山地農(nóng)林運(yùn)輸車的現(xiàn)狀分析及研究

王雅慧 化夢(mèng)康 張帥昌 閆世楊

(河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 450003)

緒論

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)和加工一直都是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，農(nóng)業(yè)機(jī)械化作為促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要科技手段也在不斷推進(jìn)?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見》(國(guó)發(fā)〔2018〕42號(hào))提出推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化向全程全面高質(zhì)高效升級(jí)，有力推進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化[1]。我國(guó)三大糧食作物耕種管收綜合機(jī)械化率自2019年起均已超過80%，適合大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)的平原地區(qū)農(nóng)機(jī)應(yīng)用普遍。與此同時(shí)，主要種植在丘陵山地區(qū)域的特色經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化也得到一定程度的發(fā)展[2]。但在我國(guó)國(guó)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(jī)的研發(fā)和使用尚在推進(jìn)階段。

我國(guó)幅員遼闊，丘陵山地約占全國(guó)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(jì)作物，傳統(tǒng)的人力搬運(yùn)難以滿足運(yùn)輸需求，農(nóng)業(yè)機(jī)械化推進(jìn)任務(wù)較重。作為山區(qū)農(nóng)林產(chǎn)品和物資運(yùn)輸?shù)闹髁Γ鹆晟降剡\(yùn)輸車的研究和發(fā)展對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推進(jìn)起著至關(guān)重要的作用。

1 國(guó)外山地農(nóng)林運(yùn)輸車的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外丘陵山地運(yùn)輸車發(fā)展較早，早在19世紀(jì)就已經(jīng)開始起步，最早設(shè)計(jì)的蒸汽機(jī)運(yùn)輸車以及蒸汽軌道運(yùn)輸車，主要用于林業(yè)運(yùn)輸。歷經(jīng)了1個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，隨著山區(qū)運(yùn)輸需求的增大以及現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的進(jìn)步，國(guó)外山地農(nóng)林運(yùn)輸車主要以專用農(nóng)林業(yè)運(yùn)輸車和軌道運(yùn)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(yùn)輸車發(fā)展

農(nóng)業(yè)種植多以農(nóng)場(chǎng)為主的歐美大部分國(guó)家，道路基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃完善，運(yùn)輸車輛分為農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部專用運(yùn)輸車和外部載重運(yùn)輸車2種。以美國(guó)為例，美國(guó)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部專用運(yùn)輸車以大動(dòng)力輪式運(yùn)輸機(jī)為主，結(jié)合專用農(nóng)產(chǎn)品作業(yè)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)大農(nóng)場(chǎng)作業(yè)自動(dòng)化，外部載重運(yùn)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(shí)匹配完善的公路、鐵路以及航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，大型農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)運(yùn)輸企業(yè)還擁有鐵路專線[4]。

歐洲國(guó)家的水果生產(chǎn)和消費(fèi)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的增大，各國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車的需求也將大大增加，專用運(yùn)輸車應(yīng)用較多，此類車輛多為拖拉機(jī)改造，考慮其運(yùn)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(jì)。山地地形較多的德國(guó)、奧地利以及意大利等國(guó)由于地形原因，水果種植園多位于山區(qū)，日常運(yùn)輸及作業(yè)主要采用山地軌道運(yùn)輸、山地專用運(yùn)輸車及大型拖拉機(jī)，軌道運(yùn)輸技術(shù)主要來自日韓[5]，專用運(yùn)輸拖拉機(jī)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(jī)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(jī)牽引，配備了液壓活塞的2個(gè)車輪行駛，可調(diào)整工作高度，牽引桿配備的液壓活塞可實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，反向框架便于安裝專用工具，可實(shí)現(xiàn)割草、打頂、噴霧、翻土等操作。牽引式多功能跨運(yùn)車技術(shù)指標(biāo)如表1所示。圖1為牽引式跨運(yùn)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(jī)”，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(jī)、秸稈切碎機(jī)、自卸車斗等工具，并設(shè)置了駕駛員保護(hù)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(yùn)車技術(shù)指標(biāo)

圖1 牽引式跨運(yùn)車修剪葡萄藤

1.2 日韓山地農(nóng)林運(yùn)輸車發(fā)展

日韓國(guó)家的農(nóng)林業(yè)型式和我國(guó)類似，農(nóng)業(yè)運(yùn)輸以自走式履帶和小型輪式運(yùn)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(yùn)輸車應(yīng)用較多[8]。單軌式山地運(yùn)輸車自20世紀(jì)60年代起在國(guó)外推廣使用至今已較成熟，廣泛應(yīng)用于日、韓、德、意、奧等國(guó)的果園、林場(chǎng)、觀光人員運(yùn)輸、物料運(yùn)輸、山地管道維保、種子園以及建筑材料運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

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

表2 日本單軌運(yùn)輸車“MonoRack”技術(shù)參數(shù)[1]

韓國(guó)在1994年研發(fā)的輕型單軌專門用于森林單軌運(yùn)輸機(jī)，具有爬坡能力強(qiáng)，裝卸方便且不損害林地等優(yōu)勢(shì)，在全球多個(gè)森林公園應(yīng)用，并被我國(guó)引進(jìn)用于森林旅游及森林交通運(yùn)輸[9]。忠南國(guó)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(yùn)輸車的設(shè)計(jì)參數(shù)以及使用栽培條件，除了對(duì)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(jī)果園中行駛導(dǎo)致的土壤壓實(shí)、分布情況以及土壤滲透變化，以確定開發(fā)小型果園運(yùn)輸車的主要尺寸。

2 國(guó)內(nèi)丘陵山地運(yùn)輸車的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)山地運(yùn)輸車起步較晚，到20世紀(jì)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(yùn)輸車為主，少有專用丘陵山地運(yùn)輸車。目前國(guó)內(nèi)農(nóng)林運(yùn)輸車可分軌道式和單車式2種，應(yīng)用較廣的丘陵山地運(yùn)輸車多為軌道式。

2.1 軌道山地運(yùn)輸車的發(fā)展

我國(guó)早期軌道式山地運(yùn)輸車大多從日韓引進(jìn)，后因價(jià)格昂貴開始自行研發(fā)。我國(guó)研發(fā)的軌道運(yùn)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(jī)、內(nèi)燃機(jī)或混動(dòng)驅(qū)動(dòng)，自走式多以內(nèi)燃機(jī)為驅(qū)動(dòng)[10]。軌道式山地運(yùn)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(shì)，在國(guó)內(nèi)福建、湖北、湖南等地得到推廣應(yīng)用。為適應(yīng)我國(guó)地形地貌及農(nóng)業(yè)特征，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了鏈?zhǔn)窖h(huán)貨運(yùn)索道[11-13]、鋼絲繩牽引式雙軌運(yùn)輸車[14]、自走式雙軌運(yùn)輸車[15]，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了遙控單軌運(yùn)輸車[16,17]以適應(yīng)我國(guó)山地果園的機(jī)械化運(yùn)輸。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的貨運(yùn)索道能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜路面，相比軌道式運(yùn)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(yùn)輸車具有變軌功能，造價(jià)較低，簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)，有人和無人駕駛均可，機(jī)動(dòng)靈活。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的遙控單軌運(yùn)輸車尺寸小，上下坡載重可達(dá)300kg和500kg，能夠滿足基本運(yùn)載要求，軌道建造成本低，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)輸，而且能在設(shè)定點(diǎn)自動(dòng)停車，遠(yuǎn)程控制前進(jìn)倒退，具有一定的智能化，更加便捷。如圖3～5所示。

圖3 鏈?zhǔn)剿鞯肋\(yùn)輸車

圖4 牽引式雙軌運(yùn)輸車

圖5 單軌運(yùn)輸車

2.2 單車式山地運(yùn)輸車的發(fā)展

單車式山地運(yùn)輸車在我國(guó)也有所發(fā)展，與軌道山地運(yùn)輸機(jī)車相比，單車式山地運(yùn)輸車具有更好的機(jī)動(dòng)性，根據(jù)其行走方式可分為輪式山地運(yùn)輸車和履帶式山地運(yùn)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(yùn)輸車[18,19]、輕型輪式運(yùn)輸車[20]、東北林業(yè)大學(xué)研制的單履帶手扶運(yùn)輸設(shè)備[21]等適合山地果林運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械裝備，在運(yùn)送果品和農(nóng)資以及農(nóng)林活動(dòng)操作方面起到了很大的作用。浙江農(nóng)機(jī)研究所設(shè)計(jì)的小型雙履帶手扶運(yùn)輸車采用汽油機(jī)為動(dòng)力，具有載重量大、最大載重640kg、接地比壓小、越障能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)向靈活并具備自卸能力等優(yōu)點(diǎn)，得到一定的推廣[22]。仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院設(shè)計(jì)的香蕉運(yùn)輸車采用三輪結(jié)構(gòu)，以直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，具有過載和限速程序，運(yùn)行平穩(wěn)但動(dòng)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(yùn)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(yùn)輸作業(yè)，具體技術(shù)指標(biāo)見表3[22]。

圖6 自走式微型履帶運(yùn)輸車

圖7 輕型輪式運(yùn)輸車

表3 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)小型單履帶運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于履帶運(yùn)輸車[24-28]。履帶運(yùn)輸車由于整備質(zhì)量較同載荷輪式山地車大，動(dòng)力要求更高，在高負(fù)荷下爬坡越障時(shí)易側(cè)翻[29-31]。

3 國(guó)內(nèi)丘陵山地運(yùn)輸車的研究及展望

相比歐美日韓等國(guó)家，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程中，我國(guó)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(duì)丘陵山地運(yùn)輸車的需求更加多樣化和自動(dòng)化。無論運(yùn)輸效率更高的軌道式運(yùn)輸車，還是靈活機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)的單車式運(yùn)輸車，在我國(guó)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中均有較高需求。韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)的Dongil Chang等在對(duì)歐洲果園農(nóng)機(jī)的調(diào)研中指出，其近期的發(fā)展趨勢(shì)是提高用戶操作的舒適度，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛，包括前進(jìn)后退及停止等。提高車輛的操縱性能，通過對(duì)車輪和機(jī)體的控制使車輛適應(yīng)坡面操作，提高爬坡度，設(shè)計(jì)更領(lǐng)先，并建立全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合國(guó)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(guó)山地運(yùn)輸車的發(fā)展的3點(diǎn)看法：技術(shù)更加成熟，匹配更多使用場(chǎng)景，與多種農(nóng)用工具自由結(jié)合，更加智能化；同時(shí)滿足生態(tài)和生產(chǎn)需求，減少整備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化；具備更廣泛的適應(yīng)性及更好的越野性，機(jī)動(dòng)靈活。

3.1 使用場(chǎng)景多樣化

隨著我國(guó)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(shí)現(xiàn)更方便更快捷的操作，加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)度，農(nóng)林業(yè)對(duì)運(yùn)輸車的自動(dòng)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(duì)與各種農(nóng)具結(jié)合的小型山地運(yùn)輸車需求量在增大，專用特制的山地運(yùn)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(yùn)輸車即得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 整車輕量化

對(duì)于自走式山地運(yùn)輸車，車輛的整車質(zhì)量直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)動(dòng)力以及動(dòng)力因數(shù)的大小，整備質(zhì)量越小，所需驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(yùn)輸車車廂的質(zhì)量也直接關(guān)系到牽引動(dòng)力的大小。在同一驅(qū)動(dòng)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(yùn)輸車的動(dòng)力性。由式(1)可以看出，整車質(zhì)量越小，動(dòng)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(dòng)力因數(shù)。

3.3 提高越野性及機(jī)動(dòng)靈活性

對(duì)于單車式農(nóng)林運(yùn)輸車，相比輪式車輛，履帶式運(yùn)輸車具有更好的越障能力，但同時(shí)也存在質(zhì)量過大，易造成園內(nèi)土壤壓實(shí)等缺點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)2種底盤的綜合，使農(nóng)林運(yùn)輸車既具備輕量化又具有機(jī)動(dòng)靈活性也是單車運(yùn)輸車的研究方向之一。山地運(yùn)輸車越過溝壑與臺(tái)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(duì)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(yùn)輸車的機(jī)動(dòng)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(tái)階高度。

結(jié)合我國(guó)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(dòng)式運(yùn)輸車以配備農(nóng)林業(yè)操作，單車式山地運(yùn)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(yùn)輸車，對(duì)比輪式及履帶式運(yùn)輸車的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jī)電學(xué)院正在研究1款新型山地運(yùn)輸車，該運(yùn)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(shí)匹配多自由度機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸，手臂末端可實(shí)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(shí)現(xiàn)功能的多樣性以滿足當(dāng)前山地農(nóng)業(yè)機(jī)械化要求，如圖8所示。

圖8 輪組式山地自裝卸運(yùn)輸車

該運(yùn)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(yùn)輸車同時(shí)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(yùn)輸過程中減少震動(dòng)損失，并安裝多自由度機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸。該山地農(nóng)林運(yùn)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(dòng)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(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)林山地運(yùn)輸車發(fā)展及研究現(xiàn)狀分析，了解當(dāng)前以歐美、日韓為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家在山地運(yùn)輸車方面的研究進(jìn)展以及我國(guó)目前研究和推廣應(yīng)用的山地農(nóng)林運(yùn)輸車的主要類型，綜合分析國(guó)外研究趨勢(shì)以及國(guó)內(nèi)農(nóng)林業(yè)需求，提出3點(diǎn)看法：使用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)輕量化，降低土壤壓實(shí)率，降低能耗；具備更好的機(jī)動(dòng)靈活性，通過性更好，尺寸更緊湊。介紹了河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院研究的輪組式山地自裝卸運(yùn)輸車，滿足當(dāng)前農(nóng)林運(yùn)輸車發(fā)展趨勢(shì)，以期為我國(guó)山地農(nóng)林運(yùn)輸車的發(fā)展提供參考。