陳衛(wèi)靈 ， 陳中武 ， 岳丹丹，2 ， 李沐桐 ， 何 林

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630）

我國的丘陵山地面積約占到全國總土地面積的43%。由于丘陵山地地勢高低起伏，復雜多變，長期以來，丘陵山區(qū)的農(nóng)用運輸缺乏機械化運輸工具，農(nóng)資和農(nóng)產(chǎn)品的往來運輸主要依靠人力和畜力，耗費了大量勞動力資源，且效率低下，嚴重阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化進程。為破解丘陵山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運輸?shù)碾y題，近年來，我國科技工作者先后研發(fā)了多款可用于丘陵山地的農(nóng)用軌道運輸機，這些農(nóng)業(yè)軌道運輸機的共同特點都是通過在高低起伏的坡地、林地間架設(shè)簡易軌道，以動力機車作為動力，牽引載貨車廂在軌道上行走，實現(xiàn)農(nóng)用物資的機械化運輸。課題組對上述幾種類型的運輸機進行歸納梳理，分析目前短板技術(shù)，探索未來發(fā)展方向和研發(fā)目標。

1 裝備分類與技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)農(nóng)用軌道運輸機主要有自走式單軌運輸機、自走式雙軌道運輸機、單向牽引式雙軌運輸機。雙向牽引式索軌運輸機等幾種類型，部分裝備已實現(xiàn)量產(chǎn)，課題組將挑選在目前市場應(yīng)用較廣泛的主流產(chǎn)品進行整體介紹和關(guān)鍵技術(shù)分析。

1.1 自走式單軌運輸機

圖1是廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研發(fā)的自走式單軌運輸機示意圖，其實物圖如圖2所示。主要結(jié)構(gòu)由牽引機車、傳動裝置、驅(qū)動輪、載貨車、軌道、制動裝置等部件構(gòu)成[1]。牽引機車通過傳動裝置的變速箱減速后帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，布置在驅(qū)動輪圓周上的滾子與導軌底部的齒條進行嚙合運動，推動牽引機車、載貨車沿軌道運動。制動裝置的兩個離心式剎車裝置負責限制行進速度和意外失速時緊急制動，傳動裝置的變速箱有正反轉(zhuǎn)和空擋轉(zhuǎn)換手柄，使運輸機可以在軌道上往復行走、任意點啟停。牽引機車的動力由汽油發(fā)動機提供，也有部分廠家使用電動機提供動力，結(jié)構(gòu)和工作原理大體相同。自走式單軌運輸機運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)彎半徑?。ㄗ钚∷睫D(zhuǎn)彎半徑2 m，最小垂直轉(zhuǎn)彎半徑4 m），爬坡能力強（最大爬坡能力可達45°），且占地面積小，架設(shè)簡單、方便、靈活[2]，故在丘陵山地中應(yīng)用較多。但由于軌道是單軌結(jié)構(gòu)，承載能力有限，一般載重量都不大于500 kg，且容易因載貨重心發(fā)生偏移引起側(cè)翻。

圖1 果園單軌運輸機總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 果園單軌運輸機實物圖

圖3是日本研發(fā)的中型自走式單軌運輸機實物圖，主要結(jié)構(gòu)由牽引發(fā)動機、減速傳動裝置、載貨平板或車斗、工字型軌道、制動裝置等部件構(gòu)成。牽引機車通過減速傳動裝置減速帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，導軌兩側(cè)的齒條進行嚙合運動，牽引機車帶動載貨平臺沿軌道運動。下坡制動及限速主要依靠離心式剎車裝置，緊急情況下制動依靠內(nèi)張式剎車裝置。傳動裝置的變速箱有正反轉(zhuǎn)和空擋轉(zhuǎn)換手柄，前進速度有三擋可調(diào)，使運輸機可在軌道上前進、后退、停止。牽引機車的動力為10 kW左右的汽油發(fā)動機，最大爬坡角度可達45°，主要用于在無道路山區(qū)坡道搬運重物，如運輸沙土、輸電線等。導軌截面由上下兩條矩形管、中間鋼板焊接而成，導軌兩側(cè)齒條傳動，承載能力最大可達1 000 kg。

圖3 中型單軌運輸機實物圖

圖4是日本研發(fā)的大型雙軌運輸機實物圖，主要結(jié)構(gòu)由牽引機車、載貨平板、軌道等部件構(gòu)成。最大爬坡能力能達到45°，最大承載能力可達4 000 kg，牽引機車的動力47.8 kW，主要用于在無道路坡道搬運泥沙、運輸設(shè)備、基建物質(zhì)等。

圖4 大型雙軌運輸機實物圖

1.2 單向牽引式雙軌運輸機

華南農(nóng)業(yè)大學歐陽玉平等[3-4]針對山地果園軌道運輸機無法搬移、戶外施工難度大、設(shè)備利用率較低等問題，設(shè)計了一種拆裝式單向牽引式雙軌運輸機。該機設(shè)計裝載質(zhì)量500 kg，最大爬坡角度40°，運輸機鋼絲繩直徑為7.7 mm，軌道最小傾角為5.7°，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑為7 m，上行平均速度為0.51 m/s，下行平均速度為0.54 m/s。采用電動卷揚機作為牽引動力，卷揚機可選擇布置在坡頂或坡底，通過電機帶動滾筒轉(zhuǎn)動，使鋼絲繩繞卷，拉動載物車上行；電動機反轉(zhuǎn)時帶動滾筒反向轉(zhuǎn)動，滾筒放出鋼絲繩，此時載物車靠自重向下滑動。該機具有運載平穩(wěn)、運載力較強、可拆裝等特點，可以實現(xiàn)標準化和規(guī)?；a(chǎn)。由于卷揚機是單向牽引，在下行時需利用載物車自重下移和拉緊鋼絲繩，所以只適用在單坡度的地形往復運輸作業(yè)，不能應(yīng)用在有起伏坡度的地形中作業(yè)。

1.3 自走式雙軌道果園運輸機

為解決山地果園果實、肥料和農(nóng)藥等運輸勞動強度大、效率低的生產(chǎn)實際問題，華中農(nóng)業(yè)大學工學院李善軍等[5]設(shè)計了7YGS-45型雙軌道果園運輸機，運輸機整體結(jié)構(gòu)由主要由運輸車（運輸機主機）、自適應(yīng)坡度拖車、雙軌軌道和驅(qū)動鋼絲繩四部分組成，雙軌軌道由兩根外徑為48 mm的鍍鋅鋼管依地形條件水平鋪設(shè)，軌道上安裝垂直彎鋼絲繩自動回位鉤樁和水平彎鋼絲繩限位樁等裝置，運輸機最大爬坡角度47°，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑8 m，平均運行速度1.0 m/s，最大承載質(zhì)量為300 kg。重點解決了鋼絲繩與驅(qū)動輪對配合實現(xiàn)摩擦驅(qū)動、抱軌與碟剎配合實現(xiàn)制動、防止運輸機側(cè)滑和上跳、防止鋼絲繩在彎道中上抬與拉直、拖車自適應(yīng)坡度調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù)問題，但也存在不足，如自走式牽引機在軌道上、自重消耗功率、導軌承載有待提高、功率不能太大。

1.4 雙向牽引式索軌運輸機

圖5是一種雙向牽引式索軌運輸機示意圖，主要結(jié)構(gòu)包括雙向牽引式絞車、張緊機構(gòu)、鋼絲繩、壓繩機構(gòu)、軌道、導繩輪、載物車等，最大作業(yè)坡度35°，運行速度0.3 m/s～0.4 m/s，單次運送重量400 kg。由于采用了雙出繩結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用在上下坡、垂直、水平轉(zhuǎn)彎、直線段運輸，適應(yīng)性廣，牽引力大，雙軌支撐運行穩(wěn)定、承載大，鋼絲繩可自張緊。但雙軌軌道比單軌復雜，成本較單軌高。

圖5 雙向牽引式索軌運輸機示意圖

1.5 運輸系統(tǒng)控制研究

一些高校和科研院所曾針對牽引式雙軌系統(tǒng)開發(fā)出PLC控制系統(tǒng)[6]，可實現(xiàn)按鍵手控、遠程遙控、自動停車等功能，如圖6所示。2021年6月，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所在現(xiàn)有的裝備研制基礎(chǔ)上，考慮到實際生產(chǎn)的運輸調(diào)度和控制問題，集成了搭載攝像頭的軌道運輸機，如圖7所示，并開發(fā)了可實時顯示農(nóng)機裝備位置并任意調(diào)度的APP控制平臺，如圖8所示，實現(xiàn)了行人識別的安全停車功能，在茂名荔枝示范點進行了測試試驗[7-9]。

圖6 基于PLC的牽引式雙軌運送裝備控制系統(tǒng)

圖7 搭載識別裝置的軌道終端

圖8 遠程調(diào)度APP管控平臺

2 技術(shù)短板分析

目前，軌道運輸裝備已逐步實現(xiàn)了多項技術(shù)的熟化和應(yīng)用，但面對復雜環(huán)境的山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，仍需逐步解決和突破諸多技術(shù)難點，如裝備轉(zhuǎn)運、多功能運輸、智能化管理等。因此，課題組將在此基礎(chǔ)上梳理、分析幾點短板技術(shù)。

2.1 配套運輸平臺擴展性差

在實際丘陵山區(qū)的農(nóng)機生產(chǎn)與運輸中，目前的軌道、索軌式的運載平臺，主要還是針對農(nóng)用物料、零部件的功能研制的，部分存在一些觀光性質(zhì)。就現(xiàn)階段的軌道運輸裝備而言，與動力裝置掛接的運輸平臺多為貨板式結(jié)構(gòu)[10]，其優(yōu)點是設(shè)計簡單、安裝方面、裝卸快捷，在面向未來多種運輸對象，如多種農(nóng)資物料、農(nóng)機裝備或重要部件的運輸問題上，這種貨板結(jié)構(gòu)就難以使用在各類形式的運輸對象上；而在復雜環(huán)境多種機械裝備的作業(yè)環(huán)節(jié)中，裝備的跨地塊轉(zhuǎn)移作業(yè)的效率低，需自走式裝備長時間自行移動到目標作業(yè)區(qū)域，其間耗費了油、電。因此，目前配套的運載平臺功能仍較單一，在未來山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，研制出可適用于農(nóng)機裝備運輸?shù)倪\載平臺或快速換裝平臺，具有重要的實際意義。

2.2 運載質(zhì)量難以突破上限

根據(jù)上述軌道運輸裝備的現(xiàn)狀技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，主流的運輸裝備主要為單軌、雙軌架設(shè)與地面，且受動力裝置的限制，可承載質(zhì)量多數(shù)最大負載在300 kg左右[11]，只有極少數(shù)可載1 000 kg?？紤]到未來生產(chǎn)和運輸效率需求，需進一步針對軌道架設(shè)形式、組成結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，同時研究高效、大動力的驅(qū)動裝置，逐步提高運輸質(zhì)量，增強安全穩(wěn)定性，提升運輸效率和承載能力。

2.3 運輸平臺裝卸效率低

目前的物料、農(nóng)資的裝卸作業(yè)均由人工舉升到平臺上，到達目的地后再由人工搬運至地面，在裝卸過程耗費了大量的人力和時間。因此，在未來面向多搬運對象的方向上，需針對裝卸環(huán)節(jié)研制可收展、折疊的輔助機構(gòu)集成在平臺內(nèi)部的運輸機械，便于運輸過程的裝卸作業(yè)。

2.4 智能化水平不足

丘陵山區(qū)特殊的地理環(huán)境，運輸裝備不利于管控，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常出現(xiàn)多處運輸點同時發(fā)出運輸需求，傳統(tǒng)的軌道仍需要人員在軌道旁等待運輸機到達后手動操作實現(xiàn)停車，剎車精準度差，危險性大的問題。因此，需針對作業(yè)區(qū)域研究絕對坐標精準提取方法，研究平臺處于空閑、工作狀態(tài)時對應(yīng)多個需求點決策邏輯，開發(fā)可實時顯示負載信息與坐標位置的智能控制終端，在作業(yè)區(qū)域內(nèi)可根據(jù)多出的運輸需求信號，運輸機進行自主決策并有序運送，實現(xiàn)遠程調(diào)度和智能召喚功能，滿足實際生產(chǎn)需求。

2.5 制動方式單一

軌道運輸?shù)膭x車制動性能是在實際作業(yè)過程中決定裝備操控靈活性的關(guān)鍵指標，也是保證操作人員安全的重要技術(shù)。目前軌道運輸機械的制動裝置多采用離心結(jié)構(gòu)[12-14]，在滿載運行狀態(tài)下急停的剎車距離一般不小300 mm，且制動過程由于慣性較大，常由于重心失衡導致物料飛出或擠壓受損等現(xiàn)象。因此，需突破多點同步制動等先進的剎車技術(shù)，保證達到一定速度下大負載運輸?shù)木珳势椒€(wěn)停車效果。

3 索軌結(jié)合式模型創(chuàng)新模式

對于傳統(tǒng)索道式運輸裝備體積大、占地廣、安裝維修困難，且繩索牽引的可靠性也逐步凸顯不足等問題[15-16]，根據(jù)目前的軌道運輸裝備發(fā)展現(xiàn)狀，部分學者提出索軌結(jié)合式架構(gòu)，但仍面臨著多類運輸對象的運載平臺通用性差的問題。因此，需通過機械創(chuàng)新設(shè)計，研制運輸平臺的多層安裝結(jié)構(gòu)，如平臺的主—子層級式，并進一步研究快速推入式換裝方法，逐步滿足遠距離的多功能運輸需求?；诖耍瑸闈M足丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新裝備模式，課題組通過對軌道運輸裝備的當下技術(shù)特點進行分析，梳理目前涉及的技術(shù)短板和發(fā)展目標，根據(jù)裝備類型和功能需求，結(jié)合技術(shù)手段，提出了裝備研發(fā)和改進優(yōu)化的技術(shù)路線，索（軌）道智能運輸裝備與配套平臺的技術(shù)分解圖如圖9所示。

圖9 索（軌）道智能運輸裝備與配套平臺的技術(shù)分解圖

4 結(jié)語

綜上所述，課題組針對目前市場上主流的軌道運輸裝備進行了分類歸納，并分析了各類技術(shù)特點和優(yōu)缺點，結(jié)合丘陵山區(qū)實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運輸環(huán)節(jié)的各類問題，提出了亟待解決的技術(shù)要點和裝備改進需求，擬制定了技術(shù)分解流程和路線，以期為丘陵山區(qū)的軌道運輸裝備發(fā)展和技術(shù)導向提供參考。