一種輕簡化可拆式果園運輸軌道的設(shè)計與試驗

王永坤, 靳 成, 楊 琪, 朱杰威, 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

我國果樹資源豐富，2000年以來果樹種植面積和水果產(chǎn)量逐年增加，水果行業(yè)具有很好的市場前景[1-2].福建是我國蜜柚的主要原產(chǎn)地之一，目前多數(shù)果園坡度都在20°以上，有些甚至達到60°，果樹栽植株距為2.0～3.5 m，因此，果實的搬運需要投入大量的人力，工作時間長且勞動強度大[3-4].近年來，我國已開發(fā)出多種類型果園軌道運輸機.根據(jù)軌道和動力形式的不同果園軌道運輸機可分為單軌、雙軌、牽引式、自走式以及索道果園運輸機等多種類型[5-10].但現(xiàn)有的大部分山地果園運輸機需建造固定的運輸軌道，難度大，成本高，周期長，而水果運輸是季節(jié)性的產(chǎn)物，使用周期短，故這類運輸機在果園中難以推廣[11].因此，研究一種適合在山地及丘陵果園工作的輕簡化果園運輸機械對促進我國果業(yè)進一步發(fā)展具有重要意義.

輕簡化可拆式果園運輸系統(tǒng)的主要部件可拆卸.蜜柚采摘是季節(jié)性工作，可在果實成熟時鋪設(shè)軌道，運輸蜜柚；采摘完成后進行下一片果園軌道的鋪設(shè)，運輸蜜柚.可拆卸運輸軌道顯著提高果園運輸系統(tǒng)的使用率，具有使用靈活、應(yīng)用廣、成本低等優(yōu)點.可拆式果園運輸系統(tǒng)為分段快捷連接、易于裝卸的簡易地面軌道，在保障安全性和可靠性的前提下最大限度提高地面軌道的可承載范圍和輕量化程度，以降低鋪設(shè)難度和成本.

1 果園運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輕簡化果園運輸系統(tǒng)主要由運輸車、運輸軌道、牽引裝置、鋼絲繩等組成.牽引裝置包括交流電機、減速器、卷筒.運輸車由車架、行走輪、連接軸和導(dǎo)向桿等部件組成.牽引裝置位于軌道一端，利用鋼絲繩牽引貨運小車，鋼絲繩索只承受拉力，不起承載作用.通過消除負(fù)載重力對鋼絲繩的作用，減小鋼絲繩的張力，從而減小鋼絲繩的直徑、重量.貨物運輸車通過鋼絲繩的牽引實現(xiàn)逆坡上行；順坡下行時電動機反轉(zhuǎn)，并依靠貨運小車及貨物重力完成運輸.運輸系統(tǒng)工作時，可以通過無線遙控器控制電動機的正、反轉(zhuǎn)和停止來實現(xiàn)貨運小車的前進、后退[12].可拆式軌道是由方管、可拆卸式腳樁組成.可拆卸方管依照果園地形鋪設(shè)，通過快速裝卸接頭固定方管，最后可拆卸樁腳將方管軌道固定在地面上.在保障安全性和可靠性前提下，最大限度利用地面來承載重量，提高地面軌道的可承載范圍和輕量化程度.運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖見圖1，設(shè)計參數(shù)如表1所示.

1.運輸車;2.運輸軌道;3.可拆卸腳樁;4.轉(zhuǎn)向裝置;5.鋼絲繩;6.絞盤機.圖1 運輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of the transport system

表1 運輸系統(tǒng)設(shè)計參數(shù) Table 1 Parameters of the transport system

2 可拆式軌道的設(shè)計

2.1 可拆式軌道受力模型的建立

為了保證運輸機在鋪設(shè)的軌道上實現(xiàn)平穩(wěn)的直行、轉(zhuǎn)彎、上下坡，防止出現(xiàn)脫軌和抖動等，軌道依照果園的地形鋪設(shè)，地勢平坦處軌道直接鋪設(shè)在地面上，陡坡處通過搭建支架架設(shè)軌道.軌道兩端支撐最大跨距設(shè)為1 m，軌道受力圖如圖2所示.每節(jié)軌道兩端固定梁結(jié)構(gòu)，由于軌道受到的都是垂直于軌道的載荷，因此只需滿足剪切強度和彎曲強度要求，在不考慮軌道振動的情況下，軌道受力情況滿足如下靜力平衡方程：

∑MA=0R2(S1+S2+S3)-P1S1-P2(S1+S2)=0

(1)

∑MD=0P1(S2+S3)+P2S3-R1(S1+S2+S3)=0

(2)

(3)

式中：P1表示前支撐輪對軌道的作用力(N)；P2表示后支撐輪對軌道的作用力(N)；R1、R2分別表示軌道兩端點的支撐桿對軌道的作用力(N)；MA、MD表示運輸小車對軌道的力矩(N·m-1)；S1表示運輸車前輪距軌道端面的距離(mm)；S2表示運輸車前后輪距離(mm)；S3表示運輸車后輪距軌道端面的距離(mm).

圖2 軌道受力示意圖Fig.2 Force diagram of the track

2.2 可拆式軌道的仿真設(shè)置

仿真材料選用長度為1 m的Q235號方鋼管，材料彈性模量2.01×105MPa，屈服強度235 MPa，泊松比0.3，密度7 800 kg·m-3.對軌道兩端添加固定約束，P1在距離端面A點0、100、200、300 mm處分別施加600 N壓力(垂直于軌道表面)，利用ANSYS APDL模塊分析軌道整體形變及應(yīng)力情況，仿真結(jié)果見表2.

表2 軌道不同位置的應(yīng)力與變形量Table 2 Stress and deformation at different positions of the track

2.3 可拆式軌道受力試驗

由于軌道太長無法在萬能試驗機上進行受力分析，故使用相似試驗法對軌道進行受力分析.選用總體尺寸12 mm×12 mm×1 mm、長度200 mm的Q235號鋼.方管長度縮小5倍，總體尺寸縮小2.5倍，假設(shè)試驗過程中方管受到相同的彎曲應(yīng)力σ，計算出試驗機所需施加的力，研究其變形情況，具體推導(dǎo)過程表示如下：

(4)

(5)

假設(shè)M點為最大撓度位置，根據(jù)梁在簡單載荷作用下的變形公式得到梁的變形，應(yīng)用疊加法求得M點的撓度：

(6)

(7)

WM=WM1+WM2

(8)

式中：WM1表示軌道上M點撓度(mm)；WM2表示方管M′點撓度(mm)；x1表示M點到前車輪支撐點的位置(mm)；x2表示M點到后車輪支撐點的位置(mm)；S1表示前支撐輪到軌道前端面的距離(mm)；S2表示后支撐輪到軌道后端面的距離(mm)；EI表示方管的抗彎強度(kN·mm-2).

設(shè)計4組試驗?zāi)Ｐ?，使用MTS公司的SANS萬能試驗機進行壓縮試驗.采用力控制法進行壓縮，即每秒鐘施加10 N的力，最大壓力值設(shè)置為200 N[13-14].當(dāng)試驗機壓力達到200 N時停止壓縮，在壓縮過程中，與試驗機連接的電腦會同時顯示試驗方管在0～200 N作用下的變形量,本試驗取的方管變形量為192 N.

2.4 軌道運輸試驗

為了驗證軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性，在果園進行可拆式軌道的實際運行試驗.軌道依據(jù)果園地形鋪設(shè)(圖3).從圖3可知軌道間距為800 mm，垂直方向最小轉(zhuǎn)彎半徑為8 m，最大坡度為45°，運輸車運行速度為1.2 m·s-1，運輸蜜柚載重量為50～160 kg.分別測試運輸車上行和下行兩個過程中的行走效果、軌道受力變形、腳樁連接等情況.運輸圖見圖4.

圖3 果園運輸系統(tǒng)運輸軌道Fig.3 Overview of the transport track

3 結(jié)果與分析

3.1 可拆式軌道的受力

為了方便計算，以軌道的左支撐點A為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，運輸小車前輪支撐力P1作用于B點，后輪支撐力P2作用于C點，受力簡圖如圖5所示.對AB、BC、CD段內(nèi)的剪力Q和彎矩W分段考慮，確定最大剪力Q和最大彎矩W.按照軌道設(shè)計的要求，前后行走輪間距S2=400 mm，運輸車總載荷為240 kg，采用雙軌道鋪設(shè)，因此P1=P2=600 N.當(dāng)S3=600 mm時，軌道受到最大剪切力，最大剪力為960 N，因此，軌道受到的最大剪切力Q(x)=960 N.

(9)

式中：Emin表示最小空心形鋼截面面積(mm2)；[τ]表示Q235號鋼材料許用剪切力(MPa)；E表示30 mm×30 mm×2.5 mm方鋼管截面面積(mm2).

當(dāng)S3=200 mm時，軌道承受最大彎曲應(yīng)力M，根據(jù)彎曲強度計算公式計算最大彎曲應(yīng)力：

(10)

式中：Wmin表示最小抗彎截面系數(shù)(mm)；[σ]表示Q235鋼材料許用彎曲應(yīng)力(MPa);WZ表示30 mm×30 mm×2.5 mm方鋼管的抗彎截面系數(shù)(mm3).

根據(jù)上式分別計算S3=0 mm、S3=100 mm、S3=300 mm時軌道受到的彎曲應(yīng)力為61.83、77.28、76.15 MPa，軌道承受的彎曲應(yīng)力均小于Q235號鋼的許用彎曲應(yīng)力，故滿足使用要求.

圖5 軌道受力簡圖Fig.5 Force diagram of the track

3.2 可拆式軌道的仿真

從圖6、7可以看出，軌道彎曲應(yīng)力和變形主要集中在中間位置.由表2可知，在距離軌道端面200和600 mm處，軌道受到最大等效應(yīng)力，最大應(yīng)力發(fā)生在軌道下表面，應(yīng)力值為108.56 MPa，小于材料屈服應(yīng)力.軌道受到最大應(yīng)力時的最大變形量為2.818 mm，變形情況為向下彎曲，變形量較小，滿足剛度要求.故材質(zhì)為Q235號鋼的方管滿足運輸軌道的設(shè)計要求.

最大彎曲應(yīng)力σ0為108.56 MPa.圖6 軌道仿真彎曲應(yīng)力云圖Fig.6 Nephogram of the bending stress of track

3.3 軌道受力試驗

通過計算得出軌道在運輸過程中的最大彎曲應(yīng)力為82.43 MPa，從圖6可知軌道最大彎曲應(yīng)力為108.56 MPa，與仿真結(jié)果相近.造成仿真偏差的原因是軌道受力點出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致應(yīng)力值變大.由仿真結(jié)果可以得出，受到最大彎曲應(yīng)力時產(chǎn)生的最大變形量為2.818 mm，變形情況為向下彎曲，變形量較小.通過相似試驗驗證得出軌道受力的試驗結(jié)果和理論計算結(jié)果滿足WM1=10WM2，兩者誤差小于10%.由此可知，該分析具有較高的準(zhǔn)確性，可拆式軌道的強度、剛度滿足使用要求[15].

3.4 軌道運輸試驗

果園運輸試驗結(jié)果表明，運載50～150 kg蜜柚時，行走輪與軌道配合良好，沒有出現(xiàn)運輸小車傾覆或脫軌現(xiàn)象，軌道連接處螺栓連接可靠，沒有出現(xiàn)相對滑動.因此，可拆卸軌道設(shè)計合理，滿足果園實際使用要求.

4 小結(jié)

(1)本文提出了輕簡化可拆卸軌道的設(shè)計方案，結(jié)果表明30.0 mm×30.0 mm×2.5 mm可拆式運輸軌道可以滿足輕簡化果園運輸要求.

(2)驗證了可拆卸軌道設(shè)計參數(shù)的合理性，對運輸機通過軌道直線段和彎道的性能進行測試，行走機構(gòu)在水平及垂直轉(zhuǎn)彎處運行平順，不會出現(xiàn)抖動、跳軌以及軌道端面無滑移等不良運行狀況，測試結(jié)果驗證了可拆卸軌道與端面連接的合理性，滿足丘陵山地果園的運輸.

(3)對軌道部件進行了受力分析及強度校核，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中充分考慮了運輸過程中的受力情況，關(guān)鍵零部件的強度均符合要求.