輪式丘陵山地拖拉機扭腰姿態調整裝置設計與試驗

張開興 張 斕 李政平 殷月鵬 劉賢喜,3 趙秀艷

(1.山東農業大學機械與電子工程學院，泰安 271018；2.山東五征集團有限公司，日照 276800；3.山東省農業裝備智能化工程實驗室，泰安 271018；4.山東農業大學信息科學與工程學院，泰安 271018)

0 引言

“十三五”以來，我國丘陵山區的農業機械化水平不斷提高，作為最主要的農業動力機械，丘陵山地拖拉機的需求量持續增加[1-5]。但是，丘陵山區坡地居多且不平，拖拉機在作業時容易出現滑移傾翻的危險，駕駛人員安全無法保證，生產效率低下，會造成直接的經濟損失[6-8]。因此，設計具有姿態調整功能的丘陵山地拖拉機對于丘陵山區的農業機械化發展具有非常重要的意義。

國外對于丘陵山地拖拉機姿態調整的研究開始較早，瑞士Aebi公司生產的TT270型和奧地利Reform公司生產的Mountry100型山地拖拉機具有較好的穩定性[9]；LEONARD等[10]設計了一種車輛自動調平系統，通過測量車身傾斜角來進行姿態調整；AHMADI[11]設計了一種拖拉機動態調平模型，研究了在位置擾動下，速度、坡度及地輪摩擦因數對拖拉機橫向穩定性的影響；國內對于丘陵山地拖拉機的研究起步較晚，齊文超等[12]設計了一種基于雙閉環PID控制算法的丘陵山地拖拉機姿態主動調整系統，研制了一種姿態調整機構，使拖拉機在坡地作業時能夠縮短車身調平時間；彭賀等[13]基于液壓缸驅動的輪式拖拉機車身四點調平機構，設計了一種能實現丘陵山地輪式拖拉機車身調平且傳遞動力的新型車身調平系統；孫景彬等[14]提出基于平行四桿機構的車身橫向調平方案和基于雙車架機構的縱向調平方案，設計了一種遙控全向調平山地履帶拖拉機，整機能夠在0°～15°的橫向坡地和0°～10°的縱向坡地實現車身的調平。

目前對姿態調整式丘陵山地拖拉機的研究大部分處于理論分析和樣機研發階段[15-16]，主要實現的是車身調平功能，拖拉機在靜止狀態下能夠實現差高調平，但是由于拖拉機車身屬于剛性連接，當一側輪胎通過障礙物時，其余輪胎會出現不能著地的情況，因此此類拖拉機不能很好地適應丘陵山地的作業環境?；诖?，本文設計一種輪式丘陵山地拖拉機扭腰姿態調整裝置，根據丘陵山地拖拉機的實際行走狀態調節前后車身產生相對轉動，實現拖拉機對復雜作業環境的適應以提高其穩定性，為姿態調整式丘陵山地拖拉機的研究提供參考。

1 整機結構與穩定性

1.1 姿態調整要求

結合丘陵山地特殊的地形地貌，在保證安全性的前提下，要求設計的姿態調整裝置需要滿足以下使用要求：①在拖拉機車身姿態調整過程中，車身需根據作業地面的變化實現快速姿態調整，盡量縮短車身姿態調整過程中耗費的時間。②輪式拖拉機作業過程中，需要克服由于作業坡地高低不平、障礙物多導致拖拉機輪胎受力不均的問題，有效避免輪式拖拉機構件的磨損和變形。③在姿態調整過程中，盡量避免車輪懸空的情況，并減少對地面破壞，提高作業效率。

1.2 整機結構與技術參數

如圖1所示，輪式丘陵山地拖拉機主要由電子控制單元ECU、智能方向盤、發動機、前驅裝置、后驅裝置、扭腰姿態調整裝置等構成。

在丘陵山地作業時，拖拉機前部的環境感知模塊對農田邊緣、障礙物和地面起伏情況進行監測，并將監測信號實時傳送給ECU，ECU控制扭腰姿態調整裝置工作，調節前、后驅動裝置擺動，通過姿態調整使拖拉機適應丘陵山地作業環境，提高拖拉機的穩定性。整機的主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

1.3 拖拉機穩定性

丘陵山地不易通行且工作環境復雜，為確保拖拉機能夠順利完成作業，需研究其通過穩定性，為扭腰姿態調整裝置的設計提供基礎。

1.3.1縱向坡地

拖拉機的縱向穩定性是指拖拉機在縱向坡地作業時不發生傾翻或滑移的能力[17]。拖拉機在縱向坡地作業時的受力情況如圖2所示。拖拉機沿著坡地的方向縱向低速行駛，不考慮速度的變化，將其認定為勻速行駛，忽略空氣阻力的影響。

圖2 拖拉機縱向坡地受力圖Fig.2 Longitudinal slope force diagrams of tractor

圖2中，L為拖拉機的輪距；Fe為上坡受到的牽引力；Ff為車輪受到的滾動阻力；Fd為下坡時的制動力。對車輪與地面接觸點A進行受力分析，點A力矩平衡，可得到

F1X+GHsinα-Glcosα=0

(1)

(2)

式中F1——地面對輪胎的反作用力，N

G——拖拉機整機重力，N

l——拖拉機質心到點A的橫向距離，mm

H——拖拉機質心到地面的垂直距離，mm

α——縱向斜坡角，(°)

X——反作用力到地面接觸點的距離，mm

分析式(2)，隨著斜坡角α的增大，F1逐漸向點A移動，當F1移動到點A即作用于輪胎時，拖拉機會失去穩定性，發生滑移側翻。因此，當拖拉機在縱向坡作業時，防止發生側翻的條件為

(3)

(4)

1.3.2橫向坡地

拖拉機的橫向穩定性是指丘陵山地拖拉機靜止在橫向坡地時不發生滑移失控和側翻的能力[17]，地面傾角是導致拖拉機側翻最主要因素。拖拉機靜止在橫向坡地時的受力情況如圖3所示。

圖3 拖拉機橫向坡地受力圖Fig.3 Transverse slope force diagram of tractor

圖3中，N1、N2分別為左右輪胎受到的地面支撐力；N3、N4分別為左右輪胎受到的靜摩擦力。對拖拉機左側輪胎與地面的接觸點C取力矩平衡方程，可得

GHsinβ+N2L-Glcosβ=0

(5)

式中β——橫向斜坡角，(°)

當斜坡角β=0°時，拖拉機與地面水平，則N3=N4=0，將β=0°代入式(5)中，可得

(6)

拖拉機在地面支撐力的作用下保持穩定，不會發生側翻現象。

當斜坡傾角β>0°時，拖拉機與水平面間存在角度，將β>0°代入式(5)中，可得

(7)

當N2=0時，拖拉機右輪失去支撐力的作用，會發生側翻，此時維持拖拉機穩定的最大地面傾角為

(8)

扭腰姿態調整裝置的形狀和大小會影響拖拉機整機質心的位置，當H增大、l減小時，拖拉機作業的最大橫、縱向爬坡角都會減小，H與l過大或過小都不利于拖拉機坡地作業。本文所設計扭腰姿態調整裝置會使拖拉機的整機結構產生變化，從而影響拖拉機的作業穩定性。

2 姿態調整裝置結構設計

根據拖拉機在丘陵山地作業時的姿態調整要求，設計了一種扭腰姿態調整裝置，并對其進行工作原理分析，驗證設計的合理性。

2.1 扭腰姿態調整裝置結構設計

丘陵山地拖拉機采用前后分段扭腰式柔性連接傳動系統布置方案，扭腰姿態調整裝置布置于車身中部，可實現車身姿態扭擺，最大擺幅角為15°，提高整機穩定性、通過性。扭腰姿態調整裝置如圖4所示，包括過橋殼體、前橋殼體、擺動軸、扭腰調整油缸等，其實物圖如圖4d所示。

圖4 扭腰姿態調整裝置結構圖Fig.4 Structure diagrams of twisting and swinging attitude adjustment device1.前橋殼體 2.滾架 3.前驅動橋軸孔 4.搖擺軸孔 5.過橋殼體 6.擺動軸 7.連接銷軸 8.避讓凹口 9.扭腰調整拖動機構 10.扭腰調整油缸 11.缸桿套裝孔 12.銷軸套 13.缸桿套裝部件 14.安裝座 15.前橋驅動軸 16.扭腰調整拖動槽

扭腰姿態調整裝置用于調整前橋殼體與過橋殼體之間的扭動，該裝置包括與過橋殼體連接的滾架和兩個相對設置的安裝座，扭腰調整油缸連接在過橋殼體與滾架之間，通過左、右擺電磁換向閥與三位四通扭腰電磁總控閥并聯可以實現雙向運動；扭腰調整油缸的缸桿分別固定安裝在兩個安裝座之間，缸套兼做扭腰調整拖動機構并與滾架連接；避讓凹口與扭腰調整拖動槽(缸桿套裝孔與扭腰調整拖動機構平行設置的U型槽)安裝有連接銷軸，其外周活動套裝有銷軸套，銷軸套兩端分別固定連接在避讓凹口的兩側壁上，并設于扭腰調整拖動槽內且外壁與扭腰調整拖動機構固定連接，最大轉動角為15°。

2.2 姿態調整裝置工作原理

當拖拉機在丘陵山地作業時，環境感知模塊將監測到的路面障礙傳遞給電子控制單元ECU，ECU連接扭腰姿態調整裝置，通過控制扭腰調整油缸與滾架的配合使用，前橋殼體隨著油缸運動，從而實現拖拉機扭腰姿態調整。不同狀態下扭腰姿態調整裝置位置變化如圖5所示。

圖5 不同狀態下扭腰姿態調整裝置位置Fig.5 Position of twisting and swinging attitude adjustment device under different conditions

如圖5a所示，在非扭腰狀態下，扭腰姿態調整裝置不發生偏轉，扭腰調整油缸處于中位；如圖5b所示，當前輪通過障礙物時，滾架在扭腰調整油缸的作用下發生偏轉，從而帶動前驅裝置發生轉動；如圖5c所示，當后輪通過障礙物時，過橋殼體帶動后驅動裝置繞擺動軸發生一定角度的轉動。前、后驅動裝置在不同狀態下繞擺動軸轉動都可以增加前后輪與地面的接觸面積，提高拖拉機的穩定性。

拖拉機后驅裝置扭腰擺動狀態如圖6所示。拖拉機在平地行駛時前橋殼體與過橋殼體處于同一水平，二者剛性連接；當拖拉機后輪的一側通過障礙時，在扭腰調整油缸的作用下，過橋殼體相對前橋殼體繞擺動軸發生偏轉，使得后驅裝置相對于前驅裝置轉動一定角度，最大轉動角為15°。

圖6 后驅裝置扭腰擺動狀態Fig.6 Swinging of rear drive device

3 輪式拖拉機多工況動力學仿真

為了探究姿態調整裝置對丘陵山地拖拉機穩定性的影響，建立了輪式丘陵山地拖拉機約束模型，如圖7所示，并進行了扭腰姿態裝置工作仿真試驗及拖拉機在越障路面、橫縱向坡路等多工況下動力學仿真試驗。賦予模型部件相應材料與密度，添加輪胎驅動力與接觸力，在扭腰裝置處添加旋轉副和扭簧(Torsion spring)，對仿真結果不產生影響的部件均用固定副相連。

圖7 輪式丘陵山地拖拉機約束模型Fig.7 Constraint model of wheeled hilly tractor

3.1 扭腰裝置工作過程仿真

將扭腰姿態調整裝置單獨仿真，模擬轉動時的工作狀態，仿真過程如圖8所示。

圖8 扭腰姿態調整裝置仿真過程Fig.8 Simulation of twisting and swinging attitude adjustment device

圖9 扭腰裝置仿真結果Fig.9 Simulation results of twisting device

仿真結果如圖9所示，液壓油缸向右移動帶動扭腰裝置右扭腰，到達極限位置時轉動的最大角度為15.2°，符合設計要求。在液壓缸工作行程最大時，扭腰裝置轉動角度也是最大，隨著油缸向左運動，扭腰裝置逐漸回到初始位置。

3.2 坡度穩定性仿真

3.2.1坡地模型建立

丘陵山地多為坡地，拖拉機在坡地穩定地行駛與作業是保證拖拉機安全性的一個重要前提[18-19]。建立一個面積較大的平臺來模擬坡地，在地面的不同位置添加旋轉驅動來模擬地面角度的變化，在仿真過程中形成不同角度的縱向坡與橫向坡路面，整體模型如圖10所示。

圖10 坡地路面仿真Fig.10 Simulation of slope road

3.2.2縱向坡度與橫向坡度穩定性仿真

在進行坡度穩定性仿真時，拖拉機剛開始出現滑移或傾翻的瞬間為拖拉機失穩的臨界狀態，此時坡地角即為該拖拉機的坡地最大穩定角[20]，仿真結果如圖11所示。

圖11 坡度與模型重心位置關系曲線Fig.11 Relationship lines between slope and model center of gravity

由圖11a可知，隨著縱向坡度的增大，Y軸方向的位移呈線性增加；當地面坡度超過23.2°時，拖拉機重心下降，此時拖拉機出現了滑移，這表明拖拉機在縱向坡地保持穩定的最大穩定角為23.2°。

由圖11b可知，隨著橫向坡度的增加，拖拉機在X軸方向的位移無變化，拖拉機正常直線行駛，當坡度超過16.8°時，拖拉機在橫向上產生位移，出現滑移現象，這表明拖拉機在橫向坡地保持穩定的最大穩定角為16.8°。

通過仿真丘陵山地拖拉機在不同坡度的運動情況可知，拖拉機縱向坡行駛保持穩定的最大傾角為23.2°，橫向坡行駛保持穩定的最大傾角為16.8°，滿足使用要求。

3.3 車輛行駛動力學仿真

3.3.1水平越障仿真

水平越障仿真是指模擬拖拉機在行駛時通過不同障礙時的運動情況，圖12為水平障礙路面。

圖12 水平越障路面Fig.12 Road of horizontal obstacle

(1)非扭腰狀態

將拖拉機的扭腰裝置關閉，車身變為剛性連接，前后無法發生相對轉動，圖13為拖拉機行駛過程中4個輪胎的受力情況，由于無法發生轉動，車輛在行駛過程中當1個輪胎通過障礙時，另外3個輪胎總會存在離地的情況，輪胎不受力致使拖拉機抓地力不足，行駛作業不穩定，可能引起拖拉機傾翻，存在安全隱患。

圖13 輪胎受力變化曲線Fig.13 Curves of tire force

(2)扭腰狀態

將拖拉機的扭腰裝置打開，拖拉機車身變為柔性連接，前后車身可以相對轉動，扭腰裝置轉動角的仿真結果如圖14所示。從車輛前進方向看，當拖拉機在越障路面作業，車輪經過不同的障礙，扭腰裝置會轉動不同角度來適應路面的起伏變化，始終保持車輪與地面接觸，避免出現輪胎懸空的情況，保證了拖拉機作業的穩定性。

圖14 扭腰姿態調整裝置轉動角變化曲線Fig.14 Rotation angle change curves of twisting and swinging attitude adjustment device

3.3.2縱向坡行駛穩定性仿真

建立一個20°的縱向坡度路面，使得路面與拖拉機模型處于合適的位置，如圖15所示。

圖15 縱向上坡路面Fig.15 Longitudinal uphill road

對拖拉機上坡行駛穩定性進行仿真分析，仿真結果如圖16所示。

圖16 縱向上坡穩定性仿真結果Fig.16 Simulation results of longitudinal uphill stability

在20°的縱向斜坡行駛，拖拉機4個輪胎受到的摩擦力較為均勻，保證了拖拉機能夠穩定直線行駛；從車輛前進方向看，在橫向上拖拉機重心無位移變化，在垂向和縱向上，車輛重心位移隨時間變化為直線上升且保持此趨勢不變，表明拖拉機在20°縱向坡上未出現側翻或滑移，能夠穩定正常作業。

對拖拉機下坡行駛進行仿真分析，下坡路面模型如圖17所示。

圖17 縱向下坡路面Fig.17 Longitudinal downhill road

仿真結果如圖18所示，拖拉機在20°的縱向斜坡下坡過程中，由于重力勢能轉換為車輛的動能，拖拉機速度有所提升，但維持在一定范圍之內，車輛重心位移在垂向和縱向上隨時間直線下降且保持此趨勢不變，表明拖拉機能夠平穩地下坡。

圖18 縱向下坡穩定性仿真結果Fig.18 Simulation results of longitudinal downhill stability

3.3.3橫向坡行駛穩定性仿真分析

建立一個坡度為15°的橫向坡路面，路面與車輛模型如圖19所示。對拖拉機行駛穩定性進行仿真分析，仿真結果如圖20所示。

圖19 橫向坡路面Fig.19 Transverse slope road

圖20 橫向坡穩定性仿真結果Fig.20 Simulation results of lateral slope stability

拖拉機在15°的橫向斜坡行駛過程中受到的摩擦力較為均勻；從車輛前進方向看，在橫向與垂向上拖拉機重心無位移變化，在縱向上，車輛重心位移隨時間變化直線下降并保持此趨勢不變，表明拖拉機未在15°橫向坡上出現側翻或滑移，能夠穩定直線作業。

3.3.4轉向行駛穩定性仿真分析

圖21為拖拉機在行駛過程中轉向工況下的運動軌跡。

圖21 拖拉機轉向行駛路線Fig.21 Steering route of tractor

本次仿真拖拉機兩前輪之間存在轉速差，實現差速轉向。仿真結果如圖22所示，拖拉機在左轉過程中，右前輪的轉速明顯高于左前輪，受到的振動比較明顯，其他3個輪胎的受力較為均勻。拖拉機向左轉，質心向左偏移，速度平穩，這表明拖拉機能夠穩定地進行轉向。

圖22 轉向穩定性仿真結果Fig.22 Simulation results of steering stability

4 田間試驗

2020年6月與12月分別在山東五征集團有限公司和中國一拖孟津崔溝試驗場進行了試驗。整機試驗性能按照Q/1121LWZ056—2020《丘陵山地扭腰輪式拖拉機 通用技術條件》、GB/T 3871.1—2006《農業拖拉機試驗規程 第1部分：通用要求》進行。

4.1 扭腰裝置擺動試驗

為檢驗扭腰姿態調整裝置的實際轉動角，進行了扭腰姿態調整裝置的擺動試驗，如圖23所示。

圖23 扭腰姿態調整裝置擺動試驗Fig.23 Swing test of twisting and swinging attitude adjustment device

將扭腰姿態調整裝置整體置于臺架上，并將前橋殼體安全固定，推動油缸使扭腰姿態調整裝置處于左右兩端極限位置，用記號筆標記，進行角度測量和記錄，左右各重復10次試驗，結果如表3所示，扭腰裝置平均轉動角為15.03°，結果符合要求。

表3 扭腰姿態調整裝置轉動角Tab.3 Rotation angle of twisting and twisting attitude adjustment device (°)

4.2 田間適應性試驗

對拖拉機行駛速度、轉彎半徑、最大爬坡角等指標進行檢測，如圖24所示。對各項指標重復5次試驗并對數據進行處理取平均值，結果如表4所示。

圖24 指標測量試驗Fig.24 Index measurement test

由試驗結果可知，扭腰輪式丘陵山地拖拉機最大縱向爬坡角為25.6°，最大橫向爬坡角為16.2°，滿足設計技術要求。

耕地作業試驗于2020年12月在孟津崔溝試驗場進行。在坡度為15°的地面上分別進行50 h旋耕作業(1GQN-40型旋耕機)和50 h犁耕作業(1LF-235型犁耕機)，如圖25所示，耕地作業試驗結果如表5所示。

表4 試驗結果Tab.4 Results of field experiment

圖25 耕地作業試驗Fig.25 Farming operations

試驗結果表明，旋耕作業平均生產率為0.65 hm2/h，犁耕作業平均生產率為0.36 hm2/h，二者均滿足丘陵山地作業需求。

表5 耕地作業試驗結果Tab.5 Results of farming operations

5 結論

(1)結合丘陵山地對拖拉機的姿態調整要求，設計了一種扭腰姿態調整裝置，該裝置由滾架、前橋殼體、過橋殼體、液壓油缸等組成，能夠調節拖拉機前后車身的相對轉動，提高作業穩定性。

(2)對扭腰姿態調整裝置進行動力學仿真及扭腰輪式拖拉機多工況動力學仿真，仿真結果表明，扭腰姿態調整裝置最大轉動角為15.2°；拖拉機縱向坡行駛保持穩定的最大傾角為23.2°，橫向坡行駛保持穩定的最大傾角為16.8°；拖拉機在通過不同障礙時能夠進行姿態調整，保持車輛穩定行駛。

(3)扭腰輪式拖拉機田間試驗結果表明，拖拉機的行駛速度為0～40 km/h，最小轉彎半徑為3 774 mm，最大縱向爬坡角度為25.6°，最大橫向爬坡角度為16.2°，旋耕作業平均生產率為0.65 hm2/h，犁耕作業平均生產率為0.36 hm2/h，該拖拉機能夠滿足丘陵山地正常作業需求。