了滿載情況下運輸機的振動情況。測試使用了三軸傳感器，分別測試了軌道平面法線方向的Z軸、運輸機前進方向的X軸、軌道側(cè)向的Y軸，該傳感器安裝在載貨滑車底板上，利用傳感器信號線將MI-7008D振動數(shù)據(jù)采集分析儀和三軸傳感器連接起來。測試結(jié)果顯示，運輸機振動加速數(shù)值小于2 g，且絕大部分振動加速度小于0.4 g；通過三軸傳感器X、Y、Z的振動情況可知，其中運輸機豎直方向的振動加速度振幅比橫向的振動加速度振幅還小，表明設(shè)計減振調(diào)平機構(gòu)可以吸收垂向的振動，即設(shè)計的減振機構(gòu)起到很好的減振效果，滿足設(shè)計要求。

3 討 論

針對苗圃田果樹缽苗以人力牽引拖斗小車工作立地條件差、勞動強度高、作業(yè)效率低的問題，本研究研制了一種適用于苗圃田間的自走式電動雙軌運輸機。首先針對運輸機應(yīng)用環(huán)境、果樹缽苗質(zhì)量大小需求分析出運輸機應(yīng)具備的裝載量、電機功率、運輸速度等設(shè)計參數(shù)；其次，提出了運輸機的總體結(jié)構(gòu)、工作原理，并對關(guān)鍵部件進行設(shè)計，最后，進行實驗室與田間試驗。田間試驗結(jié)果表明，運輸機載荷為750 kg，空載每百米能耗為9.16 W·h，滿載每百米能耗為27.6 W·h，運行速度為0.564～0.718 m/s，起步到勻速行駛所用時間小于2.5 s，緊急制動距離小于0.05 m，振動加速度振幅總體小于0.4 g，運輸機可以滿足實現(xiàn)苗圃田間作業(yè)需求，有效提高了作業(yè)效率，降低了勞動強度。為了方便運輸機拆卸安裝、提高運輸機的使用效率，后續(xù)建議對苗圃田間自走式電動雙軌運輸機進行輕簡化和模塊化優(yōu)化設(shè)計及多功能集成研究。