山地農林運輸車的現狀分析及研究

王雅慧 化夢康 張帥昌 閆世楊

(河南科技學院，河南 新鄉 450003)

緒論

我國是農業大國，農副產品生產和加工一直都是國民經濟的支柱，農業機械化作為促進農業發展的主要科技手段也在不斷推進?！秶鴦赵宏P于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》(國發〔2018〕42號)提出推動農業機械化向全程全面高質高效升級，有力推進了農業機械化[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%，適合大規模機械化作業的平原地區農機應用普遍。與此同時，主要種植在丘陵山地區域的特色經濟作物機械化也得到一定程度的發展[2]。但在我國國情和歷史條件的制約下，適用于特殊區域的小型智能化農機的研發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%，丘陵山地地區主要種植水果及茶葉等經濟作物，傳統的人力搬運難以滿足運輸需求，農業機械化推進任務較重。作為山區農林產品和物資運輸的主力，丘陵山地運輸車的研究和發展對我國農業機械化的推進起著至關重要的作用。

1 國外山地農林運輸車的發展現狀

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

1.1 歐美山地農林運輸車發展

農業種植多以農場為主的歐美大部分國家，道路基礎設施規劃完善，運輸車輛分為農場內部專用運輸車和外部載重運輸車2種。以美國為例，美國農場內部專用運輸車以大動力輪式運輸機為主，結合專用農產品作業機械，實現大農場作業自動化，外部載重運輸車一般為常規越野卡車、客貨兩用車及大型箱式農用貨車，同時匹配完善的公路、鐵路以及航空運輸網絡，大型農產品倉儲運輸企業還擁有鐵路專線[4]。

歐洲國家的水果生產和消費遠高于其他國家，隨著農業規模的增大，各國對農業運輸車的需求也將大大增加，專用運輸車應用較多，此類車輛多為拖拉機改造，考慮其運轉靈活度，坡道作業能力以及與其他農用工具的連接件或掛鉤設計。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，日常運輸及作業主要采用山地軌道運輸、山地專用運輸車及大型拖拉機，軌道運輸技術主要來自日韓[5]，專用運輸拖拉機技術研發較多。

意大利葡萄種植業盛行，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，可調整工作高度，牽引桿配備的液壓活塞可實現靈活轉向，反向框架便于安裝專用工具，可實現割草、打頂、噴霧、翻土等操作。牽引式多功能跨運車技術指標如表1所示。圖1為牽引式跨運車修剪葡萄藤的工作情景[6]。為了滿足葡萄園農業生產的靈活操作，意大利博爾扎諾自由大學科學與技術學院研究的“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指標

圖1 牽引式跨運車修剪葡萄藤

1.2 日韓山地農林運輸車發展

日韓國家的農林業型式和我國類似，農業運輸以自走式履帶和小型輪式運輸車為主，山地果園及林業地貌多陡坡、道路彎曲迂回，山地軌道運輸車應用較多[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等領域。

日本在1966年開發的“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，目前仍為較領先的軌道運輸車，其基本參數如表2所示。

表2 日本單軌運輸車“MonoRack”技術參數[1]

韓國在1994年研發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勢，在全球多個森林公園應用，并被我國引進用于森林旅游及森林交通運輸[9]。忠南國立大學的Dongil Chang等研究調查了歐洲小型果園農業運輸車的設計參數以及使用栽培條件，除了對歐洲果園種植果木類型、行距、間距等的調研，Dongil Chang等在研究中還充分考慮到果園農機果園中行駛導致的土壤壓實、分布情況以及土壤滲透變化，以確定開發小型果園運輸車的主要尺寸。

2 國內丘陵山地運輸車的發展現狀

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。目前國內農林運輸車可分軌道式和單車式2種，應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。我國研發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、內燃機或混動驅動，自走式多以內燃機為驅動[10]。軌道式山地運輸車具有線路靈活，占地空間小，不需破壞建設地植被修路，不破壞原有生態等優勢，在國內福建、湖北、湖南等地得到推廣應用。為適應我國地形地貌及農業特征，華南農業大學研制了鏈式循環貨運索道[11-13]、鋼絲繩牽引式雙軌運輸車[14]、自走式雙軌運輸車[15]，湖南農業大學研制了遙控單軌運輸車[16,17]以適應我國山地果園的機械化運輸。

華南農業大學研制的貨運索道能夠較好地適應復雜路面，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，簡易經濟，有人和無人駕駛均可，機動靈活。湖南農業大學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，可實現循環運輸，而且能在設定點自動停車，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展

單車式山地運輸車在我國也有所發展，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。華南農業大學研制的自走式微型履帶運輸車[18,19]、輕型輪式運輸車[20]、東北林業大學研制的單履帶手扶運輸設備[21]等適合山地果林運輸的機械裝備，在運送果品和農資以及農林活動操作方面起到了很大的作用。浙江農機研究所設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、轉向靈活并具備自卸能力等優點，得到一定的推廣[22]。仲愷農業工程學院設計的香蕉運輸車采用三輪結構，以直流電機為驅動，具有過載和限速程序，運行平穩但動力不足，充電慢且續航能力差[23]。華中農業大學研究的小型單履帶運輸車結構緊湊，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翻，能夠很好地適應梯田運輸作業，具體技術指標見表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 華中農業大學小型單履帶運輸車基本參數

在丘陵山地地形行駛，輪式山地車有更好的適應性，但山地無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翻[29-31]。

3 國內丘陵山地運輸車的研究及展望

相比歐美日韓等國家，在農業機械化進程中，我國農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，在我國農林業生產中均有較高需求。韓國忠南國立大學的Dongil Chang等在對歐洲果園農機的調研中指出，其近期的發展趨勢是提高用戶操作的舒適度，實現車輛的自動駕駛，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坡面操作，提高爬坡度，設計更領先，并建立全球統一標準。

結合國內外現狀及調研分析，本文就以上問題提出關于我國山地運輸車的發展的3點看法：技術更加成熟，匹配更多使用場景，與多種農用工具自由結合，更加智能化；同時滿足生態和生產需求，減少整備質量，實現輕量化；具備更廣泛的適應性及更好的越野性，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，農林作物種類日趨豐富，產銷量也得以大幅提高，為了實現更方便更快捷的操作，加快農業機械化進度，農林業對運輸車的自動化程度也提出了更高要求。農林產品的多樣化意味著種植者對與各種農具結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。華南農業大學研制的可噴灑農藥的軌道運輸車即得到了廣泛應用。

3.2 整車輕量化

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

3.3 提高越野性及機動靈活性

對于單車式農林運輸車，相比輪式車輛，履帶式運輸車具有更好的越障能力，但同時也存在質量過大，易造成園內土壤壓實等缺點，如何實現2種底盤的綜合，使農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，質心位置相對越高易引起行駛過程中抗側翻能力差，操縱穩定性變差，因此，提高單車山地農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。

結合我國農業生產規模普遍不大的現狀，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林業操作，單車式山地運輸車有較好的適應性。綜合分析常見的2類單車式山地農林運輸車，對比輪式及履帶式運輸車的優缺點，在降低車輛整備質量的前提下提高車輛的越障以及爬坡性能，河南科技學院機電學院正在研究1款新型山地運輸車，該運輸車前輪為可調節升降組合輪，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自動裝卸，手臂末端可實現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則形態貨物裝載，實現功能的多樣性以滿足當前山地農業機械化要求，如圖8所示。

圖8 輪組式山地自裝卸運輸車

該運輸車具有可調節升降組合輪，可在原有基礎上將離地間隙調高，調高范圍可根據操作環境在20cm內變化，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自動裝卸。該山地農林運輸車具備封閉式駕駛室，且為流線型，能有效降低風阻系數CD，具有較好的空氣動力學性能，能夠在一定范圍內降低能源消耗。

4 結論

本研究旨在通過對國內外農林山地運輸車發展及研究現狀分析，了解當前以歐美、日韓為代表的發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用的山地農林運輸車的主要類型，綜合分析國外研究趨勢以及國內農林業需求，提出3點看法：使用場景多樣化，能夠與更多農用工具連接匹配使用，更加智能化；減輕整備質量，實現輕量化，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。介紹了河南科技學院機電學院研究的輪組式山地自裝卸運輸車，滿足當前農林運輸車發展趨勢，以期為我國山地農林運輸車的發展提供參考。