丘陵山區果園智能農業轉運機械設計研究

劉 芳，明 莉，馮 梅，蒯 超

(貴州農業職業學院，貴陽 551400)

1 現狀與意義

1.1 研究現狀

農業機械化是提高農業生產力的重要基礎，是鄉村振興戰略實施的重要支撐。隨著農機化向信息化、自動化、智能化趨勢發展，智能農機的發展需求日益顯現。近年來，我國農機制造水平穩步提升，農機裝備總量持續增長，農機作業水平快速提高，農業生產已從主要依靠人力畜力轉向主要依靠機械動力，進入了機械化為主導的新階段。但受農機產品需求多樣、機具作業環境復雜等因素影響，當前農業機械化和農機裝備產業發展不平衡不充分的問題比較突出，特別是農機科技創新能力不強、部分農機裝備有效供給不足、農機農藝結合不夠緊密、農機作業基礎設施建設滯后等問題亟待解決。

要完善農機裝備創新體系，瞄準農業機械化需求，加快推進農機裝備創新，研發適合國情、農民需要、先進適用的各類農機，既要發展適應多種形式適度規模經營的大中型農機，也要發展適應小農生產、丘陵山區作業的小型農機，以及適應特色作物生產、特產養殖需要的高效專用農機。丘陵山區坡度大，宜機化要求難度大，尤其是貨物、肥料、果實等田間運輸環節。目前，市面上使用最多的還是傳統的燃油機動力轉運機械，消耗功率大、尾氣排放對環境污染大，操作手的勞動強度大，部分坡度較大的農田，甚至還需要“肩挑背扛”，增加了果農的勞動強度，不利于農業現代化發展[1-8]。普通轉運機械包括輪式和履帶式運輸機，運輸能力強，但對道路要求高，在交通網絡較好的地區使用廣泛，但在山路崎嶇甚至無路的丘陵山地中無法使用[9-14]；索道運輸機大多應用于無法架設軌道的地區；軌道運輸機功能單一，配套裝備要求高，與之配套的裝備、系統不健全[15]。研發配套的自動搬運和轉運裝備，實現整個運輸環節的無人化作業需求日益凸顯。

1.2 研究意義

目前，我國運輸機械主要以輪式或履帶式運輸機為主，在山地丘陵地帶的大部分農業生產作業還停留在人工作業階段，存在效率低、工作量過大等問題。特別在四川、貴州、廣西、云南、江西等地，多以丘陵和山地為主，地理環境復雜，地塊小且不連片，種植分散，道路崎嶇起伏不平。為解決常規的輪式和履帶式運輸機難以在地形情況復雜、大坡度的丘陵山地中運行的問題， 許多國內學者研究了依山地地形走勢將軌道固定于地面的運輸方式。目前，國內研究的軌道運輸機主要有雙軌道運輸機和單軌道運輸機，運行方式主要有乘坐式、自走式和牽引式。

為貫徹落實黨中央、國務院推進農業綠色發展決策部署，加快農業全面綠色轉型，持續改善農村生態環境，農業農村部、國家發展改革委、科技部、自然資源部、生態環境部、國家林草局制定了《“十四五”全國農業綠色發展規劃》(以下簡稱《規劃》)，節能減排、發展綠色農業勢必成為實現農業現代化的主題。根據《規劃》提出的要求，借鑒新能源汽車技術，將動力電池應用到轉運機械作為動力能源，實現零排放的同時完成相應的運輸作業，為國家早日實現碳達峰和碳中和目標貢獻力量。

通過對一種智能果園轉運機械結構的研究探討，為新型智能果園轉運機械的研發提供思路，以求減少勞動力成本開支，降低農民的勞動力強度，為山區丘陵田園的大面積種植和采摘奠定技術基礎。丘陵山區田間智能農業轉運機械是未來山地農業運輸發展的趨勢，較目前使用的汽油機動力式單軌運輸車更加環保、高效，并且其傳動系統更加簡單輕便、容易拆卸維護，同時也可降低運輸車的制造成本。從長遠角度看，丘陵山區田間智能農業轉運機械運行成本低，可有效提高經濟效益；同時簡單優化的傳動方式使設備更加安全、可靠。因此，研發適用于丘陵山區的以純電驅動的智能田間轉運機械，可以為推進丘陵及山區農業機械化提供解決方案。

2 果園轉運機械的創新點研究

2.1 果園轉運機械的動力源設計

目前，市面上廣泛應用的果園運輸機動力源多采用燃油(汽油或柴油)驅動，傳統能源燃燒后排出大量的廢氣，成本高、排放量大，對環境污染嚴重。本文設計的轉運機械參照新能源汽車的開發應用，選取48 V鋰電池或鉛酸電池作驅動，續航能力可滿足全天工作量，且采用雙蓄電池作為動力源，可以實現雙電源切換，增加續航能力。能源干凈，實現零排放，綠色環保，還能有效降低成本，經濟實用，擁有廣闊的發展前景。

2.2 果園轉運機械的底盤設計

山區丘陵地勢復雜、坡度大，要求轉運機械必須有較好的通過性能及爬坡能力，且對復雜地形具有很好的仿形能力。目前，普遍使用的輪式轉運機械，在崎嶇的山路上運輸安全性能低；履帶式機械底盤與地面接觸面積大，相對于輪式運輸機，重心較低，運行平穩，越野性能更好，更能適應復雜的地形，但制造成本高，原地轉向能力差。部分研究側重于依山地地形走勢將軌道固定于地面的運輸方式，可以做到根據地勢更好仿形，但軌道成本大，市場價值不高。本文設計的轉運機械車架底盤采用鉸接式多邊形結構，輪胎采用山地輪胎，并由兩個800 W的電機驅動，可以實現45°的坡地攀爬能力，離地間隙大于120 mm，重心較低，運行平穩，越野性能更好，通過對底盤進行改造，更能適應復雜的地形。

2.3 果園轉運機械的操作系統設計

目前，市面上運用最多的果園轉運機械為駕駛員乘車控制機械操作系統，完成機械轉向、加減速、倒車等操作。由于丘陵地勢不平，坡度較大，作業環境惡劣，容易出現翻車等危險，嚴重影響機械操作人員的使用安全。本文設計的智能轉運機械為無人駕駛運輸車，采用自動化通訊系統，用遙控器控制小車工作，提高運輸安全性。采用變速器和電機組合裝置設計制動裝置，運輸車在失控的情況下，可以利用變速器和電機的組合裝置進行自動制動，防止車輛在失控的情況下繼續行駛，起到保護人員、運輸車及貨物的作用。

2.4 果園轉運機械的原地轉向設計

傳統轉運機械在果園內受地勢影響較大，工作轉向困難。本文設計的轉運機械對液壓馬達、機械原理、伺服電機等轉向結構分別進行三維數據設計及模擬驗證，最終以結構簡單、維護方便、可靠性強、重量輕等作為決定因素，選取合適的結構進行整機布局設計，遙控器控制雙電機分別驅動左右輪，實現四輪驅動，差速變速，以滿足機械原地轉向的功能。

2.5 果園轉運機械貨箱的折疊式設計

為該轉運機械實現既能在果園運輸肥料、果實，還能在農田運輸樹苗、玉米桿等長條作物，充分擴展機械的使用范圍。本文設計的果園轉運機械貨箱采用可折疊的結構形式，針對不同的運輸對象改變貨箱的形狀，以此提高該機型的通用性。

3 果園轉運機械需改進的方向

3.1 整機重量優化

本文設計的果園轉運機械在前期制造過程中，將研究重點放在功能的實現上，忽略了整機的重量。因該機主要應用于山地丘陵果園或農田環境，需要機械具有小型化、輕便化的特點，故后期優化設計過程中，要充分考慮整機的重量，如機身材質、輕型電池、電機型號的優化選擇等，在確保實現正常運轉和智能控制的基本功能前提下，盡量采用最小化、最輕便化機型，整機重量控制在180 kg以內。

3.2 機械的多功能化改進

本文設計的果園轉運機械因前期研究工作的局限性，機械功能僅停留在貨物運輸上，后期的設計將充分考慮購機者的需求，在保證滿足果實、肥料及長條作物運輸功能的同時，將果園的其他作業環節，如剪枝、噴霧等功能整合到結構設計中，實現該機械的多工況多功能使用要求。

3.3 農機與農藝結合

農藝技術的改進離不開適宜的農機配套裝備，農機要根據農藝要求生產和裝配。這就要求農機與農藝各個環節配套融合。農機與農藝融合是建立農機化技術與農藝技術相互促進、協調統一的現代農業生產方式，兩者高度融合，才能發揮農機潛力，實現農業增產增效。該機充分考慮丘陵地區農作物生長特點，設計適宜在陡坡環境作業的運輸機械，運輸機輪邊距、車廂底盤充分考慮作物生長間距、高度，將運輸機械與保護性技術有機融合，有效提高了運輸效率。

4 總結

丘陵和山地地區，主要的經濟作物大多種植在地形復雜的坡地甚至高山之上，復雜的地理形勢影響了全程機械化的發展，丘陵山區田間智能農業轉運機械是未來山地農業運輸發展的趨勢，較目前使用的燃油機動力式運輸車更加環保、高效，整機采用遙控器遠距離控制，顯著提高了操作手的安全，并且其傳動系統更加簡單輕便、容易拆卸維護，同時也可降低運輸車的制造成本，具有廣闊的發展前景。