叉車的發(fā)展概述及前景展望*

陳佩珊 李思奇 周嘉欣 吳林旭

北華航天工業(yè)學院電子與控制工程學院 廊坊 065000

0 引言

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對搬運貨物的需求日益增大，叉車因其具有對貨物進行裝卸、堆垛以及短距離運輸?shù)忍攸c，逐漸成為貨物運輸中的重要環(huán)節(jié)。隨著叉車開始應用于不同的場地以及國家標準的提高，其種類逐漸增多，技術也逐漸發(fā)展起來，驅動方式從手動到內(nèi)燃和電驅動；控制由手動到自動再到現(xiàn)在的智能控制。隨著市場需求的不同以及技術的迭代，叉車逐漸向鋰電化、系列化、定制化、智能化、無人化發(fā)展[1]。

在自動化、智能化、環(huán)保化的產(chǎn)業(yè)背景下，叉車行業(yè)也在高質量發(fā)展中，其構建的需求導向型研發(fā)體系根據(jù)市場及客戶需求研發(fā)出新的車型。綜合考慮各項指標，采用新工藝，堅持獨立自主的創(chuàng)新和對技術指標的深層挖掘，使新產(chǎn)品向精細化管理轉型升級。從傳統(tǒng)制造到智能現(xiàn)代化，國家積極鼓勵創(chuàng)新，對于叉車的人性化、節(jié)能化、智能化等技術都是抓住新能源和智能化新興領域的發(fā)展機遇，向智能物流、云智能管理等核心技術靠攏、融合。像油改電如氫燃料電池牽引車、自動化與智能控制、新能源等技術的趨勢優(yōu)勢正在脫穎而出[2]。本文以現(xiàn)有的叉車技術為基準進行分析、比較、總結，并展望叉車未來的發(fā)展。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀20年代，美國的公司生產(chǎn)出第一輛液壓升降叉車，K型電動貨車叉車，之后德國也研制出第一個生產(chǎn)堆高機，美國在隨后研發(fā)了第一款液壓升降系統(tǒng)。在20世紀30年代，海斯特公司生產(chǎn)出了第一代有貨叉的跨腿式叉車和有電纜葫蘆系統(tǒng)的BT型叉車，隨后Rudolf公司研發(fā)出了第一款柴油發(fā)電機，日本公司也緊隨其后生產(chǎn)了日本第一輛電動叉車。在20世紀40年代，英國寶獅公司也崛起，生產(chǎn)出了歐洲第一輛電動三輪叉車，隨后瑞典也加入叉車研發(fā)的行列。在之后的幾十年里，德國、意大利相繼研發(fā)了不同類型的叉車，加入到了叉車研發(fā)的行列，并且各個國家在不斷地創(chuàng)新研發(fā)，各種類型性能的叉車相繼問世[3]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀50年代末，我國第一臺電動叉車和內(nèi)燃叉車在遼寧誕生，標志著我國叉車行業(yè)的起步。目前，我國各類叉車批量生產(chǎn)的企業(yè)，除了滿足現(xiàn)在國內(nèi)的市場需求外，還有部分出口國外，占有部分海外市場。目前，國內(nèi)的叉車品牌包括國產(chǎn)品牌、進口品牌和合資品牌。其中，國產(chǎn)品牌有合力、杭叉、龍工、柳工等；進口品牌有林德（德國）、三菱（日本）、豐田（日本）等；合資品牌有TCM（安徽）、斗山、小松等。近些年，越來越多的世界排名前列的叉車品牌在中國開辟市場，如此刻見我國叉車市場擁有很大的潛力[4]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，叉車已應用到很多領域，叉車技術在未來的發(fā)展中會逐漸向更加環(huán)保化、智能化、系列專業(yè)化等進行精細化轉變，并在性能上得到更大發(fā)展。

1）安全性

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，特種設備行業(yè)得到了充分發(fā)展，場內(nèi)專用機動車輛的使用更加普及，然而隨著其應用的廣泛，在使用過程中頻現(xiàn)安全問題。

最常見的問題就是叉車擋貨架的設計標準、拆除、焊補和銹蝕等問題，解決這些問題的方案有2個：一是對叉車資料的核查，二是對其外觀的檢查[5]。

最容易出現(xiàn)重大事故的安全問題就是失去平衡。以重式叉車為例說明叉車的安全特性[6]，叉車失去平衡的主要因素有超重、超高、偏載、超載等，為了避免這些情況的發(fā)生要特別注意叉車規(guī)格的各個額定標量，使用者一定要在這些要求內(nèi)進行規(guī)范操作。

2）節(jié)能環(huán)保性

節(jié)約資源、保護環(huán)境是產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，故高技術水平、高附加值、低污染、低排放成為生產(chǎn)叉車的新標準。然而就環(huán)保性而言，電動叉車要比內(nèi)燃叉車環(huán)保得多，現(xiàn)在多是通過對內(nèi)燃型叉車的改進來發(fā)揮出內(nèi)燃叉車的其他特性，而內(nèi)燃叉車造成的污染主要有噪聲污染和空氣污染。

解決噪聲污染需對內(nèi)燃叉車噪聲污染進行分析，綜合考慮可得出噪聲污染[7]主要來自發(fā)動機噪聲、燃燒噪聲、機械噪聲、進排氣噪聲、液壓系統(tǒng)噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲、輪胎噪聲[8]等，解決方案也不盡相同。

解決空氣污染問題可通過對叉車柴油機的改進和優(yōu)化[9]，既保證了柴油機動力控制需要，又確保其廢氣滿足國家的環(huán)保規(guī)定。另外，也可通過研究發(fā)動機的工作情況、進排氣以及燃油系統(tǒng)工作情況、觸媒轉換器是否中毒等提出解決方案[10]。若要根本解決可從燃料上進行改進[11]，以根治內(nèi)燃叉車造成空氣污染的問題。

而混合動力叉車[12]則很好地改進了內(nèi)燃叉車的污染和電動叉車動力不足的問題，并融合了這2類叉車的優(yōu)勢，使叉車性能更加完善，技術更加成熟。

國內(nèi)某集團進行創(chuàng)新改革，將技術中心向綠色節(jié)能、智能工業(yè)車輛以及集成智能物流系統(tǒng)的方向發(fā)展；林德公司則對為解決環(huán)保問題而提出的能源解決方案進行了分析，即能源技術的迭代愈發(fā)提速，新能源應用的行業(yè)也愈發(fā)的廣泛，且在降低成本方面也有顯著成效；BYD公司生產(chǎn)的新能源叉車，充電效率高且無噪聲。

3）智能性

隨著科技的進步，工業(yè)場景越來越多樣化，對智能化要求也越來越高，叉車開始向智能化發(fā)展，電動智能叉車[13]已成功研發(fā)，工人只需在安全區(qū)域進行遙控即可進行控制。

就叉車的行走方式和轉彎半徑而言，AGV叉車開始崛起，制造商現(xiàn)已將自然導航和激光導航等技術應用于叉車上。若要對AGV叉車進行優(yōu)化[14]，可從激光引導原理、軌跡跟蹤算法、控制電路的改造、軟件設計等方面出發(fā)實驗分析AGV叉車，對其進行改造，使其實現(xiàn)行走、轉向、提升等功能的優(yōu)化控制。國內(nèi)一款AGV叉車以及窄巷道三向叉車極好地填補了狹小的空間內(nèi)搬運重型貨物的空白[15]。目前國內(nèi)某公司的5G實驗室正在用高清的攝像頭來替代激光導航，以便降低成本，實現(xiàn)真正的視覺導航。另外，還有一種是將叉車和視覺導航進行智能化結合[16]，根據(jù)叉車的工作環(huán)境設計出一種基于跟蹤器的特征邊緣直線的跟蹤方法和區(qū)域跟蹤的叉車視覺導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)以路徑邊緣和貨架邊緣作為跟蹤目標進行探索和研究，使叉車能像人腦一樣自動導航，實現(xiàn)在叉車運行環(huán)境中基于視覺導航的自主運行。

為解決叉車轉彎半徑大的缺點，現(xiàn)將AGV叉車結合麥克納姆輪（簡稱麥輪）實現(xiàn)零轉彎半徑的特點[17]。然而，對AGV叉車傾斜畸變進行校正也是一個問題，可通過根據(jù)導引色帶進行動態(tài)傾斜標定的方法[18]解決此難題，該方法的測量精度高，可精確感知車體托盤距離，控制系統(tǒng)的魯棒性、實時性較好，對提高單目視覺自動導引叉車視覺導引精度及叉車對接托盤過程中實時測距具有實用價值。

隨著機器人的普及，文獻[19]設計了具備行走、貨叉、尋跡等功能的慧魚模型叉車智能機器人。履帶式搬運叉車機器人可通過模糊化機器人與障礙物之間的距離建立模糊規(guī)則，實現(xiàn)機器人的模糊避障控制[20]。

為了跟上無人化的步伐，文獻[21]設計了一款基于Arduino無人叉車，可通過連接藍牙與Android手機通信。若之后再將設計的控制界面，引入視覺系統(tǒng)，監(jiān)控運行，會使操控更便捷。將激光叉車[22]一類的無人駕駛叉車引入無人倉儲空間，既可提高無人倉儲空間的使用率、生產(chǎn)效率和產(chǎn)業(yè)物流的管理水平，又使整個倉儲系統(tǒng)得以優(yōu)化。如比亞迪叉車中的藍蟻MINI系列，可應用到所有無人化的場景中，其打造的整體解決方案具有差異化和獨特性[23]。同時，大數(shù)據(jù)分析和云計算能為用戶帶來更多的價值點，工業(yè)自動化已成為當前不可逆的趨勢。

表1 各類叉車性能比較

4）故障診斷

為了解決叉車無人智能化后會出現(xiàn)的故障問題，有一種內(nèi)燃叉車的故障診斷方式[24]，其主要是基于專家系統(tǒng)的內(nèi)燃叉車故障診斷方法和故障樹分析的內(nèi)燃叉車故障診斷專家系統(tǒng)。

經(jīng)過智能優(yōu)化后，電動叉車線控轉向（SBW）系統(tǒng)取代轉向盤和轉向輪之間的機械連接裝置用電子方式連接，雖便于與其他系統(tǒng)集成、統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，但該系統(tǒng)可能會毫無預警地發(fā)生故障[25]。為了解決這一故障，建立了解析模型，但解析模型過于復雜且精度較差，會使魯棒性問題更加棘手。因此，采用不基于解析模型的故障診斷方法的分析，即基于信號、知識、離散事件的方法，并基于其所建立的線控轉向叉車模型，以及其系統(tǒng)結構組成、運作原理和故障類型，提出滑模觀測器、自適應算法及模型參考控制器來解決電動叉車線控轉向系統(tǒng)傳感器的故障診斷、重構以及容錯控制，使對電動叉車的故障診斷更加完備。

由此可見，我國叉車要想領跑國際叉車市場，不但要堅持創(chuàng)新，還要讓叉車產(chǎn)品多樣化、專業(yè)化和系列化，形成大規(guī)模的生產(chǎn)，并使叉車可以相互配合，解決單一化問題，才能提高中國叉車產(chǎn)業(yè)抗風險的能力。然而，中小企業(yè)無法像大型企業(yè)一樣進行系列化生產(chǎn)，需要進行升級，注重質量，向精細化、差異化發(fā)展。

2 根據(jù)叉車的驅動方式分類

叉車的分類方式有很多種：按照叉車的結構類型與特點、叉車可插起的質量、叉車的運動方式等，在此根據(jù)叉車的驅動方式進行分類[26]。

2.1 手動驅動方式

手動式叉車是一種高起升裝卸和短距離運輸兩用車，由于不產(chǎn)生火花和電磁場。特別適用于汽車裝卸及車間、倉庫、碼頭、車站、貨場等地的易燃、易爆和禁火物品的裝卸運輸以及一些距離短、寬度窄的空間，如小型超市的貨架等，該叉車具有升降平衡、轉動靈活、操作方便等特點。由于需要人力進行驅動，所以相對于內(nèi)燃機和電驅動的叉車相比，叉車的運輸量較少，效率較低，且費時費力。

各國學者對于鄉(xiāng)村旅游的起源地是在歐洲四國(英國、法國、西班牙、意大利)，還是法國或英國之間有不同爭論[2]，法國較早出現(xiàn)鄉(xiāng)村住宿、農(nóng)家生活體驗、休閑接待等旅游活動，大多數(shù)學者都認同法國是鄉(xiāng)村旅游的起源地與成熟地[3]332-342。關于鄉(xiāng)村旅游的概念，學界目前仍未取得一致結論，但鄉(xiāng)村旅游具備兩個基本特征：一是當?shù)剞r(nóng)民參與鄉(xiāng)村旅游的發(fā)展；二是利用鄉(xiāng)村基礎設施和遺產(chǎn)資源作為住宿設施和景點[4]，即具有“鄉(xiāng)村性”，這一說法是被普遍接受的。

2.2 液壓驅動方式

液壓驅動車常用人力驅動液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)托盤貨物的起升和下降動作，并由人力拉動完成搬運作業(yè)的機械設備。手動液壓車具有較大的承載能力，是用于短距離搬運重物的工具之一，由人力驅動液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)貨物的起升和下降動作，并由人力拉動完成搬運作業(yè)。全電動液壓車貨物上升和下降原理與半電動液壓車相同，不同之處在于全電動液壓車所有作業(yè)均采用電力制系統(tǒng)，無須人力操作，是較省時省力的一款搬運工具，廣泛應用于物流、倉庫、商場、車間、學校、機場等[27]。

2.3 內(nèi)燃機驅動方式

內(nèi)燃叉車發(fā)動機的能源主要采用柴油，有些也用汽油、液化石油氣或天然氣。因此，底盤低且質量大，穩(wěn)定性極好，轉向性較低，相對于其他驅動的叉車較笨重。由于承載能力、驅動性和續(xù)航能力很高，故多用于戶外的大型運輸場所的運輸任務。但是，該驅動型叉車存在較大空氣污染和噪聲污染，所以比其他驅動型的叉車污染程度較嚴重[28]。

2.4 電驅動方式

目前，多數(shù)叉車采用電驅動的方式，多以蓄電池為能源為發(fā)動機供能。現(xiàn)在電動叉車的承載能力和驅動性能都有所提高，但因為需要蓄電池進行供電，所以續(xù)航能力有待改進，穩(wěn)定性能稍遜于內(nèi)燃機叉車。文獻[29]提出了一種以交流驅動的叉車驅動技術，它采用矢量控制交流異步電機的驅動技術，電機的結構非常穩(wěn)定且簡單，在操作時有較強的可控性。比亞迪生產(chǎn)新能源叉車，其核心技術優(yōu)勢是電池技術。

即使現(xiàn)有的電動叉車已較完善，但仍有欠缺的方面，如文獻[30]中提到的特種叉車（即冷庫叉車），由于其場地的特殊性，對于電池、材料、硬件設備等有特殊的要求，電動防爆叉車的電動防爆叉車技術等。

3 關于叉車的國家標準[31]

1）JB/T 2391－2017《500～10 000 kg乘駕式平衡重式叉車》規(guī)定了額定起重量為500～10 000 kg乘駕式平衡重式叉車的基本參數(shù)、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、隨行文件、運輸和貯存等，適用于控制方式為乘駕式額定起重量為500～10 000 kg的平衡重式叉車，步駕式平衡重式叉車可參照執(zhí)行。

2）JB/T 3244－2005《蓄電池前移式叉車》規(guī)定了額定起重量為500～5 000 kg蓄電池前移式叉車的基本參數(shù)、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、運輸、貯存和質量保證期。

3）JB/T3299－2012《手動插腿式液壓叉車》規(guī)定了手動插腿式液壓叉車的基本參數(shù)、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和貯存。

4）JB/T 3340－2005《插腿式叉車》規(guī)定了額定起重量為500～3 000 kg蓄電池插腿式叉車的基本參數(shù)、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、運輸、貯存和質量保證期。

5）JB/T 9012－2011《側面式叉車》規(guī)定了側面式叉車的型號、基本參數(shù)、技術要求和試驗方法，適合額定起重量為10 t以下（含10 t）的側面式叉車。

4 叉車的發(fā)展趨勢

近年來，叉車業(yè)發(fā)展迅速，隨著應用范圍的廣泛，搬運貨物的多樣，各式各樣的叉車應運而生，且更加注重叉車外觀的多元化、操作的安全性、人機效應、人的感官效應如操作時的舒適度等。電動倉儲叉車、防爆叉車、集裝箱堆高機、越野叉車等中高端的產(chǎn)品也是高技術含量和高附加值的代表，滿足客戶的個性化需求，也會是未來的一大發(fā)展趨勢。

4.1 5G與叉車結合

隨著中國5G時代的到來，叉車又走向智能化邁進了一大步，有一種基于5G的剪叉車無線遙控裝置[32]，如果將此新型技術與電動智能叉車有機結合在一起，可使叉車實現(xiàn)無人駕駛；若再和AGV叉車進行結合，使用者只需在安全區(qū)域內(nèi)對叉車發(fā)出指令，叉車就能實現(xiàn)全程自動化。

4.2 叉車與無人倉儲結合

隨著信息化時代的到來，無人智能倉儲逐步發(fā)展起來，而這一技術將會成為未來物流設備發(fā)展的主流理念。但是，無人倉儲的子系統(tǒng)和技術尚存在問題，像人機協(xié)同技術[33]、集群處理、設備和系統(tǒng)的異常響應等都需要處理[34]。5G與AGV叉車的結合[35]構成了云叉車，推動了物流倉儲自動化、智能化建設，將AGV運用到叉車，成立AMS自動化管理系統(tǒng)、AGV的硬件設備和管理系統(tǒng)（NDC），構建起全流程的物流管理體系，實現(xiàn)對倉儲貨物的動態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)了物流運輸?shù)目勺匪莼⒖梢暬芾怼Ｎ覈鴥?nèi)的叉裝機是基于裝載機和大噸位叉車演化合并后的產(chǎn)物，若對叉裝機也進行云叉車式處理，無人倉儲的搬運量則會成倍的增加。可見，5G物聯(lián)網(wǎng)技術的應用實現(xiàn)了整個物流的信息化、透明化，智能化。

4.3 叉車與視覺結合

5G無人智能叉車與視覺的結合，可以更好地應用于各大工作環(huán)境，5G加上視覺再配合上邊緣計算形成互補，輔助了無人駕駛，使整體的智能化提高[36]。

由于現(xiàn)有的磁條導航、激光導航都有一定局限性，而視覺導航是通過動態(tài)規(guī)劃路線的方式，減少了項目在實施的過程中遇到的一些問題，故視覺導航是未來導航的發(fā)展趨勢。

5 結論

目前，智能制造已經(jīng)成為全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點，為新工業(yè)革命提供了關鍵的支撐并為深化互聯(lián)網(wǎng)+先進制造奠定了夯實的基礎，相信通過智能制造會領導個大產(chǎn)業(yè)向高質量發(fā)展前進。根據(jù)市場的發(fā)展趨勢，叉車在未來會變得更加智能化、新能源化、小型化，并且無人化、智能化會更加成熟，推動該技術領域更快地發(fā)展，造福社會。