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

劉 岳，李 震,，洪添勝，呂石磊，宋淑然，黃雙萍

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

劉 岳1,3,4,5，李 震1,3,4,5,※，洪添勝2,3,4,5，呂石磊1,3,4,5，宋淑然1,3,4,5，黃雙萍1,4,5

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642； 3. 國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣州 510642；4. 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；5. 廣州市農(nóng)情信息獲取與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

為解決將傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)所帶來的機(jī)械效率低的問題，該文設(shè)計(jì)了一種基于蝸輪蝸桿的雙路傳動(dòng)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈和鏈條傳動(dòng)鏈兩路并聯(lián)傳動(dòng)鏈傳遞動(dòng)力；兩路傳動(dòng)鏈之間相互獨(dú)立，根據(jù)運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)用STM32內(nèi)嵌控制程序?qū)﹄姶烹x合器狀態(tài)進(jìn)行切換。文中分析了該系統(tǒng)的傳動(dòng)原理、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及機(jī)械傳動(dòng)效率，設(shè)計(jì)輸出轉(zhuǎn)速為44～131.18 r/min。采用尤奈特MY1020ZXF-75048 V電機(jī)作為動(dòng)力源，4個(gè)12V40AH天能蓄電池串聯(lián)作為能源，由NMRV040減速器（海格爾控股有限公司）、超越離合器與各型鏈輪組成雙路并聯(lián)傳動(dòng)鏈，并運(yùn)用功率流分析法得出該系統(tǒng)平地與上坡運(yùn)行狀態(tài)下輸出扭矩為44.352 N·m、輸出轉(zhuǎn)速為86.318 r/min、輸出功率為609.31 W；下坡與反向運(yùn)行狀態(tài)下輸出扭矩為105.760 N×m、輸出轉(zhuǎn)速為28.953 r/min，輸出功率為487.342 W。結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)合了鏈傳動(dòng)的高效性與蝸輪蝸桿傳動(dòng)的自鎖優(yōu)勢(shì)，在平地與上坡運(yùn)行中理論機(jī)械效率為81.2%，下坡與反向運(yùn)行中理論機(jī)械效率為60.5%。該研究可為山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)提升機(jī)械效率提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；果園；運(yùn)輸；山地區(qū)域；單軌運(yùn)輸機(jī)；傳動(dòng)系統(tǒng)；機(jī)械效率；設(shè)計(jì)

0 引 言

中國柑橘等南方水果作物大多種植于山地丘陵，立地條件差，難以形成較完善的交通運(yùn)輸網(wǎng)，導(dǎo)致常規(guī)運(yùn)輸車難以在該環(huán)境下推廣使用[1-6]。近年來，為解決這一問題，加快推進(jìn)山地果園機(jī)械化進(jìn)程，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[7]、山地果園雙軌運(yùn)輸機(jī)[8]、山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)[9-10]、山地果園無軌運(yùn)輸機(jī)[11-12]等山地果園運(yùn)輸機(jī)械。其中山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、鋪設(shè)軌道靈活且對(duì)果園地形破壞最小、具有良好的延展性，不受地形因素影響，且轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(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)有的自走式山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)多采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)[15-16]，根據(jù)動(dòng)力源不同可以分為以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)和以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的單軌運(yùn)輸機(jī)2種[17]。為了控制單軌運(yùn)輸機(jī)下行速度，提升運(yùn)輸機(jī)的安全性，電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)多采用單一的蝸輪蝸桿傳動(dòng)控速，或利用行車制動(dòng)實(shí)現(xiàn)下坡控速[18]。對(duì)于采用行車制動(dòng)實(shí)現(xiàn)下坡控速的單軌運(yùn)輸機(jī)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)速度可控，但是制動(dòng)片易損耗，且頻繁的制動(dòng)會(huì)使制動(dòng)片產(chǎn)生熱衰退從而使行車制動(dòng)削弱。對(duì)于只采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的單軌運(yùn)輸機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)下坡嚴(yán)格控速，并且較行車制動(dòng)具有良好的耐久性，但單軌運(yùn)輸機(jī)在平地與上坡運(yùn)行時(shí)其機(jī)械效率相對(duì)較低。

該文針對(duì)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)且驅(qū)動(dòng)輪在單軌道下方的單軌運(yùn)輸機(jī)，設(shè)計(jì)了一種基于蝸輪蝸桿傳動(dòng)的雙路傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)系統(tǒng)，并研制了該傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。該傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用了STM32內(nèi)置程序，控制兩個(gè)電磁離合器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)力切換，解決了電動(dòng)機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)換效率低和單軌運(yùn)輸機(jī)下坡控速問題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該傳動(dòng)系統(tǒng)由直流電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、電磁離合器、超越離合器以及鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。利用超越離合器具有隨主、從動(dòng)部件的速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變化，而自行離合的特性；并通過控制兩個(gè)并聯(lián)傳動(dòng)鏈上的電磁離合器工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)切換系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)?？傮w結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)原理如圖1所示。

1. 電動(dòng)機(jī) 2.聯(lián)軸器 3. 蝸輪蝸桿減速器 5. 電磁離合器6、7、9、10、13、14、15. 鏈輪 4、8. 錐齒輪 12. 內(nèi)嵌超越離合器的鏈輪16. 單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪

1. Electromotor 2. Coupler 3. Worm type of reduction gearing 5. Electromagnetic clutch 6,7,9,10,13,14,15. Chain wheel 4,8. Bevel gear 12. Sprocket embedded overrunning clutch 16. Monorail transport drive wheel

注：0~5為傳動(dòng)比。Note:0-5are transmission ratios.

圖1 總體結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理圖

Fig.1 General structure and transmission schematic

此傳動(dòng)方案有3種運(yùn)行狀態(tài)：1）平地和正向上坡運(yùn)行狀態(tài)；2）下坡運(yùn)行狀態(tài)3）反向運(yùn)行狀態(tài)。在平地和上坡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由STM32內(nèi)嵌控制程序控制電磁離合器5為結(jié)合狀態(tài)，電磁離合器11為分離狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)1通過聯(lián)軸器2將動(dòng)力傳輸給自鎖式蝸輪蝸桿減速器3與電磁離合器5，然后電磁離合器5將動(dòng)力傳輸給鏈輪6。通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸錐齒輪4和錐齒輪8組成的錐齒輪組，經(jīng)由鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪16。在上坡過程中停車時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪16受到自身質(zhì)量與載質(zhì)量所產(chǎn)生的扭矩，通過鏈輪15傳遞給鏈輪12，其內(nèi)嵌的超越離合器受到反向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，超越離合器自行結(jié)合，鏈輪12與自鎖式蝸輪蝸桿減速器輸出軸結(jié)合，蝸輪蝸桿減速器輸出軸受扭矩減速器自鎖，從而傳動(dòng)系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)斜坡上行過程中的安全停車；此后上坡起步直接啟動(dòng)電機(jī)，超越離合器正向旋轉(zhuǎn)自行分離，自鎖式蝸輪蝸桿減速器與鏈輪12分離，傳動(dòng)系統(tǒng)解鎖，單軌運(yùn)輸機(jī)不會(huì)出現(xiàn)起步溜車現(xiàn)象。

在下坡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，為控制下坡速度，采用自鎖式蝸輪蝸桿傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)速度的嚴(yán)格控制。由STM32內(nèi)嵌控制程序控制電磁離合器5為分離狀態(tài)，電磁離合器11為結(jié)合狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)1通過聯(lián)軸器2將動(dòng)力傳輸給自鎖式蝸輪蝸桿減速器3，通過蝸輪蝸桿減速器3傳輸給電磁離合器11，然后利用電磁離合器11將動(dòng)力傳輸給鏈輪10，通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪16。

在反向運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)1反轉(zhuǎn)，STM32內(nèi)嵌控制程序控制電磁離合器11結(jié)合，電磁離合器5分離；動(dòng)力經(jīng)由減速器3、電磁離合器11、鏈輪10、鏈輪14組成的傳動(dòng)鏈傳遞給單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪16。由于自鎖式蝸輪蝸桿減速器3介入傳動(dòng)鏈，該運(yùn)行狀態(tài)下可以保證斜坡上安全停車。

綜上所述，使用該傳動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)正向運(yùn)行與反向運(yùn)行，以及斜坡停車與上坡起步，并且通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和電磁離合器實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸車的正向運(yùn)行與反向運(yùn)行的速度嚴(yán)格控制。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

通常機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比是根據(jù)電機(jī)可達(dá)到的轉(zhuǎn)速和負(fù)載所需的速度來確定的[19]。該傳動(dòng)系統(tǒng)通過自鎖式蝸輪蝸桿減速器3將動(dòng)力分為兩路，圖1中的部件5、6、7、8、4、9、13構(gòu)成鏈條傳動(dòng)鏈，傳動(dòng)方向?yàn)?-2-3-5-6- 7-8-4-9-13-16，部件10、11、14構(gòu)成蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈，傳動(dòng)方向?yàn)?-2-3-11-10-14-16，部件12、15構(gòu)成上行防溜車機(jī)構(gòu)。為使兩路傳動(dòng)鏈單獨(dú)工作而互不干涉，必須對(duì)兩路傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比及超越離合器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。通過STM32內(nèi)嵌控制程序控制電磁離合器實(shí)現(xiàn)兩路傳動(dòng)鏈的切換。

本文使用的超越離合器為棘輪機(jī)構(gòu)超越離合器，其內(nèi)嵌超越離合器的鏈輪12結(jié)構(gòu)如圖2所示，其內(nèi)軸與蝸輪蝸桿減速器輸出軸連接，外齒通過鏈條與鏈輪15組成鏈傳動(dòng)。假設(shè)本系統(tǒng)各主要參數(shù)為：電機(jī)轉(zhuǎn)速為，蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)比為0，鏈輪6與7的傳動(dòng)比為1，錐齒輪組的傳動(dòng)比為2，鏈輪9與13的傳動(dòng)比為3，鏈輪10與14的傳動(dòng)比為4，特殊鏈輪12與鏈輪15的傳動(dòng)比為5，如圖1所示。

圖2 內(nèi)嵌超越離合器的鏈輪12

2.1 各級(jí)傳動(dòng)比分析與設(shè)計(jì)

單軌運(yùn)輸機(jī)平地與正向上坡運(yùn)行時(shí)，如圖1所示，動(dòng)力通過鏈條傳動(dòng)鏈傳遞給單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪16與鏈輪15，鏈輪15經(jīng)由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)特殊鏈輪12外齒。要使特殊鏈輪12內(nèi)嵌超越離合器處于超越狀態(tài)，則必須要使鏈輪12的外齒轉(zhuǎn)速不低于內(nèi)軸的轉(zhuǎn)速，即

單軌運(yùn)輸機(jī)下坡時(shí)，如圖1所示，動(dòng)力通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈傳遞給單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪16與鏈輪15，鏈輪15經(jīng)由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)鏈輪12。要使特殊鏈輪12內(nèi)部超越離合器處于超越狀態(tài)，則必須要使鏈輪12的外齒轉(zhuǎn)速不低于內(nèi)軸的轉(zhuǎn)速，此時(shí)

單軌運(yùn)輸機(jī)反向運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，動(dòng)力通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈傳遞給單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪16與鏈輪15，鏈輪15經(jīng)由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)鏈輪12。只有當(dāng)內(nèi)嵌超越離合器處于超越狀態(tài)時(shí)，蝸輪蝸桿才不會(huì)受到額外的扭矩，則必須要使鏈輪12的外齒轉(zhuǎn)速不高于內(nèi)軸的轉(zhuǎn)速，此時(shí)

2.2 傳動(dòng)零件選型

為便于單軌運(yùn)輸機(jī)在山地果園的運(yùn)輸與安裝，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，單軌運(yùn)輸機(jī)自身質(zhì)量小于100 kg，最大承載質(zhì)量為200 kg。山地果園一般建在坡度25°以下的坡面上，故單軌運(yùn)輸機(jī)軌道設(shè)計(jì)斜坡最大傾角為30°；考慮山地果園地形較為復(fù)雜，且保證果品減少損壞，不宜高速運(yùn)輸，單軌運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度一般設(shè)計(jì)為0.3～1.2 m/s，且下坡速度最大不超過0.5 m/s；由于單軌運(yùn)輸機(jī)在上坡時(shí)需要克服重力與摩擦力所產(chǎn)生的阻力，此時(shí)負(fù)載功率最大，故僅需要對(duì)單軌運(yùn)輸機(jī)斜坡滿載運(yùn)行進(jìn)行力學(xué)分析，如圖3所示。

注：G1為單軌運(yùn)輸機(jī)自身重力，N；G2為單軌運(yùn)輸機(jī)最大負(fù)載產(chǎn)生的重力，N；F1為單軌運(yùn)輸機(jī)克服阻力所需的牽引力，N；f1為單軌運(yùn)輸機(jī)與軌道之間的摩擦力，N；f2單軌運(yùn)輸機(jī)與軌道之間的摩擦力，N；q為軌道最大傾斜度，30°。

運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度與單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速關(guān)系 如下

將設(shè)計(jì)速度0.3～1.2 m/s代入式（11）計(jì)算可得，單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速范圍為35.83～143.31 r/min。

表1 傳動(dòng)零件的參數(shù)及其傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比分配

根據(jù)實(shí)際傳動(dòng)比得出單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍為44.00～131.18 r/min，與設(shè)計(jì)要求接近，且下坡最高轉(zhuǎn)速如下

代入數(shù)據(jù)可得，下坡最高轉(zhuǎn)速為44.00 r/min。將其代入式（11），即下坡最大速度為0.37 m/s，低于0.5 m/s，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 斜坡停車工況分析

單軌運(yùn)輸機(jī)斜坡停車時(shí)，自鎖式蝸輪蝸桿減速器介入傳動(dòng)鏈，單軌運(yùn)輸機(jī)裝載任意不超過最大設(shè)計(jì)負(fù)載的情況下，單軌運(yùn)輸機(jī)均處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)出現(xiàn)溜車現(xiàn)象，即蝸輪蝸桿減速器應(yīng)實(shí)現(xiàn)完全自鎖。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)效率分析

3.1 平地與正向上坡機(jī)械效率分析

單軌運(yùn)輸機(jī)平地與正向上坡時(shí)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈沒有介入傳動(dòng)。該狀態(tài)下蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈的能耗可以忽略不計(jì)，只考慮鏈條傳動(dòng)鏈所消耗的功率。假設(shè)傳動(dòng)鏈所有部件均能達(dá)到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)與加工條件下的最高傳動(dòng)效率，平地與正向上坡時(shí)機(jī)械傳動(dòng)總效率為

3.2 下坡與反向運(yùn)行機(jī)械效率分析

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)功率流分析

1）功率流通過由兩共軸線構(gòu)件組成的旋轉(zhuǎn)副時(shí)，功率值為0；功率流通過由機(jī)架組成的運(yùn)動(dòng)副時(shí)，功率值為0.

2）鏈輪副與齒輪副用實(shí)線表示，旋轉(zhuǎn)副用虛線表示，功率流方向?yàn)閷?shí)線或虛線箭頭所指方向。

根據(jù)單軌運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)將分為2種情況對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率流進(jìn)行分析。

平地和上坡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電磁離合器5處于結(jié)合狀態(tài)，電磁離合器11處于分離狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)此時(shí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及功率流分析圖如圖4所示。

注：為電動(dòng)機(jī)（輸入）,～⑥為構(gòu)件，下同。

考慮鏈輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及摩擦所造成的功率損失，則有

下坡與反向運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電磁離合器5處于分離狀態(tài)，電磁離合器11處于結(jié)合狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)此時(shí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及功率流分析如圖5所示。

當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，同理可得，構(gòu)件中轉(zhuǎn)矩和功率如式（17）、式（18）所示。

考慮鏈輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及軸承摩擦所造成的功率損失，則有

圖5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及功率分析

4 系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)及空載與滿載試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的適用性和可靠性，制作了試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、速度檢測(cè)單元和牽引力檢測(cè)單元組成。速度檢測(cè)單元由STM32開發(fā)板和光電編碼器（歐姆龍編碼器E682-CWZ6C）組成，用以檢測(cè)單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；牽引力檢測(cè)單元由拉力計(jì)和拉力數(shù)顯儀組成，用以檢測(cè)負(fù)載牽引力大小，最終轉(zhuǎn)換為作用在單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)輪上扭矩。試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

開展試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)斜坡安全停車。在滿載（200 kg）工況下運(yùn)行系統(tǒng)，待負(fù)載離地30 cm后停止10 s，模擬斜坡停車；此后，再次啟動(dòng)系統(tǒng)，模擬斜坡起步，重復(fù)5次試驗(yàn)，系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)安全停車與再次啟動(dòng)，沒有出現(xiàn)溜車現(xiàn)象。測(cè)試系統(tǒng)2個(gè)傳動(dòng)鏈路在空載與滿載時(shí)的工作效果，進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)，每次試驗(yàn)測(cè)量5組驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

a. 俯視圖 a. Top viewb. 側(cè)視圖 b. Side view

表2 空載與滿載情況下系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速

計(jì)算平均轉(zhuǎn)速可得，無載荷時(shí)由渦輪蝸桿傳動(dòng)鏈輸出的平均轉(zhuǎn)速為41.04 r/min，由鏈條傳動(dòng)鏈輸出的平均轉(zhuǎn)速為130.96 r/min；滿載下，由蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈輸出的平均轉(zhuǎn)速為39.52 r/min，由鏈條傳動(dòng)鏈輸出的平均轉(zhuǎn)速為127.59 r/min。與理論轉(zhuǎn)速44.00～131.18 r/min相近，空載時(shí)實(shí)際速度為理論速度的93.3%～99.8%，滿載時(shí)實(shí)際速度為理論速度的89.8%～97.3%，初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種雙路傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)系統(tǒng)。并運(yùn)用功率流分析對(duì)該系統(tǒng)的輸出扭矩以及輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，得出該系統(tǒng)平地與上坡運(yùn)行時(shí)輸出扭矩為44.352 N·m，輸出角速度為86.318 r/min，輸出功率為609.31 W；該系統(tǒng)下坡與反向運(yùn)行時(shí)輸出扭矩為105.760 N·m，輸出角速度為28.953 r/min，輸出功率為487.342 W。本文所述的傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)利用電磁離合器控制兩路傳動(dòng)鏈之間的切換，實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)平地、上坡、下坡以及反向運(yùn)行。

系統(tǒng)綜合使用了鏈傳動(dòng)效率高和蝸輪蝸桿傳動(dòng)自鎖的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)平地與正向上坡時(shí)高效傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)效率理論上可達(dá)81.2%，在滿足滿載（200kg）的條件下，實(shí)際輸出速度為理論輸出速度的89.8%～97.3%；當(dāng)斜坡停車時(shí)，防溜車機(jī)構(gòu)使單軌運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)斜坡安全停車，且再次起步時(shí)依舊為高效傳動(dòng)，并且不會(huì)出現(xiàn)溜車現(xiàn)象。單軌運(yùn)輸機(jī)下坡時(shí)，系統(tǒng)可自行切換至蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈，電動(dòng)機(jī)只需要提供很小的驅(qū)動(dòng)力矩就可以驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)下坡，通過控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)下坡速度嚴(yán)格可控，并且利用蝸輪蝸桿自鎖的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)斜坡上任意位置的停車，具有較高的安全性。單軌運(yùn)輸機(jī)在平地與上坡運(yùn)行中，雙路傳動(dòng)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)比單一的蝸輪蝸桿傳動(dòng)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)效率有所提高；在下坡與反向運(yùn)行時(shí)，兩種傳動(dòng)系統(tǒng)的單軌運(yùn)輸機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率幾乎沒有差異。

進(jìn)一步的研究工作包括對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)的瞬態(tài)沖擊進(jìn)行分析與試驗(yàn)，以及解決兩種傳動(dòng)鏈之間切換不夠平緩的問題。

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劉 岳，李 震，洪添勝，呂石磊，宋淑然，黃雙萍.山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(19)：34－40. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.005 http://www.tcsae.org

Liu Yue, Li Zhen, Hong Tiansheng, Lv Shilei, Song Shuran, Huang Shuangping. Design of drive system for battery-drive monorail transporter for mountainous orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 34－40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.005 http://www.tcsae.org

Design of drive system for battery-drive monorail transporter for mountainous orchard

Liu Yue1,3,4,5, Li Zhen1,3,4,5,※, Hong Tiansheng2,3,4,5, Lv Shilei1,3,4,5, Song Shuran1,3,4,5, Huang Shuangping1,4,5

(1.510642,; 2.510642,; 3.510642,; 4.510642,; 5.510642,)

Citrus and other fruit trees in southern China are mostly on planted mountain hills. And, mountain orchard planting industry is a pillar industry for farmers in the south of China, but the mountain road construction is difficult. It is difficult to form a more perfect transportation network, which makes regular transporter difficult to be used widely in the environment. In recent years, China’s mountain orchard mechanization process is accelerated. And, some of the transport machines, which are used in mountain orchards, were invented by numerous scientific research institutions. The use of these machines greatly increases the efficiency of fruit transport and reduces the labor costs. Among these machines, the mountain orchard monorail transporter machine is widely used in mountain orchards because of its simple structure, good economy, flexible laying track and minimal destruction of orchard terrain, good ductility and no influence from terrain factors. Mountain orchards monorail transporter machines mostly use batteries as energy, and have the maximum load of 200 kg, the operating speed of 0.3-1.2 m/s, and the maximum climbing angle of 30°. And this kind of mountain orchards monorail transporter uses worm gear as the main transmission mechanism. But the worm gear mechanism’s mechanical efficiency is low. To solve downhill speed control problem of battery drive monorail transporter for mountainous orchard, monorail transporter drive system was designed for mountainous orchard. That was based on worm gear and consisted of dual-drive chain. The electric motor was used as a power source in this system, and the power was delivered by two-way parallel and independent transmission chain, in which one was based on worm gear and the other was based on chain transmission. According to the motion state of transporter, the electromagnetic clutch was controlled by using STM32 embedded control program. This paper explained the system’s transmission principle, and important parts designed, and had detailed analysis on mechanical transmission efficiency. And, the output torque, the output power and speed of the system were obtained by using power flow analysis. The experiment was carried out under no-load and full-load condition. The operating speed was measured by STM32 combined with rotary encoder. The load was measured by tension sensor. The results indicate that, in the uphill operation, the output torque of the system is 44.352 N·m, the output angular velocity is 13.738 rad/s, and the output power is 609.31 W. And, in the downhill operation, the output torque of the system is 105.760 N·m, the output angular velocity is 4.608 rad/s, and the output power is 487.342 W. The system combines the advantages of the high efficiency of chain drives and the self-locking performance of worm gear, and has the characteristics of high efficiency, high safety, and controllability. Monorail transporter equipped with this system can run on the ground and uphill efficiently, and park anywhere on the slope and restart, and downhill speed can be controlled. Efficiency calculation result shows that theoretical mechanical efficiency of the system running on the flat and hillside is 81.2%, and the theoretical mechanical efficiency is 60.5% in the process of downhill running and reverse running.

agricultural machinery; orchards; transportation; mountainous region; monorail transporter; drive system; mechanical efficiency; design

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.005

S229+.1

A

1002-6819(2017)-19-0034-07

2017-05-11

2017-09-22

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資金（CARS-26）；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）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A020210093, 2014A020208112）

劉 岳，湖南岳陽人，主要從事山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)研究。 Email：liuyue@stu.scau.edu.cn

※通信作者：李 震，廣東廣州人，教授，博士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用研究。Email：lizhen@scau.edu.cn