丘陵山地拖拉机车身调平机构关键技术研究现状

摘要：牟孝栋, 杨福增, 段罗佳, 刘志杰, 宋卓颖, 李宗霖, 管寿青. 丘陵山地拖拉机调平与防翻关键技术研究现状与发展趋势[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(3): 1-16.

本文节选自：

牟孝栋, 杨福增, 段罗佳, 刘志杰, 宋卓颖, 李宗霖, 管寿青. 丘陵山地拖拉机调平与防翻关键技术研究现状与发展趋势[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(3): 1-16.

Citation:MU Xiaodong, YANG Fuzeng, DUAN Luojia, LIU Zhijie, SONG Zhuoying, LI Zonglin, GUAN Shouqing. Research Advances and Development Trend of Mountainous Tractor Leveling and Anti-Rollover System[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(3): 1-16.

官网免费阅读

丘陵山地拖拉机车身调平机构关键技术研究现状

丘陵山区农田作业的复杂环境特性导致当前具有主动调平系统的山地拖拉机研制与产业应用面临以下挑战：一是丘陵山区地形地貌各异，作业工况受土壤类型（砂土、黏土、壤土等）、土壤参数（含水率、坚实度等）、地面起伏幅度（落差、频率）、地块碎小零散、机耕道弯窄等影响，要求拖拉机具有转向灵活、结构稳定、易操控和行驶稳定性好等特性；二是在特定环境下，如果园中，受果树枝条生长形态的影响，动力机械不宜过高过大，否则会导致机器无法顺利通行；三是作业环节包括耕、种、管、收、运等诸多作业环节，动力机械要匹配并满足各个环节的作业需求。当拖拉机处于崎岖的坡地环境下作业时，车身的姿态不仅影响驾驶人员的驾驶感受，还会增加拖拉机横向的侧滑和侧翻风险。安装车身调平系统的拖拉机在遇到凹凸不平或倾斜路况时可根据位姿情况主动调整车身姿态，使车身姿态始终保持水平状态或将整车重心调节在稳定区间之内，能提高驾驶员的操作安全性、驾驶舒适性及拖拉机在横向坡地的抗侧滑、抗倾翻能力。

目前，山地拖拉机车身调平控制系统的调平机构根据工作方式的不同可分为液压差高式、平行四杆式、重心可调式、折腰扭腰式和全向调平机构。

1 液压差高式调平机构

采用液压差高式调平机构可直接通过调整安装在行走机构上面的液压缸活塞杆实现单侧履带的提升或下降，通过此机构可以实现拖拉机在坡地等高线行驶时车身保持水平，不易发生侧翻等危险。原理如图1所示。

注：1. 斜坡；2. 行走系；3. 主连杆；4. 横向调平油缸；5. 下层车架；△h为下侧车架提升高度；α为坡度角；B为轨距。

图1 液压差高式调平机构

Fig. 1 Hydraulic differential height leveling mechanism

针对山地履带拖拉机在丘陵、山地等复杂地形作业时坡地适应性差的问题，西北农林科技大学杨福增团队在现有履带拖拉机的基础上，对其行走系统进行了改进，研发了一款微型遥控山地履带拖拉机（图2），可根据作业地形，实现两边履带在垂直方向的反向调整。采用远程遥控操控，实现了人机分离，保障了驾驶人员的作业安全性；通过横向姿态调整，可实现拖拉机在0°~23°的坡地上保持车身水平且完成等高线作业，提高了履带拖拉机坡地作业稳定性和安全性，显著降低了意外事故发生的概率。

图2 微型遥控山地履带拖拉机等高线行驶

Fig. 2 Micro remote-controlled mountain tracked tractor driving on contour lines

2 平行四杆式调平机构

平行四杆式调平机构由台车架、从连杆、下层车架和主连杆组成。横向调平油缸向主连杆提供动力，推动主连杆摆动，通过拉杆带动从连杆摆动以此改变平行四边形形状，使得车辆在坡地行驶时两侧行走机构产生高度差，实现车身调平的效果，提高了仿形过程的平稳性，完成车身单侧的姿态调整，推杆伸缩量控制由角度传感器提供反馈信号。车身两侧横向调平油缸同时工作可实现整机离地间隙的调整，提高通过性。平行四杆机构具有结构简单、运动平稳、承载能力强、安装调整方便以及仿形效果较好等特点。平行四杆式调平机构结构简图如图3所示。

注：1. 台车架；2. 从连杆；3. 拉杆；4. 下层车架；5. 横向调平油缸；6. 主连杆；h0为调平前坡低侧车架离地高度；h为调平后坡高侧车架离地高度。

图3 平行四杆式调平原理图

Fig. 3 Principle diagram of parallel four bar leveling

此外，针对拖拉机在崎岖路面和坡地工况下地形适应性和安全性差等问题，SUN等在前期研究的基础上（液压差高装置），增加了“双车架机构”，拖拉机最大横向调平角度为15°，最大纵向调平角度为10°，可实现机身的横、纵向姿态调整，山地拖拉机纵向调平原理如图4所示，由纵向调平油缸将上层车架顶起完成纵向调平，改善了山地履带拖拉机坡地适应性和操作安全性。

注：1. 拖拉机机体；2. 上层车架；3. 纵向调平油缸；4. 履带；5. 下层车架；6. 横向调平油缸；α代表坡度角。

图4 山地拖拉机纵向调平原理图

Fig. 4 Longitudinal leveling principle diagram of hillside tractor

高墨尧通过对差高结构设计计算得出底盘倾斜角度与调节驱动油缸行程的关系，并对整机液压调平系统及工作原理进行全面系统的分析，由此提出一种车身调平设计方案。倾角传感器判断车身的倾斜状态，然后通过控制前后两侧液压油缸行程，进而改变平行四杆机构的形状进而实现车身调平。

3 重心可调式调平机构

拖拉机在犁耕作业和上坡时由于重心位置不当容易出现犁耕行驶稳定性变差、牵引效率降低、上坡稳定性降低等问题。重心可调式调平机构是通过调整车辆某一部分的重心位置，通过移动或摆动配重块或车体某一部分来改变整车重心位置，以便更适应坡地作业。以调整车体某一部分来改变整车重心位置为例，重心可调式调平机构简图如图5所示，通过横向滑轨与纵向滑轨改变货台相对于机体的位置来改变整机的重心位置。

a. 重心可调式履带小车三维模型b. 重心可调式履带小车内部结构剖视图

注：1. 货台；2. 机体；3. 行走系；4. 横向滑轨；5. 倾角传感器；6. 水平定位机构；7. 纵向滑轨。

图5 重心可调式调平机构简图

Fig. 5 Schematic diagram of adjustable center of gravity leveling mechanism

针对山地果园运输车在崎岖路面作业适应性差的问题，韩振浩等设计了一种可根据地形条件实时自动调节整机重心位置以到达平衡状态的自适应山地果园运输车。该运输车的设计避免了运输货物因路面起伏引起的掉落，提高了运输效率与速度，使坡地行驶性能与地形适应性均较优。宁普才设计的电动拖拉机重心纵向调整机构，通过移动车头电池组的前后位置来调整拖拉机的纵向重心位置，提高了拖拉机上下坡的牵引效率和稳定性。

车辆调平的本质其实就是重心位置的调整。重心位置改变的效果为履带接地压力的改变（车辆侧翻的临界状态为一侧履带压力等于0），最终影响车辆两侧履带牵引力的变化。需建立履带车辆坡地重心调整数学模型，探究车辆调平角度、重心位置与坡度的对应关系，得出调平后的接地压力提升系数与牵引力提升系数，对于重心可调拖拉机的设计具有指导意义。

4 折腰扭腰式调节机构

为了简化车身调平机构，借助单点球铰原理开发了折腰扭腰式拖拉机，与传统拖拉机相比折腰扭腰拖拉机最大的优势在于通过性好、机构紧凑，折腰扭腰调节机构结构简图如图6所示。折腰机构由两侧折腰转向液压缸控制转向，使得车头直接旋转一定角度，可以大幅度缩小转弯半径；扭腰机构采用前后分段式连接，传动系统中间设计有扭腰摆动姿态调整装置（由动力传动万向节、扭腰仿形轴组成）连接后车体变速箱，可使前后车身呈一定角度扭转，实现了驱动轮与行走轮在不同高度地表的可靠附着，便于在狭小空间和崎岖路面灵活作业，牵引能力和爬坡稳定性较好，特别适合中国山地丘陵地区。但折腰扭腰拖拉机的后期维护和维修难度较大。

注：1. 后车体； 2. 动力传动万向节； 3. 前车体； 4. 扭腰仿形轴； 5. 折腰转向液压缸； 6. 折腰旋转轴。

图6 折腰扭腰调节机构结构简图

Fig. 6 Structural diagram of the folding and twisting waist adjustment mechanism

意大利安东尼奥卡罗拉公司生产的MACH 4R型山地拖拉机（图7）可实现四轮驱动及轮履互换，具有折腰扭腰功能，动力强劲且适应各种凹凸不平道路，有较好的缓坡地适应性。但该型拖拉机体型略大且价格相对昂贵，因整车不可调平，在大坡度地面工作时，安全性及山地适应性较差，难以适应中国丘陵山地坡陡路窄、地块碎小的作业场景。意大利BCS公司生产的Sky-Jump-V950山地拖拉机（图8），具有折腰扭腰功能，前轮后履模式具有牵引性能好、压实破坏小的优点，在果园、茶厂、苗圃等复杂作业场景应用广泛。搭载DUALSTEER型双向转向系统。该结构可使拖拉机的转弯角度达到70°，使转弯半径进一步缩小，并使其在陡坡作业时具有良好的牵引力和稳定性。

图7 意大利卡罗拉公司MACH 4R型山地拖拉机

Fig. 7 MACH 4R hillside tractor of Italian Corolla company

图8 意大利BCS公司的Sky-Jump-V950山地拖拉机

Fig. 8 Sky-Jump-V950 hillside tractor of Italy BCS company

为提高丘陵山地拖拉机的调平精度和动态实时姿态调整，山东农业大学联合山东五征集团借鉴国外的折腰扭腰技术设计了一种扭腰轮式拖拉机（图9）。该拖拉机前后车身可绕中间扭转轴旋转一定角度。扭腰姿态调整装置可提高丘陵山地拖拉机的地形适应性与作业效率。为适应国内丘陵山区地块小、经济条件差等客观因素，中国一拖分别研发生产了70、80和90马力3种马力段的丘陵山地拖拉机（图10），重点满足西北黄土丘陵、山东丘陵等坡耕地和宜机化改造后的市场需求。这种拖拉机采用发动机前置布置、折腰转向、四轮等大、双向驾驶、四轮制动等多项新技术，具有丘陵山地作业稳定性好、通过性高、转向灵活等优点，特别适用于丘陵山地、坡耕地、果园等特殊作业环境。

图9 扭腰轮式山地拖拉机

Fig. 9 Twisting and swinging wheeled hillside tractor

图10 东方红MH904M丘陵山地拖拉机

Fig. 10 Dongfanghong MH904M hilly and mountainous tractor

折腰扭腰拖拉机转弯半径小、机动灵活，十分适合中国坡陡路窄、地块碎小的复杂环境工况。后续研究可以将折腰扭腰与调平结构相结合，既小巧灵活又可兼顾安全可靠，解决了现有拖拉机在丘陵山区作业时转场困难、地块碎小、坡陡凹凸的难题。但折腰扭腰拖拉机车头跟车尾是两个独立部分，研究的难点在于如何协调折腰扭腰与调平系统的配合关系，使得每个轮子的接地压力最优化。

5 全向调平机构

由于平行四杆、液压高差与折腰扭腰式调平主要实现的是整机的横向调平，缺乏纵向的调平。全向调平机构是通过四轮独立液压调平机构或多层车架液压调平机构实现车身在崎岖坡地行驶时仍能时刻保持水平状态，可同时实现横向与纵向调平，但需要多传感器同步配合且对精度和相应时间要求较高。

法国布莱斯·帕斯卡大学Denis等提出了一种在线自适应观测器，结合车辆重心高度和总车质量的变化来评估和避免处于越野地形中移动的葡萄收获机的侧翻风险，并通过4轮独立液压调平机构实现整机的调平（图11）。车辆的侧翻评估系统结合四轮独立液压调平机构可以实现四个轮在不同平面的随地附着，保证了着地压力的一致性和车身位置的水平性，所以具有更好的适应性和安全性，但整车体型过于高大，不适合中国坡陡路窄的作业环境。

图11 四轮独立调平葡萄收获机

Fig. 11 Four wheel independent levelling grape harvester

针对履带式联合收获机在不平坦地表作业时，拖拉机车体发生倾斜和颠簸，导致操作环境变差、严重影响作业效率和驾驶舒适性。王祉涵基于神经网络比例-积分-微分控制（Proportional-Integral-Derivative Control, PID）算法来解决PID控制时出现超调量和调平延迟高的问题，验证了神经网络控制优于传统PID控制及仿真试验的可靠性。舒鑫提出一种“位置误差控制法＋角度误差控制法”的调平控制策略。该自动调平系统能完成离地间隙调节和底盘调平，可大幅提高在崎岖坡地的适应性。杨华兵设计了拖拉机自动调平控制系统的模糊PID控制算法，建立了拖拉机车身平台X轴和Y轴速度调平控制的数学模型。上海交通大学联合山东五征集团研制了一种基于双闭环的PID控制算法，可根据地形特点主动调整拖拉机机身的姿态，具有较好的坡地适应性。赵恩鹏设计研发了一种轮式丘陵山地拖拉机车身调平系统，通过分别改变前驱动桥和后驱动桥调平液压缸行程来实现机身的调平，并从运动学与动力学方面进行了验证，但研究缺乏对整体结构的强度验证，在高速颠簸或高冲击载荷下，结构的安全性难以保证。李洪龙设计了一款拖拉机调平液压系统并建立了数学模型，可以使拖拉机在15°的坡地上平稳行驶且不发生侧翻风险。刘平义等设计了一种仿形动态调平底盘，可以通过调节悬臂夹角来实现底盘的调平，全时多轮驱动保证了拖拉机的高牵引效率和高响应速度。传统拖拉机在15°的坡地上作业基本都不会发生侧翻。后续研究应针对在15°及以上坡度行驶时遇到突发情况（如遇到凸起的土坎或较深的凹坑）时的紧急应对策略，建立相应的数学模型及动力学模型。

吉林大学联合四川川龙拖拉机制造有限公司研发了姿态可调整的四轮独立液压调平山地拖拉机，如图12所示。该样机可实现四轮独立驱动和独立升降，具有全向调平功能，基于车身姿态多传感器融合检测方法，可根据地形特点对每个轮子的高度、行驶速度和行驶方向进行单独控制，极大地提高了拖拉机对于复杂地形的适应性并具有较好的驾驶舒适性及安全性。

注：1. 中央差速器；2. 调平液压缸；3. 转向节；4. 轮边传动；5. 轮胎。

图12 四轮独立液压调平山地拖拉机

Fig.12 Four wheel independent hydraulic leveling hilly tractor

针对拖拉机丘陵山区作业时车身不能随地形起伏变化自适应平衡，导致作业安全性低、作业效果差等问题，邹大庆等根据丘陵山区农业机械作业需求，提出了一种点线复合支撑式“三层车架”液压全向调平系统（图13）。该系统全向调平角度最高可达20°，为履带式作业机整机动力学模型构建和调平控制器设计奠定了基础，提高了农业机械在丘陵山区复杂地形环境下的作业效率和安全性，但车架层数较多会提高整机的设计高度，需对结构进行集成优化。针对丘陵山区农业机械作业时的机身倾角变化大、工作品质和作业安全差等问题，孙泽宇等以履带式作业机为研究对象，也设计了一种基于“三层车架”的液压全向调平系统，并提出了复合Q学习-BP（Back Propagation）神经网络-PID的全向调平控制策略，进行了横坡路面和纵坡路面的整机试验，满足丘陵山区农业机械调平性能需求。

图13 全向调平履带式作业机

Fig. 13 Omnidirectional leveling crawler type working machine

不同车身调平机构虽结构和原理各异，但最终目的是实现在复杂路面的平稳行驶。五种类型调平机构的优缺点对比如表1所示。平行四杆与液压差高式结构简单，面对较为复杂的地形时调平效果较为一般；折腰扭腰式更适合于小范围连续起伏的崎岖路面，对于大坡度等高线作业几乎无调平作用；重心可调与全向调平式是山地调平拖拉机今后发展的趋势，坡地牵引性与适应性均较好，但需降低整机的制造与保养成本。

表1 五种类型拖拉机调平机构对比

Table 1 Comparison of five types of leveling mechanisms