山地果园轨道运输机试验台的设计与应用

张　成，吴伟斌,b，杨晓彬，张　伟，常星亮

(华南农业大学 a.工程学院；b.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室/国家柑橘产业技术体系机械研究室/广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广州　510642)

0　引言

我国是世界第一大水果生产国与消费国，果树资源丰富。我国果品产业是具有较强国际竞争力的优势农业产业，经济效益高，市场前景广阔，近10年来已连续保持年增5%以上的发展速度[1]。

我国是世界上位居第一的柑橘生产国，柑橘是国内南方山区的重要产业，也是主产区农民的主要经济来源。然而，我国有90%的柑橘在丘陵山地种植，地理条件差，对于许多无路山地果园，传统的机械很难进入开展作业；目前大部分果农们只能用背篓或肩挑等人工方式运输，不仅劳动强度大，效率低，而且果品也容易损伤[2-3]。山地的开路成本较高，普通农户难以承担，甚至会浪费土地，造成水土流失等问题，所以山地果园不宜大面积的开路；但人工运输方式运送效率低，特别是在果实收成时期严重限制了采送的效率。近年来，山地果园运输机械已成为当前研究热点，我国的山地果园运输机械虽然比日本和韩国的研发时期晚，但现已相继研发出双轨软索运输机、山地果园链式索道运输机、自走式山地果园运输机、电动式山地果园运输机及牵引式山地果园运输机等山地果园运输机械，主要有索道和轨道两种形式，两者各具特点[4-6]。然而，山地果园双轨运输机的研究与开发，离不开测试与改良阶段，而国内目前并没有专门用于测试山地果园双轨运输机爬坡能力的试验台。为了提高山地果园双轨运输机爬坡能力的测试效率，亟需设计一种适应复杂地形变化且高效便利的山地果园双轨运输试验台，这对运输机各项性能指标进行测试与改善、优化运输机结构与性能、提升运输机的运输效率和安全可靠性有着十分重要的意义。

1　试验台整体结构与工作原理

1.1整体结构

山地果园轨道运输机试验台主要由测试台、驱动装置、钢丝绳、轨道、载物滑车、立柱、遥控装置和电器控制装置等组成，可对双轨运输机的爬坡性能进行测试，如图1所示。试验台上安装有轨道和能沿轨道两侧做上下往复运动的载物车，轨道采用可拆装的轨道进行组装，具有搬移便利和多处使用的特点。试验台底部外侧的地面上安装有由卷绳机支撑架和卷绳机组成的驱动装置，卷绳机支撑架上方安装有卷绳机且侧面安装有控制装置，而卷绳机由电动机、减速箱、钢丝绳和驱动滚筒组成。其中，电动机和减速箱通过固定装置固定在地面上，电动机的输出端连接减速箱，驱动滚筒通过旋转轴和固定式轴承座安装在卷绳机支撑架上，减速箱的输出端与旋转轴连接，钢丝绳一端缠绕在驱动滚筒上且另一端固定在载物车上，卷绳机支撑架上方还安装有通过固定钢丝绳的位置来使载物车停止在轨道上的刹车器。试验台的爬坡坡度可通过调整立柱的长度来满足实际需求。

1.2工作原理

启动轨道运输机试验台后， 驱动装置将会产生驱动力，通过钢丝绳带动载物滑车运行[7-8]。按下电控箱表面的上行按钮，电动机产生的驱动力经减速箱传到驱动滚筒上，滚筒绕卷钢丝绳，而钢丝绳通过一个滑轮与载物滑车相连，从而带动载物滑车上行；按下停止按钮，电动机断电后，滚筒将会停止转动，从而载物滑车停止上行；按下电控箱下行按钮，电动机将会反转，带动滚筒做反向转动，钢丝绳被放出，载物滑车车利用自重向下运动，实现下行。

载物滑车在试验台轨道运行时，还可通过无线控器控制运行，实现任意位置启停。

1.立柱　2.肋板　3.坡面　4.轨道 5.载物车　6.电动机　7.减速箱　 8.驱动滚筒　9.钢丝绳

1.3主要技术参数

山地果园轨道运输机试验台的主要技术参数如表1所示。

表1　试验台主要技术参数Table 1　Main technical parameters of the test-bed

续表1

2　试验台关键部件设计

2.1控制系统设计

控制系统的设计由6个部分组成，即输入控制模块、输出控制模块、主控模块、信号输入模块、显示模块和警示模块[9-10]。主控模块以PLC作为控制核心，来实现对运输机的全程运输作业的智能控制；输入控制模块包含有手动控制装置、遥控装置和限位设置装置，产生输入控制命令；信号输入模块包含有防松脱传感器、旋转编码器及超载传感器等元件，实现钢丝绳松脱、卷筒转动角位移和载物滑车超载信号的输入命令。当试验台的载物滑车出现超载、钢丝绳松脱及电流超出额定电流一定范围等异常情况时，警示模块将发挥作用，其警报灯闪烁，提示系统出现异常，需及时采取措施。输出控制模块包含有强电控制器、变频器、制动装置和三相异步电动机，实现电动机的正、反转、启停和调速等情况时的示警功能。显示模块主要为触摸显示屏，控制变频器频率输出，显示出当前输出频率及当前运行参数等信息。控制系统原理如图2所示。

2.2驱动装置结构设计

驱动装置主要由电动机、驱动滚筒、配重机构、刹车器、防超载传感器、防松脱传感器、控制装置、卷绳机、卷绳机支撑架、横梁及移动轮等组成，电动机作为动力源，实现载物滑车的运行，如图3所示。

当PLC传出上行命令时，电动机正转，然后经减速箱再将转速传到卷绳机牵引运输机上行。当超载时，安装在可滑动卷绳机支撑支架的卷绳机在过大载荷拉力下往前移动，压缩配重机构的弹簧或软胶(超载设定值为300kg)，触发防超载传感器，传感器将信号传给PLC，PLC便启动防超载保护程序，断电和刹车，同时报警。同时，可通过调节传感器的触发螺栓来调节触发距离，从而调节压缩弹簧或软胶的量来调节超载值。当出现牵引绳松脱时，驱动装置便会在配重机构的回位弹簧作用下往后移动，从而触发防松脱传感器，传感器将信号传给PLC，PLC经过处理便启动防松脱保护程序。

图2　控制系统原理图

1.驱动滚筒　2.固定式轴承座　3.电动机　4.移动轮　5.配重机构　6.刹车器 7.防超载传感器　8.防松脱传感器　9.控制装置　10.卷绳机支撑架　11.横梁　12.卷绳机

3　试验台运行效果测试

为进行山地果园轨道运输机试验台的实际运行效果测试，在一处较为空旷的平底搭建了40°的试验台。试验台轨道有效测试长度为12m，对载物滑车在一定负载时的平均耗电量、平均运行速度及使用有效度进行测试。搭建的试验台如图4所示。

图4　山地果园轨道运输机试验台

采用三相四线有功电能表对耗电量进行测试，载物滑车负载300kg进行上行、下行运动，测试距离为12m。载物滑车的上行、下行为一个来回，测试3个来回，取3组数据平均值。试验结果表明：试验台平均耗能为1.235kW。

运行速度测试：试验台轨道测试长度12m，载物滑车负载300kg，对滑车的上行、下行分别独立的测试3次，记录3组数据，取平均值。计算公式为

V=L/T

(1)

式中V—平均运行速度(m/s)；

L—轨道测试长度(m)

T—测试时间(s)。

使用有效度测试：试验台轨道测试长度12m，载物滑车负载300kg，使滑车上行、下行连续运行55h，记录试验台故障发生时间及修复故障所需要的时间。计算公式为

(2)

式中K—使用有效度；

ΣTz—试验期间正常工作累计时间(h)；

ΣTg—试验期间故障排除修复的累计时间(h)。

结果表明：试验台载物滑车上行平均运行速度为0.51m/s,下行平均运行速度为0.54m/s,试验台在连续工作55h内并无故障现象，故使用有效度为100%，能满足使用要求。

4　结论

本试验针对我国山地果园地形地貌特点和山地果园轨道运输机的应用情况，以及国内目前并无专门应用于山地果园轨道运输机的爬坡试验平台问题，设计了一种能够适应复杂地形、高效便利且轨道可拆装的轨道运输机试验台。该试验台具有搬移便利、多处使用及成本较低的特点，可以测平均速度和使用有效度，使用范围广。

对试验台的运行效果进行了测试，结果表明：试验台的平均耗能为 1.235 kW·h，满载工况下的载物滑车上行平均速度为0.54m/s，下行平均速度为0.54m/s，使用有效度为100%，能够满足使用要求。

从机械结构分析，设计的轨道运输机试验台是一种性价比高、推广潜力大的试验平台，生产企业可以考虑规模化和标准化生产。 从自动化与智能化角度分析，该试验台仍然有待进一步研究：可考虑在试验操作部分设计为机器自行工作，通过编入试验项目、试验指标及试验次数等相关问题的程序，自动操作，采集数据，将会大幅度提升工作效率。

参考文献：

[1]中国果品流通协会．我国水果产业发展状况及柑橘产销形式分析[J]．果农之友，2011(1)：3-5．

[2]杨洲，洪添胜．山地果园运输装备[M].北京：中国农业出版社，2016:13-47．

[3]洪添胜，张衍林，杨洲，等．果园机械与设施[M]．北京：中国农业出版社，2012：143-147．

[4]吴伟斌，赵奔，朱余清，等．丘陵山地果园运输机的研究进展[J]．华中农业大学学报，2013，32(4)：135-142．

[5]李亮，康铭鑫．山地果园轨道运输机的研究及其应用进展[J]．食品与机械，2016，32(1)：202-207．

[6]黄志平，焦富江．山地果园运输机的产业化进展[J] ．现代农业装备，2014(5)：28-32．

[7]张俊峰，张衍林，张唐娟．遥控牵引式单轨运输机的设计与改进[J]．华中农业大学学报，2013，32(4)：130-134．

[8]欧阳玉平，洪添胜，焦富江，等．山地果园拆装单向牵引式双轨运输机的设计[J]．华中农业大学学报，2015， 34(1)：128-135．

[9]欧阳玉平，洪添胜，黄志平，等．山地果园拆装牵引式双轨运输机控制系统的设计[J]．西北农林科技大学学报:自然科学版，2016，44(5)：215-223．

[10]高辉松，朱思洪．电动拖拉机试验台开发[J]．南京农业大学学报，2014，37(6)：160-164．

ID:1003-188X(2018)04-0116-EA