7YGS_45型自走式双轨道果园运输机设计与实验_邢军军

7YGS-45型自走式双轨道果园运输机设计与实验*
邢军军1，李善军2，张衍林3
（华中农业大学工学院，武汉 430070）
摘要：为解决山地果园果实、肥料和农药等运输过程中劳动强度大、效率低，而国内尚无可选机型的生产实际问题，设计研制了7YGS-45型双轨道果园运输机，重点解决了钢丝绳与驱动轮对配合实现摩擦驱动、抱轨与碟刹配合实现制动、防止运输机侧滑和上跳、防止钢丝绳在弯道中上抬与拉直、拖车自适应坡度调节等关键技术问题。

搭建了自动控制测试平台对运输机运行参数和结构参数进行优化。

分析驱动机构的轮对结构参数在载重、预紧力、运行速度和坡度角度不同情况下，驱动机构主轴扭矩与转速、驱动轮槽磨损率、钢丝绳打滑率等指标的变化情况。

为运输机运行性能的优化提供试验条件和理论分析依据，具有应用价值。

试验表明，运输机最大爬坡角度47°、最小水平转弯半径8m，平均运行速度1.0m/s。

该机可适用于山地果园中运输果实、肥料等，也可搭载喷雾机或修剪机械等进行作业。

关键词：山地果园；果园运输机；双轨道；测试平台；自动控制
中图分类号：
0引 言
我国的柑橘、苹果和梨等果树主要种植在难以形成较完善的交通运输网络的岗地和山坡上，施肥、喷药、采摘等生产过程中的运输劳动强度大，劳动力成本高，平地尚可使用常规轮式运输机，而山地则只能依靠人力，劳动力成本增加和劳动力不足制约了水果产业的高效低成本发展步伐，提高山地果园运输机械化水平迫在眉睫，山地果园运输机械的发展势在必行。

国外山地果园运输技术开发起步较早，日本处于领先地位，我国上世纪70年代从日本引进了相关机械，对我国山地果园运输机械化的发展起到了良好的促进作用，但其不适应国情且造价很高，未能在生产中发挥应有的作用，目前市场上没有可采用的果园运输机械。

近年来，在现代农业（柑橘）产业技术体系的支持下，国内陆续开发出多种运输机械，主要有华南农业大学开发的链式盘山循环货运索道系统、华中农业大学开发的7YGD-35型单轨道果园运输机和7YGS-45型自走式双轨道果园运输机等。

本文为山地或梯田大坡度果园设计的7YGS-45型自走式双轨道果园运输机[1]，其既适应在坡度陡峭地形中的运输需要，又适应在较密集果树中的运输需要，可用于山地果园中果实、肥料等的运输及进行搭载喷雾和修剪作业等。

1总体结构和工作原理
1.1总体结构
7YGS-45型自走式双轨道果园运输机主要由运输车（运输机主机）、自适应坡度拖车、双轨轨道和驱动钢丝绳等四部分组成。

运输车由机架、柴油机、减速传动机构、离合机构、驱动机构、手动液压碟片式制动机构（简称碟刹）、抱轨道式刹车制动机构（简称抱轨刹）、行走机构和钢丝绳下压导向组件等组成；拖车通过万向节与运输车连接；双轨轨道由2根外径为48mm的镀锌钢管依地形条件水平铺设，轨道上安装垂直弯钢丝绳自动回位钩桩和水平弯钢丝绳限位桩等装置；钢丝绳上端固定在轨道的上端，钢丝绳下端通过定滑轮吊装配重块以提供钢丝绳张紧力[2~5]。

整机结构图如图1所示。

图1 7YGS-45型自走式双轨道果园运输机的总体结构图
Fig.1 Structure of 7YGS-45 type self-propelled dual-track orchard transport
1.柴油机
2. 减速传动机构
3.机架
4.万向节
5.拖车
6.钢丝绳与配重块
7.水平弯钢丝绳限位桩
8.轨道
9.行走机构 10.抱轨刹 11.从动轮 12.驱动轮、碟刹 13.钢丝绳下压导向组件 14. 垂直弯钢丝绳自动回位钩桩
1.2工作原理
运输机运行时，柴油机动力通过胶带、减速传动机构、链轮等传递给钢丝绳呈“8”字形交错缠绕的驱动轮对，钢丝绳两端分别固定在轨道两端，由安装在运输机机架前后两端的导向轮和下压轮完成钢丝绳在驱动轮对的绳槽内顺利导入和导出，通过钢丝绳与驱动轮对间的摩擦实现运输车的驱动，并带动拖车实现运输[6]。

调节减速传动机构中的滑动齿轮位置，实现前进、后退和空档切换。

操纵碟刹和抱轨刹，实现减速和临时停车。

操纵防下滑安全装置，实现在斜坡位置长时间停车。

调整防侧滑承重轮承重轮和防上跳轮与轨道间的间隙，实现运输机的转弯。

2 技术创新
自走式双轨道大坡度果园运输机采用钢丝绳驱动技术：柴油机提供动力，通过变速箱将动力传给主动驱动轮，主动驱动轮与被动驱动轮上分别有5个钢丝绳缠绕槽，双驱动轮平行并错开一槽距安装，钢丝绳绕8字形缠绕两轮，钢丝绳与双驱动轮间产生足够大的摩擦力，实现钢丝绳驱动。

变速箱前进、倒退和空档集成技术：变速箱装有滑动换向齿轮，分别与换向大齿轮、换向小齿轮啮合实现前进、倒退，处于中间位置为空档，实现双轨果园运输机作业。

双保险刹车制动技术：采用一套碟片式制动装置，通过手动液压完成对主动驱动轮的制动，同时采用另一套抱轨道式刹车制动系统，大大提高了双轨果园运输机的制动安全性。

坡度停车防下滑安全技术：采用挡杆与锁杆组成的防下滑安全装置，克服了坡度停车当人长时间离开而运输机出现下滑现象，提高了运输机坡度停车的安全性和可靠性。

防侧滑、防上跳与行走拐弯集成技术：采用防侧滑承重轮和防上跳轮组成的行走装置，防侧滑承重轮成喇叭形，小头对装，且防侧滑承重轮与防上跳轮与轨道配合并预留间隙，保证了双轨运输机的防左右侧滑和上下跳动且可以拐最小半径为8m的90°弯。

防钢丝绳上抬和拉直技术，在双轨道的垂直下弯处装有钢丝绳自动回位钩装，在双轨水平弯处装有钢丝绳限位桩，有效地保证了钢丝绳紧贴双轨道的中心位置，克服钢丝绳的松动保证双轨运输机的顺利作业。

拖车货箱自适应坡度调节技术：拖车车架中装有弧形的滑轨，货箱底部装有滑轮，两者配合滑动，同时装有缓冲弹簧，保证的拖车货箱随着坡度的变化实现角度自适应平稳调节。

3 自动控制测试平台
构建测试平台的目标就是能够脱离安装地点的确定工作环境，改变关键机构的结构参数或运行参数，测试运输机的整体性能，对运输机的优化设计提供试验依据[7]。

针对7YGS-45型自走式双轨道果园运输机，驱动机构是其核心部分，驱动轮对与钢丝间的弹性滑动和驱动轮对的磨损是最主要问题，因此主要针对运输机用于驱动的钢丝绳和轮对的摩擦和磨损问题，以钢丝绳和轮对为对象，主要开展轮对外形、轮对直径、轮对绳槽个数、轮对
绳槽形状与尺寸、轮对材料与加工处理方式等轮对参数和载荷、预紧力、运行速度、运行时间（磨程）、坡度角度等运行参数对轮对的摩擦磨损和两者间打滑等问题的影响分析，揭示驱动规律，提高两者有效使用时间。

测试平台如图2能够实现载重、预紧力、运行速度和坡度角度等运行参数的调节。

图2 自动控制测试平台
Fig.2. Automatic control test platform
自动控制测试平台采用电涡流位移传感器测量磨损量，采用转矩转速传感器测量扭矩。

通过测量小车主轴在每个采样时间内的旋转角度，并通过运动学关系计算间接得到运行速度。

在小车导向轮、主动轴、被动轴上各安装一个编码器，通过记录在同一时间段内三者的转角θ1、θ2、θ3。

而后计算各轮缠绕钢丝绳的半径R1、R2、R3（此半径是原零件钢丝绳缠绕的设计半径与滚筒实时的磨损量的差值）。

由θi* R i得到钢丝绳的缠绕输送长度L i，其中L1为导向轮输送的钢丝绳长度；L2为主动轮输送的钢丝绳长度；L3为被动轮输送的钢丝绳长度。

而后在一个较短时间段内（如1秒钟内），以导向轮输送的钢丝绳长度L1为参照值，主动轮与被动轮输送的钢丝绳长度与之作比较，则可得到在1秒钟内主动轮和被动轮的打滑量。

主动轮为（L1-L2）/L1；被动轮为（L1-L3）/L1。

4 性能实验分析
为测试运输机的实际运行性能，分别在华中农业大学柑橘示范园和湖北省宜昌市秭归县郭家坝镇烟灯堡村进行了示范工程建设，并进行了测试试验，现场如图3和图4所示。

前者轨道总长度42m，最大坡度38°；后者轨道总长度210m，最大坡度47°，最小水平转弯半径8m，最小垂直转弯半径10m。

试验表明，该机空载上坡平均运行速度1.1m/s，载重200kg上坡平均运行速度0.9m/s。

图3华中农业大学柑橘示范园运输试验
Fig.3 Transport test in Huazhong Agricultural University citrus demonstration garden
图4秭归县搭载喷雾机作业试验
Fig.4 Test of transport equipped with spraying operation in Zi Gui County
5 结论
7YGS-45型双轨道果园运输机驱动轮对与钢丝绳配合实现摩擦驱动的机构运行可靠，两者间的弹性滑动和磨损率能够满足实际需要；采用碟刹和抱轨刹等方式制动，能保证运输机安全运行。

测试平台能够检测驱动机构主轴扭矩和驱动轮槽磨损量等物理量，也能通过转速计算出钢丝绳打滑率的变化情况，能够提供果园运输机运行过程中的主要问题分析数据。

7YGS-45型自走式双轨道果园运输机可实现爬坡、水平方向转弯、垂直方向转弯、前进、倒退和任意点制动等功能。

试验表明，最大爬坡角度达到47°，平均运行速度为1.0m/s，最小水平转弯半径8 m，可用于山地果园中果实、肥料等的运输及进行搭载喷雾和修剪作业等。

[参 考 文 献]
[1]李善军，邢军军，张衍林，等. 7YGS-45型自走式双轨道果园运输机设计[J]．农业机械学报，2011，（8）.
[2]Ericson M. Two-wheel tractors: road safety issues in Laos and Cambodia[J],Safety Science, 2010,(48):537~543.
[3]成大先．机械设计手册［M］．4版．北京：化学工业出版社，2002.
[4]陈震邦,周莹．农用电动运输车设计[J]．农业机械学报，2005，36（7）：153~154．
[5]于学谦．矿山运输机械［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1998.
[6]华中农业大学．适用于山地果园的自走式双轨道大坡度运输机：中国, 200920291609.3[P]．2010-06-02．
[7]Shanjun Li, Junjun Xing. Construction of 7YGS-45 Type Orchard Transport Automatic Control Test Platform: Advanced
Materials Research [J], 2011,(201-203):1396~1401.
Design and Experiment of 7YGS-45 Type Self-propelled Dual-track
Xing Junjun1,Li Shanjun2, Zhang yanlin3
(College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China )
Abstract: In order to solve the problem of high labor intensity and low efficiency during the working practice of transporting fruits、fertilizers and pesticide in mountain orchard, the authors have developed the 7YGS-45 type self-propelled dual-track orchard transport, and mainly solved the following key technical problems: the steel wire rope and a couple of driving wheels cooperated friction drive, the track holding and disc braking cooperated braking, anti-side slipping and anti-jumping , anti rope rising and anti rope straightening during the rail curves, trailer’s slope adaptive adjustment, etc. The automatic control test platform is constructed to make the optimization of operating parameters and structure parameters. The platform analyzes the changing index of wheel pair’s structural parameters of the driving
mechanism, when under the different situations of loading capacity, pre-load, running-speed, and slope angle; spindle torque and rotating-speed of the driving mechanism; wear rate of driving wheel’s groove; and slipping rate of steel wire rope. The platform provide test conditions and theoretical analysis basis for optimization of the transport’s performance, which absolutely has application values.The experimental results indicate that, the transport machine can run smoothly on the paved tracks, with the maximum climbing slope of 47°, minimum horizontal turning radius of 8m, the average speed is 1.0m/s. The transport machine can not only be used in the mountain orchard to transport the fruits and fertilizers, but also can be equipped with spraying operations, cutting operations, or other operations.
key words: Mountain Orchard, Orchard Transport, Dual-track, Test Platform, Automatic Control
*现代农业（柑橘）产业技术体系科学家岗位和公益性行业（农业）科研专项经费项目（200903023）
作者简介：1.邢军军，硕士生，主要从事柑橘生产机械化研究，xingjunjun12345@
2.李善军，讲师，博士生，主要从事柑橘生产机械化和生物质能装备研究，E－mail：shanjunlee@
3.通讯作者：张衍林，教授，博士生导师，主要从事柑橘生产机械化和生物质能工艺与装备研究，E－mail：zhangyl@。