叉车的发展概述及前景展望*

陈佩珊 李思奇 周嘉欣 吴林旭

北华航天工业学院电子与控制工程学院 廊坊 065000

0 引言

随着我国工业的发展，企业对搬运货物的需求日益增大，叉车因其具有对货物进行装卸、堆垛以及短距离运输等特点，逐渐成为货物运输中的重要环节。随着叉车开始应用于不同的场地以及国家标准的提高，其种类逐渐增多，技术也逐渐发展起来，驱动方式从手动到内燃和电驱动；控制由手动到自动再到现在的智能控制。随着市场需求的不同以及技术的迭代，叉车逐渐向锂电化、系列化、定制化、智能化、无人化发展[1]。

在自动化、智能化、环保化的产业背景下，叉车行业也在高质量发展中，其构建的需求导向型研发体系根据市场及客户需求研发出新的车型。综合考虑各项指标，采用新工艺，坚持独立自主的创新和对技术指标的深层挖掘，使新产品向精细化管理转型升级。从传统制造到智能现代化，国家积极鼓励创新，对于叉车的人性化、节能化、智能化等技术都是抓住新能源和智能化新兴领域的发展机遇，向智能物流、云智能管理等核心技术靠拢、融合。像油改电如氢燃料电池牵引车、自动化与智能控制、新能源等技术的趋势优势正在脱颖而出[2]。本文以现有的叉车技术为基准进行分析、比较、总结，并展望叉车未来的发展。

1 国内外发展现状

1.1 国外发展现状

在20世纪20年代，美国的公司生产出第一辆液压升降叉车，K型电动货车叉车，之后德国也研制出第一个生产堆高机，美国在随后研发了第一款液压升降系统。在20世纪30年代，海斯特公司生产出了第一代有货叉的跨腿式叉车和有电缆葫芦系统的BT型叉车，随后Rudolf公司研发出了第一款柴油发电机，日本公司也紧随其后生产了日本第一辆电动叉车。在20世纪40年代，英国宝狮公司也崛起，生产出了欧洲第一辆电动三轮叉车，随后瑞典也加入叉车研发的行列。在之后的几十年里，德国、意大利相继研发了不同类型的叉车，加入到了叉车研发的行列，并且各个国家在不断地创新研发，各种类型性能的叉车相继问世[3]。

1.2 国内发展现状

在20世纪50年代末，我国第一台电动叉车和内燃叉车在辽宁诞生，标志着我国叉车行业的起步。目前，我国各类叉车批量生产的企业，除了满足现在国内的市场需求外，还有部分出口国外，占有部分海外市场。目前，国内的叉车品牌包括国产品牌、进口品牌和合资品牌。其中，国产品牌有合力、杭叉、龙工、柳工等；进口品牌有林德（德国）、三菱（日本）、丰田（日本）等；合资品牌有TCM（安徽）、斗山、小松等。近些年，越来越多的世界排名前列的叉车品牌在中国开辟市场，如此刻见我国叉车市场拥有很大的潜力[4]。

在工业生产中，叉车已应用到很多领域，叉车技术在未来的发展中会逐渐向更加环保化、智能化、系列专业化等进行精细化转变，并在性能上得到更大发展。

1）安全性

随着我国经济的发展，特种设备行业得到了充分发展，场内专用机动车辆的使用更加普及，然而随着其应用的广泛，在使用过程中频现安全问题。

最常见的问题就是叉车挡货架的设计标准、拆除、焊补和锈蚀等问题，解决这些问题的方案有2个：一是对叉车资料的核查，二是对其外观的检查[5]。

最容易出现重大事故的安全问题就是失去平衡。以重式叉车为例说明叉车的安全特性[6]，叉车失去平衡的主要因素有超重、超高、偏载、超载等，为了避免这些情况的发生要特别注意叉车规格的各个额定标量，使用者一定要在这些要求内进行规范操作。

2）节能环保性

节约资源、保护环境是产业持续发展中的重要环节，故高技术水平、高附加值、低污染、低排放成为生产叉车的新标准。然而就环保性而言，电动叉车要比内燃叉车环保得多，现在多是通过对内燃型叉车的改进来发挥出内燃叉车的其他特性，而内燃叉车造成的污染主要有噪声污染和空气污染。

解决噪声污染需对内燃叉车噪声污染进行分析，综合考虑可得出噪声污染[7]主要来自发动机噪声、燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声、液压系统噪声、传动系统噪声、轮胎噪声[8]等，解决方案也不尽相同。

解决空气污染问题可通过对叉车柴油机的改进和优化[9]，既保证了柴油机动力控制需要，又确保其废气满足国家的环保规定。另外，也可通过研究发动机的工作情况、进排气以及燃油系统工作情况、触媒转换器是否中毒等提出解决方案[10]。若要根本解决可从燃料上进行改进[11]，以根治内燃叉车造成空气污染的问题。

而混合动力叉车[12]则很好地改进了内燃叉车的污染和电动叉车动力不足的问题，并融合了这2类叉车的优势，使叉车性能更加完善，技术更加成熟。

国内某集团进行创新改革，将技术中心向绿色节能、智能工业车辆以及集成智能物流系统的方向发展；林德公司则对为解决环保问题而提出的能源解决方案进行了分析，即能源技术的迭代愈发提速，新能源应用的行业也愈发的广泛，且在降低成本方面也有显著成效；BYD公司生产的新能源叉车，充电效率高且无噪声。

3）智能性

随着科技的进步，工业场景越来越多样化，对智能化要求也越来越高，叉车开始向智能化发展，电动智能叉车[13]已成功研发，工人只需在安全区域进行遥控即可进行控制。

就叉车的行走方式和转弯半径而言，AGV叉车开始崛起，制造商现已将自然导航和激光导航等技术应用于叉车上。若要对AGV叉车进行优化[14]，可从激光引导原理、轨迹跟踪算法、控制电路的改造、软件设计等方面出发实验分析AGV叉车，对其进行改造，使其实现行走、转向、提升等功能的优化控制。国内一款AGV叉车以及窄巷道三向叉车极好地填补了狭小的空间内搬运重型货物的空白[15]。目前国内某公司的5G实验室正在用高清的摄像头来替代激光导航，以便降低成本，实现真正的视觉导航。另外，还有一种是将叉车和视觉导航进行智能化结合[16]，根据叉车的工作环境设计出一种基于跟踪器的特征边缘直线的跟踪方法和区域跟踪的叉车视觉导航系统。该系统以路径边缘和货架边缘作为跟踪目标进行探索和研究，使叉车能像人脑一样自动导航，实现在叉车运行环境中基于视觉导航的自主运行。

为解决叉车转弯半径大的缺点，现将AGV叉车结合麦克纳姆轮（简称麦轮）实现零转弯半径的特点[17]。然而，对AGV叉车倾斜畸变进行校正也是一个问题，可通过根据导引色带进行动态倾斜标定的方法[18]解决此难题，该方法的测量精度高，可精确感知车体托盘距离，控制系统的鲁棒性、实时性较好，对提高单目视觉自动导引叉车视觉导引精度及叉车对接托盘过程中实时测距具有实用价值。

随着机器人的普及，文献[19]设计了具备行走、货叉、寻迹等功能的慧鱼模型叉车智能机器人。履带式搬运叉车机器人可通过模糊化机器人与障碍物之间的距离建立模糊规则，实现机器人的模糊避障控制[20]。

为了跟上无人化的步伐，文献[21]设计了一款基于Arduino无人叉车，可通过连接蓝牙与Android手机通信。若之后再将设计的控制界面，引入视觉系统，监控运行，会使操控更便捷。将激光叉车[22]一类的无人驾驶叉车引入无人仓储空间，既可提高无人仓储空间的使用率、生产效率和产业物流的管理水平，又使整个仓储系统得以优化。如比亚迪叉车中的蓝蚁MINI系列，可应用到所有无人化的场景中，其打造的整体解决方案具有差异化和独特性[23]。同时，大数据分析和云计算能为用户带来更多的价值点，工业自动化已成为当前不可逆的趋势。

表1 各类叉车性能比较

4）故障诊断

为了解决叉车无人智能化后会出现的故障问题，有一种内燃叉车的故障诊断方式[24]，其主要是基于专家系统的内燃叉车故障诊断方法和故障树分析的内燃叉车故障诊断专家系统。

经过智能优化后，电动叉车线控转向（SBW）系统取代转向盘和转向轮之间的机械连接装置用电子方式连接，虽便于与其他系统集成、统一协调控制，但该系统可能会毫无预警地发生故障[25]。为了解决这一故障，建立了解析模型，但解析模型过于复杂且精度较差，会使鲁棒性问题更加棘手。因此，采用不基于解析模型的故障诊断方法的分析，即基于信号、知识、离散事件的方法，并基于其所建立的线控转向叉车模型，以及其系统结构组成、运作原理和故障类型，提出滑模观测器、自适应算法及模型参考控制器来解决电动叉车线控转向系统传感器的故障诊断、重构以及容错控制，使对电动叉车的故障诊断更加完备。

由此可见，我国叉车要想领跑国际叉车市场，不但要坚持创新，还要让叉车产品多样化、专业化和系列化，形成大规模的生产，并使叉车可以相互配合，解决单一化问题，才能提高中国叉车产业抗风险的能力。然而，中小企业无法像大型企业一样进行系列化生产，需要进行升级，注重质量，向精细化、差异化发展。

2 根据叉车的驱动方式分类

叉车的分类方式有很多种：按照叉车的结构类型与特点、叉车可插起的质量、叉车的运动方式等，在此根据叉车的驱动方式进行分类[26]。

2.1 手动驱动方式

手动式叉车是一种高起升装卸和短距离运输两用车，由于不产生火花和电磁场。特别适用于汽车装卸及车间、仓库、码头、车站、货场等地的易燃、易爆和禁火物品的装卸运输以及一些距离短、宽度窄的空间，如小型超市的货架等，该叉车具有升降平衡、转动灵活、操作方便等特点。由于需要人力进行驱动，所以相对于内燃机和电驱动的叉车相比，叉车的运输量较少，效率较低，且费时费力。

各国学者对于乡村旅游的起源地是在欧洲四国(英国、法国、西班牙、意大利)，还是法国或英国之间有不同争论[2]，法国较早出现乡村住宿、农家生活体验、休闲接待等旅游活动，大多数学者都认同法国是乡村旅游的起源地与成熟地[3]332-342。关于乡村旅游的概念，学界目前仍未取得一致结论，但乡村旅游具备两个基本特征：一是当地农民参与乡村旅游的发展；二是利用乡村基础设施和遗产资源作为住宿设施和景点[4]，即具有“乡村性”，这一说法是被普遍接受的。

2.2 液压驱动方式

液压驱动车常用人力驱动液压系统来实现托盘货物的起升和下降动作，并由人力拉动完成搬运作业的机械设备。手动液压车具有较大的承载能力，是用于短距离搬运重物的工具之一，由人力驱动液压系统来实现货物的起升和下降动作，并由人力拉动完成搬运作业。全电动液压车货物上升和下降原理与半电动液压车相同，不同之处在于全电动液压车所有作业均采用电力制系统，无须人力操作，是较省时省力的一款搬运工具，广泛应用于物流、仓库、商场、车间、学校、机场等[27]。

2.3 内燃机驱动方式

内燃叉车发动机的能源主要采用柴油，有些也用汽油、液化石油气或天然气。因此，底盘低且质量大，稳定性极好，转向性较低，相对于其他驱动的叉车较笨重。由于承载能力、驱动性和续航能力很高，故多用于户外的大型运输场所的运输任务。但是，该驱动型叉车存在较大空气污染和噪声污染，所以比其他驱动型的叉车污染程度较严重[28]。

2.4 电驱动方式

目前，多数叉车采用电驱动的方式，多以蓄电池为能源为发动机供能。现在电动叉车的承载能力和驱动性能都有所提高，但因为需要蓄电池进行供电，所以续航能力有待改进，稳定性能稍逊于内燃机叉车。文献[29]提出了一种以交流驱动的叉车驱动技术，它采用矢量控制交流异步电机的驱动技术，电机的结构非常稳定且简单，在操作时有较强的可控性。比亚迪生产新能源叉车，其核心技术优势是电池技术。

即使现有的电动叉车已较完善，但仍有欠缺的方面，如文献[30]中提到的特种叉车（即冷库叉车），由于其场地的特殊性，对于电池、材料、硬件设备等有特殊的要求，电动防爆叉车的电动防爆叉车技术等。

3 关于叉车的国家标准[31]

1）JB/T 2391－2017《500～10 000 kg乘驾式平衡重式叉车》规定了额定起重量为500～10 000 kg乘驾式平衡重式叉车的基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、随行文件、运输和贮存等，适用于控制方式为乘驾式额定起重量为500～10 000 kg的平衡重式叉车，步驾式平衡重式叉车可参照执行。

2）JB/T 3244－2005《蓄电池前移式叉车》规定了额定起重量为500～5 000 kg蓄电池前移式叉车的基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、运输、贮存和质量保证期。

3）JB/T3299－2012《手动插腿式液压叉车》规定了手动插腿式液压叉车的基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。

4）JB/T 3340－2005《插腿式叉车》规定了额定起重量为500～3 000 kg蓄电池插腿式叉车的基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、运输、贮存和质量保证期。

5）JB/T 9012－2011《侧面式叉车》规定了侧面式叉车的型号、基本参数、技术要求和试验方法，适合额定起重量为10 t以下（含10 t）的侧面式叉车。

4 叉车的发展趋势

近年来，叉车业发展迅速，随着应用范围的广泛，搬运货物的多样，各式各样的叉车应运而生，且更加注重叉车外观的多元化、操作的安全性、人机效应、人的感官效应如操作时的舒适度等。电动仓储叉车、防爆叉车、集装箱堆高机、越野叉车等中高端的产品也是高技术含量和高附加值的代表，满足客户的个性化需求，也会是未来的一大发展趋势。

4.1 5G与叉车结合

随着中国5G时代的到来，叉车又走向智能化迈进了一大步，有一种基于5G的剪叉车无线遥控装置[32]，如果将此新型技术与电动智能叉车有机结合在一起，可使叉车实现无人驾驶；若再和AGV叉车进行结合，使用者只需在安全区域内对叉车发出指令，叉车就能实现全程自动化。

4.2 叉车与无人仓储结合

随着信息化时代的到来，无人智能仓储逐步发展起来，而这一技术将会成为未来物流设备发展的主流理念。但是，无人仓储的子系统和技术尚存在问题，像人机协同技术[33]、集群处理、设备和系统的异常响应等都需要处理[34]。5G与AGV叉车的结合[35]构成了云叉车，推动了物流仓储自动化、智能化建设，将AGV运用到叉车，成立AMS自动化管理系统、AGV的硬件设备和管理系统（NDC），构建起全流程的物流管理体系，实现对仓储货物的动态监控，实现了物流运输的可追溯化、可视化管理。我国内的叉装机是基于装载机和大吨位叉车演化合并后的产物，若对叉装机也进行云叉车式处理，无人仓储的搬运量则会成倍的增加。可见，5G物联网技术的应用实现了整个物流的信息化、透明化，智能化。

4.3 叉车与视觉结合

5G无人智能叉车与视觉的结合，可以更好地应用于各大工作环境，5G加上视觉再配合上边缘计算形成互补，辅助了无人驾驶，使整体的智能化提高[36]。

由于现有的磁条导航、激光导航都有一定局限性，而视觉导航是通过动态规划路线的方式，减少了项目在实施的过程中遇到的一些问题，故视觉导航是未来导航的发展趋势。

5 结论

目前，智能制造已经成为全球新一轮产业竞争的制高点，为新工业革命提供了关键的支撑并为深化互联网+先进制造奠定了夯实的基础，相信通过智能制造会领导个大产业向高质量发展前进。根据市场的发展趋势，叉车在未来会变得更加智能化、新能源化、小型化，并且无人化、智能化会更加成熟，推动该技术领域更快地发展，造福社会。