山地农林运输车的现状分析及研究

王雅慧 化梦康 张帅昌 闫世杨

(河南科技学院，河南 新乡 450003)

绪论

我国是农业大国，农副产品生产和加工一直都是国民经济的支柱，农业机械化作为促进农业发展的主要科技手段也在不断推进。《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》(国发〔2018〕42号)提出推动农业机械化向全程全面高质高效升级，有力推进了农业机械化[1]。我国三大粮食作物耕种管收综合机械化率自2019年起均已超过80%，适合大规模机械化作业的平原地区农机应用普遍。与此同时，主要种植在丘陵山地区域的特色经济作物机械化也得到一定程度的发展[2]。但在我国国情和历史条件的制约下，适用于特殊区域的小型智能化农机的研发和使用尚在推进阶段。

我国幅员辽阔，丘陵山地约占全国土地总面积的43%，平原面积仅有12%，丘陵山地地区主要种植水果及茶叶等经济作物，传统的人力搬运难以满足运输需求，农业机械化推进任务较重。作为山区农林产品和物资运输的主力，丘陵山地运输车的研究和发展对我国农业机械化的推进起着至关重要的作用。

1 国外山地农林运输车的发展现状

国外丘陵山地运输车发展较早，早在19世纪就已经开始起步，最早设计的蒸汽机运输车以及蒸汽轨道运输车，主要用于林业运输。历经了1个多世纪的发展，随着山区运输需求的增大以及现代机械工业的进步，国外山地农林运输车主要以专用农林业运输车和轨道运输车为主，其中以欧美和日韩为代表，在技术及应用方面有了较大发展[3]。

1.1 欧美山地农林运输车发展

农业种植多以农场为主的欧美大部分国家，道路基础设施规划完善，运输车辆分为农场内部专用运输车和外部载重运输车2种。以美国为例，美国农场内部专用运输车以大动力轮式运输机为主，结合专用农产品作业机械，实现大农场作业自动化，外部载重运输车一般为常规越野卡车、客货两用车及大型箱式农用货车，同时匹配完善的公路、铁路以及航空运输网络，大型农产品仓储运输企业还拥有铁路专线[4]。

欧洲国家的水果生产和消费远高于其他国家，随着农业规模的增大，各国对农业运输车的需求也将大大增加，专用运输车应用较多，此类车辆多为拖拉机改造，考虑其运转灵活度，坡道作业能力以及与其他农用工具的连接件或挂钩设计。山地地形较多的德国、奥地利以及意大利等国由于地形原因，水果种植园多位于山区，日常运输及作业主要采用山地轨道运输、山地专用运输车及大型拖拉机，轨道运输技术主要来自日韩[5]，专用运输拖拉机技术研发较多。

意大利葡萄种植业盛行，为满足多样化葡萄品种种植的机械化需求，意大利卡塔尼亚大学研究改良的满足高脚藤葡萄栽培要求的牵引式跨行工具车，由普通拖拉机牵引，配备了液压活塞的2个车轮行驶，可调整工作高度，牵引杆配备的液压活塞可实现灵活转向，反向框架便于安装专用工具，可实现割草、打顶、喷雾、翻土等操作。牵引式多功能跨运车技术指标如表1所示。图1为牵引式跨运车修剪葡萄藤的工作情景[6]。为了满足葡萄园农业生产的灵活操作，意大利博尔扎诺自由大学科学与技术学院研究的“Tractor 360°极端条件下使用的新型拖拉机”，能够在梯田爬过130%的斜坡，并能通过小于1.1m的窄路和小于1.7m的隧道及涵洞，除了能满足极端工作环境，还能搭配喷雾器、割草机、秸秆切碎机、自卸车斗等工具，并设置了驾驶员保护装置[7]，如图2所示。

表1 意大利高脚藤葡萄园牵引式多功能跨运车技术指标

图1 牵引式跨运车修剪葡萄藤

1.2 日韩山地农林运输车发展

日韩国家的农林业型式和我国类似，农业运输以自走式履带和小型轮式运输车为主，山地果园及林业地貌多陡坡、道路弯曲迂回，山地轨道运输车应用较多[8]。单轨式山地运输车自20世纪60年代起在国外推广使用至今已较成熟，广泛应用于日、韩、德、意、奥等国的果园、林场、观光人员运输、物料运输、山地管道维保、种子园以及建筑材料运输等领域。

日本在1966年开发的“MonoRack”单轨运输车，是世界上第一台可爬陡坡的山地运输车，该车通过齿条和车轮的啮合运行，并进一步改良改进，目前仍为较领先的轨道运输车，其基本参数如表2所示。

表2 日本单轨运输车“MonoRack”技术参数[1]

韩国在1994年研发的轻型单轨专门用于森林单轨运输机，具有爬坡能力强，装卸方便且不损害林地等优势，在全球多个森林公园应用，并被我国引进用于森林旅游及森林交通运输[9]。忠南国立大学的Dongil Chang等研究调查了欧洲小型果园农业运输车的设计参数以及使用栽培条件，除了对欧洲果园种植果木类型、行距、间距等的调研，Dongil Chang等在研究中还充分考虑到果园农机果园中行驶导致的土壤压实、分布情况以及土壤渗透变化，以确定开发小型果园运输车的主要尺寸。

2 国内丘陵山地运输车的发展现状

我国山地运输车起步较晚，到20世纪80年代才开始起步，主要是两轮或三轮摩托和小型皮卡，且主要以平路运输车为主，少有专用丘陵山地运输车。目前国内农林运输车可分轨道式和单车式2种，应用较广的丘陵山地运输车多为轨道式。

2.1 轨道山地运输车的发展

我国早期轨道式山地运输车大多从日韩引进，后因价格昂贵开始自行研发。我国研发的轨道运输车按照坡度的陡缓分为牵引式和自走式2类，牵引式多为电机、内燃机或混动驱动，自走式多以内燃机为驱动[10]。轨道式山地运输车具有线路灵活，占地空间小，不需破坏建设地植被修路，不破坏原有生态等优势，在国内福建、湖北、湖南等地得到推广应用。为适应我国地形地貌及农业特征，华南农业大学研制了链式循环货运索道[11-13]、钢丝绳牵引式双轨运输车[14]、自走式双轨运输车[15]，湖南农业大学研制了遥控单轨运输车[16,17]以适应我国山地果园的机械化运输。

华南农业大学研制的货运索道能够较好地适应复杂路面，相比轨道式运输车体积更大、建造成本略高，安全性要求也更高，牵引式双轨运输车具有变轨功能，造价较低，简易经济，有人和无人驾驶均可，机动灵活。湖南农业大学研制的遥控单轨运输车尺寸小，上下坡载重可达300kg和500kg，能够满足基本运载要求，轨道建造成本低，可实现循环运输，而且能在设定点自动停车，远程控制前进倒退，具有一定的智能化，更加便捷。如图3～5所示。

图3 链式索道运输车

图4 牵引式双轨运输车

图5 单轨运输车

2.2 单车式山地运输车的发展

单车式山地运输车在我国也有所发展，与轨道山地运输机车相比，单车式山地运输车具有更好的机动性，根据其行走方式可分为轮式山地运输车和履带式山地运输车，如图6、图7所示。华南农业大学研制的自走式微型履带运输车[18,19]、轻型轮式运输车[20]、东北林业大学研制的单履带手扶运输设备[21]等适合山地果林运输的机械装备，在运送果品和农资以及农林活动操作方面起到了很大的作用。浙江农机研究所设计的小型双履带手扶运输车采用汽油机为动力，具有载重量大、最大载重640kg、接地比压小、越障能力强、转向灵活并具备自卸能力等优点，得到一定的推广[22]。仲恺农业工程学院设计的香蕉运输车采用三轮结构，以直流电机为驱动，具有过载和限速程序，运行平稳但动力不足，充电慢且续航能力差[23]。华中农业大学研究的小型单履带运输车结构紧凑，能够通过较窄的通道，具备较好的爬坡能力并具有防翻轮以避免侧翻，能够很好地适应梯田运输作业，具体技术指标见表3[22]。

图6 自走式微型履带运输车

图7 轻型轮式运输车

表3 华中农业大学小型单履带运输车基本参数

在丘陵山地地形行驶，轮式山地车有更好的适应性，但山地无路粘性土壤路面较多，轮式山地车由于接地面积小，其地面附着力远远小于履带运输车[24-28]。履带运输车由于整备质量较同载荷轮式山地车大，动力要求更高，在高负荷下爬坡越障时易侧翻[29-31]。

3 国内丘陵山地运输车的研究及展望

相比欧美日韩等国家，在农业机械化进程中，我国农林作物种植类别更加丰富，除了葡萄、苹果、桃子等水果外，还有茶树、橄榄、竹子、中草药、绿化林苗木、甘蔗等，对丘陵山地运输车的需求更加多样化和自动化。无论运输效率更高的轨道式运输车，还是灵活机动性更强的单车式运输车，在我国农林业生产中均有较高需求。韩国忠南国立大学的Dongil Chang等在对欧洲果园农机的调研中指出，其近期的发展趋势是提高用户操作的舒适度，实现车辆的自动驾驶，包括前进后退及停止等。提高车辆的操纵性能，通过对车轮和机体的控制使车辆适应坡面操作，提高爬坡度，设计更领先，并建立全球统一标准。

结合国内外现状及调研分析，本文就以上问题提出关于我国山地运输车的发展的3点看法：技术更加成熟，匹配更多使用场景，与多种农用工具自由结合，更加智能化；同时满足生态和生产需求，减少整备质量，实现轻量化；具备更广泛的适应性及更好的越野性，机动灵活。

3.1 使用场景多样化

随着我国人民生活水平的提高，农林作物种类日趋丰富，产销量也得以大幅提高，为了实现更方便更快捷的操作，加快农业机械化进度，农林业对运输车的自动化程度也提出了更高要求。农林产品的多样化意味着种植者对与各种农具结合的小型山地运输车需求量在增大，专用特制的山地运输车也将成为一大方向。华南农业大学研制的可喷洒农药的轨道运输车即得到了广泛应用。

3.2 整车轻量化

对于自走式山地运输车，车辆的整车质量直接关系到驱动动力以及动力因数的大小，整备质量越小，所需驱动动力越小，载货量越大，整车质量利用系数越高。牵引式山地运输车车厢的质量也直接关系到牵引动力的大小。在同一驱动力条件下，通过降低整备质量能够有效提高山地农林运输车的动力性。由式(1)可以看出，整车质量越小，动力因数越大，另外，流线型封闭的驾驶舱以及较小的迎风面积也能提高动力因数。

3.3 提高越野性及机动灵活性

对于单车式农林运输车，相比轮式车辆，履带式运输车具有更好的越障能力，但同时也存在质量过大，易造成园内土壤压实等缺点，如何实现2种底盘的综合，使农林运输车既具备轻量化又具有机动灵活性也是单车运输车的研究方向之一。山地运输车越过沟壑与台阶的高度与车轮直径有直接关系，如式(1)所示。车轮直径越大，车辆能越过的沟宽越宽，能跨过的高度也越高，但车轮直径越大，质心位置相对越高易引起行驶过程中抗侧翻能力差，操纵稳定性变差，因此，提高单车山地农林运输车的机动性需综合考虑车辆的车轮型式。

(1)

式中,ld为沟宽;D为车轮直径；hw为台阶高度。

结合我国农业生产规模普遍不大的现状，通常需要能够灵活穿梭于林地间的活动式运输车以配备农林业操作，单车式山地运输车有较好的适应性。综合分析常见的2类单车式山地农林运输车，对比轮式及履带式运输车的优缺点，在降低车辆整备质量的前提下提高车辆的越障以及爬坡性能，河南科技学院机电学院正在研究1款新型山地运输车，该运输车前轮为可调节升降组合轮，后轮为普通轮式，前轮可组合为类履带轮并具备升降和转向功能，货箱为可升降式以满足不同体积货物装载，同时匹配多自由度机械手臂实现自动装卸，手臂末端可实现爪式和吸盘式操作的替换，爪式手臂主要用于与货箱匹配的专用单体箱装卸，吸盘式手臂则用于不规则形态货物装载，实现功能的多样性以满足当前山地农业机械化要求，如图8所示。

图8 轮组式山地自装卸运输车

该运输车具有可调节升降组合轮，可在原有基础上将离地间隙调高，调高范围可根据操作环境在20cm内变化，在地面附着力不好的路面可组合为类履带轮。该运输车同时具备可升降式货箱板，匹配专用卡扣式减震货箱，使货物在运输过程中减少震动损失，并安装多自由度机械手臂实现自动装卸。该山地农林运输车具备封闭式驾驶室，且为流线型，能有效降低风阻系数CD，具有较好的空气动力学性能，能够在一定范围内降低能源消耗。

4 结论

本研究旨在通过对国内外农林山地运输车发展及研究现状分析，了解当前以欧美、日韩为代表的发达国家在山地运输车方面的研究进展以及我国目前研究和推广应用的山地农林运输车的主要类型，综合分析国外研究趋势以及国内农林业需求，提出3点看法：使用场景多样化，能够与更多农用工具连接匹配使用，更加智能化；减轻整备质量，实现轻量化，降低土壤压实率，降低能耗；具备更好的机动灵活性，通过性更好，尺寸更紧凑。介绍了河南科技学院机电学院研究的轮组式山地自装卸运输车，满足当前农林运输车发展趋势，以期为我国山地农林运输车的发展提供参考。