王玉金，胡 睿，何 苗，路世青

（重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

1 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，但山地與丘陵占全國土地面積的65%左右，這為農(nóng)業(yè)運(yùn)輸帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。為了推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程、提高農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸效率，國內(nèi)很多學(xué)者開發(fā)了多種形式的山地運(yùn)輸機(jī)械，最廣泛采用則是軌道運(yùn)輸機(jī)[3]。文獻(xiàn)[4]研制的7YGS-45自走式雙軌道山地果園運(yùn)輸機(jī)，可實(shí)現(xiàn)爬坡、轉(zhuǎn)彎、任意點(diǎn)制動(dòng)等功能，上行時(shí)載貨量可達(dá)300kg。文獻(xiàn)[5]采用遙控技術(shù)和可調(diào)節(jié)配重裝置對(duì)傳統(tǒng)牽引式單軌運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了運(yùn)輸機(jī)的效率和地形適應(yīng)能力。文獻(xiàn)[6]研制的山地果園牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)斷繩制動(dòng)裝置可以有效避免溜車事故的發(fā)生，此外，該研究者還試制了一種可拆裝式單向牽引雙軌運(yùn)輸機(jī)及其自動(dòng)停車系統(tǒng)，解決了運(yùn)輸機(jī)搬遷、施工等難題[7-8]。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種能適應(yīng)復(fù)雜地形的軌道運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試結(jié)果表明其平均能耗約1.235kW·h，滿載工況下速度約0.54m/s。某農(nóng)業(yè)大學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)采用蓄電池驅(qū)動(dòng)開發(fā)了一種具有在軌位置感知功能的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)，在載荷100kg的情況下可持續(xù)爬坡約2.7km，使得運(yùn)輸機(jī)在無電力網(wǎng)絡(luò)的情況下也可使用[10-12]。上述幾種典型軌道運(yùn)輸機(jī)的性能，如表1所示。

表1 幾種典型軌道運(yùn)輸機(jī)性能參數(shù)Tab.1 The Performance Parameters of Several Monorail Transporters

目前，農(nóng)業(yè)軌道運(yùn)輸機(jī)大多采用柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這給缺乏專業(yè)維修服務(wù)的農(nóng)村地區(qū)帶來了設(shè)備維護(hù)難題，而且電力驅(qū)動(dòng)式軌道運(yùn)輸機(jī)在電力網(wǎng)絡(luò)密度小的山地環(huán)境中適用性不強(qiáng)。加之，傳統(tǒng)能源的使用不僅能耗高，還會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成污染。在山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)產(chǎn)品一般是自上而下運(yùn)輸，尤其是對(duì)于保鮮期短的水果、蔬菜等需要在采摘期內(nèi)迅速向山下運(yùn)輸。在此情況下，開發(fā)一種能夠利用重力實(shí)現(xiàn)自上而下運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸機(jī)，不僅可以解決農(nóng)業(yè)運(yùn)輸?shù)膯栴}，而且可以避免能源消耗和環(huán)境污染。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種具有速度自適應(yīng)功能的機(jī)械式單軌運(yùn)輸機(jī)，采用Solidworks建模軟件設(shè)計(jì)了運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與ADAMS仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)運(yùn)輸機(jī)性能進(jìn)行了優(yōu)化。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的機(jī)械式速度自適應(yīng)單軌運(yùn)輸機(jī)主要包括四輪移動(dòng)式車體、導(dǎo)向裝置，以及由速度傳遞裝置和制動(dòng)裝置構(gòu)成的速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。運(yùn)輸機(jī)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 速度自適應(yīng)單軌運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure Model for Monorail Transporter with Speed Adaptability

速度傳遞裝置由車輪、齒輪傳動(dòng)組、定軸輪系和齒條組成，如圖2所示。齒輪傳動(dòng)組位于車輪與定軸輪系之間，由齒輪1、齒輪2、齒輪3組成，其中齒輪1與車輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪3與定軸輪系的變直徑齒輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪傳動(dòng)組除了將車輪的速度傳遞給定軸輪系外，還可以通過改變其傳動(dòng)比以調(diào)節(jié)定軸輪系輸入端轉(zhuǎn)矩的大小。定軸輪系由機(jī)架固定軸、齒輪5、具有內(nèi)外齒圈的齒輪，以及變直徑齒輪（齒輪4）組成，變直徑齒輪結(jié)構(gòu)模型，如圖3 所示。由齒輪片和彈簧構(gòu)成的變直徑齒輪作為定軸輪系輸入端，其直徑與彈簧的剛度系數(shù)以及運(yùn)輸機(jī)速度有關(guān)。當(dāng)彈簧剛度系數(shù)一定時(shí)，變直徑齒輪的直徑會(huì)隨著運(yùn)輸機(jī)速度的增大而增大；當(dāng)運(yùn)輸機(jī)速度超過預(yù)定速度時(shí)，變直徑齒輪與齒輪5嚙合，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)定軸輪系轉(zhuǎn)動(dòng)，并由內(nèi)外齒圈齒輪的外齒圈帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，從而將運(yùn)輸機(jī)的速度轉(zhuǎn)換為齒條的位移。

圖2 速度轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure Model for Speed Converter

為了消除變直徑齒輪與齒輪5嚙合時(shí)產(chǎn)生的彈簧徑向力，提高變直徑齒輪與速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的彈簧導(dǎo)向軸來限制彈簧的徑向位移，使得彈簧僅產(chǎn)生軸向變形，如圖3所示。彈簧導(dǎo)向軸的設(shè)計(jì)提高了運(yùn)輸機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命。

圖3 變直徑齒輪結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structure Model of Gear with Variable Diameter

導(dǎo)向裝置由導(dǎo)向輪、導(dǎo)向桿、寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。導(dǎo)向桿為內(nèi)外套筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外套筒連接處裝配壓縮彈簧，保證導(dǎo)向輪始終壓緊軌道內(nèi)壁，可消除軌道寬度誤差對(duì)運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸性能的影響。寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)導(dǎo)向桿與車體的夾角，以使單軌運(yùn)輸機(jī)能適應(yīng)不同的軌道寬度。

制動(dòng)裝置由拉繩手剎機(jī)構(gòu)、改進(jìn)Hart機(jī)構(gòu)、剎車片、齒條等四個(gè)部分組成，如圖4所示。拉繩手剎機(jī)構(gòu)安裝在車體上，限制齒條只能直線移動(dòng)。當(dāng)齒條在定軸輪系中外齒圈的帶動(dòng)下沿拉繩手剎機(jī)構(gòu)方向直線移動(dòng)時(shí)，固定在改進(jìn)Hart機(jī)構(gòu)最外端的剎車片隨著Hart機(jī)構(gòu)的向外展開而與軌道壓緊，以增加剎車片與軌道的壓力，從而使運(yùn)輸機(jī)減速；當(dāng)速度減小至預(yù)設(shè)速度時(shí)，可變直徑齒輪與齒輪5不再嚙合，齒條將在拉繩手剎機(jī)構(gòu)中彈簧的作用下復(fù)位，Hart機(jī)構(gòu)收回，剎車片不再與軌道接觸，從而起到速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的目的。

圖4 制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structure for Brake Rigging

在農(nóng)業(yè)運(yùn)輸中，沿軌道往往會(huì)有多個(gè)作業(yè)點(diǎn)，以便于將農(nóng)產(chǎn)品就近運(yùn)輸，提高作業(yè)效率。為此，需要運(yùn)輸機(jī)具備剎車功能，使其在需要作業(yè)位置進(jìn)行?？?。將繩索從拉繩手剎機(jī)構(gòu)中穿過，并與齒條固定，當(dāng)需要?jiǎng)x車?？繒r(shí)，工人拉動(dòng)繩索，克服彈簧作用使齒條沿拉繩手剎機(jī)構(gòu)方向運(yùn)動(dòng)，由此使改進(jìn)Hart機(jī)構(gòu)展開，齒條達(dá)到極限位置后在限位開關(guān)的作用下固定不動(dòng)，此時(shí)剎車片緊壓在軌道內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)剎車功能。重新啟動(dòng)運(yùn)輸車時(shí)，只需反方向拉動(dòng)繩索即可，運(yùn)輸機(jī)將在重力的作用下繼續(xù)沿軌道下滑。彈簧齒條拉繩手剎機(jī)構(gòu)

3 速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析

由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是山地單軌運(yùn)輸機(jī)的核心，其功能主要是將車輪的速度轉(zhuǎn)換為剎車片沿軌道寬度方向的收縮/延伸運(yùn)動(dòng)，以減小/增加運(yùn)輸機(jī)的摩擦阻力，從而起到速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的目的。為此，以下將從速度傳遞裝置和制動(dòng)裝置兩個(gè)部分對(duì)速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模與分析。

3.1 速度傳遞裝置傳動(dòng)比

速度傳遞裝置簡(jiǎn)化模型，如圖5所示。令齒輪1、齒輪2、齒輪3的分度圓直徑分別為d1、d2、d3，角速度分別為ω1、ω2、ω3，齒輪模數(shù)均為m?？傻酶鼾X輪齒數(shù)zi：

圖5 速度傳遞裝置分析簡(jiǎn)圖Fig.5 Analytical Diagram of Speed Transfer Device

式中：i＝1，2，3。

齒輪1與齒輪3的傳動(dòng)比i13為：

式中：n—齒輪外嚙合的次數(shù)，這里n＝2。

設(shè)可變直徑齒輪的角速度為ω4，可得齒輪1與齒輪4的角速度之比為：

建立的變直徑齒輪分析簡(jiǎn)圖，如圖6所示。當(dāng)運(yùn)輸機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，齒輪片重力由傳動(dòng)軸承載，此時(shí)彈簧處于原長狀態(tài)。令彈簧原長為x1，剛度系數(shù)為k；單個(gè)齒輪片的質(zhì)量為M，當(dāng)齒輪片與齒輪5嚙合后，彈簧長度為x2，得到：

圖6 變直徑齒輪分析簡(jiǎn)圖Fig.6 Analytical Model of Variable Gear

可以得出x2的表達(dá)式：

式中：ω1—齒輪1的角速度。

由于齒輪1與車輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此ω1也是車輪轉(zhuǎn)速，且ω1＝V/r，V為運(yùn)輸機(jī)速度，r為車輪半徑。于是可根據(jù)單軌運(yùn)輸機(jī)期望運(yùn)行速度以及車輪半徑來選擇彈簧參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

3.2 制動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

制動(dòng)裝置主要為改進(jìn)的Hart直線機(jī)構(gòu)。Hart直線機(jī)構(gòu)可將輸入端的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出端的直線移動(dòng)，在伸縮機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用[13]。而在速度自適應(yīng)山地單軌運(yùn)輸機(jī)中，需要將齒條的直線位移轉(zhuǎn)換為剎車片沿軌道寬度方向的直線移動(dòng)，因此需對(duì)Hart機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。并建立的制動(dòng)機(jī)構(gòu)分析簡(jiǎn)圖，如圖7所示。以點(diǎn)A為原點(diǎn)建立固定坐標(biāo)系A(chǔ)xy，x軸由點(diǎn)A指向點(diǎn)B，各桿件與x軸夾角分別為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5。

圖7 制動(dòng)機(jī)構(gòu)分析簡(jiǎn)圖Fig.7 Analytical Diagram of Brake Rigging

令桿件AB的長度為LAB，將其余桿件長度表示為LAB的比例，比例系數(shù)為λ且0＜λ＜1。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的推導(dǎo)過程可知各桿長需滿足如下關(guān)系：LFG＝λ2LAB/（1-λ2），LAE＝λLAB/（1-λ2），LEF＝LAE，LBG＝LAB/（1-λ2），LDC＝λLAB，LAD＝LDC，LBC＝LAB。

對(duì)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈ABCDA，列寫運(yùn)動(dòng)方程：

式中：ci=cosθi，si=sinθi，i=1，2，…，5；下同。

同理，閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈AEFGBA有運(yùn)動(dòng)方程：

設(shè)F點(diǎn)坐標(biāo)為（xF，yF），根據(jù)幾何關(guān)系可得：

聯(lián)合式（6）～（8），可得F點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程：

由此可知，F(xiàn)點(diǎn)僅產(chǎn)生沿y軸運(yùn)動(dòng)，可以將齒條的直線位移轉(zhuǎn)換為剎車片沿軌道寬度方向的移動(dòng)，進(jìn)而起到增大接觸壓力、降低運(yùn)輸機(jī)速度的作用。以滑塊V的運(yùn)動(dòng)表示齒條的移動(dòng)，令桿FH的長度為LFH，桿VH長度為LVH，桿VH減小的長度為Δs，桿VH與桿AB相距e。根據(jù)幾何關(guān)系可得剎車片向外伸展的距離與齒條位移之間的關(guān)系：

4 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真

為了直觀地反映速度自適應(yīng)山地單軌運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，在ADAMS 軟件中對(duì)運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[15]。首先在Solid?works仿真軟件中將不影響運(yùn)輸機(jī)性能的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，并建立軌道的三維模型。參考表1所示幾種典型軌道運(yùn)輸機(jī)的性能參數(shù)，結(jié)合重慶某山地果園的實(shí)際運(yùn)輸需求，設(shè)置軌道為直線軌道，參數(shù)為：坡度20°，長50000mm，寬335mm，高250mm，軌道厚15mm，材料為1023碳鋼?？紤]到果園以人工采摘、軌道運(yùn)輸為主要作業(yè)形式，將工人雙手托舉或雙手負(fù)重的最大質(zhì)量作為單個(gè)運(yùn)輸機(jī)的負(fù)載。以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、制造成本低為主要設(shè)計(jì)原則，得到運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：長350mm，高150mm，寬120mm，車輪半徑r＝85mm；Hart制動(dòng)機(jī)構(gòu)中LAB＝75mm，比例系數(shù)λ＝0.5，其余桿長按比例關(guān)系計(jì)算可得。將導(dǎo)向輪、車輪、剎車片等部件的材質(zhì)設(shè)為橡膠，受力不大的零部件設(shè)為鋁合金，其余為不銹鋼，最后整機(jī)質(zhì)量為8.76kg。為了模擬運(yùn)輸機(jī)負(fù)荷運(yùn)動(dòng)過程，建立重物模型，約束其與運(yùn)輸機(jī)載物桿同軸配合，限制其軸向位移，并處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，重物質(zhì)量為80kg。將三維模型導(dǎo)入ADAMS 軟件，仿真模型，如圖8所示。

圖8 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真模型Fig.8 Kinematics Simulation Model in ADAMS

在ADAMS軟件中設(shè)置重力方向?yàn)檠貀軸的負(fù)方向；設(shè)置導(dǎo)向輪、車輪、剎車片與直導(dǎo)軌的接觸約束。將導(dǎo)向輪、車輪與軌道的摩擦系數(shù)設(shè)為η＝0.15，而剎車片與軌道的摩擦系數(shù)取μ＝{0.1，0.2，0.3，0.4，0.5}。將運(yùn)輸機(jī)初始速度設(shè)為0，從而使運(yùn)輸機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始沿軌道下滑。通過ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真及后處理，可以得到運(yùn)輸機(jī)速度隨剎車片與軌道摩擦系數(shù)的變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 車體速度仿真曲線Fig.9 Speed Curves of Transporter

由圖9所示仿真結(jié)果可知，運(yùn)輸機(jī)在重力作用下由靜止開始下滑，當(dāng)剎車片與軌道摩擦系數(shù)μ＜0.4時(shí)，單軌運(yùn)輸機(jī)速度將不斷增大；而當(dāng)μ＞0.4時(shí)，運(yùn)輸機(jī)可實(shí)現(xiàn)減速功能，其減速特性呈現(xiàn)震蕩收斂效應(yīng)。運(yùn)輸機(jī)速度的震蕩，將影響運(yùn)輸機(jī)的整體性能并縮短其使用壽命。進(jìn)一步分析可知，運(yùn)輸機(jī)速度的震蕩主要是由于重物在載物桿上的周期性擺動(dòng)。由于重物質(zhì)量遠(yuǎn)大于車體質(zhì)量，當(dāng)重物偏擺方向與運(yùn)輸機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，運(yùn)輸機(jī)會(huì)形成速度波谷；當(dāng)重物偏擺方向與運(yùn)輸機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，則形成速度波峰。

由圖9 可知，運(yùn)輸機(jī)速度震蕩周期隨摩擦系數(shù)的增大而增大，當(dāng)μ＝0.4時(shí)，震蕩周期約為0.2s，振幅約0.25m/s，加速度約為2.5m/s2。由于速度震蕩將導(dǎo)致運(yùn)輸機(jī)額外承受約222N的周期性摩擦力，不利于提高運(yùn)輸機(jī)性能和使用壽命。為此，將重物與載物桿之間設(shè)為固定約束，得到的運(yùn)輸機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線，如圖10所示。

對(duì)比圖9、圖10可知，將重物與載物桿相對(duì)固定可以有效消除運(yùn)輸機(jī)速度的震蕩，進(jìn)而提高運(yùn)輸機(jī)性能和使用壽命。

圖10 改進(jìn)后車體速度曲線Fig.10 Improvement Speed Curves of Transporter

5 結(jié)論

為了提高我國山區(qū)、坡地等環(huán)境下的農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸效率，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式速度自適應(yīng)運(yùn)輸機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從山上向下運(yùn)輸、提高運(yùn)輸效率、減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)的目的。該運(yùn)輸機(jī)采用純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕；通過寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使運(yùn)輸機(jī)能適應(yīng)一定范圍寬度的軌道，通用性強(qiáng)；通過選擇變直徑齒輪的彈簧參數(shù)，可設(shè)定不同的運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度。運(yùn)輸機(jī)依靠重力驅(qū)動(dòng)而無需其它能源，減少了能源消耗，也為缺少設(shè)備維護(hù)站點(diǎn)的偏遠(yuǎn)山區(qū)帶來了便利。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的運(yùn)輸機(jī)可以減少約220N周期性摩擦力，使得運(yùn)輸機(jī)能夠在坡度為20°的軌道上穩(wěn)定運(yùn)行，且當(dāng)剎車片與軌道摩擦系數(shù)大于0.4時(shí)具有較好的速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性。單個(gè)運(yùn)輸機(jī)載荷大于80kg，通過在同一條軌道上放置多個(gè)運(yùn)輸機(jī)，則可解決多點(diǎn)同時(shí)作業(yè)的需求。