一種輕簡(jiǎn)化可拆式果園運(yùn)輸軌道的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王永坤, 靳 成, 楊 琪, 朱杰威, 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

我國(guó)果樹(shù)資源豐富，2000年以來(lái)果樹(shù)種植面積和水果產(chǎn)量逐年增加，水果行業(yè)具有很好的市場(chǎng)前景[1-2].福建是我國(guó)蜜柚的主要原產(chǎn)地之一，目前多數(shù)果園坡度都在20°以上，有些甚至達(dá)到60°，果樹(shù)栽植株距為2.0～3.5 m，因此，果實(shí)的搬運(yùn)需要投入大量的人力，工作時(shí)間長(zhǎng)且勞動(dòng)強(qiáng)度大[3-4].近年來(lái)，我國(guó)已開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型果園軌道運(yùn)輸機(jī).根據(jù)軌道和動(dòng)力形式的不同果園軌道運(yùn)輸機(jī)可分為單軌、雙軌、牽引式、自走式以及索道果園運(yùn)輸機(jī)等多種類(lèi)型[5-10].但現(xiàn)有的大部分山地果園運(yùn)輸機(jī)需建造固定的運(yùn)輸軌道，難度大，成本高，周期長(zhǎng)，而水果運(yùn)輸是季節(jié)性的產(chǎn)物，使用周期短，故這類(lèi)運(yùn)輸機(jī)在果園中難以推廣[11].因此，研究一種適合在山地及丘陵果園工作的輕簡(jiǎn)化果園運(yùn)輸機(jī)械對(duì)促進(jìn)我國(guó)果業(yè)進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義.

輕簡(jiǎn)化可拆式果園運(yùn)輸系統(tǒng)的主要部件可拆卸.蜜柚采摘是季節(jié)性工作，可在果實(shí)成熟時(shí)鋪設(shè)軌道，運(yùn)輸蜜柚；采摘完成后進(jìn)行下一片果園軌道的鋪設(shè)，運(yùn)輸蜜柚.可拆卸運(yùn)輸軌道顯著提高果園運(yùn)輸系統(tǒng)的使用率，具有使用靈活、應(yīng)用廣、成本低等優(yōu)點(diǎn).可拆式果園運(yùn)輸系統(tǒng)為分段快捷連接、易于裝卸的簡(jiǎn)易地面軌道，在保障安全性和可靠性的前提下最大限度提高地面軌道的可承載范圍和輕量化程度，以降低鋪設(shè)難度和成本.

1 果園運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輕簡(jiǎn)化果園運(yùn)輸系統(tǒng)主要由運(yùn)輸車(chē)、運(yùn)輸軌道、牽引裝置、鋼絲繩等組成.牽引裝置包括交流電機(jī)、減速器、卷筒.運(yùn)輸車(chē)由車(chē)架、行走輪、連接軸和導(dǎo)向桿等部件組成.牽引裝置位于軌道一端，利用鋼絲繩牽引貨運(yùn)小車(chē)，鋼絲繩索只承受拉力，不起承載作用.通過(guò)消除負(fù)載重力對(duì)鋼絲繩的作用，減小鋼絲繩的張力，從而減小鋼絲繩的直徑、重量.貨物運(yùn)輸車(chē)通過(guò)鋼絲繩的牽引實(shí)現(xiàn)逆坡上行；順坡下行時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，并依靠貨運(yùn)小車(chē)及貨物重力完成運(yùn)輸.運(yùn)輸系統(tǒng)工作時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線遙控器控制電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停止來(lái)實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)小車(chē)的前進(jìn)、后退[12].可拆式軌道是由方管、可拆卸式腳樁組成.可拆卸方管依照果園地形鋪設(shè)，通過(guò)快速裝卸接頭固定方管，最后可拆卸樁腳將方管軌道固定在地面上.在保障安全性和可靠性前提下，最大限度利用地面來(lái)承載重量，提高地面軌道的可承載范圍和輕量化程度.運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

1.運(yùn)輸車(chē);2.運(yùn)輸軌道;3.可拆卸腳樁;4.轉(zhuǎn)向裝置;5.鋼絲繩;6.絞盤(pán)機(jī).圖1 運(yùn)輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of the transport system

表1 運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù) Table 1 Parameters of the transport system

2 可拆式軌道的設(shè)計(jì)

2.1 可拆式軌道受力模型的建立

為了保證運(yùn)輸機(jī)在鋪設(shè)的軌道上實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的直行、轉(zhuǎn)彎、上下坡，防止出現(xiàn)脫軌和抖動(dòng)等，軌道依照果園的地形鋪設(shè)，地勢(shì)平坦處軌道直接鋪設(shè)在地面上，陡坡處通過(guò)搭建支架架設(shè)軌道.軌道兩端支撐最大跨距設(shè)為1 m，軌道受力圖如圖2所示.每節(jié)軌道兩端固定梁結(jié)構(gòu)，由于軌道受到的都是垂直于軌道的載荷，因此只需滿足剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度要求，在不考慮軌道振動(dòng)的情況下，軌道受力情況滿足如下靜力平衡方程：

∑MA=0R2(S1+S2+S3)-P1S1-P2(S1+S2)=0

(1)

∑MD=0P1(S2+S3)+P2S3-R1(S1+S2+S3)=0

(2)

(3)

式中：P1表示前支撐輪對(duì)軌道的作用力(N)；P2表示后支撐輪對(duì)軌道的作用力(N)；R1、R2分別表示軌道兩端點(diǎn)的支撐桿對(duì)軌道的作用力(N)；MA、MD表示運(yùn)輸小車(chē)對(duì)軌道的力矩(N·m-1)；S1表示運(yùn)輸車(chē)前輪距軌道端面的距離(mm)；S2表示運(yùn)輸車(chē)前后輪距離(mm)；S3表示運(yùn)輸車(chē)后輪距軌道端面的距離(mm).

圖2 軌道受力示意圖Fig.2 Force diagram of the track

2.2 可拆式軌道的仿真設(shè)置

仿真材料選用長(zhǎng)度為1 m的Q235號(hào)方鋼管，材料彈性模量2.01×105MPa，屈服強(qiáng)度235 MPa，泊松比0.3，密度7 800 kg·m-3.對(duì)軌道兩端添加固定約束，P1在距離端面A點(diǎn)0、100、200、300 mm處分別施加600 N壓力(垂直于軌道表面)，利用ANSYS APDL模塊分析軌道整體形變及應(yīng)力情況，仿真結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 軌道不同位置的應(yīng)力與變形量Table 2 Stress and deformation at different positions of the track

2.3 可拆式軌道受力試驗(yàn)

由于軌道太長(zhǎng)無(wú)法在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行受力分析，故使用相似試驗(yàn)法對(duì)軌道進(jìn)行受力分析.選用總體尺寸12 mm×12 mm×1 mm、長(zhǎng)度200 mm的Q235號(hào)鋼.方管長(zhǎng)度縮小5倍，總體尺寸縮小2.5倍，假設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中方管受到相同的彎曲應(yīng)力σ，計(jì)算出試驗(yàn)機(jī)所需施加的力，研究其變形情況，具體推導(dǎo)過(guò)程表示如下：

(4)

(5)

假設(shè)M點(diǎn)為最大撓度位置，根據(jù)梁在簡(jiǎn)單載荷作用下的變形公式得到梁的變形，應(yīng)用疊加法求得M點(diǎn)的撓度：

(6)

(7)

WM=WM1+WM2

(8)

式中：WM1表示軌道上M點(diǎn)撓度(mm)；WM2表示方管M′點(diǎn)撓度(mm)；x1表示M點(diǎn)到前車(chē)輪支撐點(diǎn)的位置(mm)；x2表示M點(diǎn)到后車(chē)輪支撐點(diǎn)的位置(mm)；S1表示前支撐輪到軌道前端面的距離(mm)；S2表示后支撐輪到軌道后端面的距離(mm)；EI表示方管的抗彎強(qiáng)度(kN·mm-2).

設(shè)計(jì)4組試驗(yàn)?zāi)Ｐ停褂肕TS公司的SANS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn).采用力控制法進(jìn)行壓縮，即每秒鐘施加10 N的力，最大壓力值設(shè)置為200 N[13-14].當(dāng)試驗(yàn)機(jī)壓力達(dá)到200 N時(shí)停止壓縮，在壓縮過(guò)程中，與試驗(yàn)機(jī)連接的電腦會(huì)同時(shí)顯示試驗(yàn)方管在0～200 N作用下的變形量,本試驗(yàn)取的方管變形量為192 N.

2.4 軌道運(yùn)輸試驗(yàn)

為了驗(yàn)證軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，在果園進(jìn)行可拆式軌道的實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn).軌道依據(jù)果園地形鋪設(shè)(圖3).從圖3可知軌道間距為800 mm，垂直方向最小轉(zhuǎn)彎半徑為8 m，最大坡度為45°，運(yùn)輸車(chē)運(yùn)行速度為1.2 m·s-1，運(yùn)輸蜜柚載重量為50～160 kg.分別測(cè)試運(yùn)輸車(chē)上行和下行兩個(gè)過(guò)程中的行走效果、軌道受力變形、腳樁連接等情況.運(yùn)輸圖見(jiàn)圖4.

圖3 果園運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸軌道Fig.3 Overview of the transport track

3 結(jié)果與分析

3.1 可拆式軌道的受力

為了方便計(jì)算，以軌道的左支撐點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，運(yùn)輸小車(chē)前輪支撐力P1作用于B點(diǎn)，后輪支撐力P2作用于C點(diǎn)，受力簡(jiǎn)圖如圖5所示.對(duì)AB、BC、CD段內(nèi)的剪力Q和彎矩W分段考慮，確定最大剪力Q和最大彎矩W.按照軌道設(shè)計(jì)的要求，前后行走輪間距S2=400 mm，運(yùn)輸車(chē)總載荷為240 kg，采用雙軌道鋪設(shè)，因此P1=P2=600 N.當(dāng)S3=600 mm時(shí)，軌道受到最大剪切力，最大剪力為960 N，因此，軌道受到的最大剪切力Q(x)=960 N.

(9)

式中：Emin表示最小空心形鋼截面面積(mm2)；[τ]表示Q235號(hào)鋼材料許用剪切力(MPa)；E表示30 mm×30 mm×2.5 mm方鋼管截面面積(mm2).

當(dāng)S3=200 mm時(shí)，軌道承受最大彎曲應(yīng)力M，根據(jù)彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算最大彎曲應(yīng)力：

(10)

式中：Wmin表示最小抗彎截面系數(shù)(mm)；[σ]表示Q235鋼材料許用彎曲應(yīng)力(MPa);WZ表示30 mm×30 mm×2.5 mm方鋼管的抗彎截面系數(shù)(mm3).

根據(jù)上式分別計(jì)算S3=0 mm、S3=100 mm、S3=300 mm時(shí)軌道受到的彎曲應(yīng)力為61.83、77.28、76.15 MPa，軌道承受的彎曲應(yīng)力均小于Q235號(hào)鋼的許用彎曲應(yīng)力，故滿足使用要求.

圖5 軌道受力簡(jiǎn)圖Fig.5 Force diagram of the track

3.2 可拆式軌道的仿真

從圖6、7可以看出，軌道彎曲應(yīng)力和變形主要集中在中間位置.由表2可知，在距離軌道端面200和600 mm處，軌道受到最大等效應(yīng)力，最大應(yīng)力發(fā)生在軌道下表面，應(yīng)力值為108.56 MPa，小于材料屈服應(yīng)力.軌道受到最大應(yīng)力時(shí)的最大變形量為2.818 mm，變形情況為向下彎曲，變形量較小，滿足剛度要求.故材質(zhì)為Q235號(hào)鋼的方管滿足運(yùn)輸軌道的設(shè)計(jì)要求.

最大彎曲應(yīng)力σ0為108.56 MPa.圖6 軌道仿真彎曲應(yīng)力云圖Fig.6 Nephogram of the bending stress of track

3.3 軌道受力試驗(yàn)

通過(guò)計(jì)算得出軌道在運(yùn)輸過(guò)程中的最大彎曲應(yīng)力為82.43 MPa，從圖6可知軌道最大彎曲應(yīng)力為108.56 MPa，與仿真結(jié)果相近.造成仿真偏差的原因是軌道受力點(diǎn)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致應(yīng)力值變大.由仿真結(jié)果可以得出，受到最大彎曲應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的最大變形量為2.818 mm，變形情況為向下彎曲，變形量較小.通過(guò)相似試驗(yàn)驗(yàn)證得出軌道受力的試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果滿足WM1=10WM2，兩者誤差小于10%.由此可知，該分析具有較高的準(zhǔn)確性，可拆式軌道的強(qiáng)度、剛度滿足使用要求[15].

3.4 軌道運(yùn)輸試驗(yàn)

果園運(yùn)輸試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)載50～150 kg蜜柚時(shí)，行走輪與軌道配合良好，沒(méi)有出現(xiàn)運(yùn)輸小車(chē)傾覆或脫軌現(xiàn)象，軌道連接處螺栓連接可靠，沒(méi)有出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng).因此，可拆卸軌道設(shè)計(jì)合理，滿足果園實(shí)際使用要求.

4 小結(jié)

(1)本文提出了輕簡(jiǎn)化可拆卸軌道的設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明30.0 mm×30.0 mm×2.5 mm可拆式運(yùn)輸軌道可以滿足輕簡(jiǎn)化果園運(yùn)輸要求.

(2)驗(yàn)證了可拆卸軌道設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，對(duì)運(yùn)輸機(jī)通過(guò)軌道直線段和彎道的性能進(jìn)行測(cè)試，行走機(jī)構(gòu)在水平及垂直轉(zhuǎn)彎處運(yùn)行平順，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)、跳軌以及軌道端面無(wú)滑移等不良運(yùn)行狀況，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了可拆卸軌道與端面連接的合理性，滿足丘陵山地果園的運(yùn)輸.

(3)對(duì)軌道部件進(jìn)行了受力分析及強(qiáng)度校核，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了運(yùn)輸過(guò)程中的受力情況，關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度均符合要求.