陡坡果园便携索轨结合运输系统分析与设计*

吴传宇

(福建农林大学，福州市,350002)

0 引言

我国是世界最大的水果生产国和消费国。我国水果产业是具备较强国际竞争力优势的农业产业[1-2]。特别是南方地区山多地少，而山地果园排水好、光照足、通风好，宜果树生长，因此水果多种植于丘陵山地地区。多数山地果园都没有较完善的果园上游(果园内部)运输网络，农资上山、水果采摘后运输下山等运输成为生产中的重大难题，多数地区仍采用背篓或肩挑的方式进行物品的运输，不仅劳动强度大、效率低，果品也容易损伤，极大地阻碍了水果产业生产效益的提高[3]。我国在山地果园运输方面起步较晚，目前尚未开发出较成熟果园运输机械，国内用于山地果园的运输机械主要有三轮摩托车和拖拉机等，这些运输工具需要在比较规范的农机道上作业，不适合山地果园上游运输的需要[4-10]。因此，果园特别是陡坡果园上游运输机械化问题急需解决。

1 陡坡果园上游运输特点

1.1 地形及工作特点

地形坡度大，行走困难。园区坡度大(坡度大于20°，小于40°。大于40°坡地不建议种植经济作物)[11]，没有挖建规范的农机道。普通运输机械无法在这种地面行走，多数靠人工运输。尤其当坡度大于20°，行走路线崎岖，运输100 kg物料时，人工负重行走相当困难。

同时由于果园作业时间短而集中，以福建平和蜜柚为例，一年果园高强度运输(采摘、施肥运输)时间小于10 d，一般强度运输(一般中耕等作业)时间10～20 d。果园上游大量修建农机道使用效益低，且会造成严重的水土流失，不宜采用。现有的单轨车等固定运输系统由于使用效率较低也难以大面积推广。因此，开发成本低，使用效率高、便携式的运输系统就显得尤为重要。

便携式运输系统应满足以下要求：(1)不需开挖农机道，安装转移方便；(2)运输系统建设成本低；(3)运输系统使用效益高；(4)满足大坡度山地果园使用。

1.2 运输系统解决方案及动力学分析

1.2.1 运输系统方案分析选择

设运输物流为编织袋包装，载物车额定运载量100 kg。采用编织袋标准，50 kg的65 cm×110 cm(GB/T 8946—1998)，如图1所示，可运输2袋50 kg编织袋装载物料。载物车的长款分别为长130 cm，宽110 cm。

目前大坡度果园园区载物车可分自驱动型(如单轨车)和牵引动力型(采用绞盘机牵引的载物车)[12-15]。设坡度40°，如图2为采用自驱动运载车时的受力示意图， 前轮对地面的压力F1减小。遇障碍颠簸时产生的向上的F2，计算载物车速度5 m/s，负载100 kg(1 000 N)时，F2在轨道上碰到高度3 mm障碍物时经计算为750 N。此时

M1=G×cosθ×0.5L+F1×L-F2×L

cos40°×1-750×1

=-6.8 Ν·m

式中：M1——后轮所受扭矩；

θ——坡度；

F1——前后车轮对地面的正压力；

F2——颠簸产生的压力；

L——两轮之间的距离,1 m。

图1 载物车基本尺寸Fig. 1 Basic dimensions of the trolley

图2 自驱动载物车受力示意图Fig. 2 Schematic diagram of the self-driving trolley

M1等于负数，特别是物料中心往下移动M1将更小，上轮更容易脱离地面载物车将逆时针反转，倾覆。故自驱动力运载小车要设计高强度的防倾覆机构，配上安全卡扣与导轨牢固连接，克服载物车产生逆时针转矩，保证车辆的安全。因此导轨要克服载物车安全卡扣作用的法向拉力，导轨就得安装、建设牢固可靠。

而采用牵引动力可以克服负载部分重力G，改善了载物车的受力分布，如图3所示，驱动力F3由驱动轮提供转为牵引绳提供，这种受力状况，即使仍产生前面所计算颠簸产生的F2。此时

M1=G×cos40°×0.5L+F1×L-F2×L+F3×L2

1-750×1+640×0.1

=57.2 Ν·m

式中：F3——牵引力，上坡运行最小牵引力640 N；

L2——为牵引着力点与轨道的距离0.1 m。

M1大于0不易产生倾覆。因此大坡度果园采用牵引型运输小车更优。

图3 牵引式载物车受力示意图Fig. 3 Schematic diagram of the tracked trolley

1.2.2 轨道抓地力分析

计算轨道放在40°地面时的最大抓地力。如果采用自驱动小车，车辆前进靠车轮与导轨的摩擦驱动，最差工作环境为逆坡运行，这时导轨所受的纵向推力如图2所示的F4大于等于驱动轮克服物料重力沿导轨方向的分力。

F4≥G·sin40°

如果100 kg重力的话F4大于等于640 N，此时亦要求轨道必须牢固，如单轨车要修建带有牢固桩脚的固定导轨。

牵引式载物车载物时，驱动力由牵引绳提供，载物车轮子为被动轮，与轨道的接触是纯滚动，这时导轨所受的纵向摩擦力可以忽略。轨道所受的纵向推力主要是导轨重量及外部压力沿导轨纵向的分力。外部压力垂直于导轨，沿着导轨方向分力为0，且垂直于导轨的正压力还会增加导轨与土壤的摩擦力，故导轨最易滑移的情况是导轨没有负载的的情况。此时，轨道自重沿轨道方向的分力为8.7 N，与自驱动小车的推力 640 N 相比可以忽略不计。

同时载物车动力采用绞盘机牵引，动力置于载物车外，固定于果园有利位置。外置固定动力有利于减小载物车自重，同时避免了崎岖运行路径造成的颠簸对动力机运行的影响，运行平稳。所以大坡度下果园运输系统采用牵引动力车辆比较合适。

2 简易轨道运输系统设计与应用试验

果园运输轨道(道路)设计是整个运输系统的关键一环，它直接关系运输系统的成本、使用效率，决定整个运输系统的适用性。通过上节分析，大坡度果园宜采用牵引式载物车结合适当的轨道。为降低成本，提高使用效率，设计简易、便携、可移动轨道较优。

2.1 便携式轨道设计

设计便携式轨道，如图4所示，导轨截面为倒U字型，导轨下方为锯齿形抓地齿，两端头三面分别为相对应的凹凸形摩擦接头，斜角小于摩擦角。

图4 导轨抓地力试验Fig. 4 Experiment on the traction force ofguide rails

导轨抓地力分析。导轨的抓地力等于抓地齿插入土中，土壤对齿所产生的剪切阻力。每个齿所受到的最大剪切阻力由参考文献[16]图1中剪切力最小的无草土壤试验数据推导出剪切力

式中：y——剪切强度，kPa；

x——法向压强，kPa；

s——入土齿总截面积，cm2。

每条轨道共有228个齿，计算一条轨道的抓地力记录于表1，仅导轨自重作用下抓地力为198 N，(轨道自重13.6 N，坡度40°下沿轨道方向的分力为8.7 N，沿导轨法向为10.4 N)，即使在地形不平，只有10%齿入土的情况下，抓地力也达到19.8 N>8.7 N，因此在无载荷时轨道不会滑移。所以这种多齿导轨直接放置在果园地面上就可达到使用要求。

为验证便携式导轨的抓地力，取林草结合的地块做试验，地块土质为沙壤土，如图4所示，在导轨上施加不同的重物(正压力)，在导轨1端串联拉力计，用手摇绞盘机施加拉力，每组正压力下做5组拉力试验，取平均值记录于表1。

从表1中可以看出，仅靠导轨自身重力，导轨并可产生20 N的纵向抓地力，且随着正压力的增加产生的抓地力直线上升。由于导轨放置于地面时，因施加正压力不同，入土齿数和入土深度都不同，根据测量把实际入土齿截面积和记录于表1。从表1中可以看出不管是计算还是试验结果，都证明便携式导轨完全可以满足牵引式载物车的运行。

导轨分段设计，每段重仅13.6 N，易于搬运。安装导轨时只需简单清理导轨路面，将导轨抓地齿面朝下直接放置于地面上即可。三面凹凸连接设计，两根导轨只需简单对接，并可以保证U型导轨三面对齐，同时凹凸槽角8°，小于材料摩擦角，连接好后，根据试验导轨自锁摩擦力大于20 N，可保证纵向连接牢固。拆导轨时只需沿纵向拉开导轨，从地面拾起并可，操作简便易行。

表1 抓地力计算、试验值Tab. 1 Calculation and test value of the traction

2.2 载物车设计

由于为保证导轨施工简易，地面只经简单平整，平整度3 cm/m2以下并可，在此情况下运行过程整体式载物车有1个轮子悬空，此时载物车前进方向总共有4个外力，3个轮子产生的摩擦力，1个牵引力，合力偏离轨道方向，载物车趋向脱轨。为保证载物车4个轮子同时着地，设计载物车如图5所示。将载物车分成前后两部分，中间采用轴套连接，保留沿前进方向轴线的旋转自由度。此时，运载车分成两个受力系统，在任何情况下4个轮子都有向下的压力不会悬空。

图5 载物车Fig. 5 Structure of the trolley

2.3 应用试验

样机试制完成后在福建平和五寨村柚子园进行运行试验(坡度17°～27.4°)，如图6所示，30 m轨道2人30 min铺设，试验完2人18 min收完。4袋柚子重125 kg，绞盘机功率1.4 kW，运行速度32～42 m/min，分别做了逆坡和顺坡运载试验，4个行走轮始终着地，无出轨现象，运行过程平稳。如采用单轨车轨道铺设需3 900元，且不可移动。采用便携式轨道成本900元，且一处用完可转移至其他地块继续使用，使用成本更低。

3 结论

通过力学分析与试验验证，便携轨道结构简单，制作成本低。轨道铺设条件简单，不需平整路基，更不需要硬化路面及加固型轨道，拆卸转移方便，2人1 d可以铺设或拆卸200～400 m的轨道。与现有的单轨车及果园索道的运行路径装置安装要求高，成本高，且安装完后并成为永久性设施只能应用于固定的地块相比，便携索轨结合运输系统可在不同地块快速转移，克服了固定路径运输系统使用率低的不足。与多功能作业车比较，不需建设规范的农机道，可根据需要在果园上游内部安装，亦可适应陡坡运输，从而根本解决了果园上游运输问题。运载车可以承载150 kg，基本满足农业物料运输需要，特别适合季节性强的农业生产运输需要。经试验动力系统存在两点不足仍需改进，(1) 由于采购的绞盘机速度偏慢，影响运输系统的效率，将来应该设计专用的绞盘机提高回空速度，以匹配果园运输需要。(2) 运输系统运行需两个人操作，一人操作绞盘机，一人装卸物料，应开发遥控系统控制绞盘机，从而节约操作人力。