山地單軌電動遙控運輸機設計與試驗*

程方平，庹洪章，易文裕, 2，王攀，楊昌敏，張巍

(1. 四川省農業機械研究設計院，成都市，610066； 2. 農業農村部丘陵山地農業裝備技術重點實驗室，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，丘陵地區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道路，因而使得丘陵地區水果在生產、收獲過程中肥料、農藥、果實和作業工具等運輸非常困難，難以開展機械化運輸作業。生產中需要大量勞動力，靠肩挑背扛上山下山，山地運輸費時又費力，果品的生產成本逐年增加，經濟效益不斷下滑[1-6]。

果園運輸機械在歐美和日本等國研究和應用較早。針對我國地形條件，我國在國外軌道運輸機械的基礎上，設計和研發了適宜我國生產條件的軌道運輸車。2008年，華中農業大學的張衍林[7]團隊研制了國內第一臺自走式單軌運輸機并成功應用。華中農業大學的張衍林[8]團隊還陸續開發了單軌牽引式軌道運輸車、雙軌自走式運輸車并結合遙控技術，實現了遠程啟停和控制。國內許多學者在軌道運輸車的基礎上也開發了多種形式的軌道運輸車，為提高機械效率劉岳等[9]研制了雙路傳動系統，李善軍等[10]對多種軌道齒條齒形進行了研究和優選。目前，在丘陵山地果園中應用的運輸機械主要有四輪農用運輸拖拉機[11]、自走式履帶運輸車[12-13]、軌道運輸機(有單軌和雙軌兩種)[7-8]、索道運輸機[14]。近年來，使用汽油機為動力的單軌運輸機開始大量示范應用，這種運輸機在預先設定的位置停止。為了能夠及時應對出現的緊急情況，要求操作人員跟隨運輸機在種植園區中穿梭，導致操作人員的安全風險較大、勞動強度較高。

針對汽油機為動力的單軌運輸機及時停止控制和執行機構多[15]，需要額外增加電控系統的問題，結合直流電機作為驅動力易于控制、結構緊湊、無污染的特點，設計了一種適合在山地運行的單軌電動遙控運輸機。

1 整機結構和工作原理

單軌電動遙控運輸機主要由直流電機、蓄電池、減速器、傳動裝置、驅動裝置、制動裝置、夾緊裝置、限速裝置、控制裝置等組成，結構如圖1所示。直流電機為運輸機提供驅動力，蓄電池為直流電機供電。電機輸出動力經減速后通過傳動裝置(鏈傳動)和驅動裝置(驅動輪)推動運輸機在軌道上運行。利用蝸輪蝸桿減速器的扭矩放大特性、失電制動電機、驅動輪齒和軌道上的齒條嚙合關系，停止電機運轉即可實現對運輸機驅動輪的制動。減速器減速增扭，克服了電機的軟特性。通過轉動偏心軸至不同角度實現調整夾緊裝置的間歇，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運輸車下坡時超過設定速度時制動減速。控制裝置實現對運輸車的前進、后退、停止、調速的控制作用。

圖1 單軌電動遙控運輸機結構

運輸機主要技術參數如表1所示。

表1 運輸機的主要技術參數Tab. 1 Major technical parameters of transporter

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

2 傳動系統設計與選配

2.1 功耗計算與動力系統選配

軌道運輸機采用電動遙控，所有動力來自電機輸出，其功率應滿足運輸機在驅動過程中所消耗的總功耗和一定的功率儲備。根據常見運輸機機頭和運輸拖車質量情況，預估軌道運輸機整機質量為200 kg，設計載重質量為250 kg，在此條件下對整機進行牽引力、功率、傳動效率計算和電機、電池選型。

1) 牽引力。電機的牽引力需要克服最大運行坡度30°和額定載重質量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取0.05。根據運輸機爬坡受力分析，見圖2，斜坡牽引力數值可由摩擦力和下滑力得出

F=(m1+m2)gsin30°+μ(m1+m2)gcos30°

(1)

式中：F——運輸機的牽引力，N；

m1——運輸機質量，kg；

m2——額定載重質量，kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

μ——摩擦系數，取金屬材料摩擦系數0.05。

計算可得斜坡向上運行時所需牽引力為2 396 N。

2) 運輸機負載功率。軌道運輸機主要在丘陵山地果園使用，坡度較大，且運輸的水果容易損傷，出于運輸安全考慮，運輸機運行最大速度限定為0.6 m/s。運輸機負載功率

P1=Fv

(2)

式中：v——運輸機運行速度，m/s。

計算可得運輸機最大負載功率為1 438 W。

3) 動力傳動效率。軌道運輸機動力采用直流電機經渦輪蝸桿減速器、鏈傳動傳遞至驅動輪，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) 電機選型。在運輸機負載功率和傳動效率的基礎上，考慮偶然過載，參考《機械設計手冊》[17]中關于電機容量附加值，選取不小于1.2倍的實際需求功率。則電機的輸出功率

(4)

式中：β——電機容量附加系數，β≥1.2。

根據式(2)～式(4)代入數據可知，電機輸出功率≥2 213 W，選擇運輸機電機功率為2.5 kW，相應的電機容量附加系數β為1.36，符合運輸機功率需求。選配的電機主要技術參數如表2所示。

表2 電機的主要技術參數Tab. 2 Major technical parameters of electric machinery

5) 電池選型。運輸機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小于2.2 kW，從電池成本和運輸機質量配置的角度考慮，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 傳動系統設計與選配

軌道運輸機動力采用直流電機經渦輪蝸桿減速器、鏈傳動傳遞至驅動輪，根據選定的驅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) 驅動輪。驅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，相當于齒展開分布在軌道上、直徑無限大的鏈輪。驅動輪相當于圓形固定的鏈條，將銷軸固定在驅動輪上。

為保證運輸機的通用性，選取市場和生產應用中常用的軌道和齒條的參數，軌道為50 mm×50 mm的方管，軌道齒條為圓弧齒形，節距為32.35 mm。根據設計額定運行速度0.6 m/s，綜合電機參數(額定轉速2 500 r/min)和傳動方案與驅動輪分布直徑、節距的聯動制約關系進行試算，驅動輪參數如表3所示。

表3 驅動輪參數Tab. 3 Parameters of driving wheel

經試算選取驅動輪(圖3)銷軸分布直徑為125 mm，此參數與軌道齒條節距吻合，傳動比適合渦輪蝸桿傳動。可以得出驅動輪額定轉速

(5)

式中：d——驅動輪銷軸分布圓直徑，mm。

代入數據計算可得驅動輪額定轉速為91.7 r/min。

圖3 驅動輪結構

2) 總傳動比。根據電機額定轉速和驅動輪轉速的關系，可以得出總傳動比

(6)

式中：n2——電機額定轉速，r/min。

代入數據計算可得總傳動比為27.3。

3) 渦輪蝸桿和鏈傳動的傳動比。為使結構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(蝸桿頭數為2，導程角為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，在下坡時，以較小制動力矩的條件下實現渦輪蝸桿自鎖，確保運輸機的運行速度取決于電機的轉速[18]。鏈傳動選用從動鏈輪齒數18，主動鏈輪齒數17，實際鏈傳動比為1.06。最終確定傳動比為27.5，與設計傳動比接近，符合設計要求。

3 控制系統設計

軌道運輸機控制系統除具有前進、后退、停止、調速和超速制動的基礎功能外，可根據生產現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、調節旋鈕、模式選擇撥扭等操作器件，遙控裝置采用可靠耐用的工業級遙控器，控制距離可達100 m。

3.1 運行控制

軌道運輸機采用直流無刷電機作為動力源，匹配有相應的控制器，具有正轉(驅動前進)、反轉(驅動后退)、通斷(實現停止)、電位器控制轉速(實現調速)的功能，控制器對應的接線端子與控制箱上正轉、反轉、停止按鈕和電位器旋鈕連接，在電源主線上設置急停按鈕，通過控制箱進行按鈕手動操作。運輸機控制電路圖見圖4。

圖4 運輸機控制電路圖

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

圖5 離心式限速器結構

3.2 運行模式

通過控制箱的選擇開關可以在手動和遙控模式之間進行選擇。當選擇手動模式時，可以通過控制箱上的按鈕對運輸機進行控制，運輸機可自行到達限定位置后停車。當選擇遙控模式時，按住遙控器上的按鈕對運輸機進行控制，松開按鈕時自動停車，可以防止遙控器脫手后運輸機失控繼續行走。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 試驗結果與分析

4.1 試驗方法

試驗在四川省農業機械研究設計院內進行，平地測試距離為20 m，模擬山坡地形架設坡度為30°的直行軌道用于運輸機爬坡測試，爬坡測試距離為15 m。

運輸機及拖車的整機自重約200 kg，試驗負載為便于調整裝載質量的物料，可根據試驗負載需要增減；負載變化范圍0～250 kg，以50 kg為分段單位遞增，整機運行質量為200 kg，250 kg，300 kg，350 kg，400 kg，450 kg共6種負載質量，整機200 kg即為空載，整機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。

4.2 試驗測試

4.2.1 運行速度測試

試驗使用秒表(Casio HS-30W)和皮尺進行了測試，根據測試結果可知，無論在水平段和坡道段，空車和滿載條件下，均可以實現0～0.6 m/s的勻速運行。主要是因為經過減速傳動后克服了直流電機的軟特性，且電機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)，調節直流電機控制器的速度調節電位器，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載情況下的整機電功率情況，每個功率值為5次測量的平均值，測試結果如表4所示。

4.3 試驗結果

軌道坡度為0°(水平)，隨著負載的增加，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%。隨著負載的增加，整機功率增加幅度較小。在此條件下，負載對整機功耗影響較小。經斷開傳動鏈條后進行測試功耗可知，主要是傳動系統和控制器消耗了部分基礎功率。

軌道坡度為30°(上坡)，隨著負載的增加，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%。隨著負載的增加，整機功率消耗受裝載質量和速度影響較大。根據受力分析可知，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%。隨著負載的增加，整機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對輸入端做功，負載對功率消耗影響較小。

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

5 結論

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

1) 運輸機及拖車的整機質量為200 kg，無刷直流電機額定功率為2.5 kW，貨運拖車在負載250 kg時在水平和30°上、下坡運行時均可以實現0～0.6 m/s可調范圍內勻速運行。

2) 在水平軌道運行時，運行速度對功率消耗影響較大，負載質量對功率消耗影響較小；在上坡道運行時，功率消耗受裝載質量和速度影響較大；在下坡道運行時，功率消耗受裝載質量影響很小。蓄電池輸出功率通過電機調速改變，可根據不同工況進行變速，實現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) 運輸機在額定負載、坡度30°內、最大運行速度條件下任意位置可靠停車。在下坡時，當速度超過0.7 m/s，離心式限速器實現自動制動限速，在100 m的距離內可靠遙控。