山地單軌電動遙控運輸機(jī)設(shè)計與試驗*

程方平，庹洪章，易文裕, 2，王攀，楊昌敏，張巍

(1. 四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院，成都市，610066； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點實驗室，成都市，610066)

0 引言

我國的丘陵面積約有100 000 khm2，占全國總面積的10%。果園基本上分布在丘陵地區(qū)，丘陵地區(qū)的地形地貌特征為坡度陡、地塊起伏不平。在這樣的山地上，難以形成較完善的交通運輸?shù)缆?，因而使得丘陵地區(qū)水果在生產(chǎn)、收獲過程中肥料、農(nóng)藥、果實和作業(yè)工具等運輸非常困難，難以開展機(jī)械化運輸作業(yè)。生產(chǎn)中需要大量勞動力，靠肩挑背扛上山下山，山地運輸費時又費力，果品的生產(chǎn)成本逐年增加，經(jīng)濟(jì)效益不斷下滑[1-6]。

果園運輸機(jī)械在歐美和日本等國研究和應(yīng)用較早。針對我國地形條件，我國在國外軌道運輸機(jī)械的基礎(chǔ)上，設(shè)計和研發(fā)了適宜我國生產(chǎn)條件的軌道運輸車。2008年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的張衍林[7]團(tuán)隊研制了國內(nèi)第一臺自走式單軌運輸機(jī)并成功應(yīng)用。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的張衍林[8]團(tuán)隊還陸續(xù)開發(fā)了單軌牽引式軌道運輸車、雙軌自走式運輸車并結(jié)合遙控技術(shù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程啟停和控制。國內(nèi)許多學(xué)者在軌道運輸車的基礎(chǔ)上也開發(fā)了多種形式的軌道運輸車，為提高機(jī)械效率劉岳等[9]研制了雙路傳動系統(tǒng)，李善軍等[10]對多種軌道齒條齒形進(jìn)行了研究和優(yōu)選。目前，在丘陵山地果園中應(yīng)用的運輸機(jī)械主要有四輪農(nóng)用運輸拖拉機(jī)[11]、自走式履帶運輸車[12-13]、軌道運輸機(jī)(有單軌和雙軌兩種)[7-8]、索道運輸機(jī)[14]。近年來，使用汽油機(jī)為動力的單軌運輸機(jī)開始大量示范應(yīng)用，這種運輸機(jī)在預(yù)先設(shè)定的位置停止。為了能夠及時應(yīng)對出現(xiàn)的緊急情況，要求操作人員跟隨運輸機(jī)在種植園區(qū)中穿梭，導(dǎo)致操作人員的安全風(fēng)險較大、勞動強度較高。

針對汽油機(jī)為動力的單軌運輸機(jī)及時停止控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)多[15]，需要額外增加電控系統(tǒng)的問題，結(jié)合直流電機(jī)作為驅(qū)動力易于控制、結(jié)構(gòu)緊湊、無污染的特點，設(shè)計了一種適合在山地運行的單軌電動遙控運輸機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

單軌電動遙控運輸機(jī)主要由直流電機(jī)、蓄電池、減速器、傳動裝置、驅(qū)動裝置、制動裝置、夾緊裝置、限速裝置、控制裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。直流電機(jī)為運輸機(jī)提供驅(qū)動力，蓄電池為直流電機(jī)供電。電機(jī)輸出動力經(jīng)減速后通過傳動裝置(鏈傳動)和驅(qū)動裝置(驅(qū)動輪)推動運輸機(jī)在軌道上運行。利用蝸輪蝸桿減速器的扭矩放大特性、失電制動電機(jī)、驅(qū)動輪齒和軌道上的齒條嚙合關(guān)系，停止電機(jī)運轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)對運輸機(jī)驅(qū)動輪的制動。減速器減速增扭，克服了電機(jī)的軟特性。通過轉(zhuǎn)動偏心軸至不同角度實現(xiàn)調(diào)整夾緊裝置的間歇，確保運輸車在軌道上順暢運行的同時不脫軌。限速裝置作用是通過自動剎車實現(xiàn)運輸車下坡時超過設(shè)定速度時制動減速。控制裝置實現(xiàn)對運輸車的前進(jìn)、后退、停止、調(diào)速的控制作用。

圖1 單軌電動遙控運輸機(jī)結(jié)構(gòu)

運輸機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 運輸機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Major technical parameters of transporter

當(dāng)需要運行運輸機(jī)時，接通電源后，既可通過控制箱手動現(xiàn)場控制運輸車，也可通過遙控器遠(yuǎn)程控制運輸車。采用手動控制模式時，按下控制箱上前進(jìn)或者后退按鈕時，可實現(xiàn)相應(yīng)方向的運行，按下停止按鈕或者急停按鈕均可實現(xiàn)停車，急停后需要復(fù)位才能再次啟動運行和控制。采用遙控模式時，按住遙控器上前進(jìn)或者后退按鈕時，可實現(xiàn)相應(yīng)方向的運行，松開按鈕即可實現(xiàn)停車，可防止遙控器離開操作人員控制后繼續(xù)運行的安全問題。無論是手動還是遙控模式，當(dāng)運輸車的行程開關(guān)觸碰到軌道上設(shè)置的限位停車裝置時，均可立即停車。

2 傳動系統(tǒng)設(shè)計與選配

2.1 功耗計算與動力系統(tǒng)選配

軌道運輸機(jī)采用電動遙控，所有動力來自電機(jī)輸出，其功率應(yīng)滿足運輸機(jī)在驅(qū)動過程中所消耗的總功耗和一定的功率儲備。根據(jù)常見運輸機(jī)機(jī)頭和運輸拖車質(zhì)量情況，預(yù)估軌道運輸機(jī)整機(jī)質(zhì)量為200 kg，設(shè)計載重質(zhì)量為250 kg，在此條件下對整機(jī)進(jìn)行牽引力、功率、傳動效率計算和電機(jī)、電池選型。

1) 牽引力。電機(jī)的牽引力需要克服最大運行坡度30°和額定載重質(zhì)量250 kg條件下的摩擦力和下滑力，鋼與鋼之間的滾動摩擦系數(shù)取0.05。根據(jù)運輸機(jī)爬坡受力分析，見圖2，斜坡牽引力數(shù)值可由摩擦力和下滑力得出

F=(m1+m2)gsin30°+μ(m1+m2)gcos30°

(1)

式中：F——運輸機(jī)的牽引力，N；

m1——運輸機(jī)質(zhì)量，kg；

m2——額定載重質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

μ——摩擦系數(shù)，取金屬材料摩擦系數(shù)0.05。

計算可得斜坡向上運行時所需牽引力為2 396 N。

2) 運輸機(jī)負(fù)載功率。軌道運輸機(jī)主要在丘陵山地果園使用，坡度較大，且運輸?shù)乃菀讚p傷，出于運輸安全考慮，運輸機(jī)運行最大速度限定為0.6 m/s。運輸機(jī)負(fù)載功率

P1=Fv

(2)

式中：v——運輸機(jī)運行速度，m/s。

計算可得運輸機(jī)最大負(fù)載功率為1 438 W。

3) 動力傳動效率。軌道運輸機(jī)動力采用直流電機(jī)經(jīng)渦輪蝸桿減速器、鏈傳動傳遞至驅(qū)動輪，傳動效率主要由渦輪蝸桿減速器、鏈傳動、軸承的傳動效率[16]影響，因此傳動總效率

η=η1η2η34

(3)

式中：η1——渦輪蝸桿減速器的傳動效率，0.85；

η2——滾子鏈傳動的傳動效率，0.96；

η3——滾珠軸承的傳動效率，0.99。

計算可得動力傳動總效率為0.78。

4) 電機(jī)選型。在運輸機(jī)負(fù)載功率和傳動效率的基礎(chǔ)上，考慮偶然過載，參考《機(jī)械設(shè)計手冊》[17]中關(guān)于電機(jī)容量附加值，選取不小于1.2倍的實際需求功率。則電機(jī)的輸出功率

(4)

式中：β——電機(jī)容量附加系數(shù)，β≥1.2。

根據(jù)式(2)～式(4)代入數(shù)據(jù)可知，電機(jī)輸出功率≥2 213 W，選擇運輸機(jī)電機(jī)功率為2.5 kW，相應(yīng)的電機(jī)容量附加系數(shù)β為1.36，符合運輸機(jī)功率需求。選配的電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Major technical parameters of electric machinery

5) 電池選型。運輸機(jī)使用的軌道包括了上坡、下坡和水平三種，其中上下坡的運行長度是相等的，水平運行軌道較少，且消耗功率低。長時間使用的平均功率消耗遠(yuǎn)小于2.2 kW，從電池成本和運輸機(jī)質(zhì)量配置的角度考慮，選用了48 V/100 AH鋰電池，滿足丘陵山地軌道運輸機(jī)使用需求，運輸需求較大的可以配置備用電池。

2.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計與選配

軌道運輸機(jī)動力采用直流電機(jī)經(jīng)渦輪蝸桿減速器、鏈傳動傳遞至驅(qū)動輪，根據(jù)選定的驅(qū)動輪和額定運行速度、總傳動比，為各級選配合適的傳動比。

1) 驅(qū)動輪。驅(qū)動采用鏈條和鏈輪之間的嚙合原理傳動。在軌道上焊接齒帶，相當(dāng)于齒展開分布在軌道上、直徑無限大的鏈輪。驅(qū)動輪相當(dāng)于圓形固定的鏈條，將銷軸固定在驅(qū)動輪上。

為保證運輸機(jī)的通用性，選取市場和生產(chǎn)應(yīng)用中常用的軌道和齒條的參數(shù)，軌道為50 mm×50 mm的方管，軌道齒條為圓弧齒形，節(jié)距為32.35 mm。根據(jù)設(shè)計額定運行速度0.6 m/s，綜合電機(jī)參數(shù)(額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min)和傳動方案與驅(qū)動輪分布直徑、節(jié)距的聯(lián)動制約關(guān)系進(jìn)行試算，驅(qū)動輪參數(shù)如表3所示。

表3 驅(qū)動輪參數(shù)Tab. 3 Parameters of driving wheel

經(jīng)試算選取驅(qū)動輪(圖3)銷軸分布直徑為125 mm，此參數(shù)與軌道齒條節(jié)距吻合，傳動比適合渦輪蝸桿傳動?？梢缘贸鲵?qū)動輪額定轉(zhuǎn)速

(5)

式中：d——驅(qū)動輪銷軸分布圓直徑，mm。

代入數(shù)據(jù)計算可得驅(qū)動輪額定轉(zhuǎn)速為91.7 r/min。

圖3 驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)

2) 總傳動比。根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以得出總傳動比

(6)

式中：n2——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

代入數(shù)據(jù)計算可得總傳動比為27.3。

3) 渦輪蝸桿和鏈傳動的傳動比。為使結(jié)構(gòu)緊湊的同時保證較高的傳動效率，選用了傳動比25的渦輪蝸桿減速器(蝸桿頭數(shù)為2，導(dǎo)程角為10°53′)。為保證在坡道運行時停車的可靠性，在減速器的輸入端采用失電制動電機(jī)，在下坡時，以較小制動力矩的條件下實現(xiàn)渦輪蝸桿自鎖，確保運輸機(jī)的運行速度取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速[18]。鏈傳動選用從動鏈輪齒數(shù)18，主動鏈輪齒數(shù)17，實際鏈傳動比為1.06。最終確定傳動比為27.5，與設(shè)計傳動比接近，符合設(shè)計要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

軌道運輸機(jī)控制系統(tǒng)除具有前進(jìn)、后退、停止、調(diào)速和超速制動的基礎(chǔ)功能外，可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場需要選擇手動或者遙控操作方式。為方便操作人員直接可靠的使用，控制箱采用實體按鈕、調(diào)節(jié)旋鈕、模式選擇撥扭等操作器件，遙控裝置采用可靠耐用的工業(yè)級遙控器，控制距離可達(dá)100 m。

3.1 運行控制

軌道運輸機(jī)采用直流無刷電機(jī)作為動力源，匹配有相應(yīng)的控制器，具有正轉(zhuǎn)(驅(qū)動前進(jìn))、反轉(zhuǎn)(驅(qū)動后退)、通斷(實現(xiàn)停止)、電位器控制轉(zhuǎn)速(實現(xiàn)調(diào)速)的功能，控制器對應(yīng)的接線端子與控制箱上正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鈕和電位器旋鈕連接，在電源主線上設(shè)置急停按鈕，通過控制箱進(jìn)行按鈕手動操作。運輸機(jī)控制電路圖見圖4。

圖4 運輸機(jī)控制電路圖

為防止下坡運行超過設(shè)定速度，在減速器與電機(jī)連接的另一輸入端部配置了離心式限速器(圖5)，當(dāng)電機(jī)超過設(shè)計轉(zhuǎn)速后，離心塊上的離心力克服彈簧拉力而與固定的殼體內(nèi)壁接觸，受到摩擦而減速，實現(xiàn)超速制動。為保證在坡道(特別是下坡)運行時及時可靠停車，電機(jī)配置有失電制動的裝置。當(dāng)?shù)竭_(dá)軌道限定位置時，運輸機(jī)下部的行程開關(guān)接觸限位裝置停車。

圖5 離心式限速器結(jié)構(gòu)

3.2 運行模式

通過控制箱的選擇開關(guān)可以在手動和遙控模式之間進(jìn)行選擇。當(dāng)選擇手動模式時，可以通過控制箱上的按鈕對運輸機(jī)進(jìn)行控制，運輸機(jī)可自行到達(dá)限定位置后停車。當(dāng)選擇遙控模式時，按住遙控器上的按鈕對運輸機(jī)進(jìn)行控制，松開按鈕時自動停車，可以防止遙控器脫手后運輸機(jī)失控繼續(xù)行走。無論手動還是遙控，均可以保障超速制動、斷電剎車、限位停車、緊急按鈕停車等運行安全。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗方法

試驗在四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院內(nèi)進(jìn)行，平地測試距離為20 m，模擬山坡地形架設(shè)坡度為30°的直行軌道用于運輸機(jī)爬坡測試，爬坡測試距離為15 m。

運輸機(jī)及拖車的整機(jī)自重約200 kg，試驗負(fù)載為便于調(diào)整裝載質(zhì)量的物料，可根據(jù)試驗負(fù)載需要增減；負(fù)載變化范圍0～250 kg，以50 kg為分段單位遞增，整機(jī)運行質(zhì)量為200 kg，250 kg，300 kg，350 kg，400 kg，450 kg共6種負(fù)載質(zhì)量，整機(jī)200 kg即為空載，整機(jī)450 kg即為滿載；軌道坡度包括0°(水平)、30°(上坡)、-30°(下坡)；速度包括半速和全速；每次試驗時蓄電池組均為滿電狀態(tài)。

4.2 試驗測試

4.2.1 運行速度測試

試驗使用秒表(Casio HS-30W)和皮尺進(jìn)行了測試，根據(jù)測試結(jié)果可知，無論在水平段和坡道段，空車和滿載條件下，均可以實現(xiàn)0～0.6 m/s的勻速運行。主要是因為經(jīng)過減速傳動后克服了直流電機(jī)的軟特性，且電機(jī)擁有足夠的功率儲備。

4.2.2 運行電功率測試

試驗使用多功能電池測試儀(型號PEZM-015)，調(diào)節(jié)直流電機(jī)控制器的速度調(diào)節(jié)電位器，使運行速度分別為0.3 m/s和0.6 m/s，分別測試水平段和30°坡道段兩種軌道坡度在不同負(fù)載情況下的整機(jī)電功率情況，每個功率值為5次測量的平均值，測試結(jié)果如表4所示。

4.3 試驗結(jié)果

軌道坡度為0°(水平)，隨著負(fù)載的增加，0.3 m/s(半速)運行時，功率由318 W增加至380 W，增加19.5%；0.6 m/s(全速)運行時，功率由576 W增加至660 W，增加14.6%。隨著負(fù)載的增加，整機(jī)功率增加幅度較小。在此條件下，負(fù)載對整機(jī)功耗影響較小。經(jīng)斷開傳動鏈條后進(jìn)行測試功耗可知，主要是傳動系統(tǒng)和控制器消耗了部分基礎(chǔ)功率。

軌道坡度為30°(上坡)，隨著負(fù)載的增加，0.3 m/s(半速)運行時，功率由677 W增加至1 148 W，增加69.6%；0.6 m/s(全速)運行時，功率由1 254 W增加至2 196 W，增加75.1%。隨著負(fù)載的增加，整機(jī)功率消耗受裝載質(zhì)量和速度影響較大。根據(jù)受力分析可知，下滑力在功耗中占比較大。

軌道坡度為-30°(下坡)，隨著負(fù)載的增加，0.3 m/s(半速)運行時，功率由308 W增加至314 W，增加1.9%；0.6 m/s(全速)運行時，功率由566 W增加至574 W，增加1.4%。隨著負(fù)載的增加，整機(jī)功率增加幅度都很小。主要是采用了帶自鎖特性的渦輪蝸桿傳動方式，下坡的推力不能反向?qū)斎攵俗龉?，?fù)載對功率消耗影響較小。

表4 不同負(fù)載的功率測試Tab. 4 Power test of different loads

5 結(jié)論

本文設(shè)計制作了山地單軌電動遙控運輸機(jī)，通過現(xiàn)場試驗，測試了不同工況下的運行速度、運行功率，檢驗了運輸機(jī)的調(diào)速、制動和遙控等方面的工作效果。

1) 運輸機(jī)及拖車的整機(jī)質(zhì)量為200 kg，無刷直流電機(jī)額定功率為2.5 kW，貨運拖車在負(fù)載250 kg時在水平和30°上、下坡運行時均可以實現(xiàn)0～0.6 m/s可調(diào)范圍內(nèi)勻速運行。

2) 在水平軌道運行時，運行速度對功率消耗影響較大，負(fù)載質(zhì)量對功率消耗影響較?。辉谏掀碌肋\行時，功率消耗受裝載質(zhì)量和速度影響較大；在下坡道運行時，功率消耗受裝載質(zhì)量影響很小。蓄電池輸出功率通過電機(jī)調(diào)速改變，可根據(jù)不同工況進(jìn)行變速，實現(xiàn)高效運行的同時解決了滿載大角度爬坡時蓄電池輸出電流過大的問題。

3) 運輸機(jī)在額定負(fù)載、坡度30°內(nèi)、最大運行速度條件下任意位置可靠停車。在下坡時，當(dāng)速度超過0.7 m/s，離心式限速器實現(xiàn)自動制動限速，在100 m的距離內(nèi)可靠遙控。