山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺的設(shè)計與應(yīng)用

張　成，吳偉斌,b，楊曉彬，張　偉，常星亮

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院；b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室/廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣州　510642)

0　引言

我國是世界第一大水果生產(chǎn)國與消費(fèi)國，果樹資源豐富。我國果品產(chǎn)業(yè)是具有較強(qiáng)國際競爭力的優(yōu)勢農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益高，市場前景廣闊，近10年來已連續(xù)保持年增5%以上的發(fā)展速度[1]。

我國是世界上位居第一的柑橘生產(chǎn)國，柑橘是國內(nèi)南方山區(qū)的重要產(chǎn)業(yè)，也是主產(chǎn)區(qū)農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來源。然而，我國有90%的柑橘在丘陵山地種植，地理?xiàng)l件差，對于許多無路山地果園，傳統(tǒng)的機(jī)械很難進(jìn)入開展作業(yè)；目前大部分果農(nóng)們只能用背簍或肩挑等人工方式運(yùn)輸，不僅勞動強(qiáng)度大，效率低，而且果品也容易損傷[2-3]。山地的開路成本較高，普通農(nóng)戶難以承擔(dān)，甚至?xí)速M(fèi)土地，造成水土流失等問題，所以山地果園不宜大面積的開路；但人工運(yùn)輸方式運(yùn)送效率低，特別是在果實(shí)收成時期嚴(yán)重限制了采送的效率。近年來，山地果園運(yùn)輸機(jī)械已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，我國的山地果園運(yùn)輸機(jī)械雖然比日本和韓國的研發(fā)時期晚，但現(xiàn)已相繼研發(fā)出雙軌軟索運(yùn)輸機(jī)、山地果園鏈?zhǔn)剿鞯肋\(yùn)輸機(jī)、自走式山地果園運(yùn)輸機(jī)、電動式山地果園運(yùn)輸機(jī)及牽引式山地果園運(yùn)輸機(jī)等山地果園運(yùn)輸機(jī)械，主要有索道和軌道兩種形式，兩者各具特點(diǎn)[4-6]。然而，山地果園雙軌運(yùn)輸機(jī)的研究與開發(fā)，離不開測試與改良階段，而國內(nèi)目前并沒有專門用于測試山地果園雙軌運(yùn)輸機(jī)爬坡能力的試驗(yàn)臺。為了提高山地果園雙軌運(yùn)輸機(jī)爬坡能力的測試效率，亟需設(shè)計一種適應(yīng)復(fù)雜地形變化且高效便利的山地果園雙軌運(yùn)輸試驗(yàn)臺，這對運(yùn)輸機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試與改善、優(yōu)化運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)與性能、提升運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸效率和安全可靠性有著十分重要的意義。

1　試驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整體結(jié)構(gòu)

山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺主要由測試臺、驅(qū)動裝置、鋼絲繩、軌道、載物滑車、立柱、遙控裝置和電器控制裝置等組成，可對雙軌運(yùn)輸機(jī)的爬坡性能進(jìn)行測試，如圖1所示。試驗(yàn)臺上安裝有軌道和能沿軌道兩側(cè)做上下往復(fù)運(yùn)動的載物車，軌道采用可拆裝的軌道進(jìn)行組裝，具有搬移便利和多處使用的特點(diǎn)。試驗(yàn)臺底部外側(cè)的地面上安裝有由卷繩機(jī)支撐架和卷繩機(jī)組成的驅(qū)動裝置，卷繩機(jī)支撐架上方安裝有卷繩機(jī)且側(cè)面安裝有控制裝置，而卷繩機(jī)由電動機(jī)、減速箱、鋼絲繩和驅(qū)動滾筒組成。其中，電動機(jī)和減速箱通過固定裝置固定在地面上，電動機(jī)的輸出端連接減速箱，驅(qū)動滾筒通過旋轉(zhuǎn)軸和固定式軸承座安裝在卷繩機(jī)支撐架上，減速箱的輸出端與旋轉(zhuǎn)軸連接，鋼絲繩一端纏繞在驅(qū)動滾筒上且另一端固定在載物車上，卷繩機(jī)支撐架上方還安裝有通過固定鋼絲繩的位置來使載物車停止在軌道上的剎車器。試驗(yàn)臺的爬坡坡度可通過調(diào)整立柱的長度來滿足實(shí)際需求。

1.2工作原理

啟動軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺后， 驅(qū)動裝置將會產(chǎn)生驅(qū)動力，通過鋼絲繩帶動載物滑車運(yùn)行[7-8]。按下電控箱表面的上行按鈕，電動機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)減速箱傳到驅(qū)動滾筒上，滾筒繞卷鋼絲繩，而鋼絲繩通過一個滑輪與載物滑車相連，從而帶動載物滑車上行；按下停止按鈕，電動機(jī)斷電后，滾筒將會停止轉(zhuǎn)動，從而載物滑車停止上行；按下電控箱下行按鈕，電動機(jī)將會反轉(zhuǎn)，帶動滾筒做反向轉(zhuǎn)動，鋼絲繩被放出，載物滑車車?yán)米灾叵蛳逻\(yùn)動，實(shí)現(xiàn)下行。

載物滑車在試驗(yàn)臺軌道運(yùn)行時，還可通過無線控器控制運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)任意位置啟停。

1.立柱　2.肋板　3.坡面　4.軌道 5.載物車　6.電動機(jī)　7.減速箱　 8.驅(qū)動滾筒　9.鋼絲繩

1.3主要技術(shù)參數(shù)

山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)臺主要技術(shù)參數(shù)Table 1　Main technical parameters of the test-bed

續(xù)表1

2　試驗(yàn)臺關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的設(shè)計由6個部分組成，即輸入控制模塊、輸出控制模塊、主控模塊、信號輸入模塊、顯示模塊和警示模塊[9-10]。主控模塊以PLC作為控制核心，來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸機(jī)的全程運(yùn)輸作業(yè)的智能控制；輸入控制模塊包含有手動控制裝置、遙控裝置和限位設(shè)置裝置，產(chǎn)生輸入控制命令；信號輸入模塊包含有防松脫傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器及超載傳感器等元件，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩松脫、卷筒轉(zhuǎn)動角位移和載物滑車超載信號的輸入命令。當(dāng)試驗(yàn)臺的載物滑車出現(xiàn)超載、鋼絲繩松脫及電流超出額定電流一定范圍等異常情況時，警示模塊將發(fā)揮作用，其警報燈閃爍，提示系統(tǒng)出現(xiàn)異常，需及時采取措施。輸出控制模塊包含有強(qiáng)電控制器、變頻器、制動裝置和三相異步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)速等情況時的示警功能。顯示模塊主要為觸摸顯示屏，控制變頻器頻率輸出，顯示出當(dāng)前輸出頻率及當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)等信息。控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.2驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動裝置主要由電動機(jī)、驅(qū)動滾筒、配重機(jī)構(gòu)、剎車器、防超載傳感器、防松脫傳感器、控制裝置、卷繩機(jī)、卷繩機(jī)支撐架、橫梁及移動輪等組成，電動機(jī)作為動力源，實(shí)現(xiàn)載物滑車的運(yùn)行，如圖3所示。

當(dāng)PLC傳出上行命令時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，然后經(jīng)減速箱再將轉(zhuǎn)速傳到卷繩機(jī)牽引運(yùn)輸機(jī)上行。當(dāng)超載時，安裝在可滑動卷繩機(jī)支撐支架的卷繩機(jī)在過大載荷拉力下往前移動，壓縮配重機(jī)構(gòu)的彈簧或軟膠(超載設(shè)定值為300kg)，觸發(fā)防超載傳感器，傳感器將信號傳給PLC，PLC便啟動防超載保護(hù)程序，斷電和剎車，同時報警。同時，可通過調(diào)節(jié)傳感器的觸發(fā)螺栓來調(diào)節(jié)觸發(fā)距離，從而調(diào)節(jié)壓縮彈簧或軟膠的量來調(diào)節(jié)超載值。當(dāng)出現(xiàn)牽引繩松脫時，驅(qū)動裝置便會在配重機(jī)構(gòu)的回位彈簧作用下往后移動，從而觸發(fā)防松脫傳感器，傳感器將信號傳給PLC，PLC經(jīng)過處理便啟動防松脫保護(hù)程序。

圖2　控制系統(tǒng)原理圖

1.驅(qū)動滾筒　2.固定式軸承座　3.電動機(jī)　4.移動輪　5.配重機(jī)構(gòu)　6.剎車器 7.防超載傳感器　8.防松脫傳感器　9.控制裝置　10.卷繩機(jī)支撐架　11.橫梁　12.卷繩機(jī)

3　試驗(yàn)臺運(yùn)行效果測試

為進(jìn)行山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺的實(shí)際運(yùn)行效果測試，在一處較為空曠的平底搭建了40°的試驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺軌道有效測試長度為12m，對載物滑車在一定負(fù)載時的平均耗電量、平均運(yùn)行速度及使用有效度進(jìn)行測試。搭建的試驗(yàn)臺如圖4所示。

圖4　山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺

采用三相四線有功電能表對耗電量進(jìn)行測試，載物滑車負(fù)載300kg進(jìn)行上行、下行運(yùn)動，測試距離為12m。載物滑車的上行、下行為一個來回，測試3個來回，取3組數(shù)據(jù)平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)臺平均耗能為1.235kW。

運(yùn)行速度測試：試驗(yàn)臺軌道測試長度12m，載物滑車負(fù)載300kg，對滑車的上行、下行分別獨(dú)立的測試3次，記錄3組數(shù)據(jù)，取平均值。計算公式為

V=L/T

(1)

式中V—平均運(yùn)行速度(m/s)；

L—軌道測試長度(m)

T—測試時間(s)。

使用有效度測試：試驗(yàn)臺軌道測試長度12m，載物滑車負(fù)載300kg，使滑車上行、下行連續(xù)運(yùn)行55h，記錄試驗(yàn)臺故障發(fā)生時間及修復(fù)故障所需要的時間。計算公式為

(2)

式中K—使用有效度；

ΣTz—試驗(yàn)期間正常工作累計時間(h)；

ΣTg—試驗(yàn)期間故障排除修復(fù)的累計時間(h)。

結(jié)果表明：試驗(yàn)臺載物滑車上行平均運(yùn)行速度為0.51m/s,下行平均運(yùn)行速度為0.54m/s,試驗(yàn)臺在連續(xù)工作55h內(nèi)并無故障現(xiàn)象，故使用有效度為100%，能滿足使用要求。

4　結(jié)論

本試驗(yàn)針對我國山地果園地形地貌特點(diǎn)和山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的應(yīng)用情況，以及國內(nèi)目前并無專門應(yīng)用于山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的爬坡試驗(yàn)平臺問題，設(shè)計了一種能夠適應(yīng)復(fù)雜地形、高效便利且軌道可拆裝的軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺具有搬移便利、多處使用及成本較低的特點(diǎn)，可以測平均速度和使用有效度，使用范圍廣。

對試驗(yàn)臺的運(yùn)行效果進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：試驗(yàn)臺的平均耗能為 1.235 kW·h，滿載工況下的載物滑車上行平均速度為0.54m/s，下行平均速度為0.54m/s，使用有效度為100%，能夠滿足使用要求。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計的軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺是一種性價比高、推廣潛力大的試驗(yàn)平臺，生產(chǎn)企業(yè)可以考慮規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。 從自動化與智能化角度分析，該試驗(yàn)臺仍然有待進(jìn)一步研究：可考慮在試驗(yàn)操作部分設(shè)計為機(jī)器自行工作，通過編入試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)指標(biāo)及試驗(yàn)次數(shù)等相關(guān)問題的程序，自動操作，采集數(shù)據(jù)，將會大幅度提升工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國果品流通協(xié)會．我國水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及柑橘產(chǎn)銷形式分析[J]．果農(nóng)之友，2011(1)：3-5．

[2]楊洲，洪添勝．山地果園運(yùn)輸裝備[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2016:13-47．

[3]洪添勝，張衍林，楊洲，等．果園機(jī)械與設(shè)施[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012：143-147．

[4]吳偉斌，趙奔，朱余清，等．丘陵山地果園運(yùn)輸機(jī)的研究進(jìn)展[J]．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，32(4)：135-142．

[5]李亮，康銘鑫．山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的研究及其應(yīng)用進(jìn)展[J]．食品與機(jī)械，2016，32(1)：202-207．

[6]黃志平，焦富江．山地果園運(yùn)輸機(jī)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展[J] ．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2014(5)：28-32．

[7]張俊峰，張衍林，張?zhí)凭辏b控牽引式單軌運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計與改進(jìn)[J]．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，32(4)：130-134．

[8]歐陽玉平，洪添勝，焦富江，等．山地果園拆裝單向牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計[J]．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015， 34(1)：128-135．

[9]歐陽玉平，洪添勝，黃志平，等．山地果園拆裝牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2016，44(5)：215-223．

[10]高輝松，朱思洪．電動拖拉機(jī)試驗(yàn)臺開發(fā)[J]．南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，37(6)：160-164．

ID:1003-188X(2018)04-0116-EA