自適應(yīng)山地果園軌道運(yùn)輸平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：缺乏高效的運(yùn)輸機(jī)械是目前國(guó)內(nèi)南方丘陵山地地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的主要問題之一，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)運(yùn)輸機(jī)械大多無法適應(yīng)山地多坡多彎的復(fù)雜地形，導(dǎo)致工作效率低下、安全性差、運(yùn)輸效果不佳。為解決山地農(nóng)業(yè)運(yùn)輸問題，研制一款自適應(yīng)山地軌道運(yùn)輸平臺(tái)。在果園種植基地進(jìn)行軌道應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)得到真實(shí)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在最大載重500 kg時(shí)，軌道所受應(yīng)力平均值為245.3 MPa，小于軌道材料的屈服極限值660 MPa，在極限坡度（30°）時(shí)，軌道所受應(yīng)力也小于材料極限強(qiáng)度，軌道符合工作所需的強(qiáng)度要求，該運(yùn)輸平臺(tái)可以安全的進(jìn)行工作。振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)果品影響最大的振動(dòng)頻率0～10 Hz范圍內(nèi)，軌道運(yùn)輸平臺(tái)的最大振幅小于0.08 cm，對(duì)運(yùn)輸?shù)墓返犬a(chǎn)生的損傷小，符合工作標(biāo)準(zhǔn)。該運(yùn)輸平臺(tái)軌道鋪設(shè)簡(jiǎn)便，成本低，地形適應(yīng)性強(qiáng)，爬坡能力強(qiáng)，載重量大，能滿足丘陵山地農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)男枨?，并通過設(shè)計(jì)傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使運(yùn)輸平臺(tái)在山地復(fù)雜地形行駛時(shí)拖車能處于平衡狀態(tài)，貨物不發(fā)生傾倒，提高山地軌道運(yùn)輸平臺(tái)的安全性和靈活性，保障運(yùn)輸?shù)霓r(nóng)產(chǎn)品的品相，延長(zhǎng)運(yùn)輸平臺(tái)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：山地果園軌道運(yùn)輸；有限元仿真；傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；安全性能

中圖分類號(hào)：S233.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 10?0154?08

Structural design and test of rail transport platform for adaptive mountain orchard

Yang Yikai， Ouyang Yuping， Wu Quanli， Liu Yande

（College of Electromechanical" and Vehicle Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， 330013， China）

Abstract： Lack of efficient transportation machinery is currently one of the main problems in the development of agriculture in the southern hilly and mountainous areas of" China， and most of the existing agricultural transportation machinery in China can not adapt to the complex terrain of the mountainous areas with many slopes and curves， which leads to low efficiency， poor safety and poor transportation effect . In order to solve the problem of mountain agricultural transportation， an adaptive mountain rail transportation platform is developed. In the orchard planting base for track stress test to get the real stress data， the results show that， in the maximum load of 500 kg， the average value of the stress on the track is 245.3 MPa， which is less than the yield limit value of the track material 660 MPa， in the limit slope （30 °）， the stress on the track is also less than the limit strength of the material （no read?through）， the track meets the strength requirements needed for the work. The transportation platform can work safely. Vibration test results show that， in the vibration frequency 0-10 Hz range which has the greatest influence on the fruits， the maximum amplitude of the rail transportation platform is less than 0.08 cm， which produces little damage to the transported fruits and so on， and conforms to the working standard. The transportation platform track laying is simple， low cost， terrain adaptability， strong climbing ability， large load capacity， which can meet the needs of hilly mountainous agricultural products transportation， and through the design of tilt angle adjustment structure and adaptive control system，" the trailer can be in a balanced state when the transportation platform is driving in the mountainous complex terrain， the goods do not fall over， the safety and flexibility of the mountain track transportation platform is improved， so as to guarantees the quality of the transported agricultural products and prolongs the service life of the transportation platform.

Keywords： mountain orchard rail transport; finite element simulation; tilt?adjustable structure; safety performance

0 引言

我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，水果種植面積約占世界種植總面積21%，其中面積排名前三的水果為柑橘、蘋果和梨，在我國(guó)南方山地丘陵大面積種植[1?3]。然而，山地地形崎嶇不平且面積大，常規(guī)的輪式和履帶式運(yùn)輸機(jī)械無法在此類地區(qū)高效工作，收獲的農(nóng)產(chǎn)品及農(nóng)藥化肥的輸送主要靠人工挑運(yùn)[4?6]，這是我國(guó)水果產(chǎn)能達(dá)不到世界平均水平、水果產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力弱于美國(guó)和巴西等其他水果種植大國(guó)的主要原因之一[7?9]。

為實(shí)現(xiàn)山地農(nóng)業(yè)機(jī)械化，日本Nikkari公司發(fā)明了世界上第一種陸地斜坡單軌運(yùn)輸機(jī)，能夠在各種復(fù)雜地形鋪設(shè)軌道；韓國(guó)MCK機(jī)械有限公司研制了適用于林業(yè)交通運(yùn)輸?shù)膯诬夁\(yùn)輸平臺(tái)系統(tǒng)，用于林區(qū)道路上運(yùn)送種子、苗木及相關(guān)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)學(xué)者研發(fā)并改進(jìn)了多種形式的山地果園運(yùn)輸機(jī)械，如單軌自走式運(yùn)輸機(jī)，遙控牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)械，電動(dòng)牽引式單、雙軌運(yùn)輸車，高空索道運(yùn)輸技術(shù)等[10?14]。但是，這些研究仍沒有研發(fā)一款能在山地丘陵復(fù)雜地形中穩(wěn)定、安全、高效地進(jìn)行作業(yè)的運(yùn)輸機(jī)械，其原因是未能真正解決在山地地形運(yùn)輸裝備操作復(fù)雜、長(zhǎng)距離、成本高昂、軌道易損壞，山地地形多坡多彎容易失去平衡等問題。單軌運(yùn)輸機(jī)械的軌道鋪設(shè)靈活、安裝及操作簡(jiǎn)便、維護(hù)成本低、安全性高，在山地果園機(jī)械化運(yùn)輸中運(yùn)用的比較廣泛[15?18]。

本文為解決山地丘陵地形運(yùn)輸困難的問題，研制一款自適應(yīng)軌道運(yùn)輸平臺(tái)，針對(duì)丘陵地區(qū)常規(guī)機(jī)械行駛不便的問題，設(shè)計(jì)緊湊的車體結(jié)構(gòu)和鋪設(shè)靈活簡(jiǎn)易的單軌，為解決山地頻繁上下坡，傾角變化不穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)自適應(yīng)傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，在果園搭建軌道試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行軌道應(yīng)力試驗(yàn)，校核軌道強(qiáng)度，并測(cè)試運(yùn)輸平臺(tái)工作時(shí)的振動(dòng)是否符合要求。

1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整車設(shè)計(jì)方案

自適應(yīng)軌道運(yùn)輸平臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、從動(dòng)輪、軌道腳支架、軌道和傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，拖車等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。運(yùn)輸平臺(tái)在工作時(shí)，汽油機(jī)的輸出動(dòng)力經(jīng)過帶傳動(dòng)傳遞給變速箱，變速箱經(jīng)過齒輪傳動(dòng)，按設(shè)置的擋位將相應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳遞給輸出端的驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪在軌道上行走，從而帶動(dòng)行走輪以及拖車，實(shí)現(xiàn)自走，完成貨物運(yùn)輸。軌道運(yùn)輸平臺(tái)行駛時(shí)，軌道兩側(cè)的防側(cè)倒裝置使軌道運(yùn)輸平臺(tái)能緊貼著軌道，減小顛簸并防止脫軌，提高了軌道運(yùn)輸平臺(tái)的安全性；爬坡時(shí)，行走輪的內(nèi)側(cè)與方鋼的側(cè)面貼合，使運(yùn)輸平臺(tái)在行走過程中不側(cè)翻，可以平穩(wěn)向上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)安全爬坡。運(yùn)輸平臺(tái)的行走輪采用的是萬向輪，在經(jīng)過山地多彎地形時(shí)，可根據(jù)彎道不同的曲率半徑調(diào)整相應(yīng)的方向，實(shí)現(xiàn)在不同角度不同方向的平穩(wěn)過彎；制動(dòng)停車時(shí)，按下齒輪箱上方的制動(dòng)手柄，能迅速完成離合，進(jìn)行制動(dòng)。本軌道運(yùn)輸平臺(tái)動(dòng)力源采用HondaGX200型號(hào)汽油機(jī)。運(yùn)輸平臺(tái)標(biāo)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸平臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)兩種組合的方式，主要由帶輪、V帶、齒輪變速箱、驅(qū)動(dòng)輪以及動(dòng)力輸出輸入軸等部分組成，如圖2所示。

動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)依次傳遞給帶輪、皮帶、齒輪箱的動(dòng)力輸入軸、齒輪變速箱和驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪與軌道嚙合完成傳動(dòng)，換擋結(jié)構(gòu)可改變行進(jìn)速度和行進(jìn)方向。帶傳動(dòng)為平級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比取1，帶輪直徑相同。汽油機(jī)的動(dòng)力輸出端轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，理論最大功率3.6 kW，按最大額定功率計(jì)算，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，應(yīng)選用B型號(hào)的V帶。帶輪最小節(jié)圓直徑參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 13575.1-2008《普通和窄V帶傳動(dòng)第1部分：基準(zhǔn)寬度制》，結(jié)合實(shí)際需求，取兩帶輪直徑為220 mm，中心距計(jì)算如式（1）所示。

[0.7（dd1+dd2）lt;a0lt;2（dd1+dd2）] （1）

式中： [dd1]——小帶輪基準(zhǔn)直徑；

[dd2]——大帶輪基準(zhǔn)直徑；

[a0]——初定中心距。

V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度計(jì)算如式（2）所示。

[Ld0=2a0+π2（dd1+dd2）+（dd1-dd2）24a0] （2）

式中： [Ld0]——V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度。

計(jì)算可得，V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度[Ld0=]1 100 mm，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)計(jì)算的V帶初始基準(zhǔn)長(zhǎng)度[Ld0]選取相近的實(shí)際基準(zhǔn)長(zhǎng)度[Ld=]1 330 mm，由式（3）可計(jì)算兩帶輪的實(shí)際中心距a。取初定中心距[a0=310] mm，計(jì)算得實(shí)際中心距[a=320] mm。

[a=a0+Ld-Ld02] （3）

小帶輪包角

[a1=180-57.5（dd1-dd2）/a0] （4）

計(jì)算可得，小帶輪包角[a1]=180°，小帶輪包角大于120°，滿足帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求。

在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中帶傳動(dòng)雖有緩沖的作用，但其承載力較弱且傳動(dòng)精度較低，存在打滑現(xiàn)象，僅適合高速小力矩傳動(dòng)，不能作為最終傳遞動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。與帶傳動(dòng)相比，齒輪傳動(dòng)具有瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定、可以實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比、可變速、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于二級(jí)以上的多級(jí)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，變速箱的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足如下要求：最大傳動(dòng)比應(yīng)在18.0左右；能迅速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地完成三個(gè)擋位之間的切換；在汽油機(jī)的輸出軸端輸入動(dòng)力，在齒輪變速箱的輸出端連接驅(qū)動(dòng)輪，將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪；變速箱的中間軸上安裝剎車制動(dòng)器，能隨時(shí)進(jìn)行快速制動(dòng)和啟動(dòng)。為使運(yùn)輸平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，齒輪選擇標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，壓力角α0=20°，由于裝備行駛速度較慢、齒輪轉(zhuǎn)速較低，但對(duì)使用壽命有較高的要求，所以選用8級(jí)精度齒輪（GB10095—88）。齒輪傳動(dòng)路線如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)采用多級(jí)傳動(dòng)，其中帶輪為一級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比i1為1。齒輪傳動(dòng)為五級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比分別為[i2、i3、i4、i5、i6]；各級(jí)傳動(dòng)效率依次為[μ1]、[μ2]、[μ3]、[μ4]、[μ5]、[μ6]；發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)間設(shè)置有中間傳動(dòng)裝置。

所選汽油機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪直徑為[D1=]185 mm，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為[V6]，軌道運(yùn)輸平臺(tái)的運(yùn)行速度為V，總體傳動(dòng)比為[i0]，總傳動(dòng)效率[μ0]，則

[V6=n0/i0] （5）

[i0=i1i2i3i4i5i6] （6）

[V=πD1V6/60 000] （7）

[μ0=μ1μ2μ3μ4μ5μ6] （8）

式中： [μ0]——傳統(tǒng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)效率 ；

[V6]——驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；

[n0]——柴油機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速；

[i0]——總傳動(dòng)比。

運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度為1 m/s；一級(jí)傳動(dòng)為帶傳動(dòng)，查表可得[μ1]=0.96，齒輪加工精度為普通齒輪8級(jí)，傳動(dòng)效率為0.97，代入式（8），計(jì)算得[μ0]≈0.83，由式（7）得[V6]=98 r/min，再代入式（5）中，計(jì)算得總傳動(dòng)比[i0]≈18.5，共經(jīng)6級(jí)傳動(dòng)，為達(dá)到傳動(dòng)精度要求，必須對(duì)各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比合理分配。要求設(shè)計(jì)中力求各檔速差最小，從而增加傳動(dòng)穩(wěn)定性與安全性。將前進(jìn)二擋（快速擋）的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為[i2≈1.3]、[i3≈1]、[i4≈2.4]、[i5≈1.8]、[i6≈3]。

1.3 傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際作業(yè)時(shí)，軌道運(yùn)輸平臺(tái)在多坡多彎地形連續(xù)行駛，對(duì)運(yùn)輸平臺(tái)平衡性造成影響，可能導(dǎo)致車架發(fā)生傾斜而使貨物傾倒并受到損傷，造成重大損失，甚至危及人員生命。為保證運(yùn)輸機(jī)能安全平穩(wěn)的完成運(yùn)輸任務(wù)，本文提出一種具有自適應(yīng)平衡功能的傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。常態(tài)下傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

水平路段行駛時(shí)，上頂板與水平面成30°夾角，拖車處于水平狀態(tài)。經(jīng)過坡彎地形時(shí)，車身傾角發(fā)生改變，拖車傾斜，運(yùn)輸?shù)霓r(nóng)產(chǎn)品存在傾覆、側(cè)倒的安全隱患。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)力傳輸給驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿，將動(dòng)力傳遞給支撐連桿，最終實(shí)現(xiàn)上頂板的傾角變化，使運(yùn)輸?shù)呢浳锉３制胶鉅顟B(tài)。裝備的極限爬坡角度為30°；上坡時(shí)，運(yùn)輸平臺(tái)傾角發(fā)生變化，拖車傾斜，傾角傳感器采集到拖車傾角變化信號(hào)并傳遞給單片機(jī)處理器，經(jīng)PID控制算法計(jì)算后將輸出信號(hào)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，改變拖車傾角保持平衡；傾角傳感器能實(shí)時(shí)采集拖車傾角值信號(hào)并反饋給單片機(jī)，由PID控制算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)上坡過程中自適應(yīng)傾角平衡調(diào)節(jié)的功能。如圖5所示。

下坡時(shí)則電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲桿反轉(zhuǎn)，使拖車依舊保持水平，如圖6所示。

滿載狀態(tài)下拖車與貨物總重量540 kg，下坡過程中所需最大推力Fa=6 500 N，選擇的進(jìn)給絲桿的導(dǎo)程Ph=10 mm，效率η=0.96，則驅(qū)動(dòng)軸端輸入的扭矩T需滿足式（9）。

[T≥FaPh2πη] （9）

由式（9）可得，[T≥10 800] N ? m。選取電機(jī)輸出扭矩應(yīng)大于10 800 N ? m。

該傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可使運(yùn)輸平臺(tái)在山地多坡多彎的復(fù)雜地形中保持平衡，貨物處于水平狀態(tài)，不發(fā)生傾覆、側(cè)翻，提高運(yùn)輸平臺(tái)的安全性和農(nóng)產(chǎn)品的品相。

1.4 自適應(yīng)傾角控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選擇STM32F103RCT6為主控芯片，配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)及直流電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為主控芯片的硬件系統(tǒng)和PID控制算法，該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同需求設(shè)置多個(gè)模塊并通過串口通信完成各功能模塊之間的數(shù)據(jù)交換，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。完整的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包含了電源電路，傾角測(cè)量電路和主控電路，A/D模塊電路，數(shù)據(jù)采集與輸出電路。信號(hào)傳遞的主要流程，傾角傳感器為主要測(cè)量元件，其采集的輸出信號(hào)經(jīng)A/D模塊，再由處理器經(jīng)控制算法計(jì)算后輸出所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖7所示。

控制系統(tǒng)流程如圖8所示。根據(jù)設(shè)定的水平狀態(tài)車架初始傾角[α]以及給定目標(biāo)傾角β，經(jīng)給定數(shù)學(xué)模型計(jì)算，得出使車身維持平衡狀態(tài)的目標(biāo)車架傾角，并與傾角傳感器測(cè)實(shí)時(shí)測(cè)得的車架傾角值作差，計(jì)算出傾角誤差值并輸入單片機(jī)控制器，經(jīng)PID算法計(jì)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向；動(dòng)力經(jīng)驅(qū)動(dòng)軸傳遞到絲桿，實(shí)現(xiàn)車架的傾角調(diào)節(jié)，保持車身平衡。

控制算法采用的是傳統(tǒng)PID算法，傳統(tǒng)PID控制是將系統(tǒng)給定值與實(shí)際值之間的偏差作為控制對(duì)象，結(jié)合比例系數(shù)kp，積分系數(shù)ki，微分系數(shù)kd修正控制偏差[19， 20]。在控制系統(tǒng)中引入反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，從而改善系統(tǒng)控制品質(zhì)，其原理如圖9所示。在實(shí)際應(yīng)用中，PID控制算法效果的好壞取決于設(shè)置的參數(shù)是否合理，合理的參數(shù)設(shè)置能優(yōu)化控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，達(dá)到理想的控制效果，而如何設(shè)置恰當(dāng)?shù)膮?shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的PID控制算法，主要依靠從仿真和試驗(yàn)中摸索經(jīng)驗(yàn)，選擇出恰當(dāng)?shù)膮?shù)[21， 22]?；谲壍肋\(yùn)輸平臺(tái)傾角控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制算法，在MATLAB中建立PID控制器模型，經(jīng)過多次模擬仿真對(duì)比，最終確定響應(yīng)曲線較理想的參數(shù)kp=0.02，ki=0.06，kd=0.001。

1.5 軌道設(shè)計(jì)

軌道運(yùn)輸平臺(tái)采用的是單軌運(yùn)輸方式，單軌具有鋪設(shè)簡(jiǎn)單、成本低、拆裝靈活、地形適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合運(yùn)用于山地果園。軌道運(yùn)輸平臺(tái)和軌道之間由驅(qū)動(dòng)輪和軌道嚙合，為線性接觸，設(shè)計(jì)時(shí)可在安全范圍內(nèi)減小軌道的寬度，從而減小軌道與運(yùn)輸平臺(tái)間的磨損，達(dá)到延長(zhǎng)軌道使用壽命的效果。在確保軌道能安全使用的范圍內(nèi)，設(shè)其寬B，橫截面面積為M，長(zhǎng)為L(zhǎng)，拖車行走輪距離為[D2]。取軌道長(zhǎng)L=3 500 mm，前后輪距C=100 mm，拖車行走輪距離[D2]=1 500 mm，軌道材料為35號(hào)鋼，軌道的受力圖如圖10所示。相鄰軌道采用內(nèi)嵌缸套的螺栓聯(lián)結(jié)，且在連接處都設(shè)有支撐柱，以保證連接處的安全。支撐點(diǎn)之間的跨距d=1 500 mm。

當(dāng)運(yùn)輸平臺(tái)所處于圖10的狀態(tài)時(shí)，假設(shè)載荷在其幾何中心，把軌道簡(jiǎn)化為帶固定支承的梁，忽略摩擦力的存在，校核剪切與彎曲強(qiáng)度。機(jī)身自重約80 kg，滿載狀態(tài)下載物車總重約為600 kg，假設(shè)[G1]、[G2]都作用在相鄰兩固定支腳的中間位置，對(duì)[G2]進(jìn)行分析，建立力學(xué)方程

[RC+RB=G2] （10）

[RCd=G2d/2] （11）

[RBd=G2d/2] （12）

式中： [RC]、[RB]——支座反力，N；

[G2]——軌道所受載荷，N。

所受剪切應(yīng)力與彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件。

[RC/M=tlt;t] （13）

[G2d/2M=slt;s] （14）

其中，材料的許用剪應(yīng)力[t]為147 MPa，許用彎曲應(yīng)力[s]為315 MPa。

由式（13）得[Mgt;0.11 cm2]，式（14）得[Mgt;0.04 cm2]。

根據(jù)空心方鋼的選擇標(biāo)準(zhǔn)，選取寬Z=50 mm，壁厚H=4 mm，橫截面積M=6.97 cm2的空心方鋼作為運(yùn)輸機(jī)的軌道。軌道齒高度為30 mm，厚度為10 mm，齒間距為45 mm。

2 軌道力學(xué)仿真與試驗(yàn)

2.1 應(yīng)力仿真

軌道主要功能之一是承受運(yùn)輸平臺(tái)及貨物的全部重力，研究其應(yīng)力分布對(duì)確保安全性有重要作用。通過ANSYS軟件對(duì)軌道進(jìn)行力學(xué)仿真。將軌道運(yùn)輸機(jī)模型導(dǎo)入ANSYS中，由于運(yùn)輸平臺(tái)的結(jié)構(gòu)對(duì)軌道應(yīng)力分布影響不大，可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖11所示。添加約束、網(wǎng)格劃分及相關(guān)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際車速0.8 m/s，設(shè)置瞬態(tài)分析時(shí)間為3 s，步長(zhǎng)為0.01 s。

選取第三節(jié)軌道，平均分為8段，初步判斷軌道的應(yīng)力分布，再選取應(yīng)力較為集中的input4～input6所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行更加詳細(xì)的應(yīng)力分析，分別加載機(jī)頭的載重（50 kg）和拖車載重（30 kg）來模擬實(shí)際環(huán)境中空車對(duì)軌道產(chǎn)生的應(yīng)力。接著增加載重，分別將載重100 kg、200 kg、300 kg、400 kg、500 kg依次加載到拖車部分進(jìn)行仿真，并查看input4～input6點(diǎn)位所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力，如表2所示。

2.2 軌道應(yīng)力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，在果園內(nèi)搭建了軌道測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試在實(shí)際工作過程中軌道的最大應(yīng)力，校核極端條件下軌道的強(qiáng)度，檢驗(yàn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果是否在允許范圍內(nèi)。本次軌道應(yīng)力試驗(yàn)采用的測(cè)試系統(tǒng)包括應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集與分析儀（集成電荷放大器）、計(jì)算機(jī)等進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。圖12為軌道應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)以及應(yīng)變片的分布。

采用的AVANT數(shù)據(jù)采集分析儀具有8個(gè)輸入通道，通道間是相互獨(dú)立的，可同時(shí)采集軌道上8個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值并保證數(shù)據(jù)采集精度。采樣參數(shù)設(shè)置中分析譜線為800，采樣點(diǎn)數(shù)為2 048，分析頻寬為4 000，采樣頻率為10 240 Hz，頻率間隔為5 Hz，觸發(fā)設(shè)置中的觸發(fā)源設(shè)為無觸發(fā)，運(yùn)行模式為自由運(yùn)行。

選擇一段光滑無損的軌道，平均分為8段，在每段的同側(cè)貼上應(yīng)變片。以載重為變量，測(cè)量不同載重下軌道的最大應(yīng)力值，軌道運(yùn)輸平臺(tái)在相鄰的上一段軌道靠近該段軌道處開始運(yùn)行，直至拖車完全駛離該段軌道為止。

檢查應(yīng)變片粘貼牢固后打開儀器，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，依次連接各導(dǎo)線并將采集儀連接220 V電源。將每袋50 kg重的化肥按兩袋一組依次放到載物拖車上，裝載范圍從空載0 kg到額定載荷500 kg，100 kg為一個(gè)梯度進(jìn)行一組測(cè)試，每組測(cè)試一次，記錄測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

測(cè)試6組應(yīng)力試驗(yàn)后，保存測(cè)試的時(shí)域信號(hào)圖像以及測(cè)試數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入軟件，對(duì)分析時(shí)域信號(hào)進(jìn)行，并找出各點(diǎn)的最大應(yīng)變值，為了更加清楚地表達(dá)整個(gè)軌道的最大應(yīng)力值分布，選取載物車的典型工況空載（表3）與滿載（表4）的情況進(jìn)行分析。

表3及表4中input1～input8為從左至右對(duì)應(yīng)8個(gè)應(yīng)變片所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值。由于運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的整個(gè)測(cè)試過程中，input1～input3只在最開始受波動(dòng)較大，而 input7、input8只在運(yùn)行結(jié)束時(shí)變化較大，而input4～input6較為完整地反映了運(yùn)輸平臺(tái)行駛過程中的應(yīng)力變化全過程，所以通道input4～input6所產(chǎn)生的應(yīng)力值會(huì)更加全面準(zhǔn)確，更符合理論分析，為了準(zhǔn)確地評(píng)估軌道的應(yīng)力隨載荷變化情況，僅計(jì)算input4～input6通道所產(chǎn)生的應(yīng)變，提取通道的最大值，并求其平均值作為軌道所受到的最終應(yīng)力值，如表5所示。

由表5可知，input4～input6三個(gè)通道在同一載荷下所受到的應(yīng)力變化不大。另外，隨著載物車負(fù)載的增加，軌道受到的應(yīng)力幅值增大且變化較大，可見任意通道所受應(yīng)力與變量負(fù)載之間基本呈現(xiàn)正相關(guān)的增長(zhǎng)關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，在滿載時(shí)軌道承受的平均應(yīng)力為245.3 MPa，遠(yuǎn)小于軌道的屈服極限值660 MPa，該軌道運(yùn)輸平臺(tái)能安全的完成運(yùn)輸任務(wù)。

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，把input4～input6的虛擬仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13所示。

由圖13可知，實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比虛擬仿真數(shù)據(jù)偏大，而且這種偏差隨著載物車負(fù)載的增加變得更明顯，但是虛擬仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算，仿真與試驗(yàn)值之間的平均誤差為11.6%，軌道的虛擬仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本保持一致，在一般仿真結(jié)果誤差要求允許范圍內(nèi)。分析產(chǎn)生誤差的原因，主要在于對(duì)軌道進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，忽略了驅(qū)動(dòng)輪對(duì)軌道的齒也會(huì)產(chǎn)生向上和向后的力，同時(shí)仿真也難以達(dá)到真實(shí)試驗(yàn)時(shí)的路況。但總體而言，通過ANSYS對(duì)軌道進(jìn)行應(yīng)力仿真，并得到相應(yīng)的分析結(jié)論是相對(duì)可靠的，該仿真模型也可為以后的相關(guān)研究工作提供參考。

2.3 振動(dòng)測(cè)試

山地果園運(yùn)輸平臺(tái)在行駛時(shí)，由于山地地形崎嶇，爬坡較多，行駛過程中容易引起載貨拖車振動(dòng)，降低運(yùn)輸平臺(tái)的穩(wěn)定性，可能會(huì)對(duì)運(yùn)輸平臺(tái)在連接處的關(guān)鍵部件造成損傷，也會(huì)損傷運(yùn)輸?shù)墓穂20?22]。為保證運(yùn)輸平臺(tái)的安全和果品運(yùn)輸質(zhì)量，在山地果園軌道測(cè)試平臺(tái)對(duì)運(yùn)輸平臺(tái)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，分析該軌道運(yùn)輸平臺(tái)行駛過程中振動(dòng)頻率的主要分布，檢驗(yàn)該運(yùn)輸平臺(tái)的安全性能。

試驗(yàn)選用AVANT數(shù)據(jù)采集與MI-7008D分析儀。傳感器采用電壓式加速度傳感器EA-YD-152，振動(dòng)測(cè)量頻率范圍為0.5～4 000 Hz。EA-YD-152可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的X（軌道左右方向）、Y（沿軌道方向）、Z（軌道豎直方向） 3個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。由于軌道振動(dòng)的傳遞性好，在不妨礙運(yùn)輸機(jī)工作的情況下，試驗(yàn)選擇軌道的1個(gè)關(guān)鍵部位，在軌道中點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)置了4種載荷工況，分別為0 kg、200 kg、400 kg和500 kg，分別對(duì)應(yīng)FFT9、FFT10、FFT12、FFT14四組試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試3次，并取平均數(shù)值。試驗(yàn)選用2 m的水平軌道，測(cè)試距離包括啟動(dòng)的距離，運(yùn)輸機(jī)以0.5 m/s的速度勻速運(yùn)行。

采集數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，軌道在X方向的振動(dòng)遠(yuǎn)大于在Y、Z方向的振動(dòng)，振動(dòng)加速度在4～7 m/s2，所以主要研究X方向上的振動(dòng)情況。為使得信號(hào)處理更直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，將測(cè)試采集的X方向上的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換。經(jīng)過變換后的頻譜圖如圖14所示，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)加速度。通過快速標(biāo)記，不同頻率的峰值可以明顯地比較出來。

由圖14得知軌道的固有頻率大致分布在0～300 Hz，整體上呈現(xiàn)較穩(wěn)定的狀態(tài)。軌道運(yùn)輸平臺(tái)的振幅的較大值集中在振動(dòng)頻率為25～100 Hz的區(qū)間內(nèi)，其振動(dòng)幅度為0.02～0.08 cm；對(duì)水果損傷較大的振動(dòng)頻率處于0～10 Hz范圍內(nèi)，該頻域內(nèi)的振幅低于0.08 cm，所以運(yùn)輸平臺(tái)的振動(dòng)對(duì)水果果品的影響較小。

3 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)山地果園軌道運(yùn)輸平臺(tái)，該運(yùn)輸平臺(tái)載重量大、安全性高、地形適應(yīng)性強(qiáng)、成本低、軌道鋪設(shè)簡(jiǎn)便；設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)的自適應(yīng)傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使軌道運(yùn)輸平臺(tái)在復(fù)雜山地地形中實(shí)時(shí)保持車身平衡；設(shè)計(jì)PID控制算法，使控制系統(tǒng)更加的準(zhǔn)確、迅速、穩(wěn)定。該軌道運(yùn)輸平臺(tái)能很好的適應(yīng)南方山地丘陵的地形，在山地果園中高效完成運(yùn)輸任務(wù)。

2） 在ANSYS中建立軌道模型并模擬運(yùn)輸平臺(tái)實(shí)際工作時(shí)軌道的應(yīng)力分布，對(duì)軌道運(yùn)輸平臺(tái)進(jìn)行初步應(yīng)力分析，接著在果園進(jìn)行軌道應(yīng)力測(cè)試，測(cè)得在實(shí)際工作中軌道的最大應(yīng)力值245.3 MPa，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軌道的屈服極限值660 MPa。試驗(yàn)表明，該軌道運(yùn)輸平臺(tái)可以滿足工作安全要求，能安全、高效地完成山地運(yùn)輸任務(wù)；并將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比，經(jīng)計(jì)算得兩者的平均誤差為11.6%，處于允許范圍內(nèi)，該仿真模型可以運(yùn)用于相關(guān)研究，為以后的研究提供參考。

3） 對(duì)軌道運(yùn)輸平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軌道左右方向（X方向）振幅最大，需要對(duì)該方向進(jìn)行減震優(yōu)化；在對(duì)水果影響最大的0～10 Hz范圍內(nèi)，其最大振幅小于0.08 cm，對(duì)果品影響不大，符合工作要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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