丘陵山地电动式单轨道运输车结构设计

丘陵山地电动式单轨道运输车结构设计施新杭，陈

晖，陆丹丹，傅

剑

（金华市农业机械研究所，金华321017）

摘要：丘陵山地以果园产业居多，主要种植柑橘、香榧等经济果林，然而由于地形影响，基础条件差，

没有完善的交通网络，也没有专用的运输装备，果品和农资运输以人工为主，极大地制约了丘陵地区农业经济的发展。本文开发的适用于丘陵山区的运输机械，由5大功能部件组成，采用直流电机驱动、防侧倒设计、无线遥控操作，解决运输作业安全性和人工成本高的问题，增加丘陵山地产业附加值和经济效益，促进农业增效、农民增收。

关键词：单轨道，电动式，运输车，结构设计，丘陵

1丘陵山地运输设施现状

丘陵山地是柑橘、茶叶等经济作物的主产区，由于传统的运输机械如轮式运输车、履带式运输车[1]等不能适应复杂且崎岖不平地形，无法平稳、安全地实现果品和农资运输，所以目前运输作业还是以人工为主，劳动强度大、效率低、安全风险大、果品易损伤。常规的道路交通建设费用高，占地面积大，容易破坏丘陵山地的生态和水土结构，不适宜大面积推广。因此，果园运输机械的匮乏极大地制约着丘陵山地产业经济发展。

针对这一问题，国内外不同学者开发了多种适合丘陵山地的运输机械，主要包括架空索道运输系统、单轨道运输车、双轨道运输车等。其中，单轨道交通运输车[2]是轨道为一条带状的梁体，车辆在一根钢轨上行驶的运输方式，采用轨道离地设计，占地面积小，不破坏山地生态，造价相对低，载重量一般不超过500kg。华南农业大学开发的

7YGQX-5.5型钢索牵引悬挂式货运系统，以三相电为电源，通过卷扬机拉动钢丝绳来驱动运输系统，载重量大，实际生产率达到1.7t/h[3]；华中农业大学研制开发的7YGS-35型自走式单轨道运输机，以柴油机为动力，用于坡度小于35°的山地；对于坡度大于35°的山地，开发了电牵引式单轨道运输机和7YGS45型自走式双轨道运输机[4]。

丘陵山地的电力设施普遍不完善，需要建设专门的配电房，对于小面积的果园不适用。自走式轨道运输机，以柴油机为动力，噪声较大，也存在尾气污染问题。针对以上不足，本文研发的机械化运输系统，采用高能量锂电池为电源，以直流无刷电机为驱动力，成为现有汽、柴油运输机的一种补充机型。

2结构设计

本文所研发的运输系统采用单轨道运输方式，轨道为一条带状的梁体，运输装置在一根钢梁上。

基金项目：浙江省公益技术研究农业类重点项目（2015C32064）：丘陵山区可拆卸单轨式果蔬运输机关键技术研发

与应用

作者简介：施新杭（1987—)，男，助理工程师，主要从事农业机械装备及农机检验检测技术研究。

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Design驭Manufacture<设计制造

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1.动力系统；2.驱动系统；3.辅助制动系统；4.拖车系统；5.轨道系统

图1电动式单轨道运输机结构示意图

整机采用跨座式结构，车头和拖车均架设于轨道梁的上方，以蓄电池为动力，为无污染、噪声小的电动式单轨道运输车。2.1

整机结构

电动式单轨道运输车主要包括以下几个系统：无线/面板控制系统、动力系统、驱动系统、拖车系统、制动系统、底盘系统和轨道系统。控制系统实现直流电机启/停控制，调速控制；动力系统包括锂电池和直流无刷电机；驱动系统包括链条和驱动轮；拖车系统包括运输车厢，如图1所示。2.2

动力计算

运输车在行驶过程中，主要包括以下几种路况：上坡、下坡、平地、水平左右转向。上坡过程阻力最大，决定所需配备的最大牵引动力，以此为依据计算电机功率，因此，重点进行上坡工况的受力分析，运输车的设计参数如下表所示。

表1上坡过程基本参数

运输总质量平均速度坡度角滚动摩擦驱动轮直径

/kg/m·s-1/(°)系数/mm

500

0.66

35

0.17

120

进行动力计算：在上坡过程中，摩擦力f=滋FN，所需牵引力F=Gsin兹+f=Gsin兹+G滋cos兹=3564（N），所需功率Pw=FV/1000=2.35（kW），阻力扭矩T=FR=224N·m。综合考虑传动效率和功率余量，取安全系数为1.5，得P=1.5Pw=3.525kW，所以，选取电机额定功率Ped=3.5kW。

动力电池是为交通运输工具提供动力的电池。在同等功率下，若选择较高电压，则放电电流小，电池寿命会更长；相反，小电压大电流则线损、铜损大，电机体积更大。不过，高电压对线路要求更高，控制器成本相应会增加。经综合考虑，选取电池电压12V，采用6块单组12V锂电池进行串联，总电池容量达到50Ah，运行时间约0.96h；选择72V/3.5kW永磁无刷直流电机带霍尔传感器，额定转速3000r/min，采用B35型带底座安装方式，传动端端盖凸缘接行星减速器，速比30，通过控制器实现前进/倒退档和变速控制，限流值120A。2.3

驱动与选型

本运输车采用跨座式结构，电机设置在底盘之上，驱动轮设置在轨道下方，电机输出轴与驱动轮轴之间中心距较大。如选用齿轮传动，则需要多级或大齿轮传动，势必额外增加车体质量，而且本方案主要通过行星减速机实现变速，采用链条传动也可以保证平均速比稳定。

驱动方式采用直齿条-销轮传动，是一种特殊

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表1中，机械设计手册中冷钢在辊道上的摩擦系数为0.15～0.18，并参考论文[5]中运输小车的滚动摩擦系数，选取滋=0.17。在行驶过程中，主要受重力、牵引力和摩擦力作用。

设计制造>Design驭Manufacture

形式的齿轮传动，无跟切现象，不受最少齿数限制。如下图所示，具有圆柱销的大轮为销轮，直齿条齿型具有外摆线的齿廓，圆销相比于齿轮，结构更简单，加工成本低。

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1.轨道直齿条；2.销轮

图2

销轮和直齿条配合结构

2.4

辅助制动装置

现有的轨道运输车制动方式主要有常开式液压

制动器、电磁制动器、手动制动方式等。在果品和物资运输使用过程中，一般为一个停车点辐射一定面积的果园，来实现运输物品上下车操作，往往不需要设计任意位置的即时停止功能。因此，设计采用橡胶轮，振动小、噪声低，制动更加平稳。可调节摩擦块的高低，来调整刹车过程中橡胶轮对轨道的摩擦力大小，并可以设置多个摩擦块来实现制动效果。2.5

结构平衡性和稳定性

整机为单轨道设计，对整机平衡性以及防侧翻提出一定要求。基本点在于控制左右方向和高度方向重心。在支撑面一定的情况下，重心越高，平稳性越差，因此，应尽量降低整机重心，以利于提高设备运行过程的稳定性，为此，要减小底盘承重轮和拖车承重轮直径尺寸；而在左右方向重心上，应以重心落在轨道上为设计原则，以有利于减小偏心造成的扭力，提高动力的利用率，有效增加单次运行里程。在几大组成部件中，拖车的结构为左右对

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称，重心对称好，所以主要调节蓄电池、电机和底盘之间的布局即可。滚轮均采用夹持结构设计，确保小车沿单轨道行驶，不偏离。

3结论

本研究设计了一种新型的电动式单轨道运输机，根据设计模型已完成样机装配，静态平衡性

较好，并完成了电机正、反转，传动系统和制动功能测试。由于电动式运输机要依赖锂电池，尽管目前锂电池的质量比能量达到了传统铅酸电池的2倍，但大容量锂电池质量依然偏大，例如50Ah容量的电池质量达到40kg，这在很大程度上限制了电动式运输车推广应用。随着未来电池技术的发展，容量更高、质量更小的电池将极大改善目前运行里程和爬坡能力的限制，电动式轨道运输机将成为未来丘陵山地主要的运输系统。下一步我们将搭建100m运输轨道，设计不同坡度、转弯半径下的运输机。参考文献

[1]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，2015（23）：33.

[2]刘滨凡，王立海.单轨车的发展及在我国林业中

的应用[J].森林工程，2008，24（1）：25-27.[3]杨洲，李雪平，李君，等.果园钢索牵引悬挂式

货运系统关键部件设计[J].农业工程学报，2014，30（7）：18-24.

[4]龚志远，李轶凡，刘燕得，等.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）：202-206.

[5]汤晓磊.7YGD-45型单轨果园运输机的设计[D].

武汉：华中科技大学，2012.