張　成，吳偉斌,b，楊曉彬，張　偉，常星亮

(華南農(nóng)業(yè)大學 a.工程學院；b.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室/國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術體系機械研究室/廣東省山地果園機械創(chuàng)新工程技術研究中心，廣州　510642)

0　引言

我國是世界第一大水果生產(chǎn)國與消費國，果樹資源豐富。我國果品產(chǎn)業(yè)是具有較強國際競爭力的優(yōu)勢農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟效益高，市場前景廣闊，近10年來已連續(xù)保持年增5%以上的發(fā)展速度[1]。

我國是世界上位居第一的柑橘生產(chǎn)國，柑橘是國內南方山區(qū)的重要產(chǎn)業(yè)，也是主產(chǎn)區(qū)農(nóng)民的主要經(jīng)濟來源。然而，我國有90%的柑橘在丘陵山地種植，地理條件差，對于許多無路山地果園，傳統(tǒng)的機械很難進入開展作業(yè)；目前大部分果農(nóng)們只能用背簍或肩挑等人工方式運輸，不僅勞動強度大，效率低，而且果品也容易損傷[2-3]。山地的開路成本較高，普通農(nóng)戶難以承擔，甚至會浪費土地，造成水土流失等問題，所以山地果園不宜大面積的開路；但人工運輸方式運送效率低，特別是在果實收成時期嚴重限制了采送的效率。近年來，山地果園運輸機械已成為當前研究熱點，我國的山地果園運輸機械雖然比日本和韓國的研發(fā)時期晚，但現(xiàn)已相繼研發(fā)出雙軌軟索運輸機、山地果園鏈式索道運輸機、自走式山地果園運輸機、電動式山地果園運輸機及牽引式山地果園運輸機等山地果園運輸機械，主要有索道和軌道兩種形式，兩者各具特點[4-6]。然而，山地果園雙軌運輸機的研究與開發(fā)，離不開測試與改良階段，而國內目前并沒有專門用于測試山地果園雙軌運輸機爬坡能力的試驗臺。為了提高山地果園雙軌運輸機爬坡能力的測試效率，亟需設計一種適應復雜地形變化且高效便利的山地果園雙軌運輸試驗臺，這對運輸機各項性能指標進行測試與改善、優(yōu)化運輸機結構與性能、提升運輸機的運輸效率和安全可靠性有著十分重要的意義。

1　試驗臺整體結構與工作原理

1.1整體結構

山地果園軌道運輸機試驗臺主要由測試臺、驅動裝置、鋼絲繩、軌道、載物滑車、立柱、遙控裝置和電器控制裝置等組成，可對雙軌運輸機的爬坡性能進行測試，如圖1所示。試驗臺上安裝有軌道和能沿軌道兩側做上下往復運動的載物車，軌道采用可拆裝的軌道進行組裝，具有搬移便利和多處使用的特點。試驗臺底部外側的地面上安裝有由卷繩機支撐架和卷繩機組成的驅動裝置，卷繩機支撐架上方安裝有卷繩機且側面安裝有控制裝置，而卷繩機由電動機、減速箱、鋼絲繩和驅動滾筒組成。其中，電動機和減速箱通過固定裝置固定在地面上，電動機的輸出端連接減速箱，驅動滾筒通過旋轉軸和固定式軸承座安裝在卷繩機支撐架上，減速箱的輸出端與旋轉軸連接，鋼絲繩一端纏繞在驅動滾筒上且另一端固定在載物車上，卷繩機支撐架上方還安裝有通過固定鋼絲繩的位置來使載物車停止在軌道上的剎車器。試驗臺的爬坡坡度可通過調整立柱的長度來滿足實際需求。

1.2工作原理

啟動軌道運輸機試驗臺后， 驅動裝置將會產(chǎn)生驅動力，通過鋼絲繩帶動載物滑車運行[7-8]。按下電控箱表面的上行按鈕，電動機產(chǎn)生的驅動力經(jīng)減速箱傳到驅動滾筒上，滾筒繞卷鋼絲繩，而鋼絲繩通過一個滑輪與載物滑車相連，從而帶動載物滑車上行；按下停止按鈕，電動機斷電后，滾筒將會停止轉動，從而載物滑車停止上行；按下電控箱下行按鈕，電動機將會反轉，帶動滾筒做反向轉動，鋼絲繩被放出，載物滑車車利用自重向下運動，實現(xiàn)下行。

載物滑車在試驗臺軌道運行時，還可通過無線控器控制運行，實現(xiàn)任意位置啟停。

1.立柱　2.肋板　3.坡面　4.軌道 5.載物車　6.電動機　7.減速箱　 8.驅動滾筒　9.鋼絲繩

1.3主要技術參數(shù)

山地果園軌道運輸機試驗臺的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1　試驗臺主要技術參數(shù)Table 1　Main technical parameters of the test-bed

續(xù)表1

2　試驗臺關鍵部件設計

2.1控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的設計由6個部分組成，即輸入控制模塊、輸出控制模塊、主控模塊、信號輸入模塊、顯示模塊和警示模塊[9-10]。主控模塊以PLC作為控制核心，來實現(xiàn)對運輸機的全程運輸作業(yè)的智能控制；輸入控制模塊包含有手動控制裝置、遙控裝置和限位設置裝置，產(chǎn)生輸入控制命令；信號輸入模塊包含有防松脫傳感器、旋轉編碼器及超載傳感器等元件，實現(xiàn)鋼絲繩松脫、卷筒轉動角位移和載物滑車超載信號的輸入命令。當試驗臺的載物滑車出現(xiàn)超載、鋼絲繩松脫及電流超出額定電流一定范圍等異常情況時，警示模塊將發(fā)揮作用，其警報燈閃爍，提示系統(tǒng)出現(xiàn)異常，需及時采取措施。輸出控制模塊包含有強電控制器、變頻器、制動裝置和三相異步電動機，實現(xiàn)電動機的正、反轉、啟停和調速等情況時的示警功能。顯示模塊主要為觸摸顯示屏，控制變頻器頻率輸出，顯示出當前輸出頻率及當前運行參數(shù)等信息?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

2.2驅動裝置結構設計

驅動裝置主要由電動機、驅動滾筒、配重機構、剎車器、防超載傳感器、防松脫傳感器、控制裝置、卷繩機、卷繩機支撐架、橫梁及移動輪等組成，電動機作為動力源，實現(xiàn)載物滑車的運行，如圖3所示。

當PLC傳出上行命令時，電動機正轉，然后經(jīng)減速箱再將轉速傳到卷繩機牽引運輸機上行。當超載時，安裝在可滑動卷繩機支撐支架的卷繩機在過大載荷拉力下往前移動，壓縮配重機構的彈簧或軟膠(超載設定值為300kg)，觸發(fā)防超載傳感器，傳感器將信號傳給PLC，PLC便啟動防超載保護程序，斷電和剎車，同時報警。同時，可通過調節(jié)傳感器的觸發(fā)螺栓來調節(jié)觸發(fā)距離，從而調節(jié)壓縮彈簧或軟膠的量來調節(jié)超載值。當出現(xiàn)牽引繩松脫時，驅動裝置便會在配重機構的回位彈簧作用下往后移動，從而觸發(fā)防松脫傳感器，傳感器將信號傳給PLC，PLC經(jīng)過處理便啟動防松脫保護程序。

圖2　控制系統(tǒng)原理圖

1.驅動滾筒　2.固定式軸承座　3.電動機　4.移動輪　5.配重機構　6.剎車器 7.防超載傳感器　8.防松脫傳感器　9.控制裝置　10.卷繩機支撐架　11.橫梁　12.卷繩機

3　試驗臺運行效果測試

為進行山地果園軌道運輸機試驗臺的實際運行效果測試，在一處較為空曠的平底搭建了40°的試驗臺。試驗臺軌道有效測試長度為12m，對載物滑車在一定負載時的平均耗電量、平均運行速度及使用有效度進行測試。搭建的試驗臺如圖4所示。

圖4　山地果園軌道運輸機試驗臺

采用三相四線有功電能表對耗電量進行測試，載物滑車負載300kg進行上行、下行運動，測試距離為12m。載物滑車的上行、下行為一個來回，測試3個來回，取3組數(shù)據(jù)平均值。試驗結果表明：試驗臺平均耗能為1.235kW。

運行速度測試：試驗臺軌道測試長度12m，載物滑車負載300kg，對滑車的上行、下行分別獨立的測試3次，記錄3組數(shù)據(jù)，取平均值。計算公式為

V=L/T

(1)

式中V—平均運行速度(m/s)；

L—軌道測試長度(m)

T—測試時間(s)。

使用有效度測試：試驗臺軌道測試長度12m，載物滑車負載300kg，使滑車上行、下行連續(xù)運行55h，記錄試驗臺故障發(fā)生時間及修復故障所需要的時間。計算公式為

(2)

式中K—使用有效度；

ΣTz—試驗期間正常工作累計時間(h)；

ΣTg—試驗期間故障排除修復的累計時間(h)。

結果表明：試驗臺載物滑車上行平均運行速度為0.51m/s,下行平均運行速度為0.54m/s,試驗臺在連續(xù)工作55h內并無故障現(xiàn)象，故使用有效度為100%，能滿足使用要求。

4　結論

本試驗針對我國山地果園地形地貌特點和山地果園軌道運輸機的應用情況，以及國內目前并無專門應用于山地果園軌道運輸機的爬坡試驗平臺問題，設計了一種能夠適應復雜地形、高效便利且軌道可拆裝的軌道運輸機試驗臺。該試驗臺具有搬移便利、多處使用及成本較低的特點，可以測平均速度和使用有效度，使用范圍廣。

對試驗臺的運行效果進行了測試，結果表明：試驗臺的平均耗能為 1.235 kW·h，滿載工況下的載物滑車上行平均速度為0.54m/s，下行平均速度為0.54m/s，使用有效度為100%，能夠滿足使用要求。

從機械結構分析，設計的軌道運輸機試驗臺是一種性價比高、推廣潛力大的試驗平臺，生產(chǎn)企業(yè)可以考慮規(guī)?；蜆藴驶a(chǎn)。 從自動化與智能化角度分析，該試驗臺仍然有待進一步研究：可考慮在試驗操作部分設計為機器自行工作，通過編入試驗項目、試驗指標及試驗次數(shù)等相關問題的程序，自動操作，采集數(shù)據(jù)，將會大幅度提升工作效率。

參考文獻：

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ID:1003-188X(2018)04-0116-EA