可調(diào)地隙采摘式菠蘿運(yùn)輸車底盤的設(shè)計(jì)與研究

吳偉斌，馮運(yùn)琳，羅　闊，詹瀟智，曾偉鵬，廖勁威，盧迪豪，黃　濤，洪添勝

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州　510642)

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可調(diào)地隙采摘式菠蘿運(yùn)輸車底盤的設(shè)計(jì)與研究

吳偉斌，馮運(yùn)琳，羅闊，詹瀟智，曾偉鵬，廖勁威，盧迪豪，黃濤，洪添勝

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州510642)

摘要：目前，我國(guó)的菠蘿的采收與運(yùn)輸主要以人工為主，缺乏機(jī)械化，生產(chǎn)效率低，人工成本較高。為此，研制了一款可調(diào)地隙采摘式菠蘿運(yùn)輸車，并基于實(shí)地調(diào)研資料，設(shè)計(jì)了新式的車架與車廂結(jié)構(gòu)，使運(yùn)輸車適應(yīng)于菠蘿種植業(yè)作業(yè)需求。采用SolidWorks進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，利用SolidWorks Simulation軟件對(duì)車橫梁、車架、升降機(jī)構(gòu)等進(jìn)行有限元受力分析，校核設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。本產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)為采用了剪叉式液壓升降結(jié)構(gòu)，可滿足離地間隙可調(diào)的性能要求，并采用汽油發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力提供行駛動(dòng)力，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)且降低了油耗。

關(guān)鍵詞：菠蘿地作業(yè);可調(diào)地隙;運(yùn)輸車底盤

0引言

菠蘿是我國(guó)熱帶亞熱帶地區(qū)最具特色和優(yōu)勢(shì)的熱帶水果品種之一，該產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已成為華南主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，為促進(jìn)農(nóng)民增收和擴(kuò)大城鄉(xiāng)居民就業(yè)做出了重要的貢獻(xiàn)。其中，廣東省是我國(guó)的最大的菠蘿主產(chǎn)區(qū)。然而，目前菠蘿的采收與運(yùn)輸主要以人工為主，缺乏機(jī)械化，其生產(chǎn)效率低、人工成本較高。而目前國(guó)內(nèi)外還未出現(xiàn)專門針對(duì)菠蘿采收和運(yùn)輸?shù)霓r(nóng)業(yè)機(jī)械。為此，研發(fā)省力化運(yùn)輸車，對(duì)實(shí)現(xiàn)菠蘿產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、推動(dòng)菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度及減少成本等都有重要的意義[1-2]。

1現(xiàn)狀與展望

1.1菠蘿采摘機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家雖然使用了運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備，但并非為菠蘿采摘、運(yùn)輸?shù)膶Ｓ脵C(jī)械運(yùn)輸設(shè)備。絕大部分發(fā)展中國(guó)家仍采用純?nèi)斯み\(yùn)輸?shù)姆绞交蛳韧ㄟ^(guò)人工采摘果品再使用田外運(yùn)輸機(jī)械運(yùn)輸?shù)姆绞剑野l(fā)展中國(guó)家絕大多數(shù)果農(nóng)沒有購(gòu)買大型采摘機(jī)和運(yùn)輸車的經(jīng)濟(jì)條件。同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家的菠蘿種植嚴(yán)格根據(jù)作業(yè)機(jī)械的特性來(lái)科學(xué)規(guī)劃的，因此植株高度，間距合理，適合大型機(jī)械作業(yè)，而發(fā)展中國(guó)家的菠蘿種植缺乏規(guī)劃，植株高度不一，種植密度大，一般的菠蘿運(yùn)輸車難以進(jìn)入以及自由穿梭作業(yè)，同時(shí)亦容易對(duì)菠蘿植株造成傷害，機(jī)械采摘難度較大[3-5]。為此，研發(fā)一種能適用于發(fā)展中國(guó)家的菠蘿種植特點(diǎn)，具有實(shí)際使用效益的采摘運(yùn)輸車是非常有必要的。

1.2運(yùn)輸車底盤類型發(fā)展現(xiàn)狀

為了使菠蘿運(yùn)輸車能夠適用于菠蘿地的地形特點(diǎn)，采用合適的運(yùn)輸車底盤是十分有必要的。目前，用于山地丘陵果園的運(yùn)輸機(jī)械主要分為輪式運(yùn)輸機(jī)、履帶式運(yùn)輸機(jī)及履帶輪式運(yùn)輸機(jī)3種類型。輪式運(yùn)輸機(jī)是一種介于汽車和拖拉機(jī)之間的運(yùn)輸機(jī)械，主要適用于運(yùn)輸路程短、運(yùn)輸路況較差的緩丘陵地帶，且有載重能力和靈活性較強(qiáng)、易于操作、運(yùn)行速度慢及價(jià)格較低等特點(diǎn)；但爬坡度較小。履帶式運(yùn)輸機(jī)操作方便、適應(yīng)性好、橡膠履帶附著力強(qiáng)、可在多石地、濕軟的地面上行駛并有較好的越障能力；但成本較高，需預(yù)先鋪設(shè)道路系統(tǒng)，運(yùn)輸速度較慢。履帶輪式運(yùn)輸車可在凹凸起伏、地形復(fù)雜的丘陵山地上平穩(wěn)路過(guò)，具有較大的接地面積和牽引力，適應(yīng)性更強(qiáng)，應(yīng)用場(chǎng)合廣，雖然融合了輪式運(yùn)輸機(jī)和履帶式運(yùn)輸機(jī)的優(yōu)點(diǎn)；但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可更換履帶輪轉(zhuǎn)換技術(shù)也需要進(jìn)一步研究[6]。

綜合考慮各方面的問(wèn)題，本作品采用輪式運(yùn)輸機(jī)的形式，而且為了使為運(yùn)輸車適用于菠蘿的非機(jī)械化種植規(guī)劃、行株距窄、磚紅壤土地及植株高度不一等實(shí)際種植地形，所設(shè)計(jì)的運(yùn)輸車底盤離地間隙可調(diào)，從而大大提高運(yùn)輸車地形可通過(guò)性及行走安全性。

2設(shè)計(jì)與方法

2.1菠蘿運(yùn)輸車設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)結(jié)合菠蘿地的實(shí)際地形，設(shè)計(jì)了可調(diào)地隙的底盤升降結(jié)構(gòu)，提出了以下設(shè)計(jì)要求：①在菠蘿地中運(yùn)行有較好的通過(guò)性，能在坡度角θ約為11.3°(即坡度為20%)的田間自由穿梭作業(yè)；②具有一定的承載能力，適應(yīng)實(shí)際農(nóng)地運(yùn)輸作業(yè)；③優(yōu)化底盤結(jié)構(gòu)及整車結(jié)構(gòu)布置，使底盤在抗壓性、抗拉性和抗側(cè)翻性上都能符合使用要求。

該設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)為：平地最大載量1t，速度5～10km/h，整車質(zhì)量920kg,升降結(jié)構(gòu)最大張開角度60°，最大升降高度525mm，最小轉(zhuǎn)向圓直徑不大于11m，在各種載荷工況下都具備較好的抗側(cè)翻性能[7]。

2.2整車的布置與設(shè)計(jì)

可調(diào)地隙的菠蘿運(yùn)輸車除了具有菠蘿地平順安全的行駛能力之外，還需要在高載重下進(jìn)行工作。因此，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求上，不僅需要布局合理且結(jié)構(gòu)緊湊，而且應(yīng)該確保有足夠大的驅(qū)動(dòng)力從而獲得較好的承載運(yùn)輸性能[8]。整車的基本參數(shù)如表1所示。

表1　整車參數(shù)

2.2.1去除車橋的行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用精簡(jiǎn)化的行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)，行走系整體由車架底部、輪胎及剪叉式液壓升降桿等組成。該設(shè)計(jì)取消了車橋的設(shè)置，通過(guò)對(duì)升降桿的控制來(lái)改變車架重心，大大提高了菠蘿運(yùn)輸車在菠蘿地的可通過(guò)性。

2.2.2輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力模型

采用“汽油發(fā)電—蓄電池—電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪”的混合動(dòng)力模式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸。一方面，采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，使運(yùn)輸車具有超低轉(zhuǎn)速輸出性能和足夠大的驅(qū)動(dòng)力；同時(shí)，能夠省略大量的傳動(dòng)部件，讓運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。相較于傳統(tǒng)車輛來(lái)說(shuō)，輪轂電機(jī)不需要加裝離合器、變速器、傳動(dòng)軸、差速器乃至分動(dòng)器，大大減輕了整車質(zhì)量以及簡(jiǎn)化了車輛結(jié)構(gòu)。其次，采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)使得運(yùn)輸車可以獲得更好的空間利用率，提高了傳動(dòng)效率。另一方面，由于輪轂電機(jī)具備單個(gè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的特性，可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)各種不同的驅(qū)動(dòng)形式；而且輪轂電機(jī)可以通過(guò)左右車輪的差速來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的差動(dòng)轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，甚至可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，對(duì)于菠蘿運(yùn)輸車來(lái)說(shuō)很有價(jià)值[9-10]。

2.3離地間隙可調(diào)的底盤設(shè)計(jì)

底盤的離地間隙可調(diào)是通過(guò)采用剪叉式升降桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的，改善了升降臺(tái)起升的穩(wěn)定性和承載能力。另外，升降機(jī)工作臺(tái)面均可設(shè)置操作按鈕實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制。具體設(shè)計(jì)思路為：在車架上方水平放置液壓桿，添加推力使剪叉機(jī)構(gòu)上部?jī)蓷U之間橫向距離縮小或收力，從而使橫向距離增大以實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)升降。該設(shè)計(jì)解決了液壓桿放置空間的難題，使其傳統(tǒng)液壓桿的縱向推動(dòng)改為橫向推動(dòng)。通過(guò)該設(shè)計(jì)，節(jié)省了液壓桿布置的空間，優(yōu)化了整車結(jié)構(gòu)的布置。

菠蘿運(yùn)輸車的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.凸臺(tái)　2.車廂　3.發(fā)電機(jī)　4.蓄電池　5.車架頂部

3模型構(gòu)造及性能分析

利用SolidWorks三維實(shí)體建模軟件對(duì)整車底盤行走系、傳動(dòng)轉(zhuǎn)向系、車廂和其他附件4部分建立三維實(shí)體模型；每個(gè)部分都先由各自的零件組裝，再進(jìn)行整車的裝配；在裝配完成后再進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)力分析，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)要求。

基于SolidWorks三維實(shí)體建模軟件建立的三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2　整車三維模型

3.1橫梁受力安全性分析

本車橫梁采用材料鋁合金6061鋁合金，限定載重1 000kg，取安全系數(shù)為2，滿載時(shí)橫梁受力F=10 000N。

當(dāng)安全系數(shù)大于2時(shí)，證明車架是安全的。其中，安全系數(shù)=最大極限應(yīng)力(屈強(qiáng)比)除以車架實(shí)際收到最大的應(yīng)力。進(jìn)行SolidWorks靜應(yīng)力分析，得出車架應(yīng)力分布圖及受到的最大應(yīng)力，如圖3所示。

圖3　車架屈服力分析

運(yùn)輸車架受力面積為(1.375×104+2.261 2×104)×6+2.649×105=4.83×105mm2。

根據(jù)Simulation Xpress軟件分析得到車架的von miles應(yīng)力圖并得出安全系數(shù)是34.965 1，遠(yuǎn)大于規(guī)定的安全系數(shù)2， 故得出結(jié)論：本設(shè)計(jì)運(yùn)輸車架校核安全。

3.2剪叉式升降平臺(tái)分析

為了解剪叉式升降平臺(tái)的性能，我們需要對(duì)剪叉式升降平臺(tái)進(jìn)行位置參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、受力及強(qiáng)度分析。

3.2.1剪叉式升降平臺(tái)位置參數(shù)分析

剪叉式升降機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4中：H為任意位置時(shí)升降平臺(tái)的高度；C為任意位置時(shí)鉸接點(diǎn)B到液壓鉸接點(diǎn)G的距離；L為支撐桿的長(zhǎng)度；l為支撐桿固定鉸支點(diǎn)A到鉸接點(diǎn)F的距離；h為M到G的距離；α為支撐桿與水平線的夾角；β為活塞桿與水平線的夾角。

圖4　剪叉式升降機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

其中，GM方向?yàn)樨Q直向上并保持不變。

由勾股定理得

h2+MB2=C2

H2+MB2=L2

結(jié)合上述兩式得

C2-h2=L2-H2

(1)

設(shè)λ=C/C0,θ=H/H0，代入式(1)得

(2)

式中H0—升降平臺(tái)的初始高度；

C0—液壓缸初始長(zhǎng)度。

3.2.2剪叉式升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析

剪叉式升降機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5　剪叉式升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖5中，v1是B點(diǎn)的絕對(duì)速度，v是液壓缸活塞平均相對(duì)速度，v2是升降平臺(tái)升降速度。由圖5可得

v1cosα=v2

(3)

v1sin(α+β)=v

(4)

結(jié)合式(3)、式(4)得

(5)

由于實(shí)際上菠蘿車的液壓裝置是水平放置的，所以取β=0，則式(2)、式(5)變成

(6)

(7)

由上述公式可以通過(guò)t=(H-H0)/v2算出升降臺(tái)由初始高度升至最大高度的時(shí)間。

3.2.3剪叉式升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)的受力分析

剪叉式升降機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6　剪叉式升降機(jī)構(gòu)受力圖

圖6中，P為負(fù)載，F(xiàn)和F′是液壓缸作用于剪叉桿的大小相等方向相反的力，N1和N2是支撐剪叉桿的力，P2為負(fù)載的分力，F(xiàn)1為左桿作用于右桿的力。

由圖1可得

(8)

由圖2可得

N1=P2，F(xiàn)1=F′

F′(L-1)sinα=N1Lcosα

(9)

結(jié)合式(8)、式(9)得

當(dāng)α增大時(shí)，液壓缸的負(fù)荷減小；反之增大。

代入數(shù)據(jù)得F'=1 517.18N～4 827.40N 。

液壓缸受到的總力為6F'=9 103.08～28 964.38N。

在滿足升降行程和整體結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，選取較高的α初始值，在整個(gè)機(jī)構(gòu)中AB桿是主要受力部件，應(yīng)對(duì)其重點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2.4剪叉桿的強(qiáng)度分析

假設(shè)每個(gè)剪叉桿受力大小相同，α最小值為25.43°，利用SolidWorks對(duì)AB桿進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得出AB桿的應(yīng)力圖并根據(jù)應(yīng)力圖(見圖7)算得實(shí)際安全系數(shù)為123遠(yuǎn)大于規(guī)定安全系數(shù)2，所以AB桿是安全的。

圖7　剪叉桿強(qiáng)度校核

3.3整車抗側(cè)翻性能分析

設(shè)運(yùn)輸車重心離地面高度為h,輪距為d，運(yùn)輸車模型如圖8所示。

設(shè)使運(yùn)輸車發(fā)生側(cè)翻的臨界速度是v翻，當(dāng)運(yùn)輸車在平直路面沿直線行駛時(shí)，兩邊車輪受到地面的彈力相等。當(dāng)運(yùn)輸車做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果以運(yùn)輸車本身為參考系來(lái)研究，此參考系為非慣性系，運(yùn)輸車還受到與參考系的加速度方向相反的慣性力的作用(也稱為慣性離心力，是虛擬的一個(gè)力，實(shí)際并不存在)，可認(rèn)為該慣性力作用在整車的重心上，方向水平向外。此慣性力對(duì)軸產(chǎn)生了力矩，為了保持力矩的平衡，路面對(duì)外側(cè)輪胎的支持力大于對(duì)內(nèi)側(cè)輪胎的支持力。當(dāng)運(yùn)輸車恰要側(cè)翻時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪恰要離開地面，支持力為0，受力如圖8所示[11]。

圖8　運(yùn)輸車物理模型

以外側(cè)車輪與地面接觸點(diǎn)連線為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，則由力矩平衡可得

整車所受慣性力為

由上式可得

可見，輪距越大，重心就越低，轉(zhuǎn)彎半徑就越大，從而導(dǎo)致翻車的臨界速度就越大，越不容易翻車。

由以上公式和數(shù)據(jù)可算出兩種情況下的最大側(cè)翻速度分別為重心離地高度最低時(shí)(h=h1),v翻≈10.35m/s≈37.26km/h；重心離地高度最高時(shí)(h=h2),v翻≈8.86/s≈31.90km/h。

當(dāng)運(yùn)輸車在角度為θ的斜坡上作業(yè)時(shí)，路面支持力和運(yùn)輸車重力的合力充當(dāng)向心力。當(dāng)該合力恰好提供向心力時(shí)，則有

所以當(dāng)運(yùn)輸車以vm通過(guò)此處彎道時(shí)，地面對(duì)車輪沒有側(cè)向摩擦力，運(yùn)輸車比較安全。

由以上公式和數(shù)據(jù)可算出兩種情況下的最大側(cè)翻速度為vm≈3.28m/s ≈11.808km/h。

由計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)的要求可知：運(yùn)輸車在平地上和在坡度為20%的斜坡上作業(yè)時(shí)的臨界側(cè)翻速度均大于運(yùn)輸車的平均速度5～10km/h，所以運(yùn)輸車正常工作時(shí)不易出現(xiàn)側(cè)翻，即該設(shè)計(jì)能夠較好地提高運(yùn)輸車的抗側(cè)翻性能。

基于以上的抗側(cè)翻分析，用比例為4/15的模型和角度傳感器及托板等試驗(yàn)材料進(jìn)行了抗側(cè)翻試驗(yàn)，模型的參數(shù)如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)得出的結(jié)果可知：重心最低時(shí)的最大側(cè)翻角度為62.61°，重心最高時(shí)的最大側(cè)翻角度為54.52°，這個(gè)角度遠(yuǎn)大于正常的山地坡度。由此可以得出，整車在11.3°的坡度工作時(shí)不易產(chǎn)生側(cè)翻，該設(shè)計(jì)能夠較好地提高運(yùn)輸車的抗側(cè)翻性能。

表2　模型參數(shù)

圖9　抗側(cè)翻實(shí)驗(yàn)圖

4結(jié)論

1)根據(jù)菠蘿種植地的特點(diǎn)，為解決傳統(tǒng)菠蘿運(yùn)輸車通過(guò)性和穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，對(duì)整車布局提出了可行的設(shè)計(jì)方案。

2)建立了整車三維實(shí)體模型，對(duì)各部分組件進(jìn)行虛擬裝配后并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，使設(shè)計(jì)符合技術(shù)要求，提高了整車通過(guò)性能和穩(wěn)定性能。

3)菠蘿運(yùn)輸車采用可調(diào)地隙的底盤結(jié)構(gòu)，不僅解決了傳統(tǒng)菠蘿車通過(guò)性差的問(wèn)題，也有效調(diào)節(jié)整車重心，防止了側(cè)翻，解決了其他傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)械的不足。

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Design and Research of Chassis of Pineapple Transporter with Plucking and Adjustable Ground Clearance

Wu Weibin, Feng Yunlin, Luo Kuo, Zhan Xiaozhi, Zeng Weipeng,Liao Jinwei, Lu Dihao, Huang Tao, Hong Tiansheng

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：At present, the harvest and transportation of pineapple in China are mainly depengding on artificial labor,which lacks mechanization, leading to the low production efficiency and the high labor cost. In order to promote the development of Chinese pineapple industry, realize the mechanization of the pineapple planting industry, improve the efficiency of pineapple transportation as well as reduce the orchardist’s laboring intensity, our team designed a type of pineapple transporter with plucking and adjustable to gap.Based on the field investigation data , we designed a kind of new frame and new carriage structure to make the transporter meet the need of pineapple planting industry.With SolidWorks 3d modeling and motion simulation, using SolidWorks Simulation software to study the car beam, frame and lifting mechanism by finite element stress method,we check the rationality of the design and optimize organization structure of the design.The pivotal technology is using hydraulic scissor lift structure to meet the need of adjustable ground clearance of pineapple transporter, and using gasoline-electric hybrid provides driving force in order to simplify the transmission and reduce the fuel consumption.

Key words：work in pineapple orchards； adjustable ground-clearance； chassis of pineapple transporter

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0132-06

中圖分類號(hào)：S229+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：吳偉斌(1978-)，男，廣東中山人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wuweubin@scau.edu.cn。通訊作者：洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)thong@scau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410564025)

收稿日期：2015-04-10