黃家偉柴瑞謙羅光欽盧 龍

(1.防城港市防城區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣服務(wù)中心，廣西 防城港 538000；2.燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 0660042；3.廣西合浦縣惠來(lái)寶機(jī)械制造有限公司，廣西 合浦 536100)

新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的設(shè)計(jì)及研發(fā)

黃家偉1柴瑞謙2羅光欽3盧 龍3

(1.防城港市防城區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣服務(wù)中心，廣西 防城港 538000；2.燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 0660042；3.廣西合浦縣惠來(lái)寶機(jī)械制造有限公司，廣西 合浦 536100)

針對(duì)“推進(jìn)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化”這一重要舉措，文章提出一種新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，該車(chē)為一款用于收集甘蔗的運(yùn)輸車(chē)輛。文章首先對(duì)區(qū)內(nèi)外同類(lèi)車(chē)型進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比研究。在此基礎(chǔ)上，完成整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要技術(shù)參數(shù)、側(cè)翻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及牽引用車(chē)選型等工作，隨后分析其整車(chē)穩(wěn)定性，最后進(jìn)行了樣機(jī)試制及試車(chē)試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提出了展望。

甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)；整車(chē)設(shè)計(jì)；樣機(jī)試制

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，廣西已成為全國(guó)最大的原料蔗種植和蔗糖生產(chǎn)省份，糖料蔗種植面積、原料蔗和食糖產(chǎn)量均超全國(guó)總量的 60%。但是廣西平地少、山地多，零散農(nóng)戶(hù)種植零散，在生產(chǎn)、收獲、運(yùn)輸?shù)确矫娑茧y以發(fā)揮規(guī)模效益，這些都制約了廣西糖業(yè)的發(fā)展。為此，廣西壯族自治區(qū)人民政府出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)我區(qū)糖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的意見(jiàn)》，其中建設(shè)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化示范區(qū)，是廣西農(nóng)機(jī)部門(mén)突破甘蔗機(jī)收、機(jī)種“瓶頸”，推進(jìn)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化的一項(xiàng)重要舉措。

針對(duì)這一舉措，本文提出了一種新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成了整車(chē)結(jié)構(gòu)和側(cè)翻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整車(chē)穩(wěn)定性分析，并制造出了樣車(chē)，通過(guò)試車(chē)試驗(yàn)改進(jìn)了原有方案。

1 區(qū)內(nèi)外同類(lèi)車(chē)型對(duì)比

在設(shè)計(jì)之初，首先對(duì)區(qū)內(nèi)外幾種同類(lèi)車(chē)型進(jìn)行了調(diào)研和對(duì)比研究。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)其中部分車(chē)型重心靠前，穩(wěn)定性較差，多數(shù)車(chē)輛采用兩組液壓缸，成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且，這些轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)只適合田間甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)，只能在甘蔗收獲季節(jié)使用，使用率較低。與上述車(chē)型相比，本文提出的新型拖拽式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用全掛牽引形式，可以適應(yīng)多種牽引車(chē)型，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。（2）輪胎為工程平面胎，對(duì)甘蔗宿根破壞較小。（3）設(shè)計(jì)的輪距和甘蔗種植行距相匹配，減少對(duì)宿根的破壞。（4）采用兩個(gè)液壓缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、安全可靠、轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高。

2 整車(chē)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)要求

（1）配套拖拉機(jī)功率100hp

（2）外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高約為 7000mm×2200mm× 3600mm

（3）轉(zhuǎn)彎半徑≤12m

（4）滿(mǎn)載質(zhì)量3000kg

（5）舉升高度≥4000mm

（6）物料卸凈率達(dá)100%

（7）輪距適應(yīng)甘蔗種植農(nóng)藝要求

2.2整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)屬于拖拽式的運(yùn)輸車(chē)，其由牽引車(chē)和掛車(chē)兩部分組成，牽引車(chē)和掛車(chē)之間通過(guò)牽引銷(xiāo)進(jìn)行鏈接，牽引車(chē)的輸出動(dòng)力通過(guò)牽引銷(xiāo)傳遞到掛車(chē)，從而帶動(dòng)掛車(chē)行駛。由于該轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)屬于全掛車(chē)，因此可以通過(guò)更換牽引用車(chē)實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。本轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由兩道200×100的工字型縱梁和三道橫梁焊接而成，車(chē)橋從工字梁中間腹板位置穿過(guò)，這樣可以有效降低底盤(pán)的離地間隙。該轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)車(chē)廂高度為 2米，一側(cè)為鋼板，另外 3面由鋼絲網(wǎng)圍繞焊接而成，其目的是為了減輕車(chē)身重量，同時(shí)便于清晰的觀察甘蔗實(shí)際裝載量。整車(chē)效果如圖1所示。

圖1　整車(chē)效果

2.3整車(chē)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）整車(chē)外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高約為8000mm×2210mm ×2632mm；

（2）車(chē)廂尺寸：長(zhǎng)×寬×高約為 5200mm×2210mm× 2632mm；

（3）牽引形式：掛車(chē)（拖拽式）；

（4）重量：掛車(chē)重量為2690Kg，額定載重量為4000Kg；

（5）輪距：1680mm；

（6）輪胎型號(hào)：17.5-25工程平面胎，胎面寬445mm。

3 主要部件設(shè)計(jì)及選型

3.1側(cè)翻機(jī)構(gòu)

本轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的側(cè)翻機(jī)構(gòu)由液壓操縱系統(tǒng)和舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩部分組成，通過(guò)控制液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)廂的舉升和翻轉(zhuǎn)，側(cè)翻機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2　側(cè)翻機(jī)構(gòu)

液壓操縱系統(tǒng)主要由液壓油箱、液壓缸、液壓泵、液壓管路以及手動(dòng)換向閥組成，通過(guò)液壓泵的作用，將液壓油輸送到各液壓缸中，以實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮動(dòng)作。該轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)采用兩個(gè)相同的液壓油缸，其型號(hào)為HSG100-70-2000×2400，并將兩個(gè)液壓缸分別斜置安裝在車(chē)廂前后兩側(cè)，通過(guò)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)車(chē)廂的舉升和翻轉(zhuǎn)。

該轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由垂直支撐架、縱向支撐架、導(dǎo)軌、導(dǎo)向桿和油缸安裝底座組成。導(dǎo)軌與垂直支撐架通過(guò)焊接成為一體，并與車(chē)架相連?？v向支撐位于車(chē)箱翻轉(zhuǎn)一側(cè)，通過(guò)螺栓與垂直支撐架連在一起，起到了很好的支撐和加強(qiáng)作用。導(dǎo)向桿與導(dǎo)軌共同組成了轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)向桿上升到導(dǎo)軌限位點(diǎn)時(shí)車(chē)廂開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，從而完成整個(gè)舉升翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，整個(gè)舉升翻轉(zhuǎn)過(guò)程用時(shí)約為1分15秒。

3.2液壓缸的選型

應(yīng)用相關(guān)軟件對(duì)車(chē)廂的舉升和翻轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行分析，液壓缸的受力情況如圖3所示。

圖3　液壓缸受力分析

從圖 3中可以看出，液壓缸的受力可以分為三個(gè)階段。第一階段是車(chē)廂均勻上升階段，油缸受力比較均勻，約為57010N，第二階段是翻轉(zhuǎn)點(diǎn)至車(chē)廂稍微翻轉(zhuǎn)的短暫過(guò)程，約為 237800N，由于翻轉(zhuǎn)時(shí)油缸會(huì)受到?jīng)_擊，所以經(jīng)實(shí)際計(jì)算，可知油缸受力為 184370N，第三階段是甘蔗傾卸過(guò)程，在此過(guò)程中，液壓缸推力逐漸減小直到翻轉(zhuǎn)完成。

根據(jù)常用油缸情況，選取液壓缸的額定壓力P=16MPa，已知液壓缸的最大受力F=184370N，根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出液壓缸內(nèi)徑

經(jīng)計(jì)算可得：D=85.67mm，因此，可選液壓缸內(nèi)徑D=100mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用行程為2000mm的液壓缸，所選液壓缸的主要參數(shù)如表1所示。

表1　液壓缸的主要參數(shù)

3.3牽引車(chē)選型

轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在甘蔗地作業(yè)時(shí)，不計(jì)道路坡度，干燥地面附著系數(shù)f=0.2，泥濘地面附著系數(shù)f′=0.15。已知滿(mǎn)載時(shí)掛車(chē)和貨物總質(zhì)量為6960kg，所以拖動(dòng)掛車(chē)所需最大牽引力為：

根據(jù)式（2）計(jì)算可得，F(xiàn)=13.46KN。已知沃得奧龍 604拖拉機(jī)標(biāo)定牽引力為15KN，輸出軸功率為37.5KW，網(wǎng)報(bào)價(jià)格5.8萬(wàn)元，其不僅滿(mǎn)足牽引力要求，而且價(jià)格適中，所以該轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)選用沃得奧龍604拖拉機(jī)作為牽引用車(chē)。

4 整車(chē)穩(wěn)定性分析

由于本轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)采用側(cè)翻的形式，翻轉(zhuǎn)高度為4100mm，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，整車(chē)重心位置會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)，當(dāng)重心橫向移動(dòng)量較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整車(chē)側(cè)翻，因此需要對(duì)整車(chē)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以確保轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的工作安全可靠。

應(yīng)用三維軟件建立甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的三維模型，對(duì)各零部件賦予材料屬性，以?huà)燔?chē)兩車(chē)輪中心對(duì)稱(chēng)點(diǎn)為參考坐標(biāo)原點(diǎn)，分別對(duì)整車(chē)滿(mǎn)載未舉升、舉升到導(dǎo)軌終點(diǎn)、開(kāi)始傾卸、完全翻轉(zhuǎn)四種狀態(tài)的重心位置進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1整車(chē)滿(mǎn)載未舉升時(shí)

整車(chē)在滿(mǎn)載未舉升時(shí)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1132.12，-2.44，719.09），即整車(chē)重心橫向偏移量?jī)H為2.44mm，由于轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輪距為1680mm，所以重心的橫向偏移量可以忽略不計(jì)，即車(chē)輛重心位于兩側(cè)車(chē)輪的中間位置，掛車(chē)兩側(cè)車(chē)輪載荷基本相同，車(chē)輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4(a)所示。

4.2舉升到導(dǎo)軌終點(diǎn)時(shí)

當(dāng)車(chē)輛滿(mǎn)載沿導(dǎo)軌上升至導(dǎo)軌終點(diǎn)時(shí)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1132.12，-196.20，1339.46），整車(chē)重心向車(chē)廂翻轉(zhuǎn)一次偏移，其橫向偏移量為196.20mm，如圖4(b)所示。

4.3開(kāi)始傾卸狀態(tài)

將車(chē)廂斜板翻轉(zhuǎn)到水平時(shí)定義為開(kāi)始傾卸狀態(tài)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1232.54，-174.82，2116.85），整車(chē)重心向車(chē)廂翻轉(zhuǎn)一側(cè)偏移，其橫向偏移量為174.82mm，如圖4(c)所示。

4.4完全翻轉(zhuǎn)時(shí)

整車(chē)滿(mǎn)載舉升到完全翻轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得重心坐標(biāo)為（-1998.39，-145.74，1125.04）。整車(chē)重心橫向偏移為145.74mm，如圖4(d)所示。

圖4　整車(chē)重心偏移量

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)滿(mǎn)載時(shí)，從車(chē)廂開(kāi)始舉升到完全翻轉(zhuǎn)，相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)，整車(chē)重心經(jīng)歷了外移——內(nèi)移的變化過(guò)程。與之相反，當(dāng)甘蔗傾卸完成，車(chē)廂復(fù)位時(shí)，整車(chē)重心會(huì)隨之回到初始位置。雖然整車(chē)重心發(fā)生了橫向偏移，但是與輪距相比，該偏移量相對(duì)較小，所以轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)穩(wěn)定性能良好，在傾斜甘蔗過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻危險(xiǎn)。

5 試制與試驗(yàn)

5.1樣機(jī)試制

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)外同類(lèi)車(chē)型的調(diào)研和對(duì)比研究，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，首先確定了本轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的設(shè)計(jì)方案，然后建立了三維設(shè)計(jì)模型，并運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)其各方面性能進(jìn)行了分析研究，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)零部件的加工和選型，最終制造出了第一批試驗(yàn)樣機(jī)（1臺(tái)）如圖5所示。

圖5　第一批試制樣機(jī)

5.2試車(chē)試驗(yàn)

在第一批樣車(chē)試制完成以后，對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá) 200小時(shí)的試車(chē)試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖6所示。

圖6　轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)試驗(yàn)圖

通過(guò)試車(chē)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該樣機(jī)還存在許多問(wèn)題，如導(dǎo)軌與導(dǎo)向桿摩擦阻力較大，上升翻轉(zhuǎn)過(guò)程速度較慢且不夠平穩(wěn)，兩側(cè)油缸進(jìn)油時(shí)間不同步，油缸伸縮長(zhǎng)度不同，車(chē)廂兩側(cè)上升高度有一定差距等。

針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，通過(guò)在導(dǎo)軌外側(cè)增加滾輪，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦。另外，在車(chē)架底部布置三根油管使液壓油先從油箱到車(chē)廂中間位置，然后再分流到兩個(gè)油缸，從而避免了兩側(cè)油缸的進(jìn)油時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)了油缸的同步伸縮以及車(chē)廂的同步上升和翻轉(zhuǎn)，提高了車(chē)輛的安全可靠性能。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)，重新生產(chǎn)試制 2臺(tái)樣車(chē)，并交付廣西崇左市扶綏金光農(nóng)場(chǎng)。經(jīng)試用，第二批甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)得到了用戶(hù)的一致好評(píng)，如圖7所示。

圖7　第二批樣機(jī)

6 結(jié)論

目前，本轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)共有13臺(tái)，其中第一批1臺(tái)，第二批2臺(tái)，第三批10臺(tái)，且前兩批已交付用戶(hù)使用。與同類(lèi)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械相比，其具有裝載量大、轉(zhuǎn)彎半徑小、輕巧靈活、安全可靠、轉(zhuǎn)運(yùn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。雖然如此，但還需要進(jìn)一步改進(jìn)，其中部分結(jié)構(gòu)需要加固和輕量化設(shè)計(jì)，在降低成本的同時(shí)提高轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)的安全性能。另外，關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)工藝需要改進(jìn)，以提高產(chǎn)品批量化生產(chǎn)效率。

總之，該轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)不僅填補(bǔ)了甘蔗收集轉(zhuǎn)運(yùn)專(zhuān)用機(jī)械領(lǐng)域的空白，滿(mǎn)足了甘蔗全程機(jī)械化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需要，而且對(duì)加快我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的前進(jìn)步伐，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)發(fā)展具有重大意義。

[1] 鄧沖其.半掛側(cè)翻式甘蔗運(yùn)輸車(chē)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng),2011,18(9):50-51.

[2] 羅國(guó)剛.新型全掛側(cè)翻式自卸車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].專(zhuān)用汽車(chē),2009,(2):62-63.

Design and development of a new type of drag-and-drop sugarcane transport vehicle

According to the important step of promoting the sugarcane fully mechanized production, a new type of drag-and-drop sugarcane transport vehicle is proposed in this paper. This vehicle is used for sugarcane collection. At first , on the basis of the research and comparative study of some domestic similar vehicles, the vehicle structure design, main technical parameters, rolling over mechanism design and traction vehicle type selection is completed. And then, the vehicle stability is analyzed. Finally, prototype and trial test has conducted, and further optimization and improvement is put forward in this paper.

Sugarcane transport vehicle; vehicle structure design; prototype test

S37

A

1008-1151(2015)07-0047-03

2015-06-09

“50萬(wàn)畝甘蔗基地全程機(jī)械化裝備研發(fā)-小型甘蔗收集轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)的研制”（桂科攻1433001-7）。

黃家偉（1960－），男，廣西防城港人，防城港市防城區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣服務(wù)中心工程師。