陡坡果園便攜索軌結(jié)合運(yùn)輸系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)*

吳傳宇

(福建農(nóng)林大學(xué)，福州市,350002)

0 引言

我國是世界最大的水果生產(chǎn)國和消費(fèi)國。我國水果產(chǎn)業(yè)是具備較強(qiáng)國際競爭力優(yōu)勢的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)[1-2]。特別是南方地區(qū)山多地少，而山地果園排水好、光照足、通風(fēng)好，宜果樹生長，因此水果多種植于丘陵山地地區(qū)。多數(shù)山地果園都沒有較完善的果園上游(果園內(nèi)部)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，農(nóng)資上山、水果采摘后運(yùn)輸下山等運(yùn)輸成為生產(chǎn)中的重大難題，多數(shù)地區(qū)仍采用背簍或肩挑的方式進(jìn)行物品的運(yùn)輸，不僅勞動強(qiáng)度大、效率低，果品也容易損傷，極大地阻礙了水果產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效益的提高[3]。我國在山地果園運(yùn)輸方面起步較晚，目前尚未開發(fā)出較成熟果園運(yùn)輸機(jī)械，國內(nèi)用于山地果園的運(yùn)輸機(jī)械主要有三輪摩托車和拖拉機(jī)等，這些運(yùn)輸工具需要在比較規(guī)范的農(nóng)機(jī)道上作業(yè)，不適合山地果園上游運(yùn)輸?shù)男枰猍4-10]。因此，果園特別是陡坡果園上游運(yùn)輸機(jī)械化問題急需解決。

1 陡坡果園上游運(yùn)輸特點(diǎn)

1.1 地形及工作特點(diǎn)

地形坡度大，行走困難。園區(qū)坡度大(坡度大于20°，小于40°。大于40°坡地不建議種植經(jīng)濟(jì)作物)[11]，沒有挖建規(guī)范的農(nóng)機(jī)道。普通運(yùn)輸機(jī)械無法在這種地面行走，多數(shù)靠人工運(yùn)輸。尤其當(dāng)坡度大于20°，行走路線崎嶇，運(yùn)輸100 kg物料時(shí)，人工負(fù)重行走相當(dāng)困難。

同時(shí)由于果園作業(yè)時(shí)間短而集中，以福建平和蜜柚為例，一年果園高強(qiáng)度運(yùn)輸(采摘、施肥運(yùn)輸)時(shí)間小于10 d，一般強(qiáng)度運(yùn)輸(一般中耕等作業(yè))時(shí)間10～20 d。果園上游大量修建農(nóng)機(jī)道使用效益低，且會造成嚴(yán)重的水土流失，不宜采用。現(xiàn)有的單軌車等固定運(yùn)輸系統(tǒng)由于使用效率較低也難以大面積推廣。因此，開發(fā)成本低，使用效率高、便攜式的運(yùn)輸系統(tǒng)就顯得尤為重要。

便攜式運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：(1)不需開挖農(nóng)機(jī)道，安裝轉(zhuǎn)移方便；(2)運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)成本低；(3)運(yùn)輸系統(tǒng)使用效益高；(4)滿足大坡度山地果園使用。

1.2 運(yùn)輸系統(tǒng)解決方案及動力學(xué)分析

1.2.1 運(yùn)輸系統(tǒng)方案分析選擇

設(shè)運(yùn)輸物流為編織袋包裝，載物車額定運(yùn)載量100 kg。采用編織袋標(biāo)準(zhǔn)，50 kg的65 cm×110 cm(GB/T 8946—1998)，如圖1所示，可運(yùn)輸2袋50 kg編織袋裝載物料。載物車的長款分別為長130 cm，寬110 cm。

目前大坡度果園園區(qū)載物車可分自驅(qū)動型(如單軌車)和牽引動力型(采用絞盤機(jī)牽引的載物車)[12-15]。設(shè)坡度40°，如圖2為采用自驅(qū)動運(yùn)載車時(shí)的受力示意圖， 前輪對地面的壓力F1減小。遇障礙顛簸時(shí)產(chǎn)生的向上的F2，計(jì)算載物車速度5 m/s，負(fù)載100 kg(1 000 N)時(shí)，F(xiàn)2在軌道上碰到高度3 mm障礙物時(shí)經(jīng)計(jì)算為750 N。此時(shí)

M1=G×cosθ×0.5L+F1×L-F2×L

cos40°×1-750×1

=-6.8 Ν·m

式中：M1——后輪所受扭矩；

θ——坡度；

F1——前后車輪對地面的正壓力；

F2——顛簸產(chǎn)生的壓力；

L——兩輪之間的距離,1 m。

圖1 載物車基本尺寸Fig. 1 Basic dimensions of the trolley

圖2 自驅(qū)動載物車受力示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the self-driving trolley

M1等于負(fù)數(shù)，特別是物料中心往下移動M1將更小，上輪更容易脫離地面載物車將逆時(shí)針反轉(zhuǎn)，傾覆。故自驅(qū)動力運(yùn)載小車要設(shè)計(jì)高強(qiáng)度的防傾覆機(jī)構(gòu)，配上安全卡扣與導(dǎo)軌牢固連接，克服載物車產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩，保證車輛的安全。因此導(dǎo)軌要克服載物車安全卡扣作用的法向拉力，導(dǎo)軌就得安裝、建設(shè)牢固可靠。

而采用牽引動力可以克服負(fù)載部分重力G，改善了載物車的受力分布，如圖3所示，驅(qū)動力F3由驅(qū)動輪提供轉(zhuǎn)為牽引繩提供，這種受力狀況，即使仍產(chǎn)生前面所計(jì)算顛簸產(chǎn)生的F2。此時(shí)

M1=G×cos40°×0.5L+F1×L-F2×L+F3×L2

1-750×1+640×0.1

=57.2 Ν·m

式中：F3——牽引力，上坡運(yùn)行最小牽引力640 N；

L2——為牽引著力點(diǎn)與軌道的距離0.1 m。

M1大于0不易產(chǎn)生傾覆。因此大坡度果園采用牽引型運(yùn)輸小車更優(yōu)。

圖3 牽引式載物車受力示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the tracked trolley

1.2.2 軌道抓地力分析

計(jì)算軌道放在40°地面時(shí)的最大抓地力。如果采用自驅(qū)動小車，車輛前進(jìn)靠車輪與導(dǎo)軌的摩擦驅(qū)動，最差工作環(huán)境為逆坡運(yùn)行，這時(shí)導(dǎo)軌所受的縱向推力如圖2所示的F4大于等于驅(qū)動輪克服物料重力沿導(dǎo)軌方向的分力。

F4≥G·sin40°

如果100 kg重力的話F4大于等于640 N，此時(shí)亦要求軌道必須牢固，如單軌車要修建帶有牢固樁腳的固定導(dǎo)軌。

牽引式載物車載物時(shí)，驅(qū)動力由牽引繩提供，載物車輪子為被動輪，與軌道的接觸是純滾動，這時(shí)導(dǎo)軌所受的縱向摩擦力可以忽略。軌道所受的縱向推力主要是導(dǎo)軌重量及外部壓力沿導(dǎo)軌縱向的分力。外部壓力垂直于導(dǎo)軌，沿著導(dǎo)軌方向分力為0，且垂直于導(dǎo)軌的正壓力還會增加導(dǎo)軌與土壤的摩擦力，故導(dǎo)軌最易滑移的情況是導(dǎo)軌沒有負(fù)載的的情況。此時(shí)，軌道自重沿軌道方向的分力為8.7 N，與自驅(qū)動小車的推力 640 N 相比可以忽略不計(jì)。

同時(shí)載物車動力采用絞盤機(jī)牽引，動力置于載物車外，固定于果園有利位置。外置固定動力有利于減小載物車自重，同時(shí)避免了崎嶇運(yùn)行路徑造成的顛簸對動力機(jī)運(yùn)行的影響，運(yùn)行平穩(wěn)。所以大坡度下果園運(yùn)輸系統(tǒng)采用牽引動力車輛比較合適。

2 簡易軌道運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用試驗(yàn)

果園運(yùn)輸軌道(道路)設(shè)計(jì)是整個運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，它直接關(guān)系運(yùn)輸系統(tǒng)的成本、使用效率，決定整個運(yùn)輸系統(tǒng)的適用性。通過上節(jié)分析，大坡度果園宜采用牽引式載物車結(jié)合適當(dāng)?shù)能壍?。為降低成本，提高使用效率，設(shè)計(jì)簡易、便攜、可移動軌道較優(yōu)。

2.1 便攜式軌道設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)便攜式軌道，如圖4所示，導(dǎo)軌截面為倒U字型，導(dǎo)軌下方為鋸齒形抓地齒，兩端頭三面分別為相對應(yīng)的凹凸形摩擦接頭，斜角小于摩擦角。

圖4 導(dǎo)軌抓地力試驗(yàn)Fig. 4 Experiment on the traction force ofguide rails

導(dǎo)軌抓地力分析。導(dǎo)軌的抓地力等于抓地齒插入土中，土壤對齒所產(chǎn)生的剪切阻力。每個齒所受到的最大剪切阻力由參考文獻(xiàn)[16]圖1中剪切力最小的無草土壤試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出剪切力

式中：y——剪切強(qiáng)度，kPa；

x——法向壓強(qiáng)，kPa；

s——入土齒總截面積，cm2。

每條軌道共有228個齒，計(jì)算一條軌道的抓地力記錄于表1，僅導(dǎo)軌自重作用下抓地力為198 N，(軌道自重13.6 N，坡度40°下沿軌道方向的分力為8.7 N，沿導(dǎo)軌法向?yàn)?0.4 N)，即使在地形不平，只有10%齒入土的情況下，抓地力也達(dá)到19.8 N>8.7 N，因此在無載荷時(shí)軌道不會滑移。所以這種多齒導(dǎo)軌直接放置在果園地面上就可達(dá)到使用要求。

為驗(yàn)證便攜式導(dǎo)軌的抓地力，取林草結(jié)合的地塊做試驗(yàn)，地塊土質(zhì)為沙壤土，如圖4所示，在導(dǎo)軌上施加不同的重物(正壓力)，在導(dǎo)軌1端串聯(lián)拉力計(jì)，用手搖絞盤機(jī)施加拉力，每組正壓力下做5組拉力試驗(yàn)，取平均值記錄于表1。

從表1中可以看出，僅靠導(dǎo)軌自身重力，導(dǎo)軌并可產(chǎn)生20 N的縱向抓地力，且隨著正壓力的增加產(chǎn)生的抓地力直線上升。由于導(dǎo)軌放置于地面時(shí)，因施加正壓力不同，入土齒數(shù)和入土深度都不同，根據(jù)測量把實(shí)際入土齒截面積和記錄于表1。從表1中可以看出不管是計(jì)算還是試驗(yàn)結(jié)果，都證明便攜式導(dǎo)軌完全可以滿足牽引式載物車的運(yùn)行。

導(dǎo)軌分段設(shè)計(jì)，每段重僅13.6 N，易于搬運(yùn)。安裝導(dǎo)軌時(shí)只需簡單清理導(dǎo)軌路面，將導(dǎo)軌抓地齒面朝下直接放置于地面上即可。三面凹凸連接設(shè)計(jì)，兩根導(dǎo)軌只需簡單對接，并可以保證U型導(dǎo)軌三面對齊，同時(shí)凹凸槽角8°，小于材料摩擦角，連接好后，根據(jù)試驗(yàn)導(dǎo)軌自鎖摩擦力大于20 N，可保證縱向連接牢固。拆導(dǎo)軌時(shí)只需沿縱向拉開導(dǎo)軌，從地面拾起并可，操作簡便易行。

表1 抓地力計(jì)算、試驗(yàn)值Tab. 1 Calculation and test value of the traction

2.2 載物車設(shè)計(jì)

由于為保證導(dǎo)軌施工簡易，地面只經(jīng)簡單平整，平整度3 cm/m2以下并可，在此情況下運(yùn)行過程整體式載物車有1個輪子懸空，此時(shí)載物車前進(jìn)方向總共有4個外力，3個輪子產(chǎn)生的摩擦力，1個牽引力，合力偏離軌道方向，載物車趨向脫軌。為保證載物車4個輪子同時(shí)著地，設(shè)計(jì)載物車如圖5所示。將載物車分成前后兩部分，中間采用軸套連接，保留沿前進(jìn)方向軸線的旋轉(zhuǎn)自由度。此時(shí)，運(yùn)載車分成兩個受力系統(tǒng)，在任何情況下4個輪子都有向下的壓力不會懸空。

圖5 載物車Fig. 5 Structure of the trolley

2.3 應(yīng)用試驗(yàn)

樣機(jī)試制完成后在福建平和五寨村柚子園進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)(坡度17°～27.4°)，如圖6所示，30 m軌道2人30 min鋪設(shè)，試驗(yàn)完2人18 min收完。4袋柚子重125 kg，絞盤機(jī)功率1.4 kW，運(yùn)行速度32～42 m/min，分別做了逆坡和順坡運(yùn)載試驗(yàn)，4個行走輪始終著地，無出軌現(xiàn)象，運(yùn)行過程平穩(wěn)。如采用單軌車軌道鋪設(shè)需3 900元，且不可移動。采用便攜式軌道成本900元，且一處用完可轉(zhuǎn)移至其他地塊繼續(xù)使用，使用成本更低。

3 結(jié)論

通過力學(xué)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，便攜軌道結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低。軌道鋪設(shè)條件簡單，不需平整路基，更不需要硬化路面及加固型軌道，拆卸轉(zhuǎn)移方便，2人1 d可以鋪設(shè)或拆卸200～400 m的軌道。與現(xiàn)有的單軌車及果園索道的運(yùn)行路徑裝置安裝要求高，成本高，且安裝完后并成為永久性設(shè)施只能應(yīng)用于固定的地塊相比，便攜索軌結(jié)合運(yùn)輸系統(tǒng)可在不同地塊快速轉(zhuǎn)移，克服了固定路徑運(yùn)輸系統(tǒng)使用率低的不足。與多功能作業(yè)車比較，不需建設(shè)規(guī)范的農(nóng)機(jī)道，可根據(jù)需要在果園上游內(nèi)部安裝，亦可適應(yīng)陡坡運(yùn)輸，從而根本解決了果園上游運(yùn)輸問題。運(yùn)載車可以承載150 kg，基本滿足農(nóng)業(yè)物料運(yùn)輸需要，特別適合季節(jié)性強(qiáng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸需要。經(jīng)試驗(yàn)動力系統(tǒng)存在兩點(diǎn)不足仍需改進(jìn)，(1) 由于采購的絞盤機(jī)速度偏慢，影響運(yùn)輸系統(tǒng)的效率，將來應(yīng)該設(shè)計(jì)專用的絞盤機(jī)提高回空速度，以匹配果園運(yùn)輸需要。(2) 運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行需兩個人操作，一人操作絞盤機(jī)，一人裝卸物料，應(yīng)開發(fā)遙控系統(tǒng)控制絞盤機(jī)，從而節(jié)約操作人力。