劉 芳，明 莉，馮 梅，蒯 超

(貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，貴陽 551400)

1 現(xiàn)狀與意義

1.1 研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施的重要支撐。隨著農(nóng)機(jī)化向信息化、自動(dòng)化、智能化趨勢(shì)發(fā)展，智能農(nóng)機(jī)的發(fā)展需求日益顯現(xiàn)。近年來，我國(guó)農(nóng)機(jī)制造水平穩(wěn)步提升，農(nóng)機(jī)裝備總量持續(xù)增長(zhǎng)，農(nóng)機(jī)作業(yè)水平快速提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已從主要依靠人力畜力轉(zhuǎn)向主要依靠機(jī)械動(dòng)力，進(jìn)入了機(jī)械化為主導(dǎo)的新階段。但受農(nóng)機(jī)產(chǎn)品需求多樣、機(jī)具作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等因素影響，當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展不平衡不充分的問題比較突出，特別是農(nóng)機(jī)科技創(chuàng)新能力不強(qiáng)、部分農(nóng)機(jī)裝備有效供給不足、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合不夠緊密、農(nóng)機(jī)作業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后等問題亟待解決。

要完善農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新體系，瞄準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化需求，加快推進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新，研發(fā)適合國(guó)情、農(nóng)民需要、先進(jìn)適用的各類農(nóng)機(jī)，既要發(fā)展適應(yīng)多種形式適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的大中型農(nóng)機(jī)，也要發(fā)展適應(yīng)小農(nóng)生產(chǎn)、丘陵山區(qū)作業(yè)的小型農(nóng)機(jī)，以及適應(yīng)特色作物生產(chǎn)、特產(chǎn)養(yǎng)殖需要的高效專用農(nóng)機(jī)。丘陵山區(qū)坡度大，宜機(jī)化要求難度大，尤其是貨物、肥料、果實(shí)等田間運(yùn)輸環(huán)節(jié)。目前，市面上使用最多的還是傳統(tǒng)的燃油機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械，消耗功率大、尾氣排放對(duì)環(huán)境污染大，操作手的勞動(dòng)強(qiáng)度大，部分坡度較大的農(nóng)田，甚至還需要“肩挑背扛”，增加了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，不利于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展[1-8]。普通轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械包括輪式和履帶式運(yùn)輸機(jī)，運(yùn)輸能力強(qiáng)，但對(duì)道路要求高，在交通網(wǎng)絡(luò)較好的地區(qū)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(yùn)輸機(jī)大多應(yīng)用于無法架設(shè)軌道的地區(qū)；軌道運(yùn)輸機(jī)功能單一，配套裝備要求高，與之配套的裝備、系統(tǒng)不健全[15]。研發(fā)配套的自動(dòng)搬運(yùn)和轉(zhuǎn)運(yùn)裝備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的無人化作業(yè)需求日益凸顯。

1.2 研究意義

目前，我國(guó)運(yùn)輸機(jī)械主要以輪式或履帶式運(yùn)輸機(jī)為主，在山地丘陵地帶的大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)還停留在人工作業(yè)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(huán)境復(fù)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(guī)的輪式和履帶式運(yùn)輸機(jī)難以在地形情況復(fù)雜、大坡度的丘陵山地中運(yùn)行的問題， 許多國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了依山地地形走勢(shì)將軌道固定于地面的運(yùn)輸方式。目前，國(guó)內(nèi)研究的軌道運(yùn)輸機(jī)主要有雙軌道運(yùn)輸機(jī)和單軌道運(yùn)輸機(jī)，運(yùn)行方式主要有乘坐式、自走式和牽引式。

為貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展決策部署，加快農(nóng)業(yè)全面綠色轉(zhuǎn)型，持續(xù)改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家發(fā)展改革委、科技部、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家林草局制定了《“十四五”全國(guó)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)，節(jié)能減排、發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)勢(shì)必成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主題。根據(jù)《規(guī)劃》提出的要求，借鑒新能源汽車技術(shù)，將動(dòng)力電池應(yīng)用到轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械作為動(dòng)力能源，實(shí)現(xiàn)零排放的同時(shí)完成相應(yīng)的運(yùn)輸作業(yè)，為國(guó)家早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

通過對(duì)一種智能果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究探討，為新型智能果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械的研發(fā)提供思路，以求減少勞動(dòng)力成本開支，降低農(nóng)民的勞動(dòng)力強(qiáng)度，為山區(qū)丘陵田園的大面積種植和采摘奠定技術(shù)基礎(chǔ)。丘陵山區(qū)田間智能農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械是未來山地農(nóng)業(yè)運(yùn)輸發(fā)展的趨勢(shì)，較目前使用的汽油機(jī)動(dòng)力式單軌運(yùn)輸車更加環(huán)保、高效，并且其傳動(dòng)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單輕便、容易拆卸維護(hù)，同時(shí)也可降低運(yùn)輸車的制造成本。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，丘陵山區(qū)田間智能農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械運(yùn)行成本低，可有效提高經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)簡(jiǎn)單優(yōu)化的傳動(dòng)方式使設(shè)備更加安全、可靠。因此，研發(fā)適用于丘陵山區(qū)的以純電驅(qū)動(dòng)的智能田間轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械，可以為推進(jìn)丘陵及山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化提供解決方案。

2 果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械的創(chuàng)新點(diǎn)研究

2.1 果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械的動(dòng)力源設(shè)計(jì)

目前，市面上廣泛應(yīng)用的果園運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力源多采用燃油(汽油或柴油)驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)能源燃燒后排出大量的廢氣，成本高、排放量大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械參照新能源汽車的開發(fā)應(yīng)用，選取48 V鋰電池或鉛酸電池作驅(qū)動(dòng)，續(xù)航能力可滿足全天工作量，且采用雙蓄電池作為動(dòng)力源，可以實(shí)現(xiàn)雙電源切換，增加續(xù)航能力。能源干凈，實(shí)現(xiàn)零排放，綠色環(huán)保，還能有效降低成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，擁有廣闊的發(fā)展前景。

2.2 果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械的底盤設(shè)計(jì)

山區(qū)丘陵地勢(shì)復(fù)雜、坡度大，要求轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械必須有較好的通過性能及爬坡能力，且對(duì)復(fù)雜地形具有很好的仿形能力。目前，普遍使用的輪式轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械，在崎嶇的山路上運(yùn)輸安全性能低；履帶式機(jī)械底盤與地面接觸面積大，相對(duì)于輪式運(yùn)輸機(jī)，重心較低，運(yùn)行平穩(wěn)，越野性能更好，更能適應(yīng)復(fù)雜的地形，但制造成本高，原地轉(zhuǎn)向能力差。部分研究側(cè)重于依山地地形走勢(shì)將軌道固定于地面的運(yùn)輸方式，可以做到根據(jù)地勢(shì)更好仿形，但軌道成本大，市場(chǎng)價(jià)值不高。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械車架底盤采用鉸接式多邊形結(jié)構(gòu)，輪胎采用山地輪胎，并由兩個(gè)800 W的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)45°的坡地攀爬能力，離地間隙大于120 mm，重心較低，運(yùn)行平穩(wěn)，越野性能更好，通過對(duì)底盤進(jìn)行改造，更能適應(yīng)復(fù)雜的地形。

2.3 果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，市面上運(yùn)用最多的果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械為駕駛員乘車控制機(jī)械操作系統(tǒng)，完成機(jī)械轉(zhuǎn)向、加減速、倒車等操作。由于丘陵地勢(shì)不平，坡度較大，作業(yè)環(huán)境惡劣，容易出現(xiàn)翻車等危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響機(jī)械操作人員的使用安全。本文設(shè)計(jì)的智能轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械為無人駕駛運(yùn)輸車，采用自動(dòng)化通訊系統(tǒng)，用遙控器控制小車工作，提高運(yùn)輸安全性。采用變速器和電機(jī)組合裝置設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置，運(yùn)輸車在失控的情況下，可以利用變速器和電機(jī)的組合裝置進(jìn)行自動(dòng)制動(dòng)，防止車輛在失控的情況下繼續(xù)行駛，起到保護(hù)人員、運(yùn)輸車及貨物的作用。

2.4 果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械的原地轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械在果園內(nèi)受地勢(shì)影響較大，工作轉(zhuǎn)向困難。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械對(duì)液壓馬達(dá)、機(jī)械原理、伺服電機(jī)等轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)及模擬驗(yàn)證，最終以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性強(qiáng)、重量輕等作為決定因素，選取合適的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整機(jī)布局設(shè)計(jì)，遙控器控制雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右輪，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，差速變速，以滿足機(jī)械原地轉(zhuǎn)向的功能。

2.5 果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械貨箱的折疊式設(shè)計(jì)

為該轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械實(shí)現(xiàn)既能在果園運(yùn)輸肥料、果實(shí)，還能在農(nóng)田運(yùn)輸樹苗、玉米桿等長(zhǎng)條作物，充分?jǐn)U展機(jī)械的使用范圍。本文設(shè)計(jì)的果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械貨箱采用可折疊的結(jié)構(gòu)形式，針對(duì)不同的運(yùn)輸對(duì)象改變貨箱的形狀，以此提高該機(jī)型的通用性。

3 果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械需改進(jìn)的方向

3.1 整機(jī)重量?jī)?yōu)化

本文設(shè)計(jì)的果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械在前期制造過程中，將研究重點(diǎn)放在功能的實(shí)現(xiàn)上，忽略了整機(jī)的重量。因該機(jī)主要應(yīng)用于山地丘陵果園或農(nóng)田環(huán)境，需要機(jī)械具有小型化、輕便化的特點(diǎn)，故后期優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮整機(jī)的重量，如機(jī)身材質(zhì)、輕型電池、電機(jī)型號(hào)的優(yōu)化選擇等，在確保實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)型，整機(jī)重量控制在180 kg以內(nèi)。

3.2 機(jī)械的多功能化改進(jìn)

本文設(shè)計(jì)的果園轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械因前期研究工作的局限性，機(jī)械功能僅停留在貨物運(yùn)輸上，后期的設(shè)計(jì)將充分考慮購(gòu)機(jī)者的需求，在保證滿足果實(shí)、肥料及長(zhǎng)條作物運(yùn)輸功能的同時(shí)，將果園的其他作業(yè)環(huán)節(jié)，如剪枝、噴霧等功能整合到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)該機(jī)械的多工況多功能使用要求。

3.3 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合

農(nóng)藝技術(shù)的改進(jìn)離不開適宜的農(nóng)機(jī)配套裝備，農(nóng)機(jī)要根據(jù)農(nóng)藝要求生產(chǎn)和裝配。這就要求農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝各個(gè)環(huán)節(jié)配套融合。農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合是建立農(nóng)機(jī)化技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)相互促進(jìn)、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，兩者高度融合，才能發(fā)揮農(nóng)機(jī)潛力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效。該機(jī)充分考慮丘陵地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適宜在陡坡環(huán)境作業(yè)的運(yùn)輸機(jī)械，運(yùn)輸機(jī)輪邊距、車廂底盤充分考慮作物生長(zhǎng)間距、高度，將運(yùn)輸機(jī)械與保護(hù)性技術(shù)有機(jī)融合，有效提高了運(yùn)輸效率。

4 總結(jié)

丘陵和山地地區(qū)，主要的經(jīng)濟(jì)作物大多種植在地形復(fù)雜的坡地甚至高山之上，復(fù)雜的地理形勢(shì)影響了全程機(jī)械化的發(fā)展，丘陵山區(qū)田間智能農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械是未來山地農(nóng)業(yè)運(yùn)輸發(fā)展的趨勢(shì)，較目前使用的燃油機(jī)動(dòng)力式運(yùn)輸車更加環(huán)保、高效，整機(jī)采用遙控器遠(yuǎn)距離控制，顯著提高了操作手的安全，并且其傳動(dòng)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單輕便、容易拆卸維護(hù)，同時(shí)也可降低運(yùn)輸車的制造成本，具有廣闊的發(fā)展前景。