山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)

李　震，洪添勝，孫同彪，歐陽玉平，羅瑜清

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a 電子工程學(xué)院，b 工程學(xué)院，廣東 廣州510642；2 國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州510642；3 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)

李震1a,2,3，洪添勝1b,2，孫同彪1b,2，歐陽玉平1b,2，羅瑜清1b,2

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a 電子工程學(xué)院，b 工程學(xué)院，廣東 廣州510642；2 國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州510642；3 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

[摘要]【目的】 設(shè)計(jì)和制作山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)，以降低山地果園運(yùn)輸作業(yè)的工作風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高運(yùn)輸效率?！痉椒ā?對(duì)由運(yùn)輸機(jī)和貨運(yùn)拖車組成的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)進(jìn)行爬坡受力分析，獲得滿足運(yùn)輸機(jī)構(gòu)爬坡要求的最小牽引力；設(shè)計(jì)和制作了運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、限位裝置等關(guān)鍵部件，并對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制器、電磁制動(dòng)裝置、蓄電池進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)制作以蓄電池為動(dòng)力、使用無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)。最后通過行駛速度、工作噪聲、電流損耗和蓄電池組續(xù)航能力試驗(yàn)，對(duì)運(yùn)輸機(jī)的工作效果進(jìn)行檢驗(yàn)?！窘Y(jié)果】 所設(shè)計(jì)制作的山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)可以搭載0～100 kg負(fù)載，在平地的行駛速度為0.60～0.58 m/s，行駛速度受裝載質(zhì)量影響較??；爬39°斜坡時(shí)的速度為0.45～0.28 m/s，行駛速度受裝載質(zhì)量影響較大；運(yùn)輸機(jī)工作時(shí)的最大噪聲為83.87 dB。選用的蓄電池組在滿充條件下，可支持運(yùn)輸機(jī)搭載100 kg負(fù)載爬坡行駛2 700 m?！窘Y(jié)論】 設(shè)計(jì)制作的運(yùn)輸機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步的改進(jìn)中將通過引入變檔機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變速比可調(diào)，解決滿載爬坡時(shí)蓄電池輸出電流過大的問題。

[關(guān)鍵詞]山地果園；單軌運(yùn)輸機(jī)；蓄電池驅(qū)動(dòng)；農(nóng)業(yè)機(jī)械

發(fā)達(dá)國家的柑橘生產(chǎn)區(qū)域相對(duì)集中，橘園規(guī)模較大，機(jī)械化程度較高，規(guī)模效益明顯[1]。我國南方柑橘生產(chǎn)的立地條件多為山地和丘陵，種植和采收過程中農(nóng)資物料和果品的運(yùn)輸以人力為主，生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著勞動(dòng)力的日益緊缺，柑橘等山地果品生產(chǎn)過程中機(jī)械化運(yùn)輸?shù)淖饔萌遮咉w現(xiàn)[2-4]。

山地果園的地形地貌特征為坡度陡、山路曲折迂回、彎曲處密集，難以開展機(jī)械化運(yùn)輸作業(yè)。近年來，我國山地果園機(jī)械化運(yùn)輸技術(shù)取得了較大的發(fā)展。國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室研制了山地果園鏈?zhǔn)窖h(huán)貨運(yùn)索道[5-7]、鋼絲繩牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)[8]、自走式雙軌道山地果園運(yùn)輸機(jī)[9]、遙控單軌運(yùn)輸機(jī)[10-11]、自走式履帶運(yùn)輸車[12]等一系列適合我國山地果園作業(yè)的機(jī)械化運(yùn)輸裝備，除運(yùn)送采摘的水果，還可以運(yùn)送肥料和農(nóng)藥等農(nóng)用物資，并可以搭載其他作業(yè)機(jī)具，有效提高了我國山地果園物品運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械化水平。在已有的山地果園運(yùn)輸機(jī)械中，單軌運(yùn)輸機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、軌道鋪設(shè)靈活、安裝及操作性能好等特點(diǎn)，在山地果園機(jī)械化運(yùn)輸中的應(yīng)用較為廣泛[13-14]。

現(xiàn)有的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)多以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力，在啟停時(shí)需人工操作，為了能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的緊急情況，要求操作人員乘坐運(yùn)輸機(jī)或跟隨運(yùn)輸機(jī)在果園中穿梭，導(dǎo)致操作人員的工作風(fēng)險(xiǎn)較大、勞動(dòng)強(qiáng)度較高。通過遙控或自動(dòng)控制運(yùn)輸機(jī)工作，則能夠降低操作人員的工作風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，但在已有的以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)遙控或自動(dòng)控制，則還需要設(shè)計(jì)和制作較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，且成本升高，維護(hù)難度增大，不利于推廣應(yīng)用。

電動(dòng)機(jī)啟停簡單，易于開發(fā)遙控和自動(dòng)控制系統(tǒng)，將其作為山地果園運(yùn)輸裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢(shì)。本研究在已有的以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行研制和選型，設(shè)計(jì)和制作試驗(yàn)樣機(jī)并檢驗(yàn)其工作效果，以期降低山地果園運(yùn)輸作業(yè)的工作風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高運(yùn)輸機(jī)的自動(dòng)化水平和運(yùn)輸效率。

1運(yùn)輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[15]。該系統(tǒng)主要由運(yùn)輸機(jī)、貨運(yùn)拖車和軌道組成。軌道通過軌道支撐架沿果園山坡鋪設(shè)，軌道下方具有嚙合齒節(jié)；運(yùn)輸機(jī)和貨運(yùn)拖車均騎跨在軌道上方。貨運(yùn)拖車與運(yùn)輸機(jī)通過連接機(jī)構(gòu)連接，由運(yùn)輸機(jī)拖動(dòng)或推動(dòng)拖車行走。運(yùn)輸機(jī)包括主機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、傳動(dòng)裝置、導(dǎo)向夾緊輪、制動(dòng)器和控制系統(tǒng)等。貨運(yùn)拖車由不銹鋼管焊接而成，主要由車架、防側(cè)倒裝置和位于拖車底部的4個(gè)滾輪組成，防側(cè)倒裝置和滾輪通過螺栓與拖車連接在一起。

1.2工作原理

運(yùn)輸機(jī)以蓄電池為動(dòng)力，由控制系統(tǒng)控制直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)上的鏈輪通過主動(dòng)鏈條將動(dòng)力傳遞給蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速箱的主鏈輪，減速箱的副鏈輪通過從動(dòng)鏈條將動(dòng)力傳遞給運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪；驅(qū)動(dòng)鏈輪通過驅(qū)動(dòng)輪軸與主驅(qū)動(dòng)輪相接，主驅(qū)動(dòng)輪采用圓周分布的圓柱滾子與軌道齒條相嚙合，隨驅(qū)動(dòng)鏈輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)運(yùn)輸機(jī)行走。

運(yùn)輸機(jī)主機(jī)架前后兩端安裝有行程開關(guān)，軌道兩端安裝了輔助停車擋板，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)行走至軌道兩端時(shí)，安裝在車體上的行程開關(guān)觸碰擋板，行程開關(guān)的通斷向運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)斷電和電磁式失電制動(dòng)器制動(dòng)。

圖 1山地果園遙控電動(dòng)單軌運(yùn)輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.運(yùn)輸機(jī)；2.電池箱；3.控制系統(tǒng)；4.電動(dòng)機(jī)；5.制動(dòng)器；6.連接機(jī)構(gòu)；7.貨運(yùn)拖車；

8.防側(cè)倒裝置；9.軌道；10.導(dǎo)向夾緊輪；11.傳動(dòng)裝置；12.軌道支撐架；13.軌道齒條

Fig.1Structure of the remote control electric-drive monorail transportation system for mountain orchard

1.Transporter；2.Battery box；3.Control system；4.Electric motor；5.Brake；6.Connector；7.Cargo trailer；

8. Side falling prevention device；9.Trail；10. Clamping wheel；11.Transmission device；12.Trail support frame；13.Trail rack

控制系統(tǒng)可接收來自運(yùn)輸機(jī)上的按鍵或遙控器的控制信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)控制直流電動(dòng)機(jī)的啟停、正/反轉(zhuǎn)以及電磁式失電制動(dòng)器的制動(dòng)和解除等工作。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過其正常運(yùn)行速度的上限時(shí)，啟動(dòng)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

除收獲時(shí)運(yùn)送采摘的果品外，運(yùn)輸系統(tǒng)日常作業(yè)主要是運(yùn)送化肥和農(nóng)藥等物資，也可以搭載樹枝修剪機(jī)和噴霧機(jī)等裝置。根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸需要以及橘園的地形地貌條件，確定山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。其中工作噪聲指標(biāo)參照國標(biāo)(GB 6376)規(guī)定的44.1 kW及以下拖拉機(jī)機(jī)室外動(dòng)態(tài)環(huán)境噪聲設(shè)計(jì)，限值為86 dB[16]。

表 1　設(shè)計(jì)運(yùn)輸機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2爬坡受力分析

對(duì)由運(yùn)輸機(jī)和貨運(yùn)托車組成的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以指導(dǎo)電動(dòng)機(jī)選型。在實(shí)際應(yīng)用中，沿山地果園地形安裝的軌道坡度一般小于40°，水平彎曲較小。研究中將運(yùn)輸機(jī)構(gòu)簡化為質(zhì)點(diǎn)O，忽略空氣阻力和驅(qū)動(dòng)輪與軌道側(cè)邊的摩擦。運(yùn)輸機(jī)構(gòu)在勻速爬坡時(shí)主要受到自身重力、牽引力和齒輪嚙合摩擦力的作用，受力情況如圖2所示。

運(yùn)輸機(jī)構(gòu)在勻速爬坡時(shí)的受力分析為[11]：

(μMgcos40°+Mgsin40°)/k。

(1)

3運(yùn)輸機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

單軌運(yùn)輸機(jī)應(yīng)用齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)，具有驅(qū)動(dòng)力大、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，在以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的山地果園單軌運(yùn)輸系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。借鑒汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)式單軌運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)思路和嚙合方式[17]，山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪采用圓周分布的圓柱滾子與軌道嚙合齒相嚙合，以帶動(dòng)運(yùn)輸機(jī)行走的驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)軌道嚙合齒的間距，本研究設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪上設(shè)置有12個(gè)圓柱滾子，其中2對(duì)滾子沿直徑相對(duì)，其間的距離即驅(qū)動(dòng)輪有效直徑d=12 cm，具體如圖3所示，

圖 2　運(yùn)輸機(jī)構(gòu)爬坡受力分析

圖 3　運(yùn)輸機(jī)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)

3.2運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)裝置

運(yùn)輸機(jī)的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)和實(shí)物如圖4所示。該傳動(dòng)裝置使用了兩級(jí)鏈傳動(dòng)和一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，根據(jù)文獻(xiàn)[18]，鏈傳動(dòng)的效率為0.91，蝸輪蝸桿傳動(dòng)的效率為0.77，傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率η為：η=0.91×0.91×0.77=0.64。

傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比i為：

i=i1×i2×i3，

(2)

(3)

(4)

式中：i1為1、2鏈輪之間的傳動(dòng)比(一級(jí)鏈傳動(dòng)比)；i2為3、4鏈輪之間的傳動(dòng)比(二級(jí)鏈傳動(dòng)比)；i3為蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，i3=0.1；z1為鏈輪1的齒數(shù)，z1=12；z2為鏈輪2的齒數(shù)，z2=13；z3為鏈輪3的齒數(shù)，z3=27；z4為鏈輪4的齒數(shù)，z4=18。

將齒輪z1～z4代入式(3)、(4)，得i1=0.923，i2=1.500，則總傳動(dòng)比i=0.138。

圖 4　運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)與實(shí)物

3.3電動(dòng)機(jī)及控制器

運(yùn)輸機(jī)爬坡時(shí)的功耗為：

(5)

對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的要求為：

(6)

式中：R為電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速，r/min；v1為運(yùn)輸機(jī)最大平地運(yùn)行速度，0.8 m/s；i為總傳動(dòng)比，0.138；d為驅(qū)動(dòng)輪有效直徑，0.12 m。

則計(jì)算可得電動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速R=923 r/min。

根據(jù)運(yùn)輸機(jī)爬坡時(shí)的功耗，考慮直流電動(dòng)機(jī)自重對(duì)運(yùn)輸機(jī)整機(jī)質(zhì)量和功耗的影響，選用BM1418ZXF型無刷直流電動(dòng)機(jī)(浙江尤奈特電機(jī)有限公司，浙江永康)，該機(jī)的額定電壓為48 V、額定功率為500 W，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。

電動(dòng)機(jī)控制器采用與電動(dòng)機(jī)配套的無刷直流電機(jī)控制器(FSBWZK124830-3KD-C，浙江尤奈特電機(jī)有限公司，浙江永康)，用于控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

3.4電磁制動(dòng)裝置

運(yùn)輸車在保證渦輪蝸桿減速器工作在自鎖有效狀態(tài)的同時(shí)，加裝了電磁制動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)在坡度軌道上的制動(dòng)和下坡時(shí)的速度可調(diào)。選用的電磁制動(dòng)裝置為可手動(dòng)解除制動(dòng)狀態(tài)的電磁斷電型抱閘制動(dòng)器(DHD4，騰訊機(jī)電有限公司，浙江諸暨)，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)軸與制動(dòng)器的制動(dòng)盤通過花鍵配合方式連接，制動(dòng)器斷電時(shí)，制動(dòng)器銜鐵夾緊與電動(dòng)機(jī)制動(dòng)軸相聯(lián)的制動(dòng)盤以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)的制動(dòng)，通過解除制動(dòng)扳手可以手動(dòng)解除運(yùn)輸機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)；制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為40 N·m，在運(yùn)輸機(jī)超載時(shí)仍有較大的力矩余量，以提高運(yùn)輸機(jī)的工作安全性。

3.5蓄電池組

運(yùn)輸機(jī)的蓄電池需滿足3個(gè)要求：1)高容量、高功率，大電流性能較好；2)價(jià)格低、循環(huán)壽命長且容量衰減??；3)體積小、質(zhì)量輕。鉛酸蓄電池技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，價(jià)格較低，適合作為運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力源。由于選型的無刷直流電動(dòng)機(jī)額定工作電壓為48 V，而市場(chǎng)上常見的蓄電池充電設(shè)備支持的電池電壓為12 V，本研究選用4塊額定電壓為12 V的鉛酸蓄電池串聯(lián)為蓄電池組。

運(yùn)輸機(jī)爬坡時(shí)的功耗為433 W，按照每天工作3 h計(jì)算，需要的電能為1.299 kW·h。蓄電池電量計(jì)算為：1.299 kW·h/48V=27.0 Ah。據(jù)此，選用市場(chǎng)上常見的12 V(28 Ah)鉛酸蓄電池串聯(lián)為蓄電池組，作為運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力源。

3.6限位裝置

為防止運(yùn)輸機(jī)行駛到軌道末端時(shí)脫軌，本研究設(shè)計(jì)了限位裝置如圖5所示。限位裝置由行程開關(guān)及限位檔桿組成，行程開關(guān)安裝于運(yùn)輸機(jī)的下方，限位檔桿安裝在軌道始末兩端。在行駛過程中，當(dāng)限位開關(guān)與限位檔桿接觸時(shí)，限位開關(guān)閉合，運(yùn)輸機(jī)上的控制系統(tǒng)通過電動(dòng)機(jī)控制器使無刷直流電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)施制動(dòng)，令運(yùn)輸機(jī)停止行駛。

4運(yùn)輸機(jī)工作效果測(cè)試

4.1測(cè)試場(chǎng)地與材料

試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)柑橘園進(jìn)行，平地測(cè)試距離為30 m，受場(chǎng)地條件限制，軌道平地段鋪設(shè)成半徑為5 m的圓弧形[19-20]；由于該半徑已大于運(yùn)輸機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑，可近似認(rèn)為運(yùn)輸機(jī)是沿直線行駛[11]。模擬山坡地形架設(shè)坡度為39°的直行軌道用于運(yùn)輸機(jī)爬坡測(cè)試，爬坡測(cè)試距離為15 m，如圖6所示。

圖 5　軌道限位裝置的安裝

圖 6　模擬山坡地形架設(shè)的直行軌道

試驗(yàn)條件為：運(yùn)輸機(jī)及貨運(yùn)拖車的聯(lián)合自重約75 kg，試驗(yàn)負(fù)載為密封水桶，單桶最大盛水量15 kg，試驗(yàn)時(shí)忽略水桶的自重；負(fù)載變化范圍0～100 kg，以10 kg為單位遞增，設(shè)計(jì)0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100共11種負(fù)載質(zhì)量，負(fù)載0 kg時(shí)為空載，負(fù)載100 kg時(shí)為滿載；每次試驗(yàn)時(shí)蓄電池組均充滿電。

4.2行駛速度測(cè)試

設(shè)定電機(jī)控制器，使直流電動(dòng)機(jī)工作在允許的最高轉(zhuǎn)速；利用秒表(Casio HS-30W，深圳市伊商信電子科技有限公司，深圳)測(cè)量貨運(yùn)拖車搭載不同質(zhì)量負(fù)載條件下，運(yùn)輸機(jī)平地和爬坡行駛固定距離所需的時(shí)間，用行駛距離除以時(shí)間計(jì)算平均行駛速度。每種負(fù)載條件進(jìn)行5次試驗(yàn)，取5次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果。對(duì)裝載質(zhì)量和運(yùn)輸機(jī)在平地和爬坡時(shí)的平均行駛速度進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算相關(guān)系數(shù)的平方(R2)，檢驗(yàn)行駛速度與裝載質(zhì)量間的相關(guān)性。不同負(fù)載條件下運(yùn)輸機(jī)行駛速度的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表 2　山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)不同負(fù)載時(shí)的行駛速度

由表2可知，運(yùn)輸機(jī)及貨運(yùn)拖車搭載0～100 kg負(fù)載時(shí)的平地行駛速度基本穩(wěn)定在0.60 m/s，爬坡時(shí)的最小行駛速度為0.28 m/s，滿足表1中運(yùn)輸機(jī)行駛速度的設(shè)計(jì)要求；平地行駛時(shí)，運(yùn)輸機(jī)在空載和滿載條件下的行駛速度分別為0.60和 0.58 m/s，裝載質(zhì)量與行駛速度間的R2為0.847 0，說明行駛速度受裝載質(zhì)量影響較?。慌榔聲r(shí)，運(yùn)輸機(jī)在空載和滿載條件下的行駛速度分別為0.45 和0.28 m/s，裝載質(zhì)量與行駛速度間的R2為0.956 2，說明行駛速度受裝載質(zhì)量影響較大。

4.3工作噪聲測(cè)試

直流電動(dòng)機(jī)工作在允許的最高轉(zhuǎn)速，利用噪聲計(jì)(824A，深圳市勝利高電子科技有限公司，深圳)測(cè)量環(huán)境噪聲及貨運(yùn)拖車滿載條件下運(yùn)輸機(jī)在平地行駛和爬坡時(shí)的工作噪聲，以5次測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果。結(jié)果表明，運(yùn)輸機(jī)在平地運(yùn)行時(shí)的工作噪聲為77.57 dB，爬坡時(shí)的工作噪聲為83.87 dB，均低于國標(biāo)(GB 6376)規(guī)定的44.1 kW及以下拖拉機(jī)機(jī)外動(dòng)態(tài)環(huán)境噪聲限值86 dB，滿足表1中工作噪聲的設(shè)計(jì)要求。

4.4電流損耗測(cè)試

直流電動(dòng)機(jī)工作在允許的最高轉(zhuǎn)速，運(yùn)輸機(jī)及貨運(yùn)拖車從軌道的平地端開始運(yùn)行，爬坡至頂端后停止，試驗(yàn)中貨運(yùn)拖車分別搭載0，50和100 kg的負(fù)載。在蓄電池的輸出端串聯(lián)電流感應(yīng)傳感器(ACS712ELC-20A，Allegro Microsystems LLC，美國)，采用數(shù)字萬用表(Keithly 2700，Keithley Instruments Inc.，美國)測(cè)量貨運(yùn)拖車搭載不同負(fù)載時(shí)電流感應(yīng)傳感器的輸出電壓，按照下式換算為輸出電流[21]，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

Io=10×(Vo-2.5)。

(7)

式中：Vo為電流感應(yīng)傳感器的輸出電壓，V；Io為蓄電池的輸出電流，A。

圖 7　運(yùn)輸機(jī)平地行駛和爬坡時(shí)蓄電池的輸出電流

如圖7所示，試驗(yàn)的0～60 s運(yùn)輸機(jī)在平地行駛，60～80 s為平地到爬坡的過渡階段，80 s后為爬坡階段。由圖7可以看出，運(yùn)輸機(jī)在平地行駛時(shí)，隨著裝載質(zhì)量的增加，蓄電池輸出的電流有所增加，但3條曲線差別不明顯；在過渡階段，由于運(yùn)輸機(jī)的慣性作用和軌道坡度逐漸增加到39°，蓄電池輸出的電流增加比較緩慢，3條曲線也未出現(xiàn)明顯分化；當(dāng)軌道坡度達(dá)到39°后，蓄電池輸出的電流迅速增加，裝載質(zhì)量越大，輸出電流的增加速度越快；當(dāng)裝載質(zhì)量為100 kg，運(yùn)輸機(jī)完全依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)爬坡時(shí)，蓄電池輸出的電流超過20 A，試驗(yàn)中選用的電流感應(yīng)傳感器輸出達(dá)到飽和，說明此時(shí)蓄電池的輸出電流過大。

4.5蓄電池組續(xù)航能力測(cè)試

直流電動(dòng)機(jī)工作在允許的最高轉(zhuǎn)速，運(yùn)輸機(jī)和貨運(yùn)拖車搭載100 kg負(fù)載從軌道坡度段底端行駛至頂端，松開電池制動(dòng)器，讓運(yùn)輸機(jī)依靠自身重力回落至軌道底端，記錄蓄電池?zé)o法為運(yùn)輸機(jī)爬坡提供足夠的電流前運(yùn)輸機(jī)爬坡的次數(shù)，重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，以3次試驗(yàn)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)表明，蓄電池組一次充滿電可支持運(yùn)輸機(jī)爬坡約180次，爬坡行駛距離約2 700 m。因此，在山地果園實(shí)際軌道長度為100～200 m、運(yùn)輸機(jī)搭載100 kg負(fù)載的條件下，蓄電池組充滿電的條件下可支持運(yùn)輸機(jī)爬坡 13～27次。

5結(jié)論

本研究在已有的以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制作了山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)，通過行駛速度、工作噪聲、電流損耗和蓄電池組續(xù)航能力等4個(gè)測(cè)試試驗(yàn)，檢驗(yàn)了運(yùn)輸機(jī)的工作效果，得到以下結(jié)論：

1)運(yùn)輸機(jī)及貨運(yùn)拖車的聯(lián)合質(zhì)量約為75 kg，無刷直流電動(dòng)機(jī)功率為500 W，貨運(yùn)拖車搭載質(zhì)量為100 kg的負(fù)載在平地運(yùn)行和爬39°斜坡時(shí)的行駛速度分別為0.58和0.28 m/s，運(yùn)輸機(jī)工作時(shí)的最大噪聲為83.87 dB，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。選用的蓄電池組在充滿電的條件下，可支持運(yùn)輸機(jī)搭載100 kg負(fù)載爬坡行駛2 700 m。

2)運(yùn)輸機(jī)在平地行駛和爬坡時(shí)，裝載質(zhì)量與行駛速度間的R2分別為0.847 0和0.956 2，說明在平地行駛時(shí)速度受裝載質(zhì)量影響較小，而爬坡速度受裝載質(zhì)量影響較大。

3)電流損耗試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)搭載質(zhì)量為100 kg的負(fù)載爬坡時(shí)，蓄電池輸出電流超過20 A，長期工作在大電流輸出狀態(tài)將極大地縮短蓄電池壽命，且存在安全隱患。本試驗(yàn)中，該運(yùn)輸機(jī)的變速比是固定的，在進(jìn)一步的改進(jìn)中將通過引入變檔機(jī)構(gòu)，以解決滿載爬坡時(shí)蓄電池輸出電流過大的問題。

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Design of battery powered monorail transporter for mountainous orchard

LI Zhen1a,2,3,HONG Tian-sheng1b,2,SUN Tong-biao1b,2,OUYANG Yu-ping1b,2,LUO Yu-qing1b,2

(1 aCollegeofElectronicEngineering,bCollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510642,China;2GuangdongEngineeringResearchCenterforAgriculturalInformationMonitoring,Guangzhou,Guangdong510642,China;3DivisionofCitrusMachinery,ChinaAgricultureResearchSystem,Guangzhou,Guangdong510642,China)

Abstract:【Objective】 Battery powered monorail transporter for mountainous orchard was designed and developed to reduce operation risk and intensity in mountainous orchard transportation.【Method】 Climbing stress analysis was conducted on transportation facility with transporter and cargo trailer to calculate the minimum traction stress for the transporter to climb slope.Key components of the transporter including driving mechanism,transmission,and limiting facility were developed.Other components such as the brushless DC motor,the motor controller,the electromagnetic braking device,and the battery were selected.After fabrication,the battery powered monorail transporter using brushless DC motor was design and developed.The transporter’s working effect was tested through experiments on driving speed,working noise,current consumption and battery pack running ability.【Result】 The designed mountainous orchard battery powered monorail transporter had the driving speed of 0.60-0.58 m/s when running on the ground with the load weight of 0-100 kg.This speed was slightly affected by the load weight.The driving speed was 0.45-0.28 m/s when climbing a steep hill with an angle of 39°,and the speed was critically affected by load weight. The maximum working noise was 83.87 dB and the fully charged battery pack could support the transporter to run 2 700 m in climbing situation.【Conclusion】 Every technical indicator met the design requirements.A shift mechanism will be introduced to the transporter so that adjustable gear ratio could be achieved,which would solve the current overload problem in a full load situation.

Key words:Mountainous orchard;monorail transporter;battery powered;agricultural mechanization

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-05-0314:0510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.06.030

[收稿日期]2014-10-29

[基金項(xiàng)目]公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016)；廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(Yq2013028)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-27)

[作者簡介]李震(1981-)，男，廣東廣州人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用研究。

[通信作者]洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電一體化及信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究。

[中圖分類號(hào)]S229+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)06-0221-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160503.1405.060.html

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