王雅慧 化夢康 張帥昌 閆世楊

(河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 450003)

緒論

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)和加工一直都是國民經(jīng)濟的支柱，農(nóng)業(yè)機械化作為促進農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要科技手段也在不斷推進?！秶鴦?wù)院關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》(國發(fā)〔2018〕42號)提出推動農(nóng)業(yè)機械化向全程全面高質(zhì)高效升級，有力推進了農(nóng)業(yè)機械化[1]。我國三大糧食作物耕種管收綜合機械化率自2019年起均已超過80%，適合大規(guī)模機械化作業(yè)的平原地區(qū)農(nóng)機應(yīng)用普遍。與此同時，主要種植在丘陵山地區(qū)域的特色經(jīng)濟作物機械化也得到一定程度的發(fā)展[2]。但在我國國情和歷史條件的制約下，適用于特殊區(qū)域的小型智能化農(nóng)機的研發(fā)和使用尚在推進階段。

我國幅員遼闊，丘陵山地約占全國土地總面積的43%，平原面積僅有12%，丘陵山地地區(qū)主要種植水果及茶葉等經(jīng)濟作物，傳統(tǒng)的人力搬運難以滿足運輸需求，農(nóng)業(yè)機械化推進任務(wù)較重。作為山區(qū)農(nóng)林產(chǎn)品和物資運輸?shù)闹髁Γ鹆晟降剡\輸車的研究和發(fā)展對我國農(nóng)業(yè)機械化的推進起著至關(guān)重要的作用。

1 國外山地農(nóng)林運輸車的發(fā)展現(xiàn)狀

國外丘陵山地運輸車發(fā)展較早，早在19世紀就已經(jīng)開始起步，最早設(shè)計的蒸汽機運輸車以及蒸汽軌道運輸車，主要用于林業(yè)運輸。歷經(jīng)了1個多世紀的發(fā)展，隨著山區(qū)運輸需求的增大以及現(xiàn)代機械工業(yè)的進步，國外山地農(nóng)林運輸車主要以專用農(nóng)林業(yè)運輸車和軌道運輸車為主，其中以歐美和日韓為代表，在技術(shù)及應(yīng)用方面有了較大發(fā)展[3]。

1.1 歐美山地農(nóng)林運輸車發(fā)展

農(nóng)業(yè)種植多以農(nóng)場為主的歐美大部分國家，道路基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃完善，運輸車輛分為農(nóng)場內(nèi)部專用運輸車和外部載重運輸車2種。以美國為例，美國農(nóng)場內(nèi)部專用運輸車以大動力輪式運輸機為主，結(jié)合專用農(nóng)產(chǎn)品作業(yè)機械，實現(xiàn)大農(nóng)場作業(yè)自動化，外部載重運輸車一般為常規(guī)越野卡車、客貨兩用車及大型箱式農(nóng)用貨車，同時匹配完善的公路、鐵路以及航空運輸網(wǎng)絡(luò)，大型農(nóng)產(chǎn)品倉儲運輸企業(yè)還擁有鐵路專線[4]。

歐洲國家的水果生產(chǎn)和消費遠高于其他國家，隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的增大，各國對農(nóng)業(yè)運輸車的需求也將大大增加，專用運輸車應(yīng)用較多，此類車輛多為拖拉機改造，考慮其運轉(zhuǎn)靈活度，坡道作業(yè)能力以及與其他農(nóng)用工具的連接件或掛鉤設(shè)計。山地地形較多的德國、奧地利以及意大利等國由于地形原因，水果種植園多位于山區(qū)，日常運輸及作業(yè)主要采用山地軌道運輸、山地專用運輸車及大型拖拉機，軌道運輸技術(shù)主要來自日韓[5]，專用運輸拖拉機技術(shù)研發(fā)較多。

意大利葡萄種植業(yè)盛行，為滿足多樣化葡萄品種種植的機械化需求，意大利卡塔尼亞大學(xué)研究改良的滿足高腳藤葡萄栽培要求的牽引式跨行工具車，由普通拖拉機牽引，配備了液壓活塞的2個車輪行駛，可調(diào)整工作高度，牽引桿配備的液壓活塞可實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，反向框架便于安裝專用工具，可實現(xiàn)割草、打頂、噴霧、翻土等操作。牽引式多功能跨運車技術(shù)指標如表1所示。圖1為牽引式跨運車修剪葡萄藤的工作情景[6]。為了滿足葡萄園農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的靈活操作，意大利博爾扎諾自由大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究的“Tractor 360°極端條件下使用的新型拖拉機”，能夠在梯田爬過130%的斜坡，并能通過小于1.1m的窄路和小于1.7m的隧道及涵洞，除了能滿足極端工作環(huán)境，還能搭配噴霧器、割草機、秸稈切碎機、自卸車斗等工具，并設(shè)置了駕駛員保護裝置[7]，如圖2所示。

表1 意大利高腳藤葡萄園牽引式多功能跨運車技術(shù)指標

圖1 牽引式跨運車修剪葡萄藤

1.2 日韓山地農(nóng)林運輸車發(fā)展

日韓國家的農(nóng)林業(yè)型式和我國類似，農(nóng)業(yè)運輸以自走式履帶和小型輪式運輸車為主，山地果園及林業(yè)地貌多陡坡、道路彎曲迂回，山地軌道運輸車應(yīng)用較多[8]。單軌式山地運輸車自20世紀60年代起在國外推廣使用至今已較成熟，廣泛應(yīng)用于日、韓、德、意、奧等國的果園、林場、觀光人員運輸、物料運輸、山地管道維保、種子園以及建筑材料運輸?shù)阮I(lǐng)域。

日本在1966年開發(fā)的“MonoRack”單軌運輸車，是世界上第一臺可爬陡坡的山地運輸車，該車通過齒條和車輪的嚙合運行，并進一步改良改進，目前仍為較領(lǐng)先的軌道運輸車，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 日本單軌運輸車“MonoRack”技術(shù)參數(shù)[1]

韓國在1994年研發(fā)的輕型單軌專門用于森林單軌運輸機，具有爬坡能力強，裝卸方便且不損害林地等優(yōu)勢，在全球多個森林公園應(yīng)用，并被我國引進用于森林旅游及森林交通運輸[9]。忠南國立大學(xué)的Dongil Chang等研究調(diào)查了歐洲小型果園農(nóng)業(yè)運輸車的設(shè)計參數(shù)以及使用栽培條件，除了對歐洲果園種植果木類型、行距、間距等的調(diào)研，Dongil Chang等在研究中還充分考慮到果園農(nóng)機果園中行駛導(dǎo)致的土壤壓實、分布情況以及土壤滲透變化，以確定開發(fā)小型果園運輸車的主要尺寸。

2 國內(nèi)丘陵山地運輸車的發(fā)展現(xiàn)狀

我國山地運輸車起步較晚，到20世紀80年代才開始起步，主要是兩輪或三輪摩托和小型皮卡，且主要以平路運輸車為主，少有專用丘陵山地運輸車。目前國內(nèi)農(nóng)林運輸車可分軌道式和單車式2種，應(yīng)用較廣的丘陵山地運輸車多為軌道式。

2.1 軌道山地運輸車的發(fā)展

我國早期軌道式山地運輸車大多從日韓引進，后因價格昂貴開始自行研發(fā)。我國研發(fā)的軌道運輸車按照坡度的陡緩分為牽引式和自走式2類，牽引式多為電機、內(nèi)燃機或混動驅(qū)動，自走式多以內(nèi)燃機為驅(qū)動[10]。軌道式山地運輸車具有線路靈活，占地空間小，不需破壞建設(shè)地植被修路，不破壞原有生態(tài)等優(yōu)勢，在國內(nèi)福建、湖北、湖南等地得到推廣應(yīng)用。為適應(yīng)我國地形地貌及農(nóng)業(yè)特征，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了鏈式循環(huán)貨運索道[11-13]、鋼絲繩牽引式雙軌運輸車[14]、自走式雙軌運輸車[15]，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了遙控單軌運輸車[16,17]以適應(yīng)我國山地果園的機械化運輸。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的貨運索道能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜路面，相比軌道式運輸車體積更大、建造成本略高，安全性要求也更高，牽引式雙軌運輸車具有變軌功能，造價較低，簡易經(jīng)濟，有人和無人駕駛均可，機動靈活。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的遙控單軌運輸車尺寸小，上下坡載重可達300kg和500kg，能夠滿足基本運載要求，軌道建造成本低，可實現(xiàn)循環(huán)運輸，而且能在設(shè)定點自動停車，遠程控制前進倒退，具有一定的智能化，更加便捷。如圖3～5所示。

圖3 鏈式索道運輸車

圖4 牽引式雙軌運輸車

圖5 單軌運輸車

2.2 單車式山地運輸車的發(fā)展

單車式山地運輸車在我國也有所發(fā)展，與軌道山地運輸機車相比，單車式山地運輸車具有更好的機動性，根據(jù)其行走方式可分為輪式山地運輸車和履帶式山地運輸車，如圖6、圖7所示。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的自走式微型履帶運輸車[18,19]、輕型輪式運輸車[20]、東北林業(yè)大學(xué)研制的單履帶手扶運輸設(shè)備[21]等適合山地果林運輸?shù)臋C械裝備，在運送果品和農(nóng)資以及農(nóng)林活動操作方面起到了很大的作用。浙江農(nóng)機研究所設(shè)計的小型雙履帶手扶運輸車采用汽油機為動力，具有載重量大、最大載重640kg、接地比壓小、越障能力強、轉(zhuǎn)向靈活并具備自卸能力等優(yōu)點，得到一定的推廣[22]。仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院設(shè)計的香蕉運輸車采用三輪結(jié)構(gòu)，以直流電機為驅(qū)動，具有過載和限速程序，運行平穩(wěn)但動力不足，充電慢且續(xù)航能力差[23]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究的小型單履帶運輸車結(jié)構(gòu)緊湊，能夠通過較窄的通道，具備較好的爬坡能力并具有防翻輪以避免側(cè)翻，能夠很好地適應(yīng)梯田運輸作業(yè)，具體技術(shù)指標見表3[22]。

圖6 自走式微型履帶運輸車

圖7 輕型輪式運輸車

表3 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)小型單履帶運輸車基本參數(shù)

在丘陵山地地形行駛，輪式山地車有更好的適應(yīng)性，但山地?zé)o路粘性土壤路面較多，輪式山地車由于接地面積小，其地面附著力遠遠小于履帶運輸車[24-28]。履帶運輸車由于整備質(zhì)量較同載荷輪式山地車大，動力要求更高，在高負荷下爬坡越障時易側(cè)翻[29-31]。

3 國內(nèi)丘陵山地運輸車的研究及展望

相比歐美日韓等國家，在農(nóng)業(yè)機械化進程中，我國農(nóng)林作物種植類別更加豐富，除了葡萄、蘋果、桃子等水果外，還有茶樹、橄欖、竹子、中草藥、綠化林苗木、甘蔗等，對丘陵山地運輸車的需求更加多樣化和自動化。無論運輸效率更高的軌道式運輸車，還是靈活機動性更強的單車式運輸車，在我國農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中均有較高需求。韓國忠南國立大學(xué)的Dongil Chang等在對歐洲果園農(nóng)機的調(diào)研中指出，其近期的發(fā)展趨勢是提高用戶操作的舒適度，實現(xiàn)車輛的自動駕駛，包括前進后退及停止等。提高車輛的操縱性能，通過對車輪和機體的控制使車輛適應(yīng)坡面操作，提高爬坡度，設(shè)計更領(lǐng)先，并建立全球統(tǒng)一標準。

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀及調(diào)研分析，本文就以上問題提出關(guān)于我國山地運輸車的發(fā)展的3點看法：技術(shù)更加成熟，匹配更多使用場景，與多種農(nóng)用工具自由結(jié)合，更加智能化；同時滿足生態(tài)和生產(chǎn)需求，減少整備質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化；具備更廣泛的適應(yīng)性及更好的越野性，機動靈活。

3.1 使用場景多樣化

隨著我國人民生活水平的提高，農(nóng)林作物種類日趨豐富，產(chǎn)銷量也得以大幅提高，為了實現(xiàn)更方便更快捷的操作，加快農(nóng)業(yè)機械化進度，農(nóng)林業(yè)對運輸車的自動化程度也提出了更高要求。農(nóng)林產(chǎn)品的多樣化意味著種植者對與各種農(nóng)具結(jié)合的小型山地運輸車需求量在增大，專用特制的山地運輸車也將成為一大方向。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的可噴灑農(nóng)藥的軌道運輸車即得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 整車輕量化

對于自走式山地運輸車，車輛的整車質(zhì)量直接關(guān)系到驅(qū)動動力以及動力因數(shù)的大小，整備質(zhì)量越小，所需驅(qū)動動力越小，載貨量越大，整車質(zhì)量利用系數(shù)越高。牽引式山地運輸車車廂的質(zhì)量也直接關(guān)系到牽引動力的大小。在同一驅(qū)動力條件下，通過降低整備質(zhì)量能夠有效提高山地農(nóng)林運輸車的動力性。由式(1)可以看出，整車質(zhì)量越小，動力因數(shù)越大，另外，流線型封閉的駕駛艙以及較小的迎風(fēng)面積也能提高動力因數(shù)。

3.3 提高越野性及機動靈活性

對于單車式農(nóng)林運輸車，相比輪式車輛，履帶式運輸車具有更好的越障能力，但同時也存在質(zhì)量過大，易造成園內(nèi)土壤壓實等缺點，如何實現(xiàn)2種底盤的綜合，使農(nóng)林運輸車既具備輕量化又具有機動靈活性也是單車運輸車的研究方向之一。山地運輸車越過溝壑與臺階的高度與車輪直徑有直接關(guān)系，如式(1)所示。車輪直徑越大，車輛能越過的溝寬越寬，能跨過的高度也越高，但車輪直徑越大，質(zhì)心位置相對越高易引起行駛過程中抗側(cè)翻能力差，操縱穩(wěn)定性變差，因此，提高單車山地農(nóng)林運輸車的機動性需綜合考慮車輛的車輪型式。

(1)

式中,ld為溝寬;D為車輪直徑；hw為臺階高度。

結(jié)合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模普遍不大的現(xiàn)狀，通常需要能夠靈活穿梭于林地間的活動式運輸車以配備農(nóng)林業(yè)操作，單車式山地運輸車有較好的適應(yīng)性。綜合分析常見的2類單車式山地農(nóng)林運輸車，對比輪式及履帶式運輸車的優(yōu)缺點，在降低車輛整備質(zhì)量的前提下提高車輛的越障以及爬坡性能，河南科技學(xué)院機電學(xué)院正在研究1款新型山地運輸車，該運輸車前輪為可調(diào)節(jié)升降組合輪，后輪為普通輪式，前輪可組合為類履帶輪并具備升降和轉(zhuǎn)向功能，貨箱為可升降式以滿足不同體積貨物裝載，同時匹配多自由度機械手臂實現(xiàn)自動裝卸，手臂末端可實現(xiàn)爪式和吸盤式操作的替換，爪式手臂主要用于與貨箱匹配的專用單體箱裝卸，吸盤式手臂則用于不規(guī)則形態(tài)貨物裝載，實現(xiàn)功能的多樣性以滿足當前山地農(nóng)業(yè)機械化要求，如圖8所示。

圖8 輪組式山地自裝卸運輸車

該運輸車具有可調(diào)節(jié)升降組合輪，可在原有基礎(chǔ)上將離地間隙調(diào)高，調(diào)高范圍可根據(jù)操作環(huán)境在20cm內(nèi)變化，在地面附著力不好的路面可組合為類履帶輪。該運輸車同時具備可升降式貨箱板，匹配專用卡扣式減震貨箱，使貨物在運輸過程中減少震動損失，并安裝多自由度機械手臂實現(xiàn)自動裝卸。該山地農(nóng)林運輸車具備封閉式駕駛室，且為流線型，能有效降低風(fēng)阻系數(shù)CD，具有較好的空氣動力學(xué)性能，能夠在一定范圍內(nèi)降低能源消耗。

4 結(jié)論

本研究旨在通過對國內(nèi)外農(nóng)林山地運輸車發(fā)展及研究現(xiàn)狀分析，了解當前以歐美、日韓為代表的發(fā)達國家在山地運輸車方面的研究進展以及我國目前研究和推廣應(yīng)用的山地農(nóng)林運輸車的主要類型，綜合分析國外研究趨勢以及國內(nèi)農(nóng)林業(yè)需求，提出3點看法：使用場景多樣化，能夠與更多農(nóng)用工具連接匹配使用，更加智能化；減輕整備質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化，降低土壤壓實率，降低能耗；具備更好的機動靈活性，通過性更好，尺寸更緊湊。介紹了河南科技學(xué)院機電學(xué)院研究的輪組式山地自裝卸運輸車，滿足當前農(nóng)林運輸車發(fā)展趨勢，以期為我國山地農(nóng)林運輸車的發(fā)展提供參考。