山地果园轮式轮式飞机的研制

山地果园轮式轮式飞机的研制

中国的柑橘、苹果和梨主要种植在那些难以形成完整的运输网络的山区。施肥、喷药、采摘等生产过程中的运输难度较大,劳动力成本高。平地尚可使用常规轮式运输机,而山地则只能依靠人力,劳动力成本增加和劳动力不足制约了水果产业的高效、低成本发展,提高山地果园运输机械化迫在眉睫,山地果园运输机的发展势在必行。国外山地果园运输技术起步较早,日本处于领先地位,中国于20世纪70年代从日本引进了相关机械,对中国山地果园运输机械化的发展起到了良好的促进作用,但其不适应国情且造价很高,未能在生产中发挥应有的作用。本研究设计出适合大坡度果园的7YGD-45型电动遥控式单轨果园运输机,在湖北省丹江口柑橘试验站进行了演示运行,试用结果表明适用性较好,可用于山地果园中果实、肥料的运输及进行搭载喷雾作业,是山地果园生产机械化的适用设备。1单轨果园运输的要求单轨果园运输机主要应用于地理位置不适合于人工采摘运输的果园里,由于山地果园地形复杂,爬坡难度大。设计的果园运输机要满足如下要求。4)结构要求。山地地理特殊、坡度大,在架设轨道过程中,施工难度比较大。所以在实际设计过程中,要求单轨果园运输机结构在满足要求的情况下,结构简单,外形尺寸小,下坡灵活方便。5)动力要求。单轨果园运输机在运输过程中,需要动力提供给运输机使其在轨道上上下坡运动。因此需要选择合理的驱动方式,保证单轨运输机在上下坡以及水平运行时能提供足够的动力。1.1单轨运输过程控制装置7YGD-45型电动遥控式单轨果园运输机主要由电机、皮带、减速制动装置、驱动轮对、运输小车、轨道、驱动钢丝绳以及电控装置组成,其中减速制动装置由减速箱和液压块式制动器组成(图1)。图1中,电动机为果园运输机提供动力。减速箱降低电动机输出转速,增大力矩。液压块式制动器直接与电动机相连,遥控装置控制电动机正转和反转的同时也控制着制动器的制动和松开。驱动轮对是单轨运输机的主要执行工作部件,由其输出转矩带动钢丝绳牵引单轨运输小车上下坡运动。这是通过钢丝绳在驱动轮对轮槽中缠绕一定的圈数来产生摩擦力矩来实现的。轨道引导单轨运输车运行,且直接承受支撑载荷。牵引钢丝绳是单轨运输机的牵引构件,承担全部的牵引力。防脱轨装置由支撑轮、夹紧轮与轨道夹紧配合,保证果园运输机的平稳性,在运行的过程中不脱轨、不倾倒。牵引钢丝绳拉紧装置通过配重的重力作用拉紧牵引钢丝绳,使钢丝绳具有足够的预紧力,使驱动轮对能够对牵引钢丝绳产生必要的牵引力。行程控制装置的机械部分由上行程开关和下行程开关控制运输小车运动的极限位置。运输小车撞上行程开关,控制远程控制装置切断电源,使制动器制动、驱动轮对停止转动、运输小车停车。机架尺寸的大小直接决定了单轨运输机载重量。运输小车在轨道上面的实物图如图2所示。1.2沿轨道铺设的运输装置电机通过皮带、减速箱传递动力给驱动轮对。钢丝绳通过驱动轮对并且两端固定在运输机架前后,由轨道末端的滑轮完成转向,钢丝绳形成一个闭环系统。钢丝绳沿轨道架设,由安装在轨道下方的导向轮和下压轮来保证钢丝绳带动运输小车平行于轨道方向运动。牵引钢丝绳通过钢丝绳与驱动轮对间的摩擦驱动运输小车,带动其前进以及后退。7YGD-45型电动遥控式单轨果园运输机既适应地形蜿蜒起伏复杂变化的运输需要,又适应在较密集果树中行驶的运输需要,可用于山地果园中果实、肥料等的运输及进行搭载喷雾作业。主要适宜坡度小于40°的缓坡地,可以实现4m转弯半径内的转弯。采用5.5kW电动机作为动力源。2单轨客运的重要组成部分2.1各主要部件的布置机架是放置运输货物的装置,机架的设计尺寸直接关系到载重货物的容量。为了保证机架能在轨道上方平稳运行,机架要有足够的刚度和强度。为了防止货物在运输途中倾斜,机架的几何外形要对称。机架与方管接触实物图见图3,各部件布置的原则是在方便安装的前提下结构紧凑,保证使整个机架的重心在方管上。方管上方的支撑轮主要是承受机架及货物的载重,而方管左右的夹紧轮是为了防止运输小车在转弯的过程中侧翻。T形夹紧轮与方管夹紧,克服了机架在轨道上的上下跳动力,防止机架与轨道脱轨。为了保证运输小车安全平稳地在轨道上运行,夹紧轮与轨道间的间隙应尽可能的小,运输小车运行过程中发生侧翻的角度就小。同时,为了保证运输小车在运输过程中有较小的转弯半径,T形夹紧轮与轨道的间隙又必须足够大。因此,T形夹紧轮与轨道之间的间隙决定了运输小车在轨道上运行的最小转弯半径和运输小车运行的稳定性。2.2牵引起轮槽和装置驱动轮对是单轨运输机的主要执行工作部件,由其输出转矩带动钢丝绳牵引单轨运输小车上下坡运动。这是通过钢丝绳在驱动轮对轮槽中缠绕一定的圈数产生摩擦力矩来实现的。驱动轮对的结构如图4所示。驱动轮对由两个轴线平行且各自带有5个轮槽的主动驱动轮和被动驱动轮组成,驱动轮轮槽设计直径为145.5mm。牵引钢丝绳从主动驱动轮上方轮槽进入缠绕至被动驱动轮的下方轮槽,如此循环后从主动驱动轮下方轮槽引出。通过钢丝绳与驱动轮对之间的摩擦附着力,使钢丝绳能不断顺次交替进出主动驱动轮和被动驱动轮上的轮槽。电动机经过皮带传动、减速箱传动带动驱动轮对上面的钢丝绳牵引单轨运输车进行作业。电机通过减速箱实现减速,减速箱输送给驱动轮对动力,带动驱动轮对与钢丝绳之间的摩擦实现运输小车的上下坡运动。驱动轮对与钢丝绳成“8字”形,主要用于增加摩擦附着力,防止钢丝绳打滑。在试验优化的基础上,驱动轮对设计为5个槽,满足单轨果园运输机对摩擦附着力的要求。2.3托绳轮的布置为了保证运输小车沿轨道运行,牵引钢丝绳对运输小车的作用力方向应沿着轨道方向。钢丝绳布置在轨道下方,并沿着轨道布置。钢丝绳形成一个闭环,在轨道两侧分布。在牵引运输小车运动的一侧,为了保证钢丝绳沿着轨道布置,在轨道下方布置了如图5所示的托绳轮。在轨道另一侧,布置了限制钢丝绳水平方向的滑轮和限制竖直方向的滑轮(图6)。2.4选择预应力锚点的选择系数也简称c整根钢丝绳形成一个闭环系统,通过驱动轮对提供的牵引力拉动运输小车。参考《机械设计手册》,钢丝绳直径可由钢丝绳最大工作静拉力确定:式中,d为钢丝绳最小直径,mm;C为选择系数,S为钢丝绳最大工作静拉力,N。钢丝绳最大工作静拉力为运输小车在轨道上面匀速行走的牵引力。为了保证钢丝绳运输中的安全,取S=5000N。取安全系数6作为牵引钢丝绳的选择系数,查《机械设计手册》得C=0.106。则有:按钢丝绳的工作级别有关的安全系数来选择钢丝绳直径。所选钢丝绳的破断拉力应满足:式中,F0为钢丝绳的破断拉力,N;n为钢丝绳的最小安全系数。综合考虑钢丝绳的机械性能,初步选定钢丝绳为光面圆股钢丝绳6×19FC(纤维芯),公称直径为d=9.8mm。2.5重锤式拉紧装置钢丝绳拉紧装置设置在单轨运输机的尾部,其作用是拉紧牵引钢丝绳,使牵引钢丝绳具有足够的初张力,以使驱动轮对牵引钢丝绳产生必要的牵引力。钢丝绳拉紧装置如图7所示。重锤式拉紧装置的特点是经过第一次拉紧之后,拉紧力G保持不变,由重物的重力产生。当单轨运输机开始运行时,初始瞬间由于钢丝绳受力大,钢丝绳绷紧,重物略微下降一点。随后,重物的升降随着运输小车在轨道上运行而上下往复运动。3轨道模型及计算参数单轨运输机在运行过程中的安全性和稳定性是考察其实用性的重要标准。轨道承载运输小车的重量,同时也控制着运输小车的行驶方向。轨道是由50mm×50mm×5mm的方管焊接打磨成型,轨道与支撑立杆之间也是焊接。支撑立杆垂直于地面,运输小车在运动的过程中始终保持其重心跟轨道的中心面在同一平面上。因此,支撑立杆对轨道的作用只是起到承载重量的作用,对轨道的模态分析影响不大。为了简化模型和计算过程,轨道在AN-SYS建模中就不考虑支撑杆,简化模型在轨道两端加上约束。轨道在ANSYS软件中的建模参数为:两支撑立杆之间的轨道长度L=1500mm,运输小车与轨道之间是线接触;材料的弹性模量E=206GPa,密度ρ=7.85×103kg/m3,泊松比μ=0.3;图8为轨道模态分析1~10阶振型图。4运输单轨运输图47YGD-45型单轨果园运输机在丹江口市柑橘综合试验站安装,实际使用过程中,运输机工作可靠。单轨果园运输机可实现爬坡、水平方向转弯、垂直方向转弯、前进、后退和轨道上任意点制动等功能。通过遥控装置能方便地控制运输小车的启动和停止,适合长距离大坡度果园运输的需要。1)经济成本。单轨运输机是为了方便果农采摘运输柑橘而设计的,所以机械运输的成本绝不能高于人工运