丘陵山区果园智能农业转运机械设计研究

刘 芳，明 莉，冯 梅，蒯 超

(贵州农业职业学院，贵阳 551400)

1 现状与意义

1.1 研究现状

农业机械化是提高农业生产力的重要基础，是乡村振兴战略实施的重要支撑。随着农机化向信息化、自动化、智能化趋势发展，智能农机的发展需求日益显现。近年来，我国农机制造水平稳步提升，农机装备总量持续增长，农机作业水平快速提高，农业生产已从主要依靠人力畜力转向主要依靠机械动力，进入了机械化为主导的新阶段。但受农机产品需求多样、机具作业环境复杂等因素影响，当前农业机械化和农机装备产业发展不平衡不充分的问题比较突出，特别是农机科技创新能力不强、部分农机装备有效供给不足、农机农艺结合不够紧密、农机作业基础设施建设滞后等问题亟待解决。

要完善农机装备创新体系，瞄准农业机械化需求，加快推进农机装备创新，研发适合国情、农民需要、先进适用的各类农机，既要发展适应多种形式适度规模经营的大中型农机，也要发展适应小农生产、丘陵山区作业的小型农机，以及适应特色作物生产、特产养殖需要的高效专用农机。丘陵山区坡度大，宜机化要求难度大，尤其是货物、肥料、果实等田间运输环节。目前，市面上使用最多的还是传统的燃油机动力转运机械，消耗功率大、尾气排放对环境污染大，操作手的劳动强度大，部分坡度较大的农田，甚至还需要“肩挑背扛”，增加了果农的劳动强度，不利于农业现代化发展[1-8]。普通转运机械包括轮式和履带式运输机，运输能力强，但对道路要求高，在交通网络较好的地区使用广泛，但在山路崎岖甚至无路的丘陵山地中无法使用[9-14]；索道运输机大多应用于无法架设轨道的地区；轨道运输机功能单一，配套装备要求高，与之配套的装备、系统不健全[15]。研发配套的自动搬运和转运装备，实现整个运输环节的无人化作业需求日益凸显。

1.2 研究意义

目前，我国运输机械主要以轮式或履带式运输机为主，在山地丘陵地带的大部分农业生产作业还停留在人工作业阶段，存在效率低、工作量过大等问题。特别在四川、贵州、广西、云南、江西等地，多以丘陵和山地为主，地理环境复杂，地块小且不连片，种植分散，道路崎岖起伏不平。为解决常规的轮式和履带式运输机难以在地形情况复杂、大坡度的丘陵山地中运行的问题， 许多国内学者研究了依山地地形走势将轨道固定于地面的运输方式。目前，国内研究的轨道运输机主要有双轨道运输机和单轨道运输机，运行方式主要有乘坐式、自走式和牵引式。

为贯彻落实党中央、国务院推进农业绿色发展决策部署，加快农业全面绿色转型，持续改善农村生态环境，农业农村部、国家发展改革委、科技部、自然资源部、生态环境部、国家林草局制定了《“十四五”全国农业绿色发展规划》(以下简称《规划》)，节能减排、发展绿色农业势必成为实现农业现代化的主题。根据《规划》提出的要求，借鉴新能源汽车技术，将动力电池应用到转运机械作为动力能源，实现零排放的同时完成相应的运输作业，为国家早日实现碳达峰和碳中和目标贡献力量。

通过对一种智能果园转运机械结构的研究探讨，为新型智能果园转运机械的研发提供思路，以求减少劳动力成本开支，降低农民的劳动力强度，为山区丘陵田园的大面积种植和采摘奠定技术基础。丘陵山区田间智能农业转运机械是未来山地农业运输发展的趋势，较目前使用的汽油机动力式单轨运输车更加环保、高效，并且其传动系统更加简单轻便、容易拆卸维护，同时也可降低运输车的制造成本。从长远角度看，丘陵山区田间智能农业转运机械运行成本低，可有效提高经济效益；同时简单优化的传动方式使设备更加安全、可靠。因此，研发适用于丘陵山区的以纯电驱动的智能田间转运机械，可以为推进丘陵及山区农业机械化提供解决方案。

2 果园转运机械的创新点研究

2.1 果园转运机械的动力源设计

目前，市面上广泛应用的果园运输机动力源多采用燃油(汽油或柴油)驱动，传统能源燃烧后排出大量的废气，成本高、排放量大，对环境污染严重。本文设计的转运机械参照新能源汽车的开发应用，选取48 V锂电池或铅酸电池作驱动，续航能力可满足全天工作量，且采用双蓄电池作为动力源，可以实现双电源切换，增加续航能力。能源干净，实现零排放，绿色环保，还能有效降低成本，经济实用，拥有广阔的发展前景。

2.2 果园转运机械的底盘设计

山区丘陵地势复杂、坡度大，要求转运机械必须有较好的通过性能及爬坡能力，且对复杂地形具有很好的仿形能力。目前，普遍使用的轮式转运机械，在崎岖的山路上运输安全性能低；履带式机械底盘与地面接触面积大，相对于轮式运输机，重心较低，运行平稳，越野性能更好，更能适应复杂的地形，但制造成本高，原地转向能力差。部分研究侧重于依山地地形走势将轨道固定于地面的运输方式，可以做到根据地势更好仿形，但轨道成本大，市场价值不高。本文设计的转运机械车架底盘采用铰接式多边形结构，轮胎采用山地轮胎，并由两个800 W的电机驱动，可以实现45°的坡地攀爬能力，离地间隙大于120 mm，重心较低，运行平稳，越野性能更好，通过对底盘进行改造，更能适应复杂的地形。

2.3 果园转运机械的操作系统设计

目前，市面上运用最多的果园转运机械为驾驶员乘车控制机械操作系统，完成机械转向、加减速、倒车等操作。由于丘陵地势不平，坡度较大，作业环境恶劣，容易出现翻车等危险，严重影响机械操作人员的使用安全。本文设计的智能转运机械为无人驾驶运输车，采用自动化通讯系统，用遥控器控制小车工作，提高运输安全性。采用变速器和电机组合装置设计制动装置，运输车在失控的情况下，可以利用变速器和电机的组合装置进行自动制动，防止车辆在失控的情况下继续行驶，起到保护人员、运输车及货物的作用。

2.4 果园转运机械的原地转向设计

传统转运机械在果园内受地势影响较大，工作转向困难。本文设计的转运机械对液压马达、机械原理、伺服电机等转向结构分别进行三维数据设计及模拟验证，最终以结构简单、维护方便、可靠性强、重量轻等作为决定因素，选取合适的结构进行整机布局设计，遥控器控制双电机分别驱动左右轮，实现四轮驱动，差速变速，以满足机械原地转向的功能。

2.5 果园转运机械货箱的折叠式设计

为该转运机械实现既能在果园运输肥料、果实，还能在农田运输树苗、玉米杆等长条作物，充分扩展机械的使用范围。本文设计的果园转运机械货箱采用可折叠的结构形式，针对不同的运输对象改变货箱的形状，以此提高该机型的通用性。

3 果园转运机械需改进的方向

3.1 整机重量优化

本文设计的果园转运机械在前期制造过程中，将研究重点放在功能的实现上，忽略了整机的重量。因该机主要应用于山地丘陵果园或农田环境，需要机械具有小型化、轻便化的特点，故后期优化设计过程中，要充分考虑整机的重量，如机身材质、轻型电池、电机型号的优化选择等，在确保实现正常运转和智能控制的基本功能前提下，尽量采用最小化、最轻便化机型，整机重量控制在180 kg以内。

3.2 机械的多功能化改进

本文设计的果园转运机械因前期研究工作的局限性，机械功能仅停留在货物运输上，后期的设计将充分考虑购机者的需求，在保证满足果实、肥料及长条作物运输功能的同时，将果园的其他作业环节，如剪枝、喷雾等功能整合到结构设计中，实现该机械的多工况多功能使用要求。

3.3 农机与农艺结合

农艺技术的改进离不开适宜的农机配套装备，农机要根据农艺要求生产和装配。这就要求农机与农艺各个环节配套融合。农机与农艺融合是建立农机化技术与农艺技术相互促进、协调统一的现代农业生产方式，两者高度融合，才能发挥农机潜力，实现农业增产增效。该机充分考虑丘陵地区农作物生长特点，设计适宜在陡坡环境作业的运输机械，运输机轮边距、车厢底盘充分考虑作物生长间距、高度，将运输机械与保护性技术有机融合，有效提高了运输效率。

4 总结

丘陵和山地地区，主要的经济作物大多种植在地形复杂的坡地甚至高山之上，复杂的地理形势影响了全程机械化的发展，丘陵山区田间智能农业转运机械是未来山地农业运输发展的趋势，较目前使用的燃油机动力式运输车更加环保、高效，整机采用遥控器远距离控制，显著提高了操作手的安全，并且其传动系统更加简单轻便、容易拆卸维护，同时也可降低运输车的制造成本，具有广阔的发展前景。