新型拖拽式甘蔗轉運車的設計及研發

黃家偉柴瑞謙羅光欽盧 龍

(1.防城港市防城區農機技術推廣服務中心，廣西 防城港 538000；2.燕山大學車輛與能源學院，河北 秦皇島 0660042；3.廣西合浦縣惠來寶機械制造有限公司，廣西 合浦 536100)

新型拖拽式甘蔗轉運車的設計及研發

黃家偉1柴瑞謙2羅光欽3盧 龍3

(1.防城港市防城區農機技術推廣服務中心，廣西 防城港 538000；2.燕山大學車輛與能源學院，河北 秦皇島 0660042；3.廣西合浦縣惠來寶機械制造有限公司，廣西 合浦 536100)

針對“推進甘蔗生產全程機械化”這一重要舉措，文章提出一種新型拖拽式甘蔗轉運車，該車為一款用于收集甘蔗的運輸車輛。文章首先對區內外同類車型進行調研和對比研究。在此基礎上，完成整車結構設計、主要技術參數、側翻機構設計及牽引用車選型等工作，隨后分析其整車穩定性，最后進行了樣機試制及試車試驗，并對其進一步優化改進提出了展望。

甘蔗轉運車；整車設計；樣機試制

經過多年的發展，廣西已成為全國最大的原料蔗種植和蔗糖生產省份，糖料蔗種植面積、原料蔗和食糖產量均超全國總量的 60%。但是廣西平地少、山地多，零散農戶種植零散，在生產、收獲、運輸等方面都難以發揮規模效益，這些都制約了廣西糖業的發展。為此，廣西壯族自治區人民政府出臺了《關于促進我區糖業可持續發展的意見》，其中建設甘蔗生產全程機械化示范區，是廣西農機部門突破甘蔗機收、機種“瓶頸”，推進甘蔗生產全程機械化的一項重要舉措。

針對這一舉措，本文提出了一種新型拖拽式甘蔗轉運車，根據設計要求，完成了整車結構和側翻機構設計以及整車穩定性分析，并制造出了樣車，通過試車試驗改進了原有方案。

1 區內外同類車型對比

在設計之初，首先對區內外幾種同類車型進行了調研和對比研究。通過分析，發現其中部分車型重心靠前，穩定性較差，多數車輛采用兩組液壓缸，成本較高，結構復雜，并且，這些轉運車只適合田間甘蔗轉運，只能在甘蔗收獲季節使用，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運車具有以下優點：（1）采用全掛牽引形式，可以適應多種牽引車型，實現一機多用。（2）輪胎為工程平面胎，對甘蔗宿根破壞較小。（3）設計的輪距和甘蔗種植行距相匹配，減少對宿根的破壞。（4）采用兩個液壓缸，結構簡單、成本較低、安全可靠、轉運效率較高。

2 整車結構及參數設計

2.1設計要求

（1）配套拖拉機功率100hp

（2）外形尺寸：長×寬×高約為 7000mm×2200mm× 3600mm

（3）轉彎半徑≤12m

（4）滿載質量3000kg

（5）舉升高度≥4000mm

（6）物料卸凈率達100%

（7）輪距適應甘蔗種植農藝要求

2.2整車結構設計

本轉運車屬于拖拽式的運輸車，其由牽引車和掛車兩部分組成，牽引車和掛車之間通過牽引銷進行鏈接，牽引車的輸出動力通過牽引銷傳遞到掛車，從而帶動掛車行駛。由于該轉運車屬于全掛車，因此可以通過更換牽引用車實現一機多用。本轉運車底盤設計簡單，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，這樣可以有效降低底盤的離地間隙。該轉運車車廂高度為 2米，一側為鋼板，另外 3面由鋼絲網圍繞焊接而成，其目的是為了減輕車身重量，同時便于清晰的觀察甘蔗實際裝載量。整車效果如圖1所示。

圖1　整車效果

2.3整車參數設計

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

（2）車廂尺寸：長×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：17.5-25工程平面胎，胎面寬445mm。

3 主要部件設計及選型

3.1側翻機構

本轉運車的側翻機構由液壓操縱系統和舉升翻轉機構兩部分組成，通過控制液壓系統來實現車廂的舉升和翻轉，側翻機構如圖2所示。

圖2　側翻機構

液壓操縱系統主要由液壓油箱、液壓缸、液壓泵、液壓管路以及手動換向閥組成，通過液壓泵的作用，將液壓油輸送到各液壓缸中，以實現液壓缸的伸縮動作。該轉運車采用兩個相同的液壓油缸，其型號為HSG100-70-2000×2400，并將兩個液壓缸分別斜置安裝在車廂前后兩側，通過液壓缸的伸縮實現車廂的舉升和翻轉。

該轉運車的舉升翻轉機構由垂直支撐架、縱向支撐架、導軌、導向桿和油缸安裝底座組成。導軌與垂直支撐架通過焊接成為一體，并與車架相連。縱向支撐位于車箱翻轉一側，通過螺栓與垂直支撐架連在一起，起到了很好的支撐和加強作用。導向桿與導軌共同組成了轉運車的舉升翻轉機構，當導向桿上升到導軌限位點時車廂開始翻轉，從而完成整個舉升翻轉動作，整個舉升翻轉過程用時約為1分15秒。

3.2液壓缸的選型

應用相關軟件對車廂的舉升和翻轉過程進行分析，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，第二階段是翻轉點至車廂稍微翻轉的短暫過程，約為 237800N，由于翻轉時油缸會受到沖擊，所以經實際計算，可知油缸受力為 184370N，第三階段是甘蔗傾卸過程，在此過程中，液壓缸推力逐漸減小直到翻轉完成。

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

經計算可得：D=85.67mm，因此，可選液壓缸內徑D=100mm。根據設計要求，選用行程為2000mm的液壓缸，所選液壓缸的主要參數如表1所示。

表1　液壓缸的主要參數

3.3牽引車選型

轉運車在甘蔗地作業時，不計道路坡度，干燥地面附著系數f=0.2，泥濘地面附著系數f′=0.15。已知滿載時掛車和貨物總質量為6960kg，所以拖動掛車所需最大牽引力為：

根據式（2）計算可得，F=13.46KN。已知沃得奧龍 604拖拉機標定牽引力為15KN，輸出軸功率為37.5KW，網報價格5.8萬元，其不僅滿足牽引力要求，而且價格適中，所以該轉運車選用沃得奧龍604拖拉機作為牽引用車。

4 整車穩定性分析

由于本轉運車采用側翻的形式，翻轉高度為4100mm，在翻轉過程中，整車重心位置會發生橫向移動，當重心橫向移動量較大時，會導致整車側翻，因此需要對整車的穩定性進行分析，以確保轉運車的工作安全可靠。

應用三維軟件建立甘蔗轉運車的三維模型，對各零部件賦予材料屬性，以掛車兩車輪中心對稱點為參考坐標原點，分別對整車滿載未舉升、舉升到導軌終點、開始傾卸、完全翻轉四種狀態的重心位置進行計算分析。

4.1整車滿載未舉升時

整車在滿載未舉升時，測得重心坐標為（-1132.12，-2.44，719.09），即整車重心橫向偏移量僅為2.44mm，由于轉運車輪距為1680mm，所以重心的橫向偏移量可以忽略不計，即車輛重心位于兩側車輪的中間位置，掛車兩側車輪載荷基本相同，車輛處于穩定狀態，如圖4(a)所示。

4.2舉升到導軌終點時

當車輛滿載沿導軌上升至導軌終點時，測得重心坐標為（-1132.12，-196.20，1339.46），整車重心向車廂翻轉一次偏移，其橫向偏移量為196.20mm，如圖4(b)所示。

4.3開始傾卸狀態

將車廂斜板翻轉到水平時定義為開始傾卸狀態，測得重心坐標為（-1232.54，-174.82，2116.85），整車重心向車廂翻轉一側偏移，其橫向偏移量為174.82mm，如圖4(c)所示。

4.4完全翻轉時

整車滿載舉升到完全翻轉時，測得重心坐標為（-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

通過以上分析可知，當轉運車滿載時，從車廂開始舉升到完全翻轉，相對于坐標原點，整車重心經歷了外移——內移的變化過程。與之相反，當甘蔗傾卸完成，車廂復位時，整車重心會隨之回到初始位置。雖然整車重心發生了橫向偏移，但是與輪距相比，該偏移量相對較小，所以轉運車穩定性能良好，在傾斜甘蔗過程中不會出現側翻危險。

5 試制與試驗

5.1樣機試制

通過對區內外同類車型的調研和對比研究，根據相關設計要求，首先確定了本轉運車的設計方案，然后建立了三維設計模型，并運用相關軟件對其各方面性能進行了分析研究，根據設計方案，經過零部件的加工和選型，最終制造出了第一批試驗樣機（1臺）如圖5所示。

圖5　第一批試制樣機

5.2試車試驗

在第一批樣車試制完成以后，對其進行了長達 200小時的試車試驗，試驗情況如圖6所示。

圖6　轉運車試驗圖

通過試車試驗，發現該樣機還存在許多問題，如導軌與導向桿摩擦阻力較大，上升翻轉過程速度較慢且不夠平穩，兩側油缸進油時間不同步，油缸伸縮長度不同，車廂兩側上升高度有一定差距等。

針對試驗中出現的問題，對其進行改進和優化，通過在導軌外側增加滾輪，將滑動摩擦轉換為滾動摩擦。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，然后再分流到兩個油缸，從而避免了兩側油缸的進油時間差，實現了油缸的同步伸縮以及車廂的同步上升和翻轉，提高了車輛的安全可靠性能。

經過改進，重新生產試制 2臺樣車，并交付廣西崇左市扶綏金光農場。經試用，第二批甘蔗轉運車得到了用戶的一致好評，如圖7所示。

圖7　第二批樣機

6 結論

目前，本轉運車共有13臺，其中第一批1臺，第二批2臺，第三批10臺，且前兩批已交付用戶使用。與同類型轉運機械相比，其具有裝載量大、轉彎半徑小、輕巧靈活、安全可靠、轉運效率高等優點。雖然如此，但還需要進一步改進，其中部分結構需要加固和輕量化設計，在降低成本的同時提高轉運機的安全性能。另外，關鍵零部件的生產工藝需要改進，以提高產品批量化生產效率。

總之，該轉運機的設計研發不僅填補了甘蔗收集轉運專用機械領域的空白，滿足了甘蔗全程機械化生產的現實需要，而且對加快我國農業機械化的前進步伐，推動農業機械化科學發展具有重大意義。

[1] 鄧沖其.半掛側翻式甘蔗運輸車的開發與設計[J].技術與市場,2011,18(9):50-51.

[2] 羅國剛.新型全掛側翻式自卸車的結構設計[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

“50萬畝甘蔗基地全程機械化裝備研發-小型甘蔗收集轉運機的研制”（桂科攻1433001-7）。

黃家偉（1960－），男，廣西防城港人，防城港市防城區農機技術推廣服務中心工程師。