丘陵山区果园单轨运输装备的设计

王斌斌，胡 煜，刘 华，李沐桐，何 林，陈中武

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.华南农业大学电子工程学院，广东广州 510642）

0 引言

广东是水果种植大省，地形以丘陵为主，丘陵山区土地面积约占全省土地总面积的58.6%，水果主要种植于山地丘陵地带，种植密度大、分散性大。坡地对果树种植非常有利，但山地农业运输运量大、道路条件差，给山地果园运输带来了很大的困难；而且目前山地果园水果的种植、施肥、收获等环节主要靠人力来完成，山地崎岖不平、人力运输劳动强度大，占用大量农村劳动力，因此增加了种植成本，在一定程度上降低了果农的经济效益且制约了果园经济发展。因此提高果园运输机械化水平迫在眉睫，山区果园运输装备的发展成为一种趋势[1,2]。

20 世纪60 年代以来，国外在果园机械装备方面发展较快，研制了各种类型的运输作业机械应用于果园。但果园机械化程度较高的欧美、日本等国家所设计的运输机并不适用于我国。近年来国内在轨道运输方面的研究主要应用于工业、采矿业等，在山区果园应用方面仍处于研究起步阶段[3]。

为此，本文针对广东省丘陵地区果园的地形特点，设计适合丘陵山区果园的单轨运输装备。

1 设计要求及主要技术指标

1.1 设计要求

单轨运输设备主要应用于地形复杂、人工作业困难的果园。根据丘陵山区的自然条件和特点，设计的单轨运输装备需具备以下特点或需求。

1）结构特点。山地果园地形复杂、坡度较大，人工运输难度大。所以单轨运输装备在结构上要具备简单、尺寸小、能在较大坡度的果园内灵活作业等特点。

2）操作特点。果园作业机械装备主要使用者大部分是广大山区的老人、妇女，所以单轨运输装备对操作者要求较低，应具备操作简单、易懂易学、危险性小等特点。

3）可靠性需求。单轨运输装备应具备安全保护装置，在运行过程中要安全平稳，各关键部件的强度、刚度、弯矩和扭矩均需在安全允许范围内。

4）动力需求。运输装备要合理选择驱动装置以及动力装置，才能保证负载作业过程中正常前进、后退、爬坡等。所以，设计时需保证运输装备上坡、下坡和水平运行时的充足动力[4]。

5）成本需求。大多数果农收入一般，高成本的运输装备不易在山区果园推广使用。所以，设计研制运输设备需控制成本，保证其能在山区果园中推广使用。

1.2 主要技术指标

根据丘陵山区果园自然条件以及果园水果、肥料和农机具等的实际运输需求，确定单轨运输装备的主要技术指标如表1 所示[5]。

表1 丘陵山区果园单轨运输装备主要技术指标

2 单轨运输装备的设计

2.1 总体结构

丘陵山区果园单轨运输装备主要由轨道装置、载货装置、制动装置、车头机架、动力装置、驱动装置等6 部分组成。轨道装置中使用直插式钢套和螺栓连接相邻两个部分，同时通过在各轨道的连接点附近设置支撑点使轨道的载荷降低。单轨运输机采用跨座式结构，驱动轮设置在轨道下方，载物车通过连接杆与单轨主机柔性连接，主机通过离心式离合器将汽油机驱动动力传送到齿轮箱，经过变速后再把动力传至下轨道悬挂啮合齿轮，从而驱动单轨机运行作业。运输机驱动装置用滚轮夹住轨道上面和下面，通过下部的齿轮和驱动轮的咬合行走。载物的拖车通过连接器与单轨主机相连接，底部设置有单轨滚轮。制动毂与驱动齿轮同轴，通过与刹车带摩擦实现制动；限速刹车蹄安装在制动毂内，通过花键孔与传动轴联接，与传动轴同步转动。总体结构如图1 所示。

2.2 工作原理

单轨运输装备以汽油机作为动力，采用自走式行走方式，以销滚轮驱动沿齿条轨道行走，行驶在离地面一定高度架设的单条钢轨上，实现避开陡峭地形和茂密枝叶[6]。单轨轨道铺设方便且占地空间小，实现即时转停、弯道运输；并可设为开环或闭环工作方式，随地形铺设，配备相应运输台车便可实现灵活运输。钢轨上有齿条，与主机上的驱动轮配合驱动机器前进、后退，实现链传动技术减轻整机重量。单轨运输机配置手动、紧急制动等安全保护装置，实现一根操纵杆变换方向，且可随时使车辆停止；当轨道车工作异常时，紧急制动器会使运输装备自动强制停止。

图1 果园单轨运输机总体结构示意图

3 关键部件的设计

3.1 轨道及支撑装置

为了保证牵引机、载货台车安全稳定地行走，在轨道的架设方面有强度需求，因此按照不同的地形在离地一定高度架设用钢管支撑的固定钢轨。

单轨运输机轨道及支撑装置主要由主支管、斜支架管、自动停机杆、带齿轨道、支撑座、管夹、防沉座组成，其结构如图2 所示。主支管通过支撑座支撑带齿轨道，斜支管通过管夹与主支管连接，防止轨道横向摇摆，防沉座通过紧固螺栓与主支管、斜支管连接，防止安装后的支管下沉[7]。

图2 轨道及支撑装置结构图

根据轨道成本和设计要求，选取自走式运输机的轨道为50.0 mm×50.0 mm×2.3 mm无缝方管，方管下面焊接由5 mm×19 mm钢带压制而成的齿带，为方便货物的装卸，轨道底面离地高度一般为300～500 mm，主支管和斜支管均选择27 mm×3 mm的无缝钢管，两个支脚之间的距离为1 500 mm。

3.2 驱动装置

单轨运输机所采用的驱动装置主要由汽油机、机架、变速箱、带齿轨道、驱动齿轮组成，其结构如图3 所示。

图3 驱动装置结构图

驱动装置采用销轴齿轮-齿条式啮合驱动机驱动方式，这种特殊形式的齿轮传动无跟切现象、不受最少齿数限制，直齿条齿形具有外摆线的齿廓，圆销相比于齿轮，结构简单、加工成本低。承重行走轮布置在轨道上表面，而下表面布置齿条，运输机通过齿条和驱动轮销轴啮合，使整机运动作业。

汽油机通过离心式离合装置将动力传递给减速箱，再通过多级齿轮传动驱动齿轮。驱动齿轮通过销轴采用啮合的方式与轨道下齿带连接，从而驱动主机运行作业，从动轮、载物拖车随之运动。减速箱结构如图4 所示。

图4 减速箱结构图

运输装备在运动作业过程中，机架上的支撑轮、导轨下方的驱动轮和导向轮分别夹持住轨道，上下共同作用确保不脱轨、不侧翻，从而使运输装备能完成平稳前进、爬坡、转弯作业。减速箱内的花键齿轮在轴上滑动，通过操纵挡位杆可实现换挡，使花键齿轮与两个同轴齿轮啮合，此情况下输出轴上输出的转向相反，可实现运输装备的前进、后退，前进通过1-2-3-5-6-7 齿轮传动，后退通过1-2-3-4-5-6-7 齿轮传动，传动比为0.031，前进速度最快为0.7 m/s。变速箱布置如图5 所示。

图5 变速箱布置图

3.3 动力装置

单轨运输装备运动作业过程中，在承重量最大的情况下沿最大坡度爬坡运行所耗动力最大，为了保证自走式运输机在各种地势条件下的正常工作，要求有足够的动力提供给驱动部件[8]。

单轨运输机机头和载货装置自重总量为170 kg；上坡载重量为350 kg，合计总质量M为520 kg；以v为0.7 m/s的速度爬上最大坡度α为45°的坡道；驱动装置、从动轮和夹紧轮与轨道之间的综合摩擦系数取f0=0.1，各级传动的综合效率μ0为0.95～0.98，取μ0为0.95。最大牵引力F及最大功耗P应满足

式中 F为最大牵引力，N；P为最大功耗，kW；g为重力系数，N/kg，取值为9.8；α为最大爬坡角度，（°）；M为运输机及负载总质量，kg；μ0为整机综合传动效率。

通过计算，F 为3 962N，P 为2.92 kW，因此丘陵山区果园单轨运输装备选用三菱重工生产的GB181 风冷汽油机[9]作为动力装置，其额定转速为3 600 r/min，额定功率为3.4 kW。该汽油机体积小、质量轻、噪声相对较小，满足功率需求的同时可通过变速装置传动减速，保证拖车在满载时有足够的动力供给和行车安排。

3.4 载货装置

载货装置是运载对象的载体，在货物运输安全性中起着非常重要的作用，设计时应考虑以下功能特点及需求。

1）携带功能。运输装备需要保证充足的空间来装载相关作业设备及果实等货物。

2）结构安全特点。运输装备在运行作业过程中需保证其有能力承载各种货物，避免结构的各方向变形，选择合适的材料确保安全性、耐用性。

3）在保证安全的情况下，车身整体重量应尽量减轻。

单轨运输装备的载货装置主要由车架焊合、护栏焊合、滚轮总成、牵引杆等组成，结构如图6 所示。依据功能需求，并根据货物运输重量和体积的要求确定结构尺寸，载货装置的有效长为1 950 mm、宽为550 mm、高为460 mm。

载货装置的车架焊合用于承载货物，其四周用角钢做框架，底面以粗钢丝筛网作为承载面焊接而成。车架两侧每相隔一段距离焊接有固定绑钉，方便用绳索捆绑固定货物；前后端装有护栏焊合，防止货物掉落。车架前后端有主、副两个连接座，主连接座用销轴与牵引杆焊合连接，牵引杆焊合的另一端亦通过销轴与牵引机车连接，起牵引作用；副连接座用U 型索扣、链条与牵引机车连接，起辅助连接作用。车架焊合底部装有2 组滚轮总成，行走时上、下滚轮夹持着轨道滚动，使载货车保持稳定[10]。

图6 载货装置结构图

3.5 主机、拖车与轨道连接架构

单轨运输机使用跨座式结构，行走装置采用悬挂式齿轮啮合，轨道上面支撑轮、下面驱动轮和导向轮通过支撑架连接并夹持在轨道表面，结构如图7 所示。运输装备行进过程中，上支撑轮在轨道上表面滚动，通过下驱动轮与轨道下表面的齿条啮合，实现驱动行进；下导向轮支撑在下轨道的边缘，沿上轨道滚动轮的边缘夹持在轨道表面；偏心轴与支撑架将上支撑轮连接，调节偏心轴便可实现调节支撑轮、驱动轮与轨道上下表面之间的间隙，保证单轨车驱动运行的稳定性。

图7 主机、拖车与轨道连接结构图

载物的拖车与轨道主机相连接，其底部装有单轨滚轮，轨道上表面嵌有上滚轮的中部部件，滚轮沿着轨道表面滚动行进。载物车每对下滚轮通过螺杆连接，调节螺杆能调节两侧轮子和单轨之间的间隙，控制平稳性，保证货物运输安全。

3.6 制动装置

运输装备在轨道上运行时，可通过手动停车杆将其停止在任意地方；当运行到终点时，通过自动停车杆实现自动停车。当满载下坡过程中车速超过限定速度，下坡限速器自动启动，将车速稳定在安全范围。如果下坡限速器临时失效，车速达到限定速度的两倍以上，紧急制动器将自动启动，使运输机紧急停止[11]。

3.6.1 手动驻车装置和限速装置

手动驻车置采用制动毂制动的方式，制动毂与驱动齿轮同轴，通过其与刹车带的摩擦来实现制动功能。刹车带为两片圆弧形结构，用两条拉簧联接成圆形，刹车带一端开有圆弧槽，另一端为平面，圆弧槽的一端通过销轴固定在机架上，另一端与偏心轴紧贴，偏心轴上铣有扁位，刹车带的平面端夹持在其上。偏心轴由刹车毂外侧的拉杆牵引，拉杆经过助力杆连接到制动杆上，当前后推、拉制动杆时，助力杆拉动拉杆牵引偏心轴回转，偏心轴上的扁位推动刹车带绕固定销轴转动使两刹车带张开与刹车毂产生摩擦制动，与此同时助力杆拉动油门线复位，使发动机油门回复怠速状态，发动机输出离合器因发动机转速降低自动断开，切断发动机到变速箱的动力输出，从而实现制动停车[12]。

限速装置由限速刹车蹄、制动毂等组成，限速刹车蹄安装在制动毂内，通过花键孔与传动轴联接，与传动轴同步转动。正常工作时，限速刹车蹄外圆面与制动毂内圆面存在间隙不产生摩擦，当机车满载下坡、车速超过额定速度时，限速刹车蹄转速急剧升高，当其离心力增大到大于弹簧拉力时，限速刹车蹄克服弹簧拉力[13]而张开、直径增大与制动毂内圆面发生摩擦刹车使转速降低，当转速降低到离心力小于弹簧拉力时，限速刹车蹄复位与刹车毂分离，一旦发生超速，限速装置即起作用，使其减速达到限速，保持车速的稳定的作用。结构如图8所示。

3.6.2 紧急自动制动装置

图8 手动驻车装置和限速装置结构图

紧急自动制动装置主要由摩擦盘、固定座、制动蹄、动盘和离心止动机构等组成，结构如图9 所示。制动蹄和摆指装配在动盘上，制动蹄通过压簧的张紧作用紧贴外罩内侧，通过调节压簧的压缩量可调节制动蹄与外罩的静摩擦力[14]大小；摆指则由拉簧拉住保持收缩状态。

图9 紧急自动制动装置结构图

正常行走时，在制动蹄与外罩的静摩擦力作用下，通过外罩与传动轴的键联接，制动蹄、动盘、摆指与外罩一起随传动轴同步转动；当发生运转速度达到限制速度时，摆指的离心力大于弹簧拉力，摆指克服弹簧拉力作用打开伸出，与固定座上的挡块发生碰撞，动盘被紧急制动，同时在制动蹄和外罩的静摩擦力作用下，外罩、传动轴也被紧急制动。在瞬间制动时，如果制动力大于静摩擦力，那么静摩擦就可以转为滑动摩擦，对瞬间的撞击应力进行补偿与缓冲；进而避免在制动时因瞬间碰撞造成的机件损坏[15]。

4 运行效果分析

根据所设计的整机图纸完成样机生产，生产样机如图10 所示。为测试单轨运输装备的实际运行性能，先后在广州从化荔枝园和梅州蕉岭县柑橘园进行果实、农具、物资等多种运输作业试验，如图11 所示。实地验证表明该产品的功能、作业性能、适应性及安全性均符合需求，作业期间未发生故障，适用于各种复杂丘陵山地、果园、温室大棚等的农用物资、农机具、农产品运输。

图10 单轨运输装备样机图

图11 果园单轨运输装备应用示范点

5 结语

1）丘陵山区果园单轨运输装备可实现爬坡、弯道运输、前进、倒退、限速行走、紧急自动制动等功能。试验表明，运输装备能装载350 kg 左右的货物，行走速度约0.7 m/s，最大爬坡角达到45°，满足设计目标要求。

2）单轨运输装备以汽油机作为动力，采用自走式行走方式，实现果园运输机械化，提高运输设备的灵活性及适应性；采用开环或闭环工作方式，随地形铺设，可适用于丘陵山区果园果实、肥料和农机具等的运送，在运输装备上装配喷雾装置可用于喷施农药和叶面肥，也可装配相应监测设备用于果园生长状况监测等。

3）经试验表明，齿轮传动技术用于驱动装置结构紧凑，传动稳定可靠；所设计的离心锁定式自动刹车装置安全可靠，能保证单轨运输装备稳定运行。