丘陵山区果蔬转运装备研究现状与展望

符志勇，刘大为,2，谢方平,2，李 旭,2，肖 霄，杨 靖

（1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.智能农机装备湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128）

0 引言

我国丘陵山区是重要的果蔬茶和粮油生产基地[1]，其中果园面积占全国的62.28%，蔬菜等农作物播种面积占全国的37.29%。丘陵山区普遍存在地块小、分布零散、坡度大、道路建设不完善、基础设施不配套等问题[2]，就农业生产而言，立地条件较差难以进行规模化种植，机械化程度较低。相关数据显示，我国2021 年农作物耕作、播种以及收获过程的平均机械化率约为70%，然而，丘陵山区的农作物综合机械化率不足50%，其中的果园平均综合机械化率不足三成，蔬菜的平均综合机械化率约为两成，仍远远低于全国平均水平。

从生产现状看，果蔬生产仍属于劳动密集型产业，果蔬收获机械化水平远低于整地、播种、移栽等环节，其中适应于果蔬采收的田（林）间转运装备也是制约我国丘陵山区果蔬产业发展的一个重要因素。因此，转运装备的研发对合理解决丘陵山区果蔬转运问题显得尤为重要。

1 国外研究现状

在果蔬产业上，欧美等发达地区工业起步较早，机械化程度较高，其农业机械化水平发展较快，农用机械运用广泛，代表性较强[3]。各个国家所处的地理位置不同，果蔬转运装备也各具特色。德国和意大利由于丘陵地形占比国土面积较大，导致农业种植规模普遍较小，果蔬转运装备主要依靠轮式运输车作业，根据不同的作业条件来选择所需的挡位及载重量进行转运作业，具有较强的适应性[4]。为了适应复杂的丘陵山地环境，无论是改装还是独立的轮式运输车，其灵活性非常好。转向方式以前轮转向最为常见，另外还有四轮转向、折腰转向等方式，动力输出主要为旋转动力以及液压动力[5]。图1 为德国专用于苹果转运的箱式运输车，运输时依靠车前2根货叉，将成箱摆放的苹果输送到车厢内，车厢内一共有3 层货架，每装满1 层货架会整体上移，最多可以同时装载21 箱苹果。英国和法国境内冲积平原较多，地域平坦宽阔，农业历史悠久，建设标准高，集约化以中等规模为主。英国和法国农民耕种习惯与德、意存在较大差异，其转运装备主要包括各类汽车，尤其是重型载货汽车和半挂牵引汽车居多。图2 为荷兰2 人多用途MI-NITRAC 运输车,该款运输车电动化程度较高，整车操作基本实现电动化且噪声很低，驾驶室能够容纳2 人，两侧护栏可以自由调整，极大提高了运输量的灵活性。当今世界现代农业以美洲农业为代表，其中又以美国、加拿大为典范。美加田间地势平坦，果蔬种植规模大、种植标准高、栽植密度合理、行间宽敞，便于机械化管理。图3 为美国EX60 多功能履带式运输车，该车结构紧凑，行走装置采用橡胶履带，能够处理所有低冲击和低地面扰动地形。其具备2 个辅助液压回路及负载感应泵，能够更好的提供所需动力。该车后置采用通用底板，能够适应不同设备的安装。和欧美大部分国家不同的是，日韩地形多为丘陵，农业种植规模小而分散，主要方式为家庭散植，果蔬转运装备主要以小型轮式、履带式运输车为主，设施种植以轨道运输为主。

图2 2 人多用途 MI-NITRAC 运输车

图3 EX60 多功能履带运输车

为适应丘陵地形特点，日韩型轮式运输车主要以轻型为主，产品多样、品种齐全、生产厂家众多。在亚洲，日韩轮式运输车起步较早，上世纪80 年代末就颇具规模，品种多达90 多种，载重范围从200～900 kg不等，分9 个载重级别。根据作业环境的不同可以分为水田型、山区型、果园型等不同型式[3]。其中果蔬转运车主要有轮式和履带式2 种，轮式运输车的典型结构如图4 所示，通常将载物台挂接在轮式拖拉机后面，可实现升降与水平移动，方便作业[6]。轻型履带式运输车分为手扶式和乘坐式，可爬25°斜坡，功率3.3～5.8 kW 不等，装载质量最高可以达到850 kg，最高车速达6.4 km/h，变速挡位普遍为6+2 机械式，还能够根据工作需求进行选配，适用于缓坡果园田间运输[7-8]。图5 为奥力士LS-360 手扶式履带搬运车，图6 为3B81CTDP 履带搬运机。

图4 轮式运输车典型结构

图5 奥力士LS-360 手扶式履带搬运车

图6 3B81CTDP 履带搬运机

日本atex 株式会社生产研发的田间蔬菜转运高床车如图7 所示，最大载重可达600 kg，通过滚珠丝杆机构调节两侧轮距，范围在900～1 700 mm 之间自由调节，载物台离地高度可以通过套合方管进行高度调节，极大的适应同一农作物不同生长时期及不同作物不同种植模式下的采摘运输作业。不足之处在于调节机构需要人工操作，自动化程度不高。

图7 田间蔬菜转运高床车

国外工业起步较国内早，农业机械化水平也领先国内，国外绝大部分发达国家已经全面实现农业机械化和现代化，包括农作物的种植、生产、收获及运输等环节。部分难度较大的经济作物也基本实现机械化，只有少数环节仍需人工作业。国外农业机械化的特点主要表现在以下几个方面：①农场规模大，机械化水平高；②高新技术成果广泛应用；③农机产品企业化经营和一条龙服务。

2 国内研究现状

我国果蔬转运装备与日韩发展相似，由于大型拖拉机和载重卡车等传统机械难以进入果蔬田（林）间作业，形成了以轮式运输车、履带式运输车、索轨运输车为代表的适合我国丘陵山区果蔬转运的转运装备。除运送农资物料和果蔬外，还可以与喷雾机、修剪机、播种机等其他作业机具配套使用，有效提高了我国丘陵山区果蔬转运和管理环节的机械化水平。不同类型果蔬转运装备机型的特点与适用性如表1 所示。

表1 果蔬转运装备机型

2.1 轮式运输车

轮式运输车结构简单、运行灵活。20 世纪80 年代我国果蔬转运的主力是变型拖拉机和农用机动三轮车。20 世纪90 年代以后四轮农用运输机以其更高的安全性与舒适性得以广泛应用[8]，目前有四轮驱动和两轮驱动2 种不同形式，如图8 所示为农用三轮车。华南农业大学研发的山地果园轻简化四轮运输机如图9 所示，能够实现2 m 内有效转弯及不超过12°的缓坡行驶，具有250 kg 的平地载荷及200 kg 的坡地载荷能力。依靠汽油提供动力来源，后驱行走，换挡方式采用多挡循环及独立倒挡[9]。如图10 所示为临沂瓦力农装生产的WL-3000 型运输机，采用双杠柴油机，可进行四驱、两驱切换，通过液压实现转向及翻斗，其行驶速度、爬坡角度与装载量较适合坡度不大的果蔬转运作业。迄今为止，轻量化研究、运输效率、使用寿命和动力改革一直是我国轮式运输车的重点研究方向，新能源的开发与应用，为运输装备在动力方面提供了极大的研究价值[10-11]。图11为高地隙轮式运输车，适合高植株农作物的运输。

图8 农用三轮车

图9 轻简化四轮运输机

图10 WL-3000 型运输机

图11 高地隙轮式运输车

2.2 履带运输车

履带式运输车，在动力、转弯及爬坡能力方面均优于轮式运输车。我国对于履带式运输车的应用较晚[12]，早期通过引进国外先进机具进行研究，近年来已经取得一定成果，自主研发的产品陆续推出。华中农业大学研发了一款单人手扶式运输车，如图12 所示，其行走装置为单履带，具有较强的灵活性与操控性，依靠汽油提供动力来源，150 kg 的最大载重量足以满足一般运输要求[13-14]，在果园运输方面应用广泛。通过对履带式运输车的不断优化改进，行走装置由最初的单履带改进为双履带；动力底盘由原来的刚性改为柔性，设计出的运输车，其通过性、安全性、稳定性得到了进一步提高[15]，如图13 所示。操控面板在车头，通过操作杆进行作业，配备了较安全的刹车系统，即使在最大载重量时也能安全制动。图14 所示为高地隙履带车，能够自由调整高度，适应多种植株不同生长高度的运输要求。此外，为了保证运输装备作业时的安全性，研究学者还开展了一系列的相关研究[16-23]。

图12 单履带运输车

图13 双履带运输车

图14 高地隙履带车

2.3 索轨运输机

为了进一步优化改进轮式与履带运输车的部分缺点，在现有产品基础上，国内研究团队结合我国丘陵山区地形的特点，设计研发出3 种不同行走方式的索轨运输车，主要有自走式、牵引式和遥控式3 种[24]。

2.3.1 单轨运输机

华中农业大学通过实地运行的方式，成功研制出国内第一台自走式运输车[25-26]。汤晓磊等在自走式单轨果园运输机的基础上进行优化创新，设计出牵引式单轨果园运输机[27]、自走式单轨果园运输机、遥控式单轨果园运输机[28-30]等。遥控式单轨运输机如图15 所示。整机由动力装置、变速箱、制动装置、载物车及轨道组成，具备防侧倾和防脱轨功能，新增遥控系统可实现远程启动和停止的功能，在作业过程中，最大载重可达500 kg，对坡度不大于40°的地形有较强的通过性，能够在小范围内自行转弯。图16 所示为浙江省生产的自走式单轨运输机，其制动系统主要靠手动控制，能即停即走。为了使运输装备的运输能力得到进一步提高，国内学者在单轨运输车的基础上，与现有遥控技术相结合，极大提高了运输的便捷性[29-31]。

图15 遥控式单轨运输机

图16 自走式单轨运输机

2.3.2 双轨运输机

华中农业大学通过对单轨运输机的优化改进研制了自走式双轨运输机，如图17 所示。该运输机最大的特点是利用钢丝绳与驱动轮之间的摩擦力作为动力输出[32]。同时为了保障运输作业的安全性，该运输机新增了2 种方式的刹车制动系统。由于其运输主机和拖车分离，该运输机还可以搭载其他农用作业机具等进行多功能作业。双轨运输机在安全作业方面较单轨运输机有较明显的提升，但由于其安装尺寸大，并未得到广泛应用。

图17 自走式双轨运输机

3 发展趋势

3.1 电动化

由于能源紧张及环保理念的增强，世界各国计划在国家层面禁止销售燃油车、规划碳排放目标，特别是欧美和日本等发达国家，这其中也包括了农用车辆[33]。同时许多国家已为自动驾驶立法，并提供了强而有力的政策支持，这些措施均加速了果蔬转运装备的智能化、电气化发展，蓄电池驱动的微型履带式运输车和微型轮式输送车相继出现。蓄电池驱动履带运输车如图18 所示，这些设备续航能力基本可以满足农业用途要求，且日常使用成本低，越来越受农民欢迎，应用也越来越广泛。有些载物平台具有可控制的自动调平系统，由液压缸与电控系统组成，在作业过程中，传感器会实时监测载物平台状态，并自动上传，控制系统会根据上传的信息自动对载物平台进行安全调整，从而提高作业安全性。

图18 蓄电池驱动微型履带运输车

3.2 智能化

在现代设施蔬菜生产中，小型多功能型运输车的目的是在后方跟随收割等作业人员，同时进行搬运收获物等支援。另外，还具有能够通过RGB-D 相机检测，防止机具爬上田埂或接触农作物的功能[34]，如图19 所示。

图19 小型多功能型运输车

以运送体积和质量较大的农作物为例，配备了能够自动跟随蔬菜收获机的运输车，如图20 所示。该车最大的特点是能够通过系统来控制发车、停止、加速、减速。相关研究表明，在原地回旋或向园外搬运农作物时，可分别操作收获机和运输车，通过追踪功能，无需搬运动作，即可通过横向移动完成农作物的装卸。在白葱收获试验中，装卸、搬运等作业时间减少20%，与未使用追踪功能的普通运输车相比，工作人员在园区内的移动次数减少70%左右，移动距离减少30% 左右[35]。此外还有研究学者针对农用车辆自动驾驶和自动导航进行了相关研究[36-38]。

图20 追踪型蔬菜搬运车

韩国成富SUNBGOO 公司生产的HTK3500Series搬运车，如图21 所示。采用橡胶履带结构，能够搭载工作滑台，车厢能够翻斗与升降，实现卸货升降并用，为了提高作业的便捷性，该车可提供自动直线行驶功能，工作效率得到显著提高。

图21 韩国HTK3500Serises 运输车

4 存在的问题及展望

4.1 存在的主要问题

当前我国丘陵山区果蔬转运方面仍存在不足，主要体现在以下几个方面。

1）我国丘陵山区路面崎岖、基础建设不完善，运输成本较高；而索轨运输方式安装投入资金较大，普通农户接受程度普遍较低。丘陵山区耕地形式大部分为梯田，道路狭窄加上多未铺设机耕道，使得农用机具难以下田作业。同时，我国丘陵山区耕地土壤多为黏土，机具作业时，黏土常附着在机具表面，要经常清理，作业效率不高，严重时甚至会损坏机具。

2）当前我国山区果蔬种植还是以散户经营为主，农户多未经过系统的培训，果蔬种植模式多样、株行距不统一，形成了复杂多样的农业生产模式。大部分年轻劳动力选择进城务工，愿意从事农业种植的人口越来越少，果蔬品的运输还是以人工搬运为主，成本较高且效率低下。

3）丘陵山区农户在种植过程中，习惯选择传统的“牛拉肩扛”种植模式，农机和农艺结合度不够，种植前未考虑机械化收获环节，导致土地基础不允许农用机具下田作业，传统农业生产经营方式导致农机与农艺的融合度很低，普遍种植模式皆不适应机械化作业，进而陷入了一个恶性循环。

4）丘陵山区较平原地区，农业生产需要考虑的因素更多，如自然条件、资金投入、所需人力物力都是要考虑的成本，投入与收获往往不成正比，农户对农业生产的积极性随之降低，更愿意去选择成本低收益高的行业。这不仅导致了劳动力的流失，也造成了相应农业生产技术人才的流失。更不用说果蔬这类劳动密集型产业，随着用工成本的不断提高，丘陵山区劳动力的问题将会更加突显。

4.2 展望

通过对国内外先进转运装备的研究与分析，结合我国复杂多变的丘陵山区地形环境，未来丘陵山区果蔬转运装备的研究可以考虑以下几个方面。

1）研发并优化设计丘陵山区果蔬转运装备。由于丘陵山区果蔬田间栽植密度大、株行距多样化，国内现有的转运装备很少能适应复杂多样的田间道路，因此，应研发新型的丘陵山区果蔬转运车适应其需求。针对已有的国内外果蔬转运车存在结构复杂、运行成本较高等问题，需要在一定程度上对丘陵山区果蔬转运车进行性能优化，向轻量化、高稳定性、通过性、可靠性和标准化发展。

2）研究多功能模块化的丘陵山区果蔬转运车。近些年来兴起的高新技术可为转运车带来越来越多样的功能，可作为今后丘陵山区果蔬运输设备发展的重要内容。丘陵山区果蔬转运装备不仅用于农作物的转运作业，而且能够进行农药、肥料等生产资料的运送，将耕种机具融入转运装备中，进行转运装备的综合利用。

3）研发智能化的丘陵山区果蔬转运装备。各种智能装备正逐步进入其他行业，随着机器视觉、深度学习、无人化等一系列的技术开始应用到人类生产生活中，未来在果蔬转运装备方面也必将实现“人在家中坐，果蔬自动来”的美好愿望。丘陵山区地形复杂，为了保障机具与农作物的安全，还应研发针对丘陵山区地形与种植模式的辅助安全系统，例如自动避障系统、预警系统等，从而及时处理作业过程中遇到的紧急情况。