山地果园蓄电池驱动单轨运输机的设计
李震，洪添胜，孙同彪，欧阳玉平，罗瑜清
(1华南农业大学a电子工程学院，b工程学院，广东广州510642；2国家柑橘产业技术体系机械研究室，广东广州510642；3广东省农情信息监测工程技术研究中心，广东广州510642)
山地果园蓄电池驱动单轨运输机的设计
(1华南农业大学a电子工程学院，b工程学院，广东广州510642；2国家柑橘产业技术体系机械研究室，广东广州510642；3广东省农情信息监测工程技术研究中心，广东广州510642)
[关键词]山地果园；单轨运输机；蓄电池驱动；农业机械
发达国家的柑橘生产区域相对集中，橘园规模较大，机械化程度较高，规模效益明显[1]。我国南方柑橘生产的立地条件多为山地和丘陵，种植和采收过程中农资物料和果品的运输以人力为主，生产效率低、劳动强度大。随着劳动力的日益紧缺，柑橘等山地果品生产过程中机械化运输的作用日趋体现[2-4]。
现有的山地果园单轨运输机多以内燃机为动力，在启停时需人工操作，为了能够及时应对出现的紧急情况，要求操作人员乘坐运输机或跟随运输机在果园中穿梭，导致操作人员的工作风险较大、劳动强度较高。通过遥控或自动控制运输机工作，则能够降低操作人员的工作风险和劳动强度，但在已有的以内燃机为动力的山地果园单轨运输机的基础上实现遥控或自动控制，则还需要设计和制作较复杂的机构，且成本升高，维护难度增大，不利于推广应用。
电动机启停简单，易于开发遥控和自动控制系统，将其作为山地果园运输装置的驱动机构具有一定的优势。本研究在已有的以内燃机为动力的山地果园单轨运输机的基础上，对山地果园蓄电池驱动单轨运输机的关键部件进行研制和选型，设计和制作试验样机并检验其工作效果，以期降低山地果园运输作业的工作风险和劳动强度，提高运输机的自动化水平和运输效率。
1运输系统的结构与主要技术参数
山地果园电动单轨运输系统结构如图1所示[15]。该系统主要由运输机、货运拖车和轨道组成。轨道通过轨道支撑架沿果园山坡铺设，轨道下方具有啮合齿节；运输机和货运拖车均骑跨在轨道上方。货运拖车与运输机通过连接机构连接，由运输机拖动或推动拖车行走。运输机包括主机架、电动机、蓄电池、传动装置、导向夹紧轮、制动器和控制系统等。货运拖车由不锈钢管焊接而成，主要由车架、防侧倒装置和位于拖车底部的4个滚轮组成，防侧倒装置和滚轮通过螺栓与拖车连接在一起。
运输机以蓄电池为动力，由控制系统控制直流电动机旋转，电动机上的链轮通过主动链条将动力传递给蜗轮蜗杆机构减速箱的主链轮，减速箱的副链轮通过从动链条将动力传递给运输机驱动链轮；驱动链轮通过驱动轮轴与主驱动轮相接，主驱动轮采用圆周分布的圆柱滚子与轨道齿条相啮合，随驱动链轮一起转动，带动运输机行走。
运输机主机架前后两端安装有行程开关，轨道两端安装了辅助停车挡板，当运输机行走至轨道两端时，安装在车体上的行程开关触碰挡板，行程开关的通断向运输机控制系统发出制动信号，控制电动机断电和电磁式失电制动器制动。
图1山地果园遥控电动单轨运输系统的结构
1.运输机；2.电池箱；3.控制系统；4.电动机；5.制动器；6.连接机构；7.货运拖车；
8.防侧倒装置；9.轨道；10.导向夹紧轮；11.传动装置；12.轨道支撑架；13.轨道齿条
控制系统可接收来自运输机上的按键或遥控器的控制信号，根据该信号控制直流电动机的启停、正/反转以及电磁式失电制动器的制动和解除等工作。系统监测直流电动机的转速，当电机转速超过其正常运行速度的上限时，启动制动器进行制动。
除收获时运送采摘的果品外，运输系统日常作业主要是运送化肥和农药等物资，也可以搭载树枝修剪机和喷雾机等装置。根据实际运输需要以及橘园的地形地貌条件，确定山地果园蓄电池驱动单轨运输机的主要技术参数如表1所示。其中工作噪声指标参照国标(GB6376)规定的44.1kW及以下拖拉机机室外动态环境噪声设计，限值为86dB[16]。
表1设计运输机的主要技术参数
对由运输机和货运托车组成的运输机构进行受力分析，以指导电动机选型。在实际应用中，沿山地果园地形安装的轨道坡度一般小于40°，水平弯曲较小。研究中将运输机构简化为质点O，忽略空气阻力和驱动轮与轨道侧边的摩擦。运输机构在匀速爬坡时主要受到自身重力、牵引力和齿轮啮合摩擦力的作用，受力情况如图2所示。
运输机构在匀速爬坡时的受力分析为[11]：
单轨运输机应用齿轮啮合驱动，具有驱动力大、运行平稳等优势，在以内燃机为动力的山地果园单轨运输系统中得到成功应用。借鉴汽油机驱动式单轨运输机的设计思路和啮合方式[17]，山地果园蓄电池驱动单轨运输机的驱动轮采用圆周分布的圆柱滚子与轨道啮合齿相啮合，以带动运输机行走的驱动方式。根据轨道啮合齿的间距，本研究设计的驱动轮上设置有12个圆柱滚子，其中2对滚子沿直径相对，其间的距离即驱动轮有效直径d=12cm，具体如图3所示，
图2运输机构爬坡受力分析
图3运输机主动驱动轮的结构
运输机的传动装置设计和实物如图4所示。该传动装置使用了两级链传动和一级蜗轮蜗杆传动，根据文献[18]，链传动的效率为0.91，蜗轮蜗杆传动的效率为0.77，传动装置的传动效率η为：η=0.91×0.91×0.77=0.64。
传动装置的总传动比i为：
式中：i1为1、2链轮之间的传动比(一级链传动比)；i2为3、4链轮之间的传动比(二级链传动比)；i3为蜗轮蜗杆机构传动比，i3=0.1；z1为链轮1的齿数，z1=12；z2为链轮2的齿数，z2=13；z3为链轮3的齿数，z3=27；z4为链轮4的齿数，z4=18。
图4运输机传动装置的结构与实物
运输机爬坡时的功耗为：
对电动机转速的要求为：
式中：R为电动机最低转速，r/min；v1为运输机最大平地运行速度，0.8m/s；i为总传动比，0.138；d为驱动轮有效直径，0.12m。
则计算可得电动机的最低转速R=923r/min。
根据运输机爬坡时的功耗，考虑直流电动机自重对运输机整机质量和功耗的影响，选用BM1418ZXF型无刷直流电动机(浙江尤奈特电机有限公司，浙江永康)，该机的额定电压为48V、额定功率为500W，额定转速为2800r/min。
电动机控制器采用与电动机配套的无刷直流电机控制器(FSBWZK124830-3KD-C，浙江尤奈特电机有限公司，浙江永康)，用于控制无刷直流电动机的启停、转向和转速。
运输机的蓄电池需满足3个要求：1)高容量、高功率，大电流性能较好；2)价格低、循环寿命长且容量衰减小；3)体积小、质量轻。铅酸蓄电池技术成熟，性能稳定，价格较低，适合作为运输机的动力源。由于选型的无刷直流电动机额定工作电压为48V，而市场上常见的蓄电池充电设备支持的电池电压为12V，本研究选用4块额定电压为12V的铅酸蓄电池串联为蓄电池组。
运输机爬坡时的功耗为433W，按照每天工作3h计算，需要的电能为1.299kW·h。蓄电池电量计算为：1.299kW·h/48V=27.0Ah。据此，选用市场上常见的12V(28Ah)铅酸蓄电池串联为蓄电池组，作为运输机的动力源。
为防止运输机行驶到轨道末端时脱轨，本研究设计了限位装置如图5所示。限位装置由行程开关及限位档杆组成，行程开关安装于运输机的下方，限位档杆安装在轨道始末两端。在行驶过程中，当限位开关与限位档杆接触时，限位开关闭合，运输机上的控制系统通过电动机控制器使无刷直流电动机停止转动，同时控制系统实施制动，令运输机停止行驶。
试验在华南农业大学实验柑橘园进行，平地测试距离为30m，受场地条件限制，轨道平地段铺设成半径为5m的圆弧形[19-20]；由于该半径已大于运输机的最小转弯半径，可近似认为运输机是沿直线行驶[11]。模拟山坡地形架设坡度为39°的直行轨道用于运输机爬坡测试，爬坡测试距离为15m，如图6所示。
图5轨道限位装置的安装
图6模拟山坡地形架设的直行轨道
表2山地果园蓄电池驱动单轨运输机不同负载时的行驶速度
直流电动机工作在允许的最高转速，利用噪声计(824A，深圳市胜利高电子科技有限公司，深圳)测量环境噪声及货运拖车满载条件下运输机在平地行驶和爬坡时的工作噪声，以5次测量的平均值作为最终结果。结果表明，运输机在平地运行时的工作噪声为77.57dB，爬坡时的工作噪声为83.87dB，均低于国标(GB6376)规定的44.1kW及以下拖拉机机外动态环境噪声限值86dB，满足表1中工作噪声的设计要求。
式中：Vo为电流感应传感器的输出电压，V；Io为蓄电池的输出电流，A。
图7运输机平地行驶和爬坡时蓄电池的输出电流
4.5蓄电池组续航能力测试
直流电动机工作在允许的最高转速，运输机和货运拖车搭载100kg负载从轨道坡度段底端行驶至顶端，松开电池制动器，让运输机依靠自身重力回落至轨道底端，记录蓄电池无法为运输机爬坡提供足够的电流前运输机爬坡的次数，重复进行3次试验，以3次试验平均值作为试验结果。试验表明，蓄电池组一次充满电可支持运输机爬坡约180次，爬坡行驶距离约2700m。因此，在山地果园实际轨道长度为100～200m、运输机搭载100kg负载的条件下，蓄电池组充满电的条件下可支持运输机爬坡13～27次。
本研究在已有的以内燃机为动力的山地果园单轨运输机的基础上，设计和制作了山地果园蓄电池驱动单轨运输机，通过行驶速度、工作噪声、电流损耗和蓄电池组续航能力等4个测试试验，检验了运输机的工作效果，得到以下结论：
1)运输机及货运拖车的联合质量约为75kg，无刷直流电动机功率为500W，货运拖车搭载质量为100kg的负载在平地运行和爬39°斜坡时的行驶速度分别为0.58和0.28m/s，运输机工作时的最大噪声为83.87dB，各项指标均达到了设计要求。选用的蓄电池组在充满电的条件下，可支持运输机搭载100kg负载爬坡行驶2700m。
2)运输机在平地行驶和爬坡时，装载质量与行驶速度间的R2分别为0.8470和0.9562，说明在平地行驶时速度受装载质量影响较小，而爬坡速度受装载质量影响较大。
3)电流损耗试验结果表明，当运输机搭载质量为100kg的负载爬坡时，蓄电池输出电流超过20A，长期工作在大电流输出状态将极大地缩短蓄电池寿命，且存在安全隐患。本试验中，该运输机的变速比是固定的，在进一步的改进中将通过引入变档机构，以解决满载爬坡时蓄电池输出电流过大的问题。
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[基金项目]公益性行业(农业)科研专项(201203016)；广东省高等学校优秀青年教师培养计划项目(Yq2013028)；现代农业产业技术体系建设专项(CARS-27)
[作者简介]李震(1981-)，男，广东广州人，教授，博士，硕士生导师，主要从事机电一体化技术应用研究。
[通信作者]洪添胜(1955-)，男，广东梅县人，教授，博士，博士生导师，主要从事机电一体化及信息技术在农业中的应用研究。