施新杭 翁曉星 陳暉 費(fèi)焱

摘要：單軌式運(yùn)輸機(jī)是解決丘陵山地運(yùn)輸問題的一種運(yùn)輸裝備。針對(duì)采用非轉(zhuǎn)向式結(jié)構(gòu)底盤的運(yùn)輸機(jī)，研究其最小轉(zhuǎn)彎半徑與輪面間距、軸距之間的幾何關(guān)系，提出三者之間的求解方程式，開發(fā)出采用C++語言的程序求解器，并根據(jù)樣機(jī)試制試驗(yàn)情況對(duì)車輪與軌道的間隙參數(shù)進(jìn)行修正。研究結(jié)果對(duì)采用非轉(zhuǎn)向車輪的運(yùn)輸機(jī)底盤的設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸機(jī)；最小轉(zhuǎn)彎半徑；輪面間距；軸距；幾何方程；求解器

中圖分類號(hào)：S229.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2018）02-0021-03

浙江省的地形以丘陵山地為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，素稱“七山一水二分田”，土壤性狀主要是紅黃壤，其次是紫砂土，適宜發(fā)展果蔬產(chǎn)業(yè)，廣泛種植有茶葉、山核桃、香榧、柑橘、楊梅、柿子、杏等經(jīng)濟(jì)作物品種。然而，由于丘陵山地地勢(shì)起伏不平和果樹種植的不規(guī)范，普遍沒有完善的道路交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致常規(guī)運(yùn)輸車難以在丘陵山地果園推廣應(yīng)用，肥料、農(nóng)藥及果實(shí)等物料的上、下山運(yùn)輸都是靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，下雨天行走也存在較大的安全隱患。丘陵山地的運(yùn)輸成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)振興的“瓶頸”。

1 丘陵山地運(yùn)輸問題研究進(jìn)展

針對(duì)丘陵山地的運(yùn)輸問題，許多專家學(xué)者對(duì)輪式運(yùn)輸機(jī)、牽引式單軌車、雙軌車、鋼索牽引車等展開了研究，并進(jìn)行了相關(guān)的試制試驗(yàn)。吳偉斌等人對(duì)適于丘陵山地果園的輪式運(yùn)輸機(jī)、履帶式運(yùn)輸機(jī)和履帶輪式運(yùn)輸機(jī)的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析。東北林業(yè)大學(xué)劉濱凡等人概括了單軌車的特點(diǎn)及其在林業(yè)中的應(yīng)用情況，單軌道交通運(yùn)輸車的軌道為一條帶狀的梁體，車輛在一根鋼軌上行駛，采用軌道離地設(shè)計(jì)，占地面積小且不破壞山地生態(tài)，造價(jià)相對(duì)低，載重一般不超過500 kg。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊洲等人開發(fā)了鋼索牽引懸掛式貨運(yùn)系統(tǒng)，對(duì)防脫軌機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、鋼索拉力數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行了研究，通過卷揚(yáng)機(jī)拉動(dòng)鋼絲繩來驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)，載重大，實(shí)際生產(chǎn)率達(dá)到1.7 t/h。龔志遠(yuǎn)等人比較了7YGS-35型單軌和7YGS45型雙軌道運(yùn)輸機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，提出山地果園運(yùn)輸機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

2 最小轉(zhuǎn)彎半徑的影響因素

由于丘陵地形崎嶇多樣，軌道需要根據(jù)地形合理鋪設(shè)，難免會(huì)有左右彎角、上下坡等復(fù)雜路況。設(shè)計(jì)時(shí)，汽油機(jī)/電機(jī)動(dòng)力決定了其所具備的運(yùn)載能力、爬坡能力等參數(shù)，最小轉(zhuǎn)彎半徑表征了運(yùn)輸車能夠通過狹窄彎曲地帶或繞過不可越過的障礙物的能力。例如，壓路機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑與軸距、轉(zhuǎn)向角、壓輪寬度等有著一定的幾何關(guān)系。因此，很有必要對(duì)單軌式運(yùn)輸機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)進(jìn)行研究。

2.1 單軌式運(yùn)輸機(jī)牽引車結(jié)構(gòu)

本研究所討論的單軌式運(yùn)輸機(jī)主要包括牽引車、運(yùn)輸拖車、軌道三大部分，其中牽引車部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

牽引車底盤上的一對(duì)承重輪用于支撐牽引車的質(zhì)量，運(yùn)行時(shí)與軌道上表面貼合，驅(qū)動(dòng)銷輪通過與軌道下表面焊接的直齒條嚙合來驅(qū)動(dòng)牽引車；平衡輪用于平衡前后力系作用，無驅(qū)動(dòng)功能。其工作原理為：來自底盤上的汽油機(jī)或電動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)減速機(jī)構(gòu)降速增矩，通過鏈條傳遞到鏈輪，使驅(qū)動(dòng)輪與軌道上的齒條嚙合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

2.2 幾何關(guān)系模型與約束方程

為了保證牽引車結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、緊湊性和降低側(cè)倒風(fēng)險(xiǎn)，承重輪、驅(qū)動(dòng)輪均采用非轉(zhuǎn)向限制約束，只能沿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其他所有自由度均被限制，車輪不能相對(duì)或獨(dú)自轉(zhuǎn)向。車輪與軌道的幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2中：A為承重輪端面厚度；H為軌道寬度；L為承重輪兩端面距離（輪面間距）；B為承重輪外端面與軌道接觸面能影響通過性的有效寬度；d為承重輪端面外徑；K為承重輪與軌道配合總間隙，K=L-H。

通過某路段最小轉(zhuǎn)彎半徑的幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3中：D為軸距；R，r分別為轉(zhuǎn)彎軌道的內(nèi)、外徑。各參數(shù)滿足以下幾何關(guān)系方程組：

已知軸距、最小轉(zhuǎn)彎半徑、輪面間距這3個(gè)參數(shù)中的任意2個(gè)，即可求得另外1個(gè)。

2.3 求解程序開發(fā)

程序采用DOS運(yùn)行界面，可以直接求解3個(gè)參數(shù)。運(yùn)行時(shí)，先提示選擇求解某個(gè)參數(shù)。例如：當(dāng)R和D已知，程序通過調(diào)用內(nèi)部函數(shù)參數(shù)isL（）直接求解L，并輸出結(jié)果。當(dāng)求解R時(shí)，調(diào)用isRM（），利用已知D和L，通過do（）循環(huán)i+=1求解出一個(gè)不精確的R值，誤差范圍[0，1]，再通過do（）循環(huán)j+=0.001，求解精確的R值（精度達(dá)0.001），最后函數(shù)返回R值。程序計(jì)算流程如圖4所示。

2.4 應(yīng)用案例及驗(yàn)算

為了驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)一組數(shù)據(jù)并相互驗(yàn)算（見表1）。其中，輪面間距可以直接計(jì)算求解，首先求解L1，并將程序計(jì)算與手工計(jì)算相比較；再通過L1以及D和R，來計(jì)算D2和R3，并與第1組數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性。

已知軌道鋪設(shè)中最小彎角的直徑為8 000 mm，軌道寬度H=50 mm，軸距D=170 mm，B=66 mm，通過手工計(jì)算L1=51.424 911，通過程序計(jì)算L1=

51.424 911，D2=170.591 000，R3=3 999.999 000。如圖5和圖6所示。其中，L1為理論最小輪面間距，僅為理論設(shè)計(jì)要求。軌道和車輪單邊間隙為0.712 5 mm，考慮到實(shí)際型鋼軌道的制造精度、裝配誤差及可通過性安全余量，L需要修正，增加單邊1.500 0 mm余量，實(shí)際中選取的L為54.425 0 mm。試驗(yàn)中運(yùn)行較為平穩(wěn)，無明顯晃動(dòng)。

3 結(jié)語

本研究針對(duì)采用非轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)底盤設(shè)計(jì)的運(yùn)輸機(jī)，分析其最小轉(zhuǎn)彎半徑與輪面間距、軸距之間的幾何關(guān)系，提出三者之間的求解方程式，并開發(fā)出采用C++語言的程序求解器，設(shè)置精度值0.001。通過對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行手工計(jì)算和程序互算，驗(yàn)證了程序的準(zhǔn)確性；通過運(yùn)輸車樣機(jī)試驗(yàn)，提出間隙參數(shù)的修正值。研究結(jié)果對(duì)運(yùn)輸機(jī)軌道路徑鋪設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

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