牵引式单轨果园运输机的设计和实现_张凯鑫

牵引式单轨果园运输机的设计和实现张凯鑫1，张衍林1（1华中农业大学工学院，湖北武汉 430070）摘要：为了解决在无运输道路、坡度陡峭的山地果园中，现有的山地果园运输机的载重量不够以及不便遥控的问题，设计了牵引式单轨道果园运输机。

运输机的总体结构由控制系统、卷扬机、钢丝绳、拖车、导轨组成。

用户通过遥控或手动控制卷扬机，卷扬机带动钢丝绳，钢丝绳牵引拖车在轨道上运行。

新设计的运输机解决了钢丝绳意外脱落、防止侧倒以及下滑启动等安全问题。

经过试验，在坡度为30°的状况下，遥控距离为300m，运行速度为0.4-0.5m/s，运输机的载重量为1t，比现有设备提高了500kg。

结果表明，新设计的重型运输机提高了载重量并方便了控制。

关键词：牵引；单轨；果园运输机；重型；遥控中图分类号：按《中国图书分类法》标注1.功能和适用范围1.1我国柑橘类果树的生产现状柑橘类果树拥有多种重要的商品性水果，深受人们喜爱。

我国是柑橘的重要原产地之一，年产量仅次于巴西、美国，占世界第三位，占世界柑橘总产的比例为17%左右。

其种植范围主要分布在我国的南方，南起海南省的三亚市，北至陕、甘、豫，东起台湾省，西到西藏的雅鲁藏布江河谷。

由于受地形条件的制约，柑橘主要种植在岗地和山坡上。

在这些起伏不平，有的甚至呈陡坡梯田状的山地上，没有形成较完善的交通运输网络，因而，果实的运输非常困难。

目前，大多数果园的生产尚依赖于大量的劳动力。

但在农村劳动力向外转移的情况下，劳动力只能满足少量且有限的果园的需要。

所以，有限的劳力成了影响果园生产的一大因素，直接制约着果园的生产。

在一直受这种长期的制约下，果农期望相关机械能够取代现有的劳动力生产。

1.2亟待解决的问题和牵引式单轨果园运输机的的意义因此，研究发展果园省力化机械具有重大而深远的意义。

这不仅节省了劳力、节约了生产成本还对果树更大面积的种植提供了坚实的基础。

目前，相比之下，国外的果园运输机械更为先进。

其中，日本果园运输机的种类繁多，用于坡地果园的有单轨搬运机、架空索道、动力三轮车等。

我国在果园机械领域也有诸多应用。

其中，华中农业大学工学院研制出自走式单轨道果园运输机、自走式双轨道果园运输机。

这些机械初步的满足了需要。

不过，在不同的情况下，它们也暴露出了不足。

为了解决载重量不够以及操控复杂的问题，设计了牵引式单轨道果园运输机。

1.3运输机的功能与性能参数和同类机械比较，牵引式单轨道果园运输机简化了控制过程。

运输机可以通过遥控器，遥控运输机运行，亦可手动方式运行，即通过控制箱上的按钮控制。

两种方式互不影响。

运输机可按要求，在任意位置停车、启动。

在轨道的两端设置有行程开关，防止运输机冲出轨道。

经过试验，牵引式单轨道运输机在坡度为30°的状况下，遥控距离为300m，运行速度为0.4-0.5m/s，运输机的载重量为1t，比原来提高了500kg。

结果表明，此运输机提高了载重量并方便了控制。

2.总体结构图1 运输机在果园中的走势图在陡峭的山地中，运输机具有左右转弯与起伏转弯的功能（如图）。

为了满足这个需求，运输机的总体结构包括四大部分：卷扬机、导轨、拖车以及控制系统。

以下将做详细介绍：2.1卷扬机图2 卷扬机卷扬机（又叫绞车）是由人力或机械动力驱动卷筒、卷绕绳索来完成牵引工作的装置。

可以垂直提升、水平或倾斜拽引重物。

应用于运输机上的卷扬机包括四部分：电动机、刹车和联轴器、减速器、卷筒。

1电动机：380v三相交流电机，功率为5.5kw。

2制动器和联轴器：制动器是电磁驱动、杠杆连接、弹簧复位的一种摩擦片式的制动器。

在通电状态下（此时电动机也通电启动），电磁铁得电，两个摩擦片张开，处于自由状态；在断电状态下（电动机断电停止），电磁跌失电，两个摩擦片在弹簧作用下复位，抱紧轮毂，处于刹车状态。

3减速器：减速器是一种封闭式齿轮箱，包括四级齿轮减速，利用齿轮油润滑。

4卷筒：卷筒是一种钢制的轮毂，用来卷绕钢丝绳，从而完成牵引工作。

2.2导轨图3 导轨与上面的零件导轨是支撑运输机并为其导向的装置（如图）。

运输机的行走机构与导轨接触，并保证在导轨上运行且不侧翻。

导轨是运输机运行的基础，也是衡量整个运输机系统的成本的一个重要指标。

在比较几种运输机的导轨后，发现牵引式单轨运输机的结构更简单。

结构简单的导轨成本更低廉。

所以，牵引式单轨运输机导轨的成本变的更低廉。

上述导轨（如图）由方钢管首尾焊接构成，导轨每隔两米左右有导轨立柱支撑，导轨立柱和导轨的竖直面上制有水平通孔，一端制有凸肩且另一端制有外螺纹阶梯圆柱形立柱销轴依次穿过导轨、立柱套筒、导轨立柱，由立柱螺母锁紧在导轨立柱上。

导轨的设计与计算：2.2.1销轴的设计与计算：销轴由一端制有凸肩且另一端制有外螺纹阶梯圆柱形立柱销轴制成。

由于受弯曲应力，其危险截面在于螺纹阶梯的轴肩处。

因此只需对该部分进行设计计算即可。

图4 销轴抗弯截面模数经过计算，截面对x轴的抗弯截面模数为Wy=1.533图5 销轴的弯矩 经过计算，b点的弯矩M=70N.M2.2.2方钢管的校核与选用：方钢管是一个正方环形的线材材料。

图6 方钢管抗弯截面系数 经过计算，正方环形截面对x轴的抗弯截面系数Wx=12300 2.3拖车图7 拖车拖车是运输机用于承载的一部分。

由于采用电动动力，运行速度为0.4-0.5m/s，运输机的载重量为1t，比原来提高了500kg。

运输的货物装于拖车之上，每个拖车有预留倾角，目的是为了在坡度大的地方不至后仰。

运输机一共包括两个拖车，两拖车之间用万向节连接。

每个拖车的下方安装有行走装置和夹紧装置。

前拖车的前行走装置与钢丝绳相连，从而得以驱动。

拖车包括以下四大部分：1连接部分前后两拖车之间有连接部分。

连接部分采用万向节的形式。

无论运输机处于直线还是转弯的状态下运行，万向节都能够提供轴向拉力，使两个拖车共同运动。

2货箱货箱焊接而成，其大小能够容下六箱货物。

六箱货物被分为上下两层放置。

3行走机构行走机构由行走轮和夹紧轮构成。

行走轮在导轨的上方，是承载的主要部分。

夹紧轮则在导轨下方运行，在运行过程中提供夹紧力，致使拖车不侧翻。

4安全装置安全装置包括钢丝绳防脱装置和下滑启动装置。

前者在钢丝绳脱落的瞬间使拉钩伸出，挂住导轨立柱，防止因钢丝绳脱落的运输机下坠。

后者是在运输机启动下滑的时候，提供运输机一个向下的拉力，防止因坡度不够陡峭而引起的卷扬机空转现象。

5.控制系统控制系统由手动按钮控制和遥控器控制组成。

二者互不干扰。

3.工作原理3.1总体介绍用户通过遥控器或手动按钮控制卷扬机的正转或反转，实现钢丝绳的卷入或伸出。

遥控器和手动控制同时控制，互不干扰。

这样，拖车，位于钢丝绳末端，能随绳向上或向下运行。

3.2卷扬机的运行原理在控制装置对卷扬机通电后，其制动器也得电，其上的电磁铁动作，将杠杆拉开，在杠杆靠近支撑点有两片摩擦片（制动器是通过摩擦片的形式制动的），此时摩擦片被张开，摩擦片将其原本抱住的轮毂松开，轮毂能够自由转动，制动状态被解除。

与此同时，电动机得电，开始转动，通过联轴器带动减速器的高速端转动，高速端通过四级齿轮减速，将扭矩传递给低速端，低速端带动卷筒转动，从而使圈在卷筒上的钢丝绳卷入或伸出，即开始运行。

在控制装置对卷扬机断电后，其电动机断电，电动机停止转动，卷筒随之也停止转动。

与此同时，制动器也断电，在弹簧的作用之下复位，摩擦片抱紧轮毂，实现制动。

3.3钢丝绳牵引原理钢丝绳是运输机上承受拉力、实现牵引的重要零件。

它是一种用多根或多股细钢丝拧成的挠性绳索，钢丝绳是由多层钢丝捻成股，再以绳芯为中心，由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。

因此，钢丝绳在牵引的过程中必须对其进行导向。

导向分为上下方向和水平方向，是通过导向轮来实现的。

导向轮根据地形和轨道的走势来布置，其结构会在下文中详述。

3.4启动停止原理运输机的启停也通过卷扬机带动。

同时，也有一些辅助装置的作用。

辅助装置包括：限位开关、辅助下滑装置。

限位开关安置于轨道的首尾两端处，同一地点布置有两个限位开关。

当运输机到达起点或终点时，限位开关被触碰，发出停止信号，强行停车。

辅助下滑装置是在运输机靠近上端的终点的平路处，通过弹簧的拉力使运输机在此始终受到一个向下的拉力。

那么，此时钢丝绳被绷直。

这样，防止了因钢丝绳未拉直而引起的卷扬机空转。

4.关键部件的设计4.1行走夹紧轮图8 行走夹紧轮行走轮，位于导轨的上面，用于承载；夹紧轮，位于导轨的下面，则用于防侧翻（如图）。

安装方式：导轨的横截面为矩形，在导轨的上平面和下平面上，分别卡装有中部制有两端内径大于中间内径的阶梯通孔的且外圆部分成中部直径小于两端部直径的阶梯圆柱形的行走轮和夹紧轮，行走轮和夹紧轮的小外圆部分分别靠在导轨的上、下平面上，二者其两端大外圆部分的内侧面分别卡装在导轨的两个侧面上，在导轨的右侧，通过一端固定在导轨右侧，另一端固定在下端固定在地面上的导轨立柱的上端的悬臂梁机构上，行走轮和夹紧轮中的所述阶梯通孔的两端大孔中分别装有其内孔装有阶梯圆柱形行走轮轴和阶梯圆柱形夹紧轮轴的行走轮轴承和夹紧轮轴承，在行走轮轴和夹紧轮轴安装的同时，分别装在沿导轨长度方向按给定距离分布的多个中空的开口部位相对的U字形的行走轮架和夹紧轮架两侧面制有的通孔中，再并分别固定在行走轮架和夹紧轮架上，且行走轮架和夹紧轮架通过可拆卸的连接方式固定连接在一起，行走轮架和拖车底部连接，夹紧轮架和固定在高地位置处的卷扬机配带的钢丝绳的端部连接。

所述的每节拖车的前后端各安装一个行走轮架，与位于其后端的行走轮架之间采用固定连接，与前端行走轮架采用导向销轴连接。

4.2钢丝绳安全装置图9 钢丝绳防脱装置钢丝绳安全装置（下称防脱装置，如图）的功能是防止因钢丝绳脱落而引起的运输机下坠。

防脱装置的原理是通过挡块复位动作完成与导轨立柱的挂钩。

挡块只有在钢丝绳绷直的状态下才收回。

也就是说，只有在正常运行且钢丝绳安全的状况下，挡块收回。

此时的挡块与导轨立柱互不干涉。

运输机畅通运行。

相反，如果钢丝绳脱落或为绷直，挡块会在图中弹簧的作用下复位，即伸出去。

此时，运输机在下滑一小段距离后，其挡块会与下一个导轨立柱接触，整个运输机挂在导轨立柱上，防止继续下坠。

4.3辅助下滑装置图10 辅助下滑装置辅助下滑装置的功能是，在轨道顶端提供运输机向下的拉力，防止启动时产生的卷扬机空转。

因为，运输机在轨道的顶端（为了装卸货方便，此处一般为水平线路）向下启动时，钢丝绳没有完全绷直，运输机有可能处于原处，此时，如果卷扬机继续向下放绳的话，钢丝绳将会杂乱无章的分布于卷扬机的箱体内，万一运输机开始下滑，则是无任何牵引的下坠，后果不堪设想。

为了解决这一不安全因素，我们设置了辅助下滑装置，其关键在于提供了运输机向下的拉力，使原本有可能放松的钢丝绳绷直，这样的话，卷扬机下放钢丝绳就不会出现“下坠”现象，从而保证了安全。