丘陵山地農(nóng)業(yè)索軌運(yùn)輸機(jī)械研究進(jìn)展與優(yōu)化措施*

陳衛(wèi)靈 ， 陳中武 ， 岳丹丹，2 ， 李沐桐 ， 何 林

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630）

我國的丘陵山地面積約占到全國總土地面積的43%。由于丘陵山地地勢(shì)高低起伏，復(fù)雜多變，長(zhǎng)期以來，丘陵山區(qū)的農(nóng)用運(yùn)輸缺乏機(jī)械化運(yùn)輸工具，農(nóng)資和農(nóng)產(chǎn)品的往來運(yùn)輸主要依靠人力和畜力，耗費(fèi)了大量勞動(dòng)力資源，且效率低下，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化進(jìn)程。為破解丘陵山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)碾y題，近年來，我國科技工作者先后研發(fā)了多款可用于丘陵山地的農(nóng)用軌道運(yùn)輸機(jī)，這些農(nóng)業(yè)軌道運(yùn)輸機(jī)的共同特點(diǎn)都是通過在高低起伏的坡地、林地間架設(shè)簡(jiǎn)易軌道，以動(dòng)力機(jī)車作為動(dòng)力，牽引載貨車廂在軌道上行走，實(shí)現(xiàn)農(nóng)用物資的機(jī)械化運(yùn)輸。課題組對(duì)上述幾種類型的運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行歸納梳理，分析目前短板技術(shù)，探索未來發(fā)展方向和研發(fā)目標(biāo)。

1 裝備分類與技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)農(nóng)用軌道運(yùn)輸機(jī)主要有自走式單軌運(yùn)輸機(jī)、自走式雙軌道運(yùn)輸機(jī)、單向牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)。雙向牽引式索軌運(yùn)輸機(jī)等幾種類型，部分裝備已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，課題組將挑選在目前市場(chǎng)應(yīng)用較廣泛的主流產(chǎn)品進(jìn)行整體介紹和關(guān)鍵技術(shù)分析。

1.1 自走式單軌運(yùn)輸機(jī)

圖1是廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研發(fā)的自走式單軌運(yùn)輸機(jī)示意圖，其實(shí)物圖如圖2所示。主要結(jié)構(gòu)由牽引機(jī)車、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)輪、載貨車、軌道、制動(dòng)裝置等部件構(gòu)成[1]。牽引機(jī)車通過傳動(dòng)裝置的變速箱減速后帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，布置在驅(qū)動(dòng)輪圓周上的滾子與導(dǎo)軌底部的齒條進(jìn)行嚙合運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)牽引機(jī)車、載貨車沿軌道運(yùn)動(dòng)。制動(dòng)裝置的兩個(gè)離心式剎車裝置負(fù)責(zé)限制行進(jìn)速度和意外失速時(shí)緊急制動(dòng)，傳動(dòng)裝置的變速箱有正反轉(zhuǎn)和空擋轉(zhuǎn)換手柄，使運(yùn)輸機(jī)可以在軌道上往復(fù)行走、任意點(diǎn)啟停。牽引機(jī)車的動(dòng)力由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，也有部分廠家使用電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，結(jié)構(gòu)和工作原理大體相同。自走式單軌運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)彎半徑?。ㄗ钚∷睫D(zhuǎn)彎半徑2 m，最小垂直轉(zhuǎn)彎半徑4 m），爬坡能力強(qiáng)（最大爬坡能力可達(dá)45°），且占地面積小，架設(shè)簡(jiǎn)單、方便、靈活[2]，故在丘陵山地中應(yīng)用較多。但由于軌道是單軌結(jié)構(gòu)，承載能力有限，一般載重量都不大于500 kg，且容易因載貨重心發(fā)生偏移引起側(cè)翻。

圖1 果園單軌運(yùn)輸機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 果園單軌運(yùn)輸機(jī)實(shí)物圖

圖3是日本研發(fā)的中型自走式單軌運(yùn)輸機(jī)實(shí)物圖，主要結(jié)構(gòu)由牽引發(fā)動(dòng)機(jī)、減速傳動(dòng)裝置、載貨平板或車斗、工字型軌道、制動(dòng)裝置等部件構(gòu)成。牽引機(jī)車通過減速傳動(dòng)裝置減速帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)軌兩側(cè)的齒條進(jìn)行嚙合運(yùn)動(dòng)，牽引機(jī)車帶動(dòng)載貨平臺(tái)沿軌道運(yùn)動(dòng)。下坡制動(dòng)及限速主要依靠離心式剎車裝置，緊急情況下制動(dòng)依靠?jī)?nèi)張式剎車裝置。傳動(dòng)裝置的變速箱有正反轉(zhuǎn)和空擋轉(zhuǎn)換手柄，前進(jìn)速度有三擋可調(diào)，使運(yùn)輸機(jī)可在軌道上前進(jìn)、后退、停止。牽引機(jī)車的動(dòng)力為10 kW左右的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，最大爬坡角度可達(dá)45°，主要用于在無道路山區(qū)坡道搬運(yùn)重物，如運(yùn)輸沙土、輸電線等。導(dǎo)軌截面由上下兩條矩形管、中間鋼板焊接而成，導(dǎo)軌兩側(cè)齒條傳動(dòng)，承載能力最大可達(dá)1 000 kg。

圖3 中型單軌運(yùn)輸機(jī)實(shí)物圖

圖4是日本研發(fā)的大型雙軌運(yùn)輸機(jī)實(shí)物圖，主要結(jié)構(gòu)由牽引機(jī)車、載貨平板、軌道等部件構(gòu)成。最大爬坡能力能達(dá)到45°，最大承載能力可達(dá)4 000 kg，牽引機(jī)車的動(dòng)力47.8 kW，主要用于在無道路坡道搬運(yùn)泥沙、運(yùn)輸設(shè)備、基建物質(zhì)等。

圖4 大型雙軌運(yùn)輸機(jī)實(shí)物圖

1.2 單向牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)歐陽玉平等[3-4]針對(duì)山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)無法搬移、戶外施工難度大、設(shè)備利用率較低等問題，設(shè)計(jì)了一種拆裝式單向牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)。該機(jī)設(shè)計(jì)裝載質(zhì)量500 kg，最大爬坡角度40°，運(yùn)輸機(jī)鋼絲繩直徑為7.7 mm，軌道最小傾角為5.7°，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑為7 m，上行平均速度為0.51 m/s，下行平均速度為0.54 m/s。采用電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)作為牽引動(dòng)力，卷揚(yáng)機(jī)可選擇布置在坡頂或坡底，通過電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使鋼絲繩繞卷，拉動(dòng)載物車上行；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)滾筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒放出鋼絲繩，此時(shí)載物車靠自重向下滑動(dòng)。該機(jī)具有運(yùn)載平穩(wěn)、運(yùn)載力較強(qiáng)、可拆裝等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；a(chǎn)。由于卷揚(yáng)機(jī)是單向牽引，在下行時(shí)需利用載物車自重下移和拉緊鋼絲繩，所以只適用在單坡度的地形往復(fù)運(yùn)輸作業(yè)，不能應(yīng)用在有起伏坡度的地形中作業(yè)。

1.3 自走式雙軌道果園運(yùn)輸機(jī)

為解決山地果園果實(shí)、肥料和農(nóng)藥等運(yùn)輸勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的生產(chǎn)實(shí)際問題，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院李善軍等[5]設(shè)計(jì)了7YGS-45型雙軌道果園運(yùn)輸機(jī)，運(yùn)輸機(jī)整體結(jié)構(gòu)由主要由運(yùn)輸車（運(yùn)輸機(jī)主機(jī)）、自適應(yīng)坡度拖車、雙軌軌道和驅(qū)動(dòng)鋼絲繩四部分組成，雙軌軌道由兩根外徑為48 mm的鍍鋅鋼管依地形條件水平鋪設(shè)，軌道上安裝垂直彎鋼絲繩自動(dòng)回位鉤樁和水平彎鋼絲繩限位樁等裝置，運(yùn)輸機(jī)最大爬坡角度47°，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑8 m，平均運(yùn)行速度1.0 m/s，最大承載質(zhì)量為300 kg。重點(diǎn)解決了鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪對(duì)配合實(shí)現(xiàn)摩擦驅(qū)動(dòng)、抱軌與碟剎配合實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、防止運(yùn)輸機(jī)側(cè)滑和上跳、防止鋼絲繩在彎道中上抬與拉直、拖車自適應(yīng)坡度調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù)問題，但也存在不足，如自走式牽引機(jī)在軌道上、自重消耗功率、導(dǎo)軌承載有待提高、功率不能太大。

1.4 雙向牽引式索軌運(yùn)輸機(jī)

圖5是一種雙向牽引式索軌運(yùn)輸機(jī)示意圖，主要結(jié)構(gòu)包括雙向牽引式絞車、張緊機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、壓繩機(jī)構(gòu)、軌道、導(dǎo)繩輪、載物車等，最大作業(yè)坡度35°，運(yùn)行速度0.3 m/s～0.4 m/s，單次運(yùn)送重量400 kg。由于采用了雙出繩結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用在上下坡、垂直、水平轉(zhuǎn)彎、直線段運(yùn)輸，適應(yīng)性廣，牽引力大，雙軌支撐運(yùn)行穩(wěn)定、承載大，鋼絲繩可自張緊。但雙軌軌道比單軌復(fù)雜，成本較單軌高。

圖5 雙向牽引式索軌運(yùn)輸機(jī)示意圖

1.5 運(yùn)輸系統(tǒng)控制研究

一些高校和科研院所曾針對(duì)牽引式雙軌系統(tǒng)開發(fā)出PLC控制系統(tǒng)[6]，可實(shí)現(xiàn)按鍵手控、遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)停車等功能，如圖6所示。2021年6月，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所在現(xiàn)有的裝備研制基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際生產(chǎn)的運(yùn)輸調(diào)度和控制問題，集成了搭載攝像頭的軌道運(yùn)輸機(jī)，如圖7所示，并開發(fā)了可實(shí)時(shí)顯示農(nóng)機(jī)裝備位置并任意調(diào)度的APP控制平臺(tái)，如圖8所示，實(shí)現(xiàn)了行人識(shí)別的安全停車功能，在茂名荔枝示范點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)[7-9]。

圖6 基于PLC的牽引式雙軌運(yùn)送裝備控制系統(tǒng)

圖7 搭載識(shí)別裝置的軌道終端

圖8 遠(yuǎn)程調(diào)度APP管控平臺(tái)

2 技術(shù)短板分析

目前，軌道運(yùn)輸裝備已逐步實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)的熟化和應(yīng)用，但面對(duì)復(fù)雜環(huán)境的山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，仍需逐步解決和突破諸多技術(shù)難點(diǎn)，如裝備轉(zhuǎn)運(yùn)、多功能運(yùn)輸、智能化管理等。因此，課題組將在此基礎(chǔ)上梳理、分析幾點(diǎn)短板技術(shù)。

2.1 配套運(yùn)輸平臺(tái)擴(kuò)展性差

在實(shí)際丘陵山區(qū)的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)與運(yùn)輸中，目前的軌道、索軌式的運(yùn)載平臺(tái)，主要還是針對(duì)農(nóng)用物料、零部件的功能研制的，部分存在一些觀光性質(zhì)。就現(xiàn)階段的軌道運(yùn)輸裝備而言，與動(dòng)力裝置掛接的運(yùn)輸平臺(tái)多為貨板式結(jié)構(gòu)[10]，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝方面、裝卸快捷，在面向未來多種運(yùn)輸對(duì)象，如多種農(nóng)資物料、農(nóng)機(jī)裝備或重要部件的運(yùn)輸問題上，這種貨板結(jié)構(gòu)就難以使用在各類形式的運(yùn)輸對(duì)象上；而在復(fù)雜環(huán)境多種機(jī)械裝備的作業(yè)環(huán)節(jié)中，裝備的跨地塊轉(zhuǎn)移作業(yè)的效率低，需自走式裝備長(zhǎng)時(shí)間自行移動(dòng)到目標(biāo)作業(yè)區(qū)域，其間耗費(fèi)了油、電。因此，目前配套的運(yùn)載平臺(tái)功能仍較單一，在未來山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，研制出可適用于農(nóng)機(jī)裝備運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)載平臺(tái)或快速換裝平臺(tái)，具有重要的實(shí)際意義。

2.2 運(yùn)載質(zhì)量難以突破上限

根據(jù)上述軌道運(yùn)輸裝備的現(xiàn)狀技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，主流的運(yùn)輸裝備主要為單軌、雙軌架設(shè)與地面，且受動(dòng)力裝置的限制，可承載質(zhì)量多數(shù)最大負(fù)載在300 kg左右[11]，只有極少數(shù)可載1 000 kg?？紤]到未來生產(chǎn)和運(yùn)輸效率需求，需進(jìn)一步針對(duì)軌道架設(shè)形式、組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)研究高效、大動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置，逐步提高運(yùn)輸質(zhì)量，增強(qiáng)安全穩(wěn)定性，提升運(yùn)輸效率和承載能力。

2.3 運(yùn)輸平臺(tái)裝卸效率低

目前的物料、農(nóng)資的裝卸作業(yè)均由人工舉升到平臺(tái)上，到達(dá)目的地后再由人工搬運(yùn)至地面，在裝卸過程耗費(fèi)了大量的人力和時(shí)間。因此，在未來面向多搬運(yùn)對(duì)象的方向上，需針對(duì)裝卸環(huán)節(jié)研制可收展、折疊的輔助機(jī)構(gòu)集成在平臺(tái)內(nèi)部的運(yùn)輸機(jī)械，便于運(yùn)輸過程的裝卸作業(yè)。

2.4 智能化水平不足

丘陵山區(qū)特殊的地理環(huán)境，運(yùn)輸裝備不利于管控，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常出現(xiàn)多處運(yùn)輸點(diǎn)同時(shí)發(fā)出運(yùn)輸需求，傳統(tǒng)的軌道仍需要人員在軌道旁等待運(yùn)輸機(jī)到達(dá)后手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)停車，剎車精準(zhǔn)度差，危險(xiǎn)性大的問題。因此，需針對(duì)作業(yè)區(qū)域研究絕對(duì)坐標(biāo)精準(zhǔn)提取方法，研究平臺(tái)處于空閑、工作狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)多個(gè)需求點(diǎn)決策邏輯，開發(fā)可實(shí)時(shí)顯示負(fù)載信息與坐標(biāo)位置的智能控制終端，在作業(yè)區(qū)域內(nèi)可根據(jù)多出的運(yùn)輸需求信號(hào)，運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行自主決策并有序運(yùn)送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度和智能召喚功能，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

2.5 制動(dòng)方式單一

軌道運(yùn)輸?shù)膭x車制動(dòng)性能是在實(shí)際作業(yè)過程中決定裝備操控靈活性的關(guān)鍵指標(biāo)，也是保證操作人員安全的重要技術(shù)。目前軌道運(yùn)輸機(jī)械的制動(dòng)裝置多采用離心結(jié)構(gòu)[12-14]，在滿載運(yùn)行狀態(tài)下急停的剎車距離一般不小300 mm，且制動(dòng)過程由于慣性較大，常由于重心失衡導(dǎo)致物料飛出或擠壓受損等現(xiàn)象。因此，需突破多點(diǎn)同步制動(dòng)等先進(jìn)的剎車技術(shù)，保證達(dá)到一定速度下大負(fù)載運(yùn)輸?shù)木珳?zhǔn)平穩(wěn)停車效果。

3 索軌結(jié)合式模型創(chuàng)新模式

對(duì)于傳統(tǒng)索道式運(yùn)輸裝備體積大、占地廣、安裝維修困難，且繩索牽引的可靠性也逐步凸顯不足等問題[15-16]，根據(jù)目前的軌道運(yùn)輸裝備發(fā)展現(xiàn)狀，部分學(xué)者提出索軌結(jié)合式架構(gòu)，但仍面臨著多類運(yùn)輸對(duì)象的運(yùn)載平臺(tái)通用性差的問題。因此，需通過機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制運(yùn)輸平臺(tái)的多層安裝結(jié)構(gòu)，如平臺(tái)的主—子層級(jí)式，并進(jìn)一步研究快速推入式換裝方法，逐步滿足遠(yuǎn)距離的多功能運(yùn)輸需求?；诖耍瑸闈M足丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新裝備模式，課題組通過對(duì)軌道運(yùn)輸裝備的當(dāng)下技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，梳理目前涉及的技術(shù)短板和發(fā)展目標(biāo)，根據(jù)裝備類型和功能需求，結(jié)合技術(shù)手段，提出了裝備研發(fā)和改進(jìn)優(yōu)化的技術(shù)路線，索（軌）道智能運(yùn)輸裝備與配套平臺(tái)的技術(shù)分解圖如圖9所示。

圖9 索（軌）道智能運(yùn)輸裝備與配套平臺(tái)的技術(shù)分解圖

4 結(jié)語

綜上所述，課題組針對(duì)目前市場(chǎng)上主流的軌道運(yùn)輸裝備進(jìn)行了分類歸納，并分析了各類技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合丘陵山區(qū)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的各類問題，提出了亟待解決的技術(shù)要點(diǎn)和裝備改進(jìn)需求，擬制定了技術(shù)分解流程和路線，以期為丘陵山區(qū)的軌道運(yùn)輸裝備發(fā)展和技術(shù)導(dǎo)向提供參考。