山地果园单轨货运机的最小转弯半径及最大承载量分析.docx
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山地果园单轨货运机的最小转弯半径及最大承载量分析
山地果园单轨货运机的最小转弯半径及最大承载量分析
山地果园单轨货运机的最小转弯半径及最大承载量分
析
第28卷增刊1农业工程学报Vol.28Supp.1
502012年5月TransactionsoftheChineseSocietyofAgricultural
EngineeringMay2012
山地果园单轨货运机的最小转弯半径及最大承载量分析
陈银清
1,2
洪添胜
1※
孙同彪
1
(1.华南农业大学工程学院南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,广州510642;
2.广东石油化工学院机电工程学院,茂名525000)
摘要:
最小转弯半径及最大承载量是设计单轨货运机的重要技术参数。
该文分析了单轨货运机的结构及货运机平地运行、
坡地运行的动力学特性,并通过相关试验对理论分析结果进行了验证,试验结果表明,最小转弯半径及最大承载量受货运机结
构尺寸的影响,并建立了它们之间关系的数学模型。
研究结果为山地果园单
轨货运机及同类货运机械的设计提供了理论依据。
关键词:
轨道,货运机,转弯,半径,最大承载量,山地果园
doi:
10.3969/j.issn.1002-6819.2012.z1.009
中图分类号:
X705文献标志码:
A文章编号:
1002-68192012-Supp.1-0050-07
陈银清,洪添胜,孙同彪.山地果园单轨货运机的最小转弯半径及最大承载
量分析[J].农业工程学报,2012,28增刊
1:
50,56.
ChenYinqing,HongTiansheng,SunTongbiao.Analysisonminimum
turningradiusandimumcarryingcapacityon
monorailvehiclesformountainorchard[J].Transactionsofthe
ChineseSocietyofAgriculturalEngineeringTransactionsofthe
CSAE,2012,28Supp.1:
50,56.inChinesewithEnglishabstract
0引言中国南方的山地果园多,如柑橘大部分种植在山地
上,坡度大、立地条件差,柑橘生产的田间作业,如灌
溉、施肥、施药、修剪、采摘和货运等主要作业环节基
本上都是由人工完成
[1-2]
。
这就需要耗费大量的人力物力,
同时这种状况带来了一系列的诸如劳动强度大、生产效
率低等问题。
要解决这些问题,提高柑橘生产效率,降
低生产成本和劳动强度,则要求实现柑橘生产过程的货运机械化。
目前在我国的山地果园货运机械研究方面,取得了一些成果,国家柑橘产业技术体系机械研究室研发了单轨、双轨和索道等运送系统
[2]
。
单轨货运机械因其结构简单,轨道铺设灵活,安装及操作性能好,非常适合在山地果园里应用
[2-5]
。
但由于山坡
地果园的特殊性,坡度陡、山路曲折迂回、弯曲处密集[4]
。
故对货运机、轨道的结构设计与目标参数的关系提出了严格的要求。
曲线轨道转弯半径的大小,不仅影响单轨货运机结构的设计,同时也限制货运机的最大承载量,因此可运行的最小转弯半径和最大承载量是设计单轨货运机的重要目标参数。
其选择是否恰当,直接影响货运机运行的适应性和工作效率。
对于双轨货运机运行最小转弯半径已收稿日期:
2011-09-22修订日期:
2012-02-19基金项目:
国家现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-27)和国家公
益性行业(农业)科研专项经费(201203016)项目资助
作者简介:
陈银清,高级实验师,华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室访问学者,主要研究方向为机械设计制造及其自动化。
广州华南农业大学工程学院南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,510642。
Email:
cyq66@126
※通信作者:
洪添胜,博士,教授,博士生导师,主要从事机电一体化和信息技术在农业中的应用研究。
广州华南农业大学工程学院南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,510642。
Email:
tshong@//0>.有实例研究
[6-8,17]
,而单轨货运机方面,也有相关资料涉
及,但都只从几何结构上分析,未考虑机车运行时的动
力性
[9-12,16]
。
为此本文将综合分析单轨货运机的结构、工
作原理、运行状态的受力情况,建立最小转弯半径、结构
尺寸、最大承载量、电动机驱动功率之间关系的数学模型,为单轨货运机的设计及应用提供指导。
1单轨货运机结构及其工作原理
单轨货运机主要由带装备动力的牵引车12、载重车3、
带铰链机构的连接杆8及导轨支承部件5构成,其结构示意简图见图1。
货运机骑跨在一条轻便的单轨道上行驶,
带有齿条的轨道5由固定支架铺设在坡地上,并可向任意
方向延伸。
牵引车12由导向滚轮11、13导向,由驱动啮合轮10与齿条4啮合驱动。
载重车3通过一对万向转向导向滚轮2、6支承在导轨面上,通过连接杆8和牵引车连接成一整体,由牵引车牵引向前运动,运行时可实现水
平面的转动及垂直平面内一定角度的转动。
1.辅助轮2,6.万向转向导向滚轮3.载重车4.齿条5.导轨7.铰链18.连接杆9.铰链210.驱动啮合轮12.牵引车11,13.导向滚轮14.辅助轮
图1单轨货运机结构简图
Fig.1Structureofmonorailvehicle增刊1陈银清等:
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51
2单轨货运机结构及最小转弯半径关系
2.1单轨货运机最小转弯半径
当单轨货运机从一直线轨道运行至与之成一定角度
的另一直线轨道的转弯位置时,能否顺利通过,受轨道
交接圆弧曲率半径大小的影响,曲率半径越大越容易通
过,而当曲率半径太小,就会出现卡轨现象,此时货运
机不能正常通过。
则当货运机运行至导轨交接处,刚好
不被卡住的导轨交接圆弧半径,即为货运机运行的最小
转弯半径。
2.2结构分析
由图1所示结构示意简图知,货运机能顺利在曲率
多变的单轨道上运行,除主要的驱动动力,还必须具备
相应的导向及防侧翻结构,如图中的导向滚轮、万向转
向滚轮、辅助轮等。
显然这些结构同样限制货运机运行
的最小转弯半径。
如货运机导向滚轮缘与导轨、辅助轮
与导轨的装配间隙过大,导向及防侧翻效果不理想。
但
间隙过小,经过曲率半径较小的位置时,会卡轨。
即影
响运行的最小转弯半径。
单轨货运机曲线运行临界转弯平面示意图如下图2
所示。
由图可看出,因为载重车的两导向轮为万向转向
轮,可灵活适应导轨曲率半径大小的变化。
1.导轨2.牵引车导向轮3.牵引车4.牵引车主动轮5.前铰接点H6.后铰接G7.载重车前轮中心F8.载重车9.载重车后轮中心E图2单轨货运机曲线运行平面示意图
Fig.2Planesketchofwindingtrackformonorailvehicle
而牵引车上的导向轮,因主要起向前导向的作用,
不能选用万向转向机构,因此牵引车上导向滚轮与导轨、辅助轮与导轨的装配间隙影响货运机最小转弯半径,其
配合示意简图如图3所示。
注:
L1为导轨宽,mm;L2为导向轮宽,mm;L3:
导向缘含入导轨弦长,mm;h1:
导向缘含入导轨深度,mm
1.辅助轮2.齿条3.导轨4.导向滚轮
图3导向滚轮与导轨配合示意图
Fig.3Fitsketchofguidingwheelandtrack
2.3最小转弯半径与结构尺寸的数学模型
2.3.1数学模型
由以上分析,辅助轮与导轨的装配间隙在设计上取大于或等于导向滚轮与导轨的配合间隙。
导向滚轮与导轨的配合间隙δ值影响货运机的最小转弯半径。
δ值越大,单轨货运机可转过的半径就越小。
现以导轨外侧面与导向缘面接触临界位置分析,建立最小转弯半径与结构尺寸关系的数学模型。
其转弯临界示意图如下图4所示。
注:
L1为导轨宽,mm;L2为导向轮宽,mm;L3为导向缘含入导轨弦长,mm;
L4为载重车前后轮轴距,mm
图4最小转弯半径示意图
Fig4.Sketchofminimumturningradius
根据图4所示的临界转弯图,推导计算公式如下OAOB21
1
2
RRL?
2
3
2
12
14
2
1LLLROA23
2
12
14
2
1LLLROB则有?
23
2
12
14LLLR2
2
1423
2
1LLLR
(1)
式中,δ为导轨与导向滚轮配合间隙,mm;R为最小转弯半径,mm;R2为导轨内侧面的最小转弯半径,mm;L1为导轨宽度,mm;L2为导向轮与导轨配合宽度,mm;L3为导向滚轮导向缘深度径向弦长,mm;L为牵引车导向轮轴距,mm。
由式
(1)可知,最小转弯半径受导轨与导向轮滚轮
的配合间隙、导轨宽度、导向滚轮导向缘深度径向弦长、牵引车导向轮轴距等结构尺寸的影响,设计时要综合考虑这些相关的结构尺寸。
2.3.2数据分析
现用式
(1)对结构简图如图1所示的单轨货运机进行计算比较分析。
已知导轨宽度L1为50mm,导向滚轮农业工程学报2012年52
导向缘深度径向弦长L3为41.5mm,牵引车导向轮轴距L4为210mm,导轨与导向滚轮配合间隙δ取不同值,由式
(1)计算最小转弯半径数据如下表1所示。
表1转弯半径与配合间隙δ关系表
Table1Ralelationshipofturningradiusandfitclearanceδ
序号配合间隙δ/mm最小转弯半径/mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0.5
0.751
1.251.5
1.752
2.252.5
2.753
868957854333346228812467218119141721
1563
1456
从表1的数据可看出,随着导轨与导向滚轮配合间隙δ的增大,单轨货运机可通过的最小转弯半径就越小,且从大到小规律变化。
因此设计单轨货运机结构时,选择间隙δ值应考虑货运机要通过的最小转弯半径。
3单轨货运机最大承载量
最大承载量指单轨货运机在驱动功率和传动系统一定的条件下,顺利运行时所能承载的最大货物重量。
对单轨货运机而言,影响最大承载重量的主要因素是电机的驱动功率,货运机运行过程中各接触面的摩擦阻力等[13-15]
。
然而当货运机从一条直轨道运行到与之成一定角度的另一条直轨道过程中,转弯时牵引车对载重车的拉力和直线轨道运行时是不同的,因而直路和弯路上的承载量也不同,主要是由于此时牵引车作用于载重车的拉力受转弯半径的影响。
和直路的情况有差别。
因此设计单轨车除了结构上对最小转弯半径有要求外,一定条件下承载量也影响最小转弯半径的选择。
3.1载重车受力分析
由图1、2,可简化画出单轨货运机转弯运行示意简图5,牵引车对载重车的牵引力及结构关系如图6所示。
由图6知,F2为牵引车对载重车作用力水平方向的分力,作用于M点,即作用力点于前后两轮所受切向力的交点,F1是牵引车对载重车作用力的总合力,A为两直导轨交接处的转弯角,则F2与F1之间关系可用下式
(2)来表示(此时忽略由于载重车可沿水平面转动的导轨法向压力的分力)。
21cosFFA?
(2)
式中,F1为牵引车对载重车作用力的总合力,N;F2为牵引车对载重车作用力水平方向的分力,N;A为两直导轨交接处的转弯角,。
?
显然,F2是载重车正常运行的动力。
其大小与F1及转弯角度A的大小有关。
F1的大小由驱动电机的功率及货运机运行速度决定。
其关系式为
1/FPV?
(3)
式中,P为驱动电机有效的功率,W;V为单轨货运机的运行速度,m/s
F2的大小影响货动机的承载量。
其关系式为
2FG(平地转弯)
2sincosFG(斜坡转弯)(4)
式中,?
为导向滚轮与导轨接触面的静摩擦系数;G为载
重车的承载重量,N;α为斜坡角度,。
?
图5单轨货运机转弯运行示意图
Fig.5Sketchofwheelformonorailvehicle
图6单轨货运机受力示意图
Fig.6Sketchofforceanalysisofmonorailvehicle
3.2最大承载量、最小转弯半径与牵引力关系3.2.1数学模型
由
(2)(3)(4)式,根据图7,可推得承载量G、转弯半径R、驱动功率P、单轨货运机结构参数(L、S、K)之间关系式(5)、(6)和(7)。
2
2
2222
2222
22
2
1arccos1
22
142cosarcsinarccos22
arccos
2
LA
R
RLKSSLRRSKSKKRSRSL
R(5)
增刊1陈银清等:
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53
2
2
2222
2222
22
2
1arccos1
22
cos142cosarcsinarccos
22
arccos
2
L
R
PRLKSSLRRSKSK
KRSRSL
RG?
(6)?
2
2
2222
2222
22
2
1arccos1
22
cos142cosarcsinarccos22
arccos
2
sincos
L
R
PRLKSSLRRSKSKKRSRSL
RG(7)
式中,R为最小转弯半径,mm;L为载重车前后轮轴距,mm;S为铰接点至载重车前轮的距离,mm;K为两铰接
点距离,mm。
式(6)为水平地面转弯情况,式(7)为斜坡加转弯情况。
从公式(6)、(7)可看出,在货运机的结构设计时,一定要考虑载重车的承载量、机车的牵引功率、运行导轨的最小转弯半径三者的影响。
图7转弯半径计算关系示意图
Fig.7Calculativesketchofturningradius
3.2.2计算分析
现有一单轨货运机,其结构简图如图3所示,货运机有效驱动功率P,2.2kW,运行速度V0.438m/s,载重车前后轮轴距L,1820mm,铰接点至载重车前轮的距离S,233mm,两铰接点距离K,619mm,斜坡角度60,?
静摩擦系数0.15,按公式
(2)(3)(4)(5)(7)计算转弯半径、最大承载量、转弯角及水平方向最大牵引力数据如下表2所示。
表2数据反映,转弯半径越大,最大承载量就越大,转弯角就越小,水平方向牵引分力越大。
即在同一转弯半径的条件下,电机功率的大小影响最大承载量,同时在一定功率的条件下,转弯半径(或转弯角)的大小也同样限制最大承载量。
表2转弯半径与最大承载量关系表
Table2Ralelationshipofturningradiusandimumcarrying
capacity
序
号
转弯半径/mm最大承载量/N转弯角/?
水平方向牵
引分力/N1
2
3
4
5
6
7
8
15002000300040006000800016000?
2713404448685125533053555410533765.449.633.425.116.812.66.30
208932554194454848084912
4992
5022
4试验研究
4.1试验材料与方法
在转弯半径一定,额定电机功率一定的条件下,测试随着承载量的不同,载重车受到实际牵引力大小的变化。
找出牵引力与载重量实际的变化规律,从而验证公式的实用性,现进行如下试验
测试对象:
如图3.2.2所述结构的单轨货运机。
测试方法:
在转弯半径为8000mm的山坡地轨道上加载运行(载物车自身质量63kg),每次加载质量10kg,一直加至200kg,采用了温州山度仪器有限公司出产的最大拉压力量程为5kN的数显式推拉力计及配套的传感器测量载重车所受的实际牵引力,拉力计如图8所示。
图8山度SH-5kN数显式推拉力计
Fig.8SH-5kNdigitalforcegauge
农业工程学报2012年54
4.2试验结果分析
对山地单轨货运机进行了平地载重拉力测试,测试距离为30m,货运机平均速度为0.438m/s,从0载荷到200kg载荷共21组试验,每组试验重复5次,每次试验
测试5点,可得到5个平均值,对样本数据组取平均值结果如表3所示。
假设拉力总平均值为,,装载质量为,,如果要从,的数量变化来预测,的数量变化,可做出一条曲线来描绘它们的变化规律,故对,与,进行一元回归分析[18]
,
回归结果如图9所示。
表3不同装载质量下拉力测试结果
Table3Resultsoftensiletestunderdifferentmass
拉压力测试结果/N装载
质量
/kg
平均值
1
平均值
2
平均值
3
平均值
4
平均值
5
总平均
值
064.22060.21045.75039.60068.26055.6081075.36079.21081.22080.48083.27079.9082089.51088.81093.51093.37094.20091.8803082.22083.62088.21089.43091.53087.0024089.55095.96099.850101.260103.94098.11250104.31096.530110.430113.94094.420103.92660106.970105.700104.820105.450104.310105.45070119.760110.45094.71087.020113.950105.1788096.210114.880106.370117.150106.610108.24490114.340106.720108.07096.890119.790109.162100111.700116.18089.390113.970116.580109.564110103.330107.310106.920107.630106.680106.37412076.84094.410150.76088.060136.870109.388130109.250110.800103.880101.310121.600109.368140120.400118.890103.450120.460110.770114.794150104.540112.260111.200111.100113.730110.566160147.760148.640147.460149.290149.460148.522170147.540154.800126.990163.630143.880147.368180153.080151.640151.640149.470153.880151.942
190147.340152.950153.520155.450154.690152.790
200147.810162.360147.290169.100141.750153.662
经过SPSS分析结果得出:
模型拟合相关系数R,0.916,判定系数R2,0.839;模型回归的显著值P,0.000,0.05,回归系数显著,即理论值与实测值两者有显著的线性关系;所以可以得出回归方程为
0.3874.3420.916YXR(8)
式中,Y为拉力总平均值,N;X为装载质量,kg。
回归所得模型公式与传感器标定模型公式合并后可得
0.37874.0450.916YXR(9)
式中,Y为拉力总平均值,N;X为装载质量,kg。
由推导公式(6),计算在转弯半径为8000mm的条件下,当加载质量为200kg(载物车自重63kg)时,有效牵引力为131.5N,而此时的牵引合力为134.745N。
由实测的牵引合力和承载质量的关系公式(9)计算,此时牵引力合力为149.645N,计算两者的误差率149.645134.745%9.9%149.645
误差率较小,且实测的牵引合力略大于由公式(6)
计算值,合理,因为我们推导公式(6)时,是忽略了侧压力而推导的。
说明以上推导公式与实际情况相一致,可用。
图9一元线性回归图
Fig.9Linearregressiongraph5结论与讨论
本文先从货运机的结构几何尺寸分析,得出满足设计最小转弯半径的几何尺寸的数学模型。
进一步分析货运机运行的动力性,得出满足最小转弯半径前提下同时要满足最大承载量的几何尺寸的数学模型,同时分别考虑平地转弯及斜坡转弯情况下的动力性,得出不同的数学模型,为单轨货运机设计及应用的理论依据。
对单轨货运机的结构进行分析,结果是:
最小转弯半径受导轨与导向轮滚轮的配合间隙、导轨宽度、导向滚轮导向缘深度径向弦长、牵引车导向轮轴距等结构尺寸的影响,导轨与导向轮的配合间隙越大,最小转弯半径就越小,但间隙太大会造成运行的不稳定及发生侧倒,设计时要综合考虑这些相关的结构尺寸。
对单轨货运机的动力性进行分析,结果是:
最大承载量受电机的驱动力、最小转弯半径、牵引车导向轮轴距等结构尺寸的影响,
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- 山地 果园 单轨 货运 最小 转弯 半径 最大 承载量 分析