山地果园蓄电池驱动单轨运输机传动系统设计

刘 岳，李 震,，洪添胜，吕石磊，宋淑然，黄双萍



山地果园蓄电池驱动单轨运输机传动系统设计

刘 岳1,3,4,5，李 震1,3,4,5,※，洪添胜2,3,4,5，吕石磊1,3,4,5，宋淑然1,3,4,5，黄双萍1,4,5

（1. 华南农业大学电子工程学院，广州 510642；2. 华南农业大学工程学院，广州 510642； 3. 国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642；4. 广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642；5. 广州市农情信息获取与应用重点实验室，广州 510642）

为解决将传统的蜗轮蜗杆传动机构应用于山地果园蓄电池驱动单轨运输机所带来的机械效率低的问题，该文设计了一种基于蜗轮蜗杆的双路传动链传动系统，该系统采用电动机为动力源，通过蜗轮蜗杆传动链和链条传动链两路并联传动链传递动力；两路传动链之间相互独立，根据运输机的运动状态，运用STM32内嵌控制程序对电磁离合器状态进行切换。文中分析了该系统的传动原理、关键零部件设计及机械传动效率，设计输出转速为44～131.18 r/min。采用尤奈特MY1020ZXF-75048 V电机作为动力源，4个12V40AH天能蓄电池串联作为能源，由NMRV040减速器（海格尔控股有限公司）、超越离合器与各型链轮组成双路并联传动链，并运用功率流分析法得出该系统平地与上坡运行状态下输出扭矩为44.352 N·m、输出转速为86.318 r/min、输出功率为609.31 W；下坡与反向运行状态下输出扭矩为105.760 N×m、输出转速为28.953 r/min，输出功率为487.342 W。结果表明，该系统结合了链传动的高效性与蜗轮蜗杆传动的自锁优势，在平地与上坡运行中理论机械效率为81.2%，下坡与反向运行中理论机械效率为60.5%。该研究可为山地果园蓄电池驱动单轨运输机提升机械效率提供参考。

农业机械；果园；运输；山地区域；单轨运输机；传动系统；机械效率；设计

0 引 言

中国柑橘等南方水果作物大多种植于山地丘陵，立地条件差，难以形成较完善的交通运输网，导致常规运输车难以在该环境下推广使用[1-6]。近年来，为解决这一问题，加快推进山地果园机械化进程，国家柑橘产业技术体系机械研究室研制了山地果园链式循环货运索道[7]、山地果园双轨运输机[8]、山地果园单轨运输机[9-10]、山地果园无轨运输机[11-12]等山地果园运输机械。其中山地果园单轨运输机因其结构简单、经济性好、铺设轨道灵活且对果园地形破坏最小、具有良好的延展性，不受地形因素影响，且转弯半径小等特点，在山地果园机械化运输中的应用较为广泛[13-14]。

现有的自走式山地果园单轨运输机多采用齿轮齿条驱动[15-16]，根据动力源不同可以分为以电动机为动力的山地果园单轨运输机和以内燃机为动力的单轨运输机2种[17]。为了控制单轨运输机下行速度，提升运输机的安全性，电动单轨运输机传动系统多采用单一的蜗轮蜗杆传动控速，或利用行车制动实现下坡控速[18]。对于采用行车制动实现下坡控速的单轨运输机，虽然能够实现速度可控，但是制动片易损耗，且频繁的制动会使制动片产生热衰退从而使行车制动削弱。对于只采用蜗轮蜗杆传动的单轨运输机，可以实现下坡严格控速，并且较行车制动具有良好的耐久性，但单轨运输机在平地与上坡运行时其机械效率相对较低。

该文针对齿轮齿条驱动且驱动轮在单轨道下方的单轨运输机，设计了一种基于蜗轮蜗杆传动的双路传动链的传动系统，并研制了该传动系统试验台进行试验。该传动系统运用了STM32内置程序，控制两个电磁离合器状态，实现不同运行状态下的动力切换，解决了电动机输出功率转换效率低和单轨运输机下坡控速问题。

1 总体结构与工作原理

该传动系统由直流电动机、蜗轮蜗杆减速器、电磁离合器、超越离合器以及链传动机构构成。利用超越离合器具有随主、从动部件的速度变化或旋转方向的变化，而自行离合的特性；并通过控制两个并联传动链上的电磁离合器工作状态，实现切换系统运行状态。总体结构与系统原理如图1所示。

1. 电动机 2.联轴器 3. 蜗轮蜗杆减速器 5. 电磁离合器6、7、9、10、13、14、15. 链轮 4、8. 锥齿轮 12. 内嵌超越离合器的链轮16. 单轨运输机驱动轮

1. Electromotor 2. Coupler 3. Worm type of reduction gearing 5. Electromagnetic clutch 6,7,9,10,13,14,15. Chain wheel 4,8. Bevel gear 12. Sprocket embedded overrunning clutch 16. Monorail transport drive wheel

注：0~5为传动比。Note:0-5are transmission ratios.

图1 总体结构与传动原理图

Fig.1 General structure and transmission schematic

此传动方案有3种运行状态：1）平地和正向上坡运行状态；2）下坡运行状态3）反向运行状态。在平地和上坡运行状态时，由STM32内嵌控制程序控制电磁离合器5为结合状态，电磁离合器11为分离状态。电动机1通过联轴器2将动力传输给自锁式蜗轮蜗杆减速器3与电磁离合器5，然后电磁离合器5将动力传输给链轮6。通过链传动将动力传输锥齿轮4和锥齿轮8组成的锥齿轮组，经由链传动将动力传递到单轨运输机驱动轮16。在上坡过程中停车时，驱动轮16受到自身质量与载质量所产生的扭矩，通过链轮15传递给链轮12，其内嵌的超越离合器受到反向旋转的趋势，超越离合器自行结合，链轮12与自锁式蜗轮蜗杆减速器输出轴结合，蜗轮蜗杆减速器输出轴受扭矩减速器自锁，从而传动系统处于自锁状态，实现单轨运输机斜坡上行过程中的安全停车；此后上坡起步直接启动电机，超越离合器正向旋转自行分离，自锁式蜗轮蜗杆减速器与链轮12分离，传动系统解锁，单轨运输机不会出现起步溜车现象。

在下坡运行状态时，为控制下坡速度，采用自锁式蜗轮蜗杆传动可以实现速度的严格控制。由STM32内嵌控制程序控制电磁离合器5为分离状态，电磁离合器11为结合状态。电动机1通过联轴器2将动力传输给自锁式蜗轮蜗杆减速器3，通过蜗轮蜗杆减速器3传输给电磁离合器11，然后利用电磁离合器11将动力传输给链轮10，通过链传动将动力传递到单轨运输机驱动轮16。

在反向运行状态时，电动机1反转，STM32内嵌控制程序控制电磁离合器11结合，电磁离合器5分离；动力经由减速器3、电磁离合器11、链轮10、链轮14组成的传动链传递给单轨运输机驱动轮16。由于自锁式蜗轮蜗杆减速器3介入传动链，该运行状态下可以保证斜坡上安全停车。

综上所述，使用该传动系统可以实现单轨运输机正向运行与反向运行，以及斜坡停车与上坡起步，并且通过控制电机转速、转向和电磁离合器实现单轨运输车的正向运行与反向运行的速度严格控制。

2 系统关键部件设计

通常机构的传动比是根据电机可达到的转速和负载所需的速度来确定的[19]。该传动系统通过自锁式蜗轮蜗杆减速器3将动力分为两路，图1中的部件5、6、7、8、4、9、13构成链条传动链，传动方向为1-2-3-5-6- 7-8-4-9-13-16，部件10、11、14构成蜗轮蜗杆传动链，传动方向为1-2-3-11-10-14-16，部件12、15构成上行防溜车机构。为使两路传动链单独工作而互不干涉，必须对两路传动链的传动比及超越离合器进行分析设计。通过STM32内嵌控制程序控制电磁离合器实现两路传动链的切换。

本文使用的超越离合器为棘轮机构超越离合器，其内嵌超越离合器的链轮12结构如图2所示，其内轴与蜗轮蜗杆减速器输出轴连接，外齿通过链条与链轮15组成链传动。假设本系统各主要参数为：电机转速为，蜗轮蜗杆减速器传动比为0，链轮6与7的传动比为1，锥齿轮组的传动比为2，链轮9与13的传动比为3，链轮10与14的传动比为4，特殊链轮12与链轮15的传动比为5，如图1所示。

图2 内嵌超越离合器的链轮12

2.1 各级传动比分析与设计

单轨运输机平地与正向上坡运行时，如图1所示，动力通过链条传动链传递给单轨运输机驱动轮16与链轮15，链轮15经由链传动带动特殊链轮12外齿。要使特殊链轮12内嵌超越离合器处于超越状态，则必须要使链轮12的外齿转速不低于内轴的转速，即

单轨运输机下坡时，如图1所示，动力通过蜗轮蜗杆传动链传递给单轨运输机驱动轮16与链轮15，链轮15经由链传动带动链轮12。要使特殊链轮12内部超越离合器处于超越状态，则必须要使链轮12的外齿转速不低于内轴的转速，此时

单轨运输机反向运行时，电动机反转，动力通过蜗轮蜗杆传动链传递给单轨运输机驱动轮16与链轮15，链轮15经由链传动带动链轮12。只有当内嵌超越离合器处于超越状态时，蜗轮蜗杆才不会受到额外的扭矩，则必须要使链轮12的外齿转速不高于内轴的转速，此时

2.2 传动零件选型

为便于单轨运输机在山地果园的运输与安装，根据实际应用要求，单轨运输机自身质量小于100 kg，最大承载质量为200 kg。山地果园一般建在坡度25°以下的坡面上，故单轨运输机轨道设计斜坡最大倾角为30°；考虑山地果园地形较为复杂，且保证果品减少损坏，不宜高速运输，单轨运输机运行速度一般设计为0.3～1.2 m/s，且下坡速度最大不超过0.5 m/s；由于单轨运输机在上坡时需要克服重力与摩擦力所产生的阻力，此时负载功率最大，故仅需要对单轨运输机斜坡满载运行进行力学分析，如图3所示。

注：G1为单轨运输机自身重力，N；G2为单轨运输机最大负载产生的重力，N；F1为单轨运输机克服阻力所需的牵引力，N；f1为单轨运输机与轨道之间的摩擦力，N；f2单轨运输机与轨道之间的摩擦力，N；q为轨道最大倾斜度，30°。

运输机运行速度与单轨运输机驱动轮转速关系 如下

将设计速度0.3～1.2 m/s代入式（11）计算可得，单轨运输机驱动轮转速范围为35.83～143.31 r/min。

表1 传动零件的参数及其传动链的传动比分配

根据实际传动比得出单轨运输机驱动轮实际转速范围为44.00～131.18 r/min，与设计要求接近，且下坡最高转速如下

代入数据可得，下坡最高转速为44.00 r/min。将其代入式（11），即下坡最大速度为0.37 m/s，低于0.5 m/s，符合设计要求。

2.3 斜坡停车工况分析

单轨运输机斜坡停车时，自锁式蜗轮蜗杆减速器介入传动链，单轨运输机装载任意不超过最大设计负载的情况下，单轨运输机均处于静止状态，不会出现溜车现象，即蜗轮蜗杆减速器应实现完全自锁。

3 传动系统效率分析

3.1 平地与正向上坡机械效率分析

单轨运输机平地与正向上坡时，蜗轮蜗杆传动链没有介入传动。该状态下蜗轮蜗杆传动链的能耗可以忽略不计，只考虑链条传动链所消耗的功率。假设传动链所有部件均能达到现有的设计与加工条件下的最高传动效率，平地与正向上坡时机械传动总效率为

3.2 下坡与反向运行机械效率分析

3.3 传动系统功率流分析

1）功率流通过由两共轴线构件组成的旋转副时，功率值为0；功率流通过由机架组成的运动副时，功率值为0.

2）链轮副与齿轮副用实线表示，旋转副用虚线表示，功率流方向为实线或虚线箭头所指方向。

根据单轨运输机的运行状态将分为2种情况对传动系统的功率流进行分析。

平地和上坡运行状态时，电磁离合器5处于结合状态，电磁离合器11处于分离状态，传动系统此时传动结构简图及功率流分析图如图4所示。

注：为电动机（输入）,～⑥为构件，下同。

考虑链轮传动、齿轮传动及摩擦所造成的功率损失，则有

下坡与反向运行状态时，电磁离合器5处于分离状态，电磁离合器11处于结合状态，传动系统此时传动结构简图及功率流分析如图5所示。

当传动系统处于平衡状态时，同理可得，构件中转矩和功率如式（17）、式（18）所示。

考虑链轮传动、齿轮传动及轴承摩擦所造成的功率损失，则有

图5 传动结构简图及功率分析

4 系统试验平台及空载与满载试验结果

为验证系统的适用性和可靠性，制作了试验平台。该平台主要由机械结构、速度检测单元和牵引力检测单元组成。速度检测单元由STM32开发板和光电编码器（欧姆龙编码器E682-CWZ6C）组成，用以检测单轨运输机驱动轮转速；牵引力检测单元由拉力计和拉力数显仪组成，用以检测负载牵引力大小，最终转换为作用在单轨运输机驱动轮上扭矩。试验平台如图6所示。

开展试验，测试系统斜坡安全停车。在满载（200 kg）工况下运行系统，待负载离地30 cm后停止10 s，模拟斜坡停车；此后，再次启动系统，模拟斜坡起步，重复5次试验，系统均能实现安全停车与再次启动，没有出现溜车现象。测试系统2个传动链路在空载与满载时的工作效果，进行3次重复性试验，每次试验测量5组驱动轮转速，试验结果如表2所示。

a. 俯视图 a. Top viewb. 侧视图 b. Side view

表2 空载与满载情况下系统输出转速

计算平均转速可得，无载荷时由涡轮蜗杆传动链输出的平均转速为41.04 r/min，由链条传动链输出的平均转速为130.96 r/min；满载下，由蜗轮蜗杆传动链输出的平均转速为39.52 r/min，由链条传动链输出的平均转速为127.59 r/min。与理论转速44.00～131.18 r/min相近，空载时实际速度为理论速度的93.3%～99.8%，满载时实际速度为理论速度的89.8%～97.3%，初步实现了设计目标。

5 结 论

本文根据山地果园电动单轨运输机的应用特点，设计了一种双路传动链的传动系统。并运用功率流分析对该系统的输出扭矩以及输出转速进行分析，得出该系统平地与上坡运行时输出扭矩为44.352 N·m，输出角速度为86.318 r/min，输出功率为609.31 W；该系统下坡与反向运行时输出扭矩为105.760 N·m，输出角速度为28.953 r/min，输出功率为487.342 W。本文所述的传动系统根据不同的运行状态利用电磁离合器控制两路传动链之间的切换，实现单轨运输机平地、上坡、下坡以及反向运行。

系统综合使用了链传动效率高和蜗轮蜗杆传动自锁的优势，实现单轨运输机平地与正向上坡时高效传动，机械传动效率理论上可达81.2%，在满足满载（200kg）的条件下，实际输出速度为理论输出速度的89.8%～97.3%；当斜坡停车时，防溜车机构使单轨运输机实现斜坡安全停车，且再次起步时依旧为高效传动，并且不会出现溜车现象。单轨运输机下坡时，系统可自行切换至蜗轮蜗杆传动链，电动机只需要提供很小的驱动力矩就可以驱动单轨运输机下坡，通过控制电动机转速实现单轨运输机下坡速度严格可控，并且利用蜗轮蜗杆自锁的优势实现斜坡上任意位置的停车，具有较高的安全性。单轨运输机在平地与上坡运行中，双路传动链传动系统比单一的蜗轮蜗杆传动链传动系统机械传动效率有所提高；在下坡与反向运行时，两种传动系统的单轨运输机机械传动效率几乎没有差异。

进一步的研究工作包括对传动系统状态切换时的瞬态冲击进行分析与试验，以及解决两种传动链之间切换不够平缓的问题。

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Design of drive system for battery-drive monorail transporter for mountainous orchard

Liu Yue1,3,4,5, Li Zhen1,3,4,5,※, Hong Tiansheng2,3,4,5, Lv Shilei1,3,4,5, Song Shuran1,3,4,5, Huang Shuangping1,4,5

(1.510642,; 2.510642,; 3.510642,; 4.510642,; 5.510642,)

Citrus and other fruit trees in southern China are mostly on planted mountain hills. And, mountain orchard planting industry is a pillar industry for farmers in the south of China, but the mountain road construction is difficult. It is difficult to form a more perfect transportation network, which makes regular transporter difficult to be used widely in the environment. In recent years, China’s mountain orchard mechanization process is accelerated. And, some of the transport machines, which are used in mountain orchards, were invented by numerous scientific research institutions. The use of these machines greatly increases the efficiency of fruit transport and reduces the labor costs. Among these machines, the mountain orchard monorail transporter machine is widely used in mountain orchards because of its simple structure, good economy, flexible laying track and minimal destruction of orchard terrain, good ductility and no influence from terrain factors. Mountain orchards monorail transporter machines mostly use batteries as energy, and have the maximum load of 200 kg, the operating speed of 0.3-1.2 m/s, and the maximum climbing angle of 30°. And this kind of mountain orchards monorail transporter uses worm gear as the main transmission mechanism. But the worm gear mechanism’s mechanical efficiency is low. To solve downhill speed control problem of battery drive monorail transporter for mountainous orchard, monorail transporter drive system was designed for mountainous orchard. That was based on worm gear and consisted of dual-drive chain. The electric motor was used as a power source in this system, and the power was delivered by two-way parallel and independent transmission chain, in which one was based on worm gear and the other was based on chain transmission. According to the motion state of transporter, the electromagnetic clutch was controlled by using STM32 embedded control program. This paper explained the system’s transmission principle, and important parts designed, and had detailed analysis on mechanical transmission efficiency. And, the output torque, the output power and speed of the system were obtained by using power flow analysis. The experiment was carried out under no-load and full-load condition. The operating speed was measured by STM32 combined with rotary encoder. The load was measured by tension sensor. The results indicate that, in the uphill operation, the output torque of the system is 44.352 N·m, the output angular velocity is 13.738 rad/s, and the output power is 609.31 W. And, in the downhill operation, the output torque of the system is 105.760 N·m, the output angular velocity is 4.608 rad/s, and the output power is 487.342 W. The system combines the advantages of the high efficiency of chain drives and the self-locking performance of worm gear, and has the characteristics of high efficiency, high safety, and controllability. Monorail transporter equipped with this system can run on the ground and uphill efficiently, and park anywhere on the slope and restart, and downhill speed can be controlled. Efficiency calculation result shows that theoretical mechanical efficiency of the system running on the flat and hillside is 81.2%, and the theoretical mechanical efficiency is 60.5% in the process of downhill running and reverse running.

agricultural machinery; orchards; transportation; mountainous region; monorail transporter; drive system; mechanical efficiency; design

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.005

S229+.1

A

1002-6819(2017)-19-0034-07

2017-05-11

2017-09-22

国家现代农业柑橘产业技术体系专项资金（CARS-26）；广东省高等学校优秀青年教师培养计划项目（Yq2013028）；广东省科技计划项目（2016A020210093, 2014A020208112）

刘 岳，湖南岳阳人，主要从事山地果园单轨运输机研究。 Email：liuyue@stu.scau.edu.cn

※通信作者：李 震，广东广州人，教授，博士，主要从事机电一体化技术应用研究。Email：lizhen@scau.edu.cn