山地果園蓄電池驅動單軌運輸機傳動系統設計

劉 岳，李 震,，洪添勝，呂石磊，宋淑然，黃雙萍

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山地果園蓄電池驅動單軌運輸機傳動系統設計

劉 岳1,3,4,5，李 震1,3,4,5,※，洪添勝2,3,4,5，呂石磊1,3,4,5，宋淑然1,3,4,5，黃雙萍1,4,5

（1. 華南農業大學電子工程學院，廣州 510642；2. 華南農業大學工程學院，廣州 510642； 3. 國家柑橘產業技術體系機械研究室，廣州 510642；4. 廣東省農情信息監測工程技術研究中心，廣州 510642；5. 廣州市農情信息獲取與應用重點實驗室，廣州 510642）

為解決將傳統的蝸輪蝸桿傳動機構應用于山地果園蓄電池驅動單軌運輸機所帶來的機械效率低的問題，該文設計了一種基于蝸輪蝸桿的雙路傳動鏈傳動系統，該系統采用電動機為動力源，通過蝸輪蝸桿傳動鏈和鏈條傳動鏈兩路并聯傳動鏈傳遞動力；兩路傳動鏈之間相互獨立，根據運輸機的運動狀態，運用STM32內嵌控制程序對電磁離合器狀態進行切換。文中分析了該系統的傳動原理、關鍵零部件設計及機械傳動效率，設計輸出轉速為44～131.18 r/min。采用尤奈特MY1020ZXF-75048 V電機作為動力源，4個12V40AH天能蓄電池串聯作為能源，由NMRV040減速器（海格爾控股有限公司）、超越離合器與各型鏈輪組成雙路并聯傳動鏈，并運用功率流分析法得出該系統平地與上坡運行狀態下輸出扭矩為44.352 N·m、輸出轉速為86.318 r/min、輸出功率為609.31 W；下坡與反向運行狀態下輸出扭矩為105.760 N×m、輸出轉速為28.953 r/min，輸出功率為487.342 W。結果表明，該系統結合了鏈傳動的高效性與蝸輪蝸桿傳動的自鎖優勢，在平地與上坡運行中理論機械效率為81.2%，下坡與反向運行中理論機械效率為60.5%。該研究可為山地果園蓄電池驅動單軌運輸機提升機械效率提供參考。

農業機械；果園；運輸；山地區域；單軌運輸機；傳動系統；機械效率；設計

0 引 言

中國柑橘等南方水果作物大多種植于山地丘陵，立地條件差，難以形成較完善的交通運輸網，導致常規運輸車難以在該環境下推廣使用[1-6]。近年來，為解決這一問題，加快推進山地果園機械化進程，國家柑橘產業技術體系機械研究室研制了山地果園鏈式循環貨運索道[7]、山地果園雙軌運輸機[8]、山地果園單軌運輸機[9-10]、山地果園無軌運輸機[11-12]等山地果園運輸機械。其中山地果園單軌運輸機因其結構簡單、經濟性好、鋪設軌道靈活且對果園地形破壞最小、具有良好的延展性，不受地形因素影響，且轉彎半徑小等特點，在山地果園機械化運輸中的應用較為廣泛[13-14]。

現有的自走式山地果園單軌運輸機多采用齒輪齒條驅動[15-16]，根據動力源不同可以分為以電動機為動力的山地果園單軌運輸機和以內燃機為動力的單軌運輸機2種[17]。為了控制單軌運輸機下行速度，提升運輸機的安全性，電動單軌運輸機傳動系統多采用單一的蝸輪蝸桿傳動控速，或利用行車制動實現下坡控速[18]。對于采用行車制動實現下坡控速的單軌運輸機，雖然能夠實現速度可控，但是制動片易損耗，且頻繁的制動會使制動片產生熱衰退從而使行車制動削弱。對于只采用蝸輪蝸桿傳動的單軌運輸機，可以實現下坡嚴格控速，并且較行車制動具有良好的耐久性，但單軌運輸機在平地與上坡運行時其機械效率相對較低。

該文針對齒輪齒條驅動且驅動輪在單軌道下方的單軌運輸機，設計了一種基于蝸輪蝸桿傳動的雙路傳動鏈的傳動系統，并研制了該傳動系統試驗臺進行試驗。該傳動系統運用了STM32內置程序，控制兩個電磁離合器狀態，實現不同運行狀態下的動力切換，解決了電動機輸出功率轉換效率低和單軌運輸機下坡控速問題。

1 總體結構與工作原理

該傳動系統由直流電動機、蝸輪蝸桿減速器、電磁離合器、超越離合器以及鏈傳動機構構成。利用超越離合器具有隨主、從動部件的速度變化或旋轉方向的變化，而自行離合的特性；并通過控制兩個并聯傳動鏈上的電磁離合器工作狀態，實現切換系統運行狀態。總體結構與系統原理如圖1所示。

1. 電動機 2.聯軸器 3. 蝸輪蝸桿減速器 5. 電磁離合器6、7、9、10、13、14、15. 鏈輪 4、8. 錐齒輪 12. 內嵌超越離合器的鏈輪16. 單軌運輸機驅動輪

1. Electromotor 2. Coupler 3. Worm type of reduction gearing 5. Electromagnetic clutch 6,7,9,10,13,14,15. Chain wheel 4,8. Bevel gear 12. Sprocket embedded overrunning clutch 16. Monorail transport drive wheel

注：0~5為傳動比。Note:0-5are transmission ratios.

圖1 總體結構與傳動原理圖

Fig.1 General structure and transmission schematic

此傳動方案有3種運行狀態：1）平地和正向上坡運行狀態；2）下坡運行狀態3）反向運行狀態。在平地和上坡運行狀態時，由STM32內嵌控制程序控制電磁離合器5為結合狀態，電磁離合器11為分離狀態。電動機1通過聯軸器2將動力傳輸給自鎖式蝸輪蝸桿減速器3與電磁離合器5，然后電磁離合器5將動力傳輸給鏈輪6。通過鏈傳動將動力傳輸錐齒輪4和錐齒輪8組成的錐齒輪組，經由鏈傳動將動力傳遞到單軌運輸機驅動輪16。在上坡過程中停車時，驅動輪16受到自身質量與載質量所產生的扭矩，通過鏈輪15傳遞給鏈輪12，其內嵌的超越離合器受到反向旋轉的趨勢，超越離合器自行結合，鏈輪12與自鎖式蝸輪蝸桿減速器輸出軸結合，蝸輪蝸桿減速器輸出軸受扭矩減速器自鎖，從而傳動系統處于自鎖狀態，實現單軌運輸機斜坡上行過程中的安全停車；此后上坡起步直接啟動電機，超越離合器正向旋轉自行分離，自鎖式蝸輪蝸桿減速器與鏈輪12分離，傳動系統解鎖，單軌運輸機不會出現起步溜車現象。

在下坡運行狀態時，為控制下坡速度，采用自鎖式蝸輪蝸桿傳動可以實現速度的嚴格控制。由STM32內嵌控制程序控制電磁離合器5為分離狀態，電磁離合器11為結合狀態。電動機1通過聯軸器2將動力傳輸給自鎖式蝸輪蝸桿減速器3，通過蝸輪蝸桿減速器3傳輸給電磁離合器11，然后利用電磁離合器11將動力傳輸給鏈輪10，通過鏈傳動將動力傳遞到單軌運輸機驅動輪16。

在反向運行狀態時，電動機1反轉，STM32內嵌控制程序控制電磁離合器11結合，電磁離合器5分離；動力經由減速器3、電磁離合器11、鏈輪10、鏈輪14組成的傳動鏈傳遞給單軌運輸機驅動輪16。由于自鎖式蝸輪蝸桿減速器3介入傳動鏈，該運行狀態下可以保證斜坡上安全停車。

綜上所述，使用該傳動系統可以實現單軌運輸機正向運行與反向運行，以及斜坡停車與上坡起步，并且通過控制電機轉速、轉向和電磁離合器實現單軌運輸車的正向運行與反向運行的速度嚴格控制。

2 系統關鍵部件設計

通常機構的傳動比是根據電機可達到的轉速和負載所需的速度來確定的[19]。該傳動系統通過自鎖式蝸輪蝸桿減速器3將動力分為兩路，圖1中的部件5、6、7、8、4、9、13構成鏈條傳動鏈，傳動方向為1-2-3-5-6- 7-8-4-9-13-16，部件10、11、14構成蝸輪蝸桿傳動鏈，傳動方向為1-2-3-11-10-14-16，部件12、15構成上行防溜車機構。為使兩路傳動鏈單獨工作而互不干涉，必須對兩路傳動鏈的傳動比及超越離合器進行分析設計。通過STM32內嵌控制程序控制電磁離合器實現兩路傳動鏈的切換。

本文使用的超越離合器為棘輪機構超越離合器，其內嵌超越離合器的鏈輪12結構如圖2所示，其內軸與蝸輪蝸桿減速器輸出軸連接，外齒通過鏈條與鏈輪15組成鏈傳動。假設本系統各主要參數為：電機轉速為，蝸輪蝸桿減速器傳動比為0，鏈輪6與7的傳動比為1，錐齒輪組的傳動比為2，鏈輪9與13的傳動比為3，鏈輪10與14的傳動比為4，特殊鏈輪12與鏈輪15的傳動比為5，如圖1所示。

圖2 內嵌超越離合器的鏈輪12

2.1 各級傳動比分析與設計

單軌運輸機平地與正向上坡運行時，如圖1所示，動力通過鏈條傳動鏈傳遞給單軌運輸機驅動輪16與鏈輪15，鏈輪15經由鏈傳動帶動特殊鏈輪12外齒。要使特殊鏈輪12內嵌超越離合器處于超越狀態，則必須要使鏈輪12的外齒轉速不低于內軸的轉速，即

單軌運輸機下坡時，如圖1所示，動力通過蝸輪蝸桿傳動鏈傳遞給單軌運輸機驅動輪16與鏈輪15，鏈輪15經由鏈傳動帶動鏈輪12。要使特殊鏈輪12內部超越離合器處于超越狀態，則必須要使鏈輪12的外齒轉速不低于內軸的轉速，此時

單軌運輸機反向運行時，電動機反轉，動力通過蝸輪蝸桿傳動鏈傳遞給單軌運輸機驅動輪16與鏈輪15，鏈輪15經由鏈傳動帶動鏈輪12。只有當內嵌超越離合器處于超越狀態時，蝸輪蝸桿才不會受到額外的扭矩，則必須要使鏈輪12的外齒轉速不高于內軸的轉速，此時

2.2 傳動零件選型

為便于單軌運輸機在山地果園的運輸與安裝，根據實際應用要求，單軌運輸機自身質量小于100 kg，最大承載質量為200 kg。山地果園一般建在坡度25°以下的坡面上，故單軌運輸機軌道設計斜坡最大傾角為30°；考慮山地果園地形較為復雜，且保證果品減少損壞，不宜高速運輸，單軌運輸機運行速度一般設計為0.3～1.2 m/s，且下坡速度最大不超過0.5 m/s；由于單軌運輸機在上坡時需要克服重力與摩擦力所產生的阻力，此時負載功率最大，故僅需要對單軌運輸機斜坡滿載運行進行力學分析，如圖3所示。

注：G1為單軌運輸機自身重力，N；G2為單軌運輸機最大負載產生的重力，N；F1為單軌運輸機克服阻力所需的牽引力，N；f1為單軌運輸機與軌道之間的摩擦力，N；f2單軌運輸機與軌道之間的摩擦力，N；q為軌道最大傾斜度，30°。

運輸機運行速度與單軌運輸機驅動輪轉速關系 如下

將設計速度0.3～1.2 m/s代入式（11）計算可得，單軌運輸機驅動輪轉速范圍為35.83～143.31 r/min。

表1 傳動零件的參數及其傳動鏈的傳動比分配

根據實際傳動比得出單軌運輸機驅動輪實際轉速范圍為44.00～131.18 r/min，與設計要求接近，且下坡最高轉速如下

代入數據可得，下坡最高轉速為44.00 r/min。將其代入式（11），即下坡最大速度為0.37 m/s，低于0.5 m/s，符合設計要求。

2.3 斜坡停車工況分析

單軌運輸機斜坡停車時，自鎖式蝸輪蝸桿減速器介入傳動鏈，單軌運輸機裝載任意不超過最大設計負載的情況下，單軌運輸機均處于靜止狀態，不會出現溜車現象，即蝸輪蝸桿減速器應實現完全自鎖。

3 傳動系統效率分析

3.1 平地與正向上坡機械效率分析

單軌運輸機平地與正向上坡時，蝸輪蝸桿傳動鏈沒有介入傳動。該狀態下蝸輪蝸桿傳動鏈的能耗可以忽略不計，只考慮鏈條傳動鏈所消耗的功率。假設傳動鏈所有部件均能達到現有的設計與加工條件下的最高傳動效率，平地與正向上坡時機械傳動總效率為

3.2 下坡與反向運行機械效率分析

3.3 傳動系統功率流分析

1）功率流通過由兩共軸線構件組成的旋轉副時，功率值為0；功率流通過由機架組成的運動副時，功率值為0.

2）鏈輪副與齒輪副用實線表示，旋轉副用虛線表示，功率流方向為實線或虛線箭頭所指方向。

根據單軌運輸機的運行狀態將分為2種情況對傳動系統的功率流進行分析。

平地和上坡運行狀態時，電磁離合器5處于結合狀態，電磁離合器11處于分離狀態，傳動系統此時傳動結構簡圖及功率流分析圖如圖4所示。

注：為電動機（輸入）,～⑥為構件，下同。

考慮鏈輪傳動、齒輪傳動及摩擦所造成的功率損失，則有

下坡與反向運行狀態時，電磁離合器5處于分離狀態，電磁離合器11處于結合狀態，傳動系統此時傳動結構簡圖及功率流分析如圖5所示。

當傳動系統處于平衡狀態時，同理可得，構件中轉矩和功率如式（17）、式（18）所示。

考慮鏈輪傳動、齒輪傳動及軸承摩擦所造成的功率損失，則有

圖5 傳動結構簡圖及功率分析

4 系統試驗平臺及空載與滿載試驗結果

為驗證系統的適用性和可靠性，制作了試驗平臺。該平臺主要由機械結構、速度檢測單元和牽引力檢測單元組成。速度檢測單元由STM32開發板和光電編碼器（歐姆龍編碼器E682-CWZ6C）組成，用以檢測單軌運輸機驅動輪轉速；牽引力檢測單元由拉力計和拉力數顯儀組成，用以檢測負載牽引力大小，最終轉換為作用在單軌運輸機驅動輪上扭矩。試驗平臺如圖6所示。

開展試驗，測試系統斜坡安全停車。在滿載（200 kg）工況下運行系統，待負載離地30 cm后停止10 s，模擬斜坡停車；此后，再次啟動系統，模擬斜坡起步，重復5次試驗，系統均能實現安全停車與再次啟動，沒有出現溜車現象。測試系統2個傳動鏈路在空載與滿載時的工作效果，進行3次重復性試驗，每次試驗測量5組驅動輪轉速，試驗結果如表2所示。

a. 俯視圖 a. Top viewb. 側視圖 b. Side view

表2 空載與滿載情況下系統輸出轉速

計算平均轉速可得，無載荷時由渦輪蝸桿傳動鏈輸出的平均轉速為41.04 r/min，由鏈條傳動鏈輸出的平均轉速為130.96 r/min；滿載下，由蝸輪蝸桿傳動鏈輸出的平均轉速為39.52 r/min，由鏈條傳動鏈輸出的平均轉速為127.59 r/min。與理論轉速44.00～131.18 r/min相近，空載時實際速度為理論速度的93.3%～99.8%，滿載時實際速度為理論速度的89.8%～97.3%，初步實現了設計目標。

5 結 論

本文根據山地果園電動單軌運輸機的應用特點，設計了一種雙路傳動鏈的傳動系統。并運用功率流分析對該系統的輸出扭矩以及輸出轉速進行分析，得出該系統平地與上坡運行時輸出扭矩為44.352 N·m，輸出角速度為86.318 r/min，輸出功率為609.31 W；該系統下坡與反向運行時輸出扭矩為105.760 N·m，輸出角速度為28.953 r/min，輸出功率為487.342 W。本文所述的傳動系統根據不同的運行狀態利用電磁離合器控制兩路傳動鏈之間的切換，實現單軌運輸機平地、上坡、下坡以及反向運行。

系統綜合使用了鏈傳動效率高和蝸輪蝸桿傳動自鎖的優勢，實現單軌運輸機平地與正向上坡時高效傳動，機械傳動效率理論上可達81.2%，在滿足滿載（200kg）的條件下，實際輸出速度為理論輸出速度的89.8%～97.3%；當斜坡停車時，防溜車機構使單軌運輸機實現斜坡安全停車，且再次起步時依舊為高效傳動，并且不會出現溜車現象。單軌運輸機下坡時，系統可自行切換至蝸輪蝸桿傳動鏈，電動機只需要提供很小的驅動力矩就可以驅動單軌運輸機下坡，通過控制電動機轉速實現單軌運輸機下坡速度嚴格可控，并且利用蝸輪蝸桿自鎖的優勢實現斜坡上任意位置的停車，具有較高的安全性。單軌運輸機在平地與上坡運行中，雙路傳動鏈傳動系統比單一的蝸輪蝸桿傳動鏈傳動系統機械傳動效率有所提高；在下坡與反向運行時，兩種傳動系統的單軌運輸機機械傳動效率幾乎沒有差異。

進一步的研究工作包括對傳動系統狀態切換時的瞬態沖擊進行分析與試驗，以及解決兩種傳動鏈之間切換不夠平緩的問題。

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Design of drive system for battery-drive monorail transporter for mountainous orchard

Liu Yue1,3,4,5, Li Zhen1,3,4,5,※, Hong Tiansheng2,3,4,5, Lv Shilei1,3,4,5, Song Shuran1,3,4,5, Huang Shuangping1,4,5

(1.510642,; 2.510642,; 3.510642,; 4.510642,; 5.510642,)

Citrus and other fruit trees in southern China are mostly on planted mountain hills. And, mountain orchard planting industry is a pillar industry for farmers in the south of China, but the mountain road construction is difficult. It is difficult to form a more perfect transportation network, which makes regular transporter difficult to be used widely in the environment. In recent years, China’s mountain orchard mechanization process is accelerated. And, some of the transport machines, which are used in mountain orchards, were invented by numerous scientific research institutions. The use of these machines greatly increases the efficiency of fruit transport and reduces the labor costs. Among these machines, the mountain orchard monorail transporter machine is widely used in mountain orchards because of its simple structure, good economy, flexible laying track and minimal destruction of orchard terrain, good ductility and no influence from terrain factors. Mountain orchards monorail transporter machines mostly use batteries as energy, and have the maximum load of 200 kg, the operating speed of 0.3-1.2 m/s, and the maximum climbing angle of 30°. And this kind of mountain orchards monorail transporter uses worm gear as the main transmission mechanism. But the worm gear mechanism’s mechanical efficiency is low. To solve downhill speed control problem of battery drive monorail transporter for mountainous orchard, monorail transporter drive system was designed for mountainous orchard. That was based on worm gear and consisted of dual-drive chain. The electric motor was used as a power source in this system, and the power was delivered by two-way parallel and independent transmission chain, in which one was based on worm gear and the other was based on chain transmission. According to the motion state of transporter, the electromagnetic clutch was controlled by using STM32 embedded control program. This paper explained the system’s transmission principle, and important parts designed, and had detailed analysis on mechanical transmission efficiency. And, the output torque, the output power and speed of the system were obtained by using power flow analysis. The experiment was carried out under no-load and full-load condition. The operating speed was measured by STM32 combined with rotary encoder. The load was measured by tension sensor. The results indicate that, in the uphill operation, the output torque of the system is 44.352 N·m, the output angular velocity is 13.738 rad/s, and the output power is 609.31 W. And, in the downhill operation, the output torque of the system is 105.760 N·m, the output angular velocity is 4.608 rad/s, and the output power is 487.342 W. The system combines the advantages of the high efficiency of chain drives and the self-locking performance of worm gear, and has the characteristics of high efficiency, high safety, and controllability. Monorail transporter equipped with this system can run on the ground and uphill efficiently, and park anywhere on the slope and restart, and downhill speed can be controlled. Efficiency calculation result shows that theoretical mechanical efficiency of the system running on the flat and hillside is 81.2%, and the theoretical mechanical efficiency is 60.5% in the process of downhill running and reverse running.

agricultural machinery; orchards; transportation; mountainous region; monorail transporter; drive system; mechanical efficiency; design

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.005

S229+.1

A

1002-6819(2017)-19-0034-07

2017-05-11

2017-09-22

國家現代農業柑橘產業技術體系專項資金（CARS-26）；廣東省高等學校優秀青年教師培養計劃項目（Yq2013028）；廣東省科技計劃項目（2016A020210093, 2014A020208112）

劉 岳，湖南岳陽人，主要從事山地果園單軌運輸機研究。 Email：liuyue@stu.scau.edu.cn

※通信作者：李 震，廣東廣州人，教授，博士，主要從事機電一體化技術應用研究。Email：lizhen@scau.edu.cn