基于單片機(jī)的側(cè)立輪式雙軌山地運(yùn)輸系統(tǒng)★

張寶宏 卞長青 呂家樂 何永明 齊逸飛

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國水果的需求量不斷激增。目前我國大量水果種植在地形復(fù)雜的丘陵地區(qū)，在果樹種植、維護(hù)和水果采收過程中，樹苗、肥料、農(nóng)藥等農(nóng)資和水果的運(yùn)輸仍然以人力運(yùn)輸為主。人力運(yùn)輸勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，成本高[1]，為了解決這些問題，論文研究了側(cè)立輪式雙軌山地運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于山地果園中農(nóng)資的運(yùn)輸，也可應(yīng)用于森林旅游、自然保護(hù)區(qū)和濕地生態(tài)旅游，還可用于運(yùn)送消防物資和消防人員，以及森林管護(hù)監(jiān)督人員和科學(xué)考察人員[2]。側(cè)立輪式雙軌山地運(yùn)輸系統(tǒng)對我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展及山地運(yùn)輸機(jī)械的發(fā)展都具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

側(cè)立輪式雙軌山地運(yùn)輸系統(tǒng)由軌道子系統(tǒng)、智能小車子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程自動控制子系統(tǒng)組成。軌道子系統(tǒng)由軌道和立柱及其連接件組成，采用雙軌側(cè)立方式安裝，兩條軌道上下平行安裝在立柱一側(cè)，立柱處通過支座和連接板連接。上方軌道下側(cè)有齒條，和齒輪配合驅(qū)動智能小車。智能小車子系統(tǒng)由蓄電池、電機(jī)、控制模塊和車廂組成。根據(jù)載運(yùn)量、地形等實際情況可以選擇單個或多個車廂。智能小車子系統(tǒng)可接收遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)發(fā)出的指令，并通過單片機(jī)控制智能小車按照指令運(yùn)行。遠(yuǎn)程自動控制子系統(tǒng)即手持式控制終端，由觸屏顯示器、處理器和發(fā)射天線等組成[3]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

雙軌側(cè)立式山地運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行通過手持終端和智能小車上的單片機(jī)實現(xiàn)[5]。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

控制系統(tǒng)工作時，通過觸屏顯示器輸入控制指令，經(jīng)處理器處理后再通過天線發(fā)送給單片機(jī)控制器，最后傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、加速和減速等操作。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備

考慮到經(jīng)濟(jì)性和實用性，系統(tǒng)設(shè)備均采用價格低廉，性價比高的國產(chǎn)設(shè)備。該設(shè)計方案根據(jù)側(cè)立輪式雙軌山地運(yùn)輸系統(tǒng)控制模塊的特點，綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性[6]，并最大限度地提高控制精度。系統(tǒng)方案各部分組件選擇如下：

1)單片機(jī)。控制模塊采用型號為AT89C51的單片機(jī)。該單片機(jī)采用高密度存儲器制造技術(shù)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指令集和輸出管腳相兼容。

2)側(cè)立式雙軌。鋼軌采用50 mm×50 mm規(guī)格的Q235鍍鋅方管。齒條采用3模無淬火齒條，齒距為9.42 mm，齒深6.75 mm。

3)無線數(shù)傳模塊采用億佰特E62-433T30D。該模塊采用全雙工點對點高速傳輸方式，可同時收發(fā)數(shù)據(jù)，同時具有跳頻擴(kuò)頻功能，抗干擾能力強(qiáng)。

4)電源狀態(tài)監(jiān)控模塊選擇RFPM系列AFPM3-2AV型號的三路監(jiān)控模塊，該模塊具有靈敏度高、耗電省、可靠性好、造價低廉等特點。

5)電動機(jī)選擇型號為MY1120ZXF的600 W尤奈特永磁直流有刷電機(jī)。該電機(jī)重量輕，發(fā)熱少，動力強(qiáng)勁。

6)蓄電池采用駱駝牌型號為6-QWLZ額36 V鉛酸電池。該電池續(xù)航時間久、使用壽命長，充電快，適用于各種環(huán)境。

2 遠(yuǎn)程單片機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 多功能調(diào)壓程序

單片機(jī)自動控制模塊中嵌入了多功能調(diào)壓程序，用來控制電源的輸出功率，從而改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)控制運(yùn)輸車的運(yùn)行速度。調(diào)壓控制元件一般采用晶閘管[7]，變壓器兩端的電壓通過晶閘管的閉合和斷開來調(diào)節(jié)。晶閘管調(diào)壓電路由交流電源、晶閘管VT1和VT2及負(fù)載RL組成。晶閘管交流調(diào)壓原理和電壓變化如圖3a)和圖3b)所示。

交流電方向為正時觸發(fā)VT1閉合，方向為負(fù)時觸發(fā)VT2閉合。如果正負(fù)周期均以α移相角觸發(fā)兩個方向的晶閘管，負(fù)載端電壓的有效值將根據(jù)α移相角的變化而變化，從而實現(xiàn)交流調(diào)壓。

2.2 電壓調(diào)節(jié)電路

電壓調(diào)節(jié)電路由晶閘管驅(qū)動電路和同步檢測電路組成。晶閘管驅(qū)動電路工作過程：單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)指令號，經(jīng)過光電隔離元件、晶體管、脈沖變壓器進(jìn)行處理，形成晶閘管觸發(fā)指令。

同步檢測電路由同步變壓器、電壓比較器和光電隔離器件組成，同步檢測電路見圖4。

同步檢測電路是調(diào)壓電路的關(guān)鍵，它能夠有效控制電壓的大小和周期。

3 側(cè)立式雙軌運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計

3.1 運(yùn)輸系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)

由側(cè)立式雙軌、小車和無線傳輸模塊以及遠(yuǎn)程單片機(jī)自動控制系統(tǒng)等組成。側(cè)立式雙軌道設(shè)計，小車的平衡性以及防側(cè)翻性能大大提高。小車整體結(jié)構(gòu)、蓄電池和電機(jī)左右對稱設(shè)置。滾輪均采用夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保小車沿單軌道行駛。

側(cè)立式雙軌上下平行安裝在立柱一側(cè)，通過支座連接板連接。電動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動齒輪式驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，齒輪式驅(qū)動輪與帶狀齒條嚙合構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)控制電動機(jī)的啟動、停止以及加減速。

3.2 側(cè)立雙軌參數(shù)

確定齒輪式驅(qū)動輪和齒條式軌道的傳動比只與齒輪式驅(qū)動輪分度圓直徑有關(guān)。材料均為42CrMo，經(jīng)過淬硬處理，齒輪式車輪直徑不宜過小，否則影響轉(zhuǎn)矩。也不宜過大，否則會導(dǎo)致齒輪式車輪和齒條式軌道整體體積過大，質(zhì)量增加，不利于軌道的設(shè)計和系統(tǒng)輕量化的要求。齒條式軌道采用GB 1356-C型輪廓，齒條式軌道的分度圓直徑為無窮大[8]。實際應(yīng)用安裝過程中，要對主要參數(shù)和幾何尺寸進(jìn)行校核，并對強(qiáng)度進(jìn)行校驗。滿足應(yīng)用的前提條件，是建立的工程模型要與實際工程一致，材料選擇和尺寸大小與常規(guī)齒輪齒條沒有區(qū)別，主要相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪、齒條式輪軌主要參數(shù)

分度圓直徑校驗見式(1)：

(1)

齒條式軌道寬度校驗見式(2)：

b2=μd1

(2)

齒輪式車輪齒寬校驗見式(3)：

b1=b2+10

(3)

其中，m1為齒輪式車輪模數(shù)；z1為齒輪式車輪齒數(shù)；β為齒輪式車輪螺旋角。

接觸應(yīng)力a的計算方法采用赫茲接觸應(yīng)力計算，見式(4)。

(4)

校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算見式(5)。

(5)

式中：Ze——彈性系數(shù)；

Zh——區(qū)域系數(shù)；

Zm——重合度系數(shù)；

u——齒數(shù)之比；

K——設(shè)計參數(shù)。

齒輪式車輪彎曲疲勞強(qiáng)度是指嚙合齒根部達(dá)到彎曲應(yīng)力極大點時的強(qiáng)度。齒輪式車輪彎曲疲勞強(qiáng)度驗算，一般以齒根點計算彎曲應(yīng)力是否大于允許彎曲應(yīng)力來判斷齒輪齒條能否滿足使用要求。在計算時，要考慮所用的材料、工況及試件的尺寸與試驗條件的差異。各種影響因素在計算公式中體現(xiàn)為一系列修正系數(shù)，修正模型見式(6)。

(6)

其中，YF為齒形系數(shù)；YS為應(yīng)力修正系數(shù)；YA為使用系數(shù)；YV為動載系數(shù)；KFα為嚙間分配系數(shù)；KFβ為嚙間分布系數(shù)。

根據(jù)實際齒輪、齒條的參數(shù)，對式(6)涉及的多個修正系數(shù)進(jìn)行賦值，可得到齒根彎曲應(yīng)力為624 MPa。

上述所有計算過程，可通過Adams軟件對齒輪式車輪和齒條式軌道的傳動進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，驗證理論分析的正確性，同時也驗證其在實際應(yīng)用的可行性。

4 齒輪式車輪和齒條式軌道嚙合有限元分析

4.1 實體建模

對齒輪式車輪與齒條式軌道嚙合實體建模，是采用ABAQUS有限元仿真軟件進(jìn)行齒輪式車輪與齒條式軌道嚙合靜態(tài)仿真的基礎(chǔ)。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三維建模，生成的齒輪和齒條三維模型如圖5a)，圖5b)所示。

該齒輪齒條模型為三維實體模型，其強(qiáng)度是否滿足要求需要進(jìn)行應(yīng)力云圖分析。

4.2 應(yīng)力云圖分析模型

齒輪齒條應(yīng)力云圖分析模型建立過程如下：第一步，生成模型齒廓為直線的齒條，并將車輪的齒廓面作為源接觸面；第二步，將軌道齒廓面作為目標(biāo)接觸面，并設(shè)置接觸面滑動摩擦系數(shù)和剛度系數(shù)；第三步，劃分網(wǎng)格，該步驟對有限元分析的計算速度和精度有較大影響。網(wǎng)格越細(xì)，精度越高，但運(yùn)行的速度越慢。因此需要對分析的關(guān)鍵部位實施細(xì)化處理，見圖6。

應(yīng)力云模型建立過程實際上就是確定源接觸面和目標(biāo)接觸面，以及網(wǎng)格劃分的過程。

4.3 應(yīng)力云圖分析結(jié)果

完成應(yīng)力云圖分析模型后，將車輪軸處內(nèi)表面設(shè)置為圓柱形約束，同時約束軸向和徑向的位移，使車輪只有繞齒輪回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動自由度。然后對車輪軸內(nèi)表面施加等同載荷的扭矩，可通過應(yīng)力云圖來展現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變的分布，從而分析接觸面的接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力。

通過分析應(yīng)力云圖能夠得到，齒根部分的應(yīng)力值最大。齒條受拉側(cè)齒根彎曲應(yīng)力沿齒根不均勻分布，應(yīng)力最大點出現(xiàn)在靠近齒輪端部的齒根表面。用此方法，齒根最大彎曲應(yīng)力僅有574 MPa，而按照國家標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行計算的齒根彎曲應(yīng)力可達(dá)到624 MPa，兩種方法的誤差為8.71%，小于國際標(biāo)準(zhǔn)10%，符合要求。

5 結(jié)語

本文主要設(shè)計了側(cè)立輪式雙軌山地運(yùn)輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并用ABAQUS軟件建立了驅(qū)動模型，并進(jìn)行了有限元分析。系統(tǒng)建模和有限元分析表明，系統(tǒng)齒輪齒條驅(qū)動結(jié)構(gòu)力學(xué)性能滿足使用和規(guī)范的要求。