自走式農業機械靜態穩定性研究現狀及展望

姜歡龍，嚴重勇，李青濤,2*，梁 麗，李佳陽，譚蕓穎

（1.西華大學機械工程學院,四川 成都 610039；2.西華大學現代農業裝備研究院,四川 成都 610039）

自走式農業機械自發明以來，憑借自身提供動力實現行走并可帶動機具作業的優勢，使得農業生產中人工勞動量大幅度降低，工作效率得到飛速提升。但是自走式農業機械相比于汽車，重心高、軸距短、輪/軌距窄，作業環境差，靜態穩定性差，易在作業時發生失穩，導致作業質量差，甚至造成人員傷亡?，F在常采用的主動安全手段是加裝預防失穩裝置，其結構復雜，技術作用過程中存在動作響應慢、調節精度差等問題；被動安全手段多采用安全框架設計，但它只能在失穩發生后起到保護駕駛員的作用?，F有主、被動安全手段均未能從根本上解決失穩這一問題[1]。解決自走式農業機械失穩問題的根本在于直接提升其穩定性，即應對其穩定性進行分析與理論建模，對影響穩定性的重要因素進行研究，并系統地提出提升其穩定性的方法。

自走式農業機械失穩問題多出現于田間或坡地，行走速度較低，因此對靜態穩定性進行研究更有針對性。國內外在靜態穩定性研究方面較少，可參考的權威性文獻量相對較少，其研究發展緩慢，因此，對現有的自走式農業機械靜態穩定性研究內容進行總結是必要的。

本文對比了國內外自走式農業機械靜態穩定性基礎理論研究及標準，介紹了其靜態穩定性影響因素的研究現狀和已提出的改良方法，指出了研究存在的不足，并對其進行展望，以期為自走式農業機械靜態穩定性研究提供參考。

1 靜態穩定性的研究現狀

國內外研究者均認為自走式農業機械的失穩是以滑移和翻傾形式出現[1?2]。靜態穩定性能是指在靜態下機械本身所固有的抗拒滑移和翻傾的能力，可分為滑移穩定性和翻傾穩定性。在靜態穩定性的研究內容上，國內外主要對其縱向靜態穩定性和橫向靜態穩定性展開研究，采用縱/橫向靜態滑移角和縱/橫向靜態翻傾角作為評定指標[3?5]。

1.1 靜態滑移穩定性

研究者在對自走式農業機械的縱/橫向滑移進行分析后，發現履帶式和全輪均有制動裝置的輪式自走式農業機械的縱向靜態滑移角僅與地面附著系數相關，地面附著系數越大，靜態滑移角越大。但由于橫坡的地面附著系數小于縱坡的地面附著系數，因此橫坡滑移問題相對縱坡滑移問題更為嚴峻[6?8]。對于僅驅動輪有制動裝置的輪式自走式農業機械而言，其縱向靜態滑移角還與重心高度、軸距相關[9]，但很少有研究者深入探索重心高度、軸距和地面附著系數對其縱向靜態滑移角的影響。

1.2 靜態翻傾穩定性

研究者對縱向翻傾采用力矩分析法進行分析后，發現履帶式和輪式自走式農業機械靜態翻傾角與軸距和重心位置相關，且均獨立影響縱向靜態翻傾角：軸距越大、重心越低，縱向靜態翻傾角度越大。當重心縱向位置在軸距中間時，其爬/下坡的縱向抗翻傾性能最優。為避免自走式農業機械發生縱向翻傾，設計人員通常會在整機前端加配重，使重心盡可能在縱向中間位置，以達到前后軸載荷各占一半的目的。Kumar 等[10]認為拖拉機前輪傳遞到路面上的負載不應小于拖拉機總質量的20%，并通過監控前后車轎載荷進行預警；張昊等[11]對果園作業平臺確定機械翻傾臨界點，通過對穩定系數K值的判定來實現機械的翻傾預警。

有研究者對橫向翻傾現象采用相同方法分析，發現其橫向靜態翻傾角與輪/軌距、履帶或輪胎接地寬度和重心位置相關，且均獨立影響橫向靜態翻傾角：輪/軌距、履帶或輪胎接地寬度越大，重心越低，橫向翻傾角度越大。當重心橫向偏移量為零時，其左右兩側抗翻傾性能最優。橫向翻傾問題相對縱向翻傾問題更為嚴峻，因此，國內外研究者針對橫向翻傾預警做了大量工作。國外通常以橫向載荷轉移率作為判斷發生橫向翻傾的依據，再結合控制計算，判斷機體是否會發生失穩，設計翻傾預警，并對其進行仿真和試驗驗證[12?13]。國內研究者提出采用傳感器監測姿態進行預警，如：彭朝暉等[14]針對高地隙田園管理機，基于橫向載荷轉移率建立模型，并采用仿真和試驗證明了預警系統的實時性與準確性；賈拓等 [15]根據鉸接式裝載機作業狀態計算出穩定區域，采用陀螺儀測量其傾斜角度，與穩定區域中的穩定狀態點對比進行預警判斷，并用實驗證明了該方案的可行性。

1.3 國內外靜態穩定性標準對比與使用建議

1.3.1 國內外權威標準對比

國內外研究者均認為滑移沒有翻傾危險[2?3]，因此，自走式農業機械的設計應當滿足靜態滑移角度小于靜態翻傾角度，使其在陡坡行駛時先發生滑移提醒駕駛員，避免翻傾的發生。當地面對一側行走裝置的作用力變為零時，自走式農業機械將會發生翻傾，此時它的重心在穩定面上的投影位于穩定面的邊緣線。為確定自走式農業機械的靜態翻傾角度，國內外制定了不同的計算或試驗標準。對比國內標準GB/T 3871.21—2015《農業拖拉機試驗規程 第21 部分：穩定性》[4]和國外標準ISO/DIS 16231-2：Self-propelled agricultural machineryassessment of stability-part 2：Determination of static stability and test procedures[5]可以看出國內外標準在確定靜態翻傾穩定性方法的相同點與不同點，如表1 所示。

表1 靜態翻傾穩定性測定方法對比Tab.1 Comparison of static roll stability determination methods

分析表1 可知，國內是采用試驗測得靜態翻傾角度，而國外采用計算法和幾何法得到靜態翻傾角度。學者和企業在對某一特定機型進行分析時的理論基礎和方法是相同的：通過理論計算或模型仿真，得到模糊的靜態翻傾角度，隨后進行試驗驗證，分析誤差大小。

此外，國外研究者認為帶有搖擺軸的輪式自走式農業機械的橫向翻傾過程與其他類型的橫向翻傾過程不同，如圖1 所示，對此采用空間投影法判斷重心的水平投影是否在翻傾穩定面內，如圖2 所示，最后通過求解得到有搖擺軸的輪式自走式農業機械的橫向靜態翻傾角度。

圖1 國外輪式自走式農業機械橫向翻傾穩定面確定過程Fig.1 Stability surface determination process of foreign wheeled self-propelled agricultural machinery

圖2 輪式自走式農業機械橫向翻傾穩定面Fig.2 Wheel self-walking agricultural machinery transverse roll stability surface

國標GB/T 3871.21—2015 規定了靜態翻傾角度的測試方法，適用于測量國內大部分自走式農業機械的靜態翻傾角度，但其側重試驗過程，理論部分介紹較少。ISO 16231-2 側重理論求解靜態翻傾角度，針對輪式自走式農業機械的靜態翻傾過程更加細致深入，但沒有對試驗驗證部分進行規范。有研究者引用ISO 16231-2 進行理論計算后對其靜態翻傾角度進行試驗驗證，例如：Hong 等[16]對3軸非對稱設計的拖拉機進行了測試；Chowdhury 等[17]對蘿卜收割機橫向靜態翻傾角度進行測定，建立了數學仿真公式進行計算，開展了橫向翻傾試驗，并與仿真結果進行誤差分析，判斷是否滿足ISO 16231-2 的誤差要求。

1.3.2 輪式自走式農業機械安全使用建議

通過分析ISO 16231-2 標準發現，自走式農業機械在坡地作業時車身處于以下狀況時最易發生失穩。

1）針對履帶式和無搖擺軸的輪式自走式農業機械，穩定面是履帶/輪胎與地面接觸的矩形穩定面。若軸距大于輪/軌距，重心在垂直于單側穩定邊界線所在的平面進行轉動時失穩最容易發生，即由于軸距大于輪/軌距，整機的橫向翻轉范圍小于縱向翻轉范圍，此時整機處于橫坡位置；同理，若輪/軌距大于軸距，車身處于縱坡位置時最易發生失穩。

2）針對有搖擺軸的輪式自走式農業機械，在搖擺軸的轉動自由度被鎖定前，當其重心在垂直于單側穩定邊界線所在的平面上進行轉動時最容易發生失穩，即圖2 中線SD/SC與等高線平行時[5]；在搖擺軸的轉動自由度被鎖定后與上述履帶式相同。

2 自走式農業機械靜態穩定性影響因素的研究現狀

2.1 地面附著系數對靜態滑移角的影響

地面附著系數是受多種因素共同作用所形成的結果。常見的地面類型附著系數如表2、表3所示。

表2 輪式自走式農業機械與地面附著系數[3]Tab.2 The ground attachment coefficient of wheel selfpropelled agricultural machinery[3]

表3 履帶式自走式農業機械與地面附著系數[18]Tab.3 Attach coefficient of crawler type self-propelled agricultural machinery and ground[18]

孔江生等[19]對車輪受力分析發現，輪式機械的地面附著性能主要與輪胎寬度、大小，接地比壓，地面類型和輪胎花紋特征等因素相關；張季琴等[20]通過正交試驗研究發現，履帶式機械的地面附著性能主要與履刺寬窄有關，履帶支承段長度和履帶寬度次之；余玉春等[21]通過輪胎附著力試驗發現，增大輪胎接地面積有利于干地附著力的提升，但會導致濕地附著力的下降,而輪胎附著面積與輪胎寬度、大小相關；張新局等[22]通過仿真和試驗發現，履帶拖拉機旋耕機組在黏土、砂壤土、干沙土的最大爬坡角度分別為 31、23 和 18°，證明了自走式農業機械在不同類型的作業坡地的附著能力不同。

在研制自走式農業機械時，應根據作業環境，合理選擇行走裝置類型及尺寸，有利于其靜態滑移穩定性能增強。

2.2 重心高度對靜態翻傾穩定性的影響

重心的高度發生微小變化將對靜態翻傾穩定性產生很大的影響。自走式農業機械具有重心高的特點，因此重心的準確測定對分析靜態穩定性非常重要。我國常用的自走式農業機械重心測定標準是GB/T 3871.15—2006《農業拖拉機試驗規程第15 部分 質心》[23]。仿真分析和試驗是測量重心高度的常用方法。仿真分析具有方便快捷的優勢，但是由于實際制造與模型存在誤差，其外形也不規則；因此，仿真測得的重心高度與實際有一定誤差。試驗法相對仿真法可以更精準測得重心高度，但由于彈性元件的作用和內部液體運動造成的重心高度變化，機械在不同翻傾角度的重心高度均有誤差。

為探究油液的運動對重心高度測量的影響，Wang 等[24]采取試驗法以零轉彎半徑割草機為對象展開研究，分析零轉彎半徑割草機在油箱儲油量為1/3、1 和整個系統幾乎干燥的情況下，后橋被抬起角度與重心位置的變化關系，結果顯示割草機的提升角從12°增加到15°時，重心高度相對恒定，并采用數據應用誤差傳遞理論分析證實了測量結果的有效性，誤差滿足ISO 16231-2 標準的規定；Farzaneh 等[25]在Wang 等[24]的研究基礎上通過仿真和試驗驗證了液體容器的位置不會改變液體移動對重心高度測量的影響，且當油箱具有最佳的液量和自由空間組合（即油箱的一半）時對拖拉機的影響為0.41%，滿油箱時為1.3%。

Reński[2]研究發現，重心位置越高，自走式農業機械翻傾的可能性越大，且翻傾過程中的加速度越大。Paul 等[26]對全地形車輛、輪式越野車輛、草坪拖拉機、零轉彎半徑割草機等4 組共17 臺機械在滿載和空載的狀況下進行橫向和縱向翻傾極限角度試驗，發現空載機械的最大橫/縱向翻傾角度相對于滿載時最大降低了14°，試驗結果表明重心高度越高越容易發生翻傾失穩。毛智琳等[27]對全架式履帶拖拉機進行合理布局設計，使重心位置處于整機穩定性能較優的位置，橫向翻傾角度達到51.35°。武濤等[28]針對現有的甘蔗田間運輸車卸料時重心偏高造成的翻傾問題，設計一款折疊式輸送卸料裝置，使其在卸蔗時重心高度降低，以提高整車穩定性。

目前，國內外研究者針對部分自走式農業機械進行改進，降低整機重心高度，這已成為增強其穩定性能的主要措施之一。

2.3 輪/軌距、軸距對靜態翻傾穩定性的影響

增加輪/軌距可增強橫向翻傾穩定性的原理和增大軸距可增強縱向翻傾穩定性的原理是相同的，兩者都是增大翻傾半徑，使翻傾發生變得更加困難。對于前輪距小于后輪距的拖拉機，張碩等[29]采取田口實驗設計方法，改變前后輪輪胎類型、前配重質量、前后輪距和機具位置，在E 級和F 級隨機路面行駛進行實驗，結果表明，對拖拉機斜坡上側前、后輪的側向穩定性影響最大的分別是前配重質量和后輪距。李忠政等[30]探究了輪距和軸距對拖拉機的影響，其模擬實驗結果表明：增加輪距對拖拉機橫向穩定性有顯著提升，但對縱向靜態穩定性能的影響范圍影響較?。辉黾虞S距對拖拉機的縱向靜態穩定性顯著提升，但與此同時，軸距過長反而會使縱向靜態穩定性能降低，軸距變化對橫向靜穩定性影響則很小。

較小的輪/軌距和軸距，可減小整車尺寸便于田間靈活作業；較大的輪/軌距和軸距便于增強靜態穩定性能：因此，自走式農業機械的開發應具有針對性，根據作業環境和作業對象選擇合適的輪/軌距，對于復雜作業環境和多類型作業對象，應結合底盤可變技術進行優化設計。

2.4 輪胎/履帶接地寬度對橫向靜態翻傾穩定性影響

輪胎和履帶是自走式農業機械在橫向翻傾的支撐點，橫向翻傾與輪胎/履帶接地寬度相關。Paul等[26]對同一自走式農業機械在相同載荷下，采取不同寬度的輪胎進行橫向和縱向的橫向翻傾極限角計算，分析得出：寬輪胎的橫向翻傾角度比窄輪胎橫向翻傾角度要大，但對于縱向翻傾角度幾乎無差別。研究者認識到輪胎/履帶接地寬度對自走式農業機械橫向靜態翻傾穩定性的影響，對丘陵山地機械多采用增大支撐點寬度來提升其穩定性能，例如：瑞士Aebi Schmidt 公司的TT 系列坡地拖拉機安裝了單輪轂裝配雙輪胎，如圖3 所示；德國公司生產的 Brielmaier 割草機采用寬的滾筒作為行走裝置，增強了其橫向靜態穩定性能，如圖4 所示；我國廣西惠來寶機械制造有限公司設計生產的適用于山地的惠利山牛系列輪式拖拉機均采用寬輪胎作為行走裝置，增大與地面接觸寬度，如圖5 所示。

圖3 瑞士Aebi 公司單輪轂裝配雙輪胎Fig.3 Swiss Aebi company single hub assembly with twin tires

圖4 德國Brielmaier 割草機Fig.4 Germany Brielmaier lawn mower

圖5 惠利山牛系列輪式拖拉機Fig.5 Huili Mountain cattle series wheeled tractor

實踐證明，對于丘陵山區等復雜地形，可采用寬輪胎/履帶增強機械靜態穩定性能，同時可降低接地比壓，減少對土壤的壓實度。因此設計人員在對坡地作業農業機械選用行走裝置時，無特殊設計要求的情況下，應有“選寬不選窄”的規范。

3 改良自走式農業機械靜態穩定性的技術

現有提升自走式農業機械的靜態穩定性能的方法主要有底盤調平技術、可變底盤技術、動量飛輪技術。

3.1 底盤調平技術

常見的自走式農業機械的姿態不變，其重心位置固定，在不同作業環境下合理調整車身姿態，使重心位置變化，可以提高其靜態穩定性。以歐美為代表的國家在20 世紀七八十年代開始對自走式農業機械在坡地作業進行車架調平研究[31]。我國對調平技術的研究起步較晚，自本世紀初展開后，出現了以楊福增團隊研究的具有代表的履帶式差高調平技術[32]，同時三點調平、四點調平和多點調平技術也得到快速發展[32?36]。

我國在應用于自走式農業機械的調平技術中，以車橋是否調平為判斷依據可大致分為2 類：車橋隨車身完成調平和車橋以上部位完成調平。理論上，前者在調平前后車身的橫坡站姿由垂直坡面變為垂直水平面，后者在此過程中車橋姿態不變，車架姿態變為水平。在確定姿態調平的變化過程后，國內研究者開展了大量研究。Wang 等[32]針對履帶底盤開發了帶有電控液壓控制的調平裝置，車橋與車架姿態同步調整，整車更適宜坡地作業；莊家鵬[37]針對輪式底盤開發了車橋姿態可調的結構，并對其進行仿真和試驗驗證，得到了縱向和橫向靜態翻傾角均增大了10°的結論。于泳超等[38]針對果園作業平臺設計開發了車橋姿態不變、車架姿態隨坡地變化調平的機構，其在不同干擾下始終保持水平，具有較好的抗翻傾能力。

實踐證明，調平技術可以有效提升自走式農業機械的穩定性能。調平是研究者研究較多的一種技術手段。

3.2 可變底盤技術

可變底盤技術通過增大兩側行走裝置的距離和離地間隙高度，使機械靜態穩定性能得到提升。同時，可變底盤技術使機械對作業環境的適應性也得到很大的提升。但是可變底盤技術有結構復雜，部分輪/軌距調整過程費力、繁瑣等不足，因此，在應用可變底盤技術時，應注重簡化結構、注重結合自動化技術[39]。

3.3 動量飛輪技術

動量飛輪技術是一種主動預防橫向翻傾的技術，車頭部的飛輪工作對車身整體產生反橫向翻傾力矩，使其保持穩定，達到主動防橫向翻傾效果[1,40]。由于此項技術方案比較新穎，國內研究者較少，因此，該技術相對其他方法并不成熟，暫未投入到實際應用中。

增強自走式農業機械靜態穩定性能的不同方法采用的關鍵技術及所實現的功能如表4 所示。國內對提升機體靜態穩定性能的研制仍處于創新探索階段，其中：調平技術研究較多，相對另2 種較為成熟，能夠達到我國規定的15°坡地調平；可變底盤技術發展較為緩慢，普遍采用機械和液壓結合方式，功率消耗較大；動量飛輪方法較為創新，但仍需深入研究。

表4 提高農業機械靜態穩定性能方法的功能對比Tab.4 Functional comparison of improving the static stability methods of agricultural machinery

4 研究存在的問題

4.1 基礎理論研究不足

我國自走式農業機械的后輪多是驅動輪，前輪是轉向輪。僅驅動輪有制動裝置的輪式自走式農業機械的滑移角就受多個設計參數的影響，其中附著系數、重心位置高度和軸距是關鍵影響因素，但目前仍未有深入研究。針對不同機械類型，如何進行目標優化設計整機的重心高度和軸距使得綜合靜態穩定性能最優有待深入研究。

4.2 胎面有效接地寬度誤差大

國內丘陵山地的自走式農業機械行走裝置逐步傾向于選配較寬的輪胎。在標準胎壓下，不同輪胎的胎面有效接地寬度是小于實際胎寬的。輪胎接地寬度誤差是造成橫向靜態翻傾角仿真分析與試驗誤差的主要影響之一。準確計算輪胎胎面的實際接地寬度可以提升理論分析的準確性。針對不同類型輪胎在不同胎壓下的胎面有效接地寬度規律值得深入探索。

4.3 彈性元件對靜態穩定性試驗造成的誤差大

農業機械在不斷發展過程中，設計者越來越注重車輛平順性，通常采用懸架等彈性元件減緩外界輸入的振動和沖擊，但是彈性元件是造成仿真與試驗測試靜態翻傾角度的重要誤差源之一。分析彈性元件對測試靜態翻傾角度影響情況可以降低計算、仿真誤差，確定其真實靜態翻傾角度。

4.4 底盤坡地實際站姿缺少研究

自走式農業機械在地面的橫坡站姿與水平面實際夾角不等于坡度值，但在現有研究中自走式農業機械的橫坡站姿均為絕對垂直于坡面或絕對垂直于水平面。實際橫坡站姿與多方面因素相關，接地比壓、土壤濕度、土壤硬度等因素均有影響，其實際站姿狀況與地面因素的影響關系有待深入探究。

5 展望

5.1 拓展三維空間分析

現有的自走式農業機械靜態穩定性研究多是絕對的橫坡或縱坡，但自走式農業機械最易失穩并不在橫坡和縱坡；因此，應根據不同的類型進行靜態穩定性分析確定最易失穩的狀況，并進行驗證，其過程相對繁瑣復雜。基于現有的二維研究平面，研發在三維空間的測量方法，將能更加精準快速確定并顯示在不同角度下的車身狀態，也可以給翻傾預警的研究提供參考。

5.2 加強智能化技術應用

國內研究人員借鑒汽車橫向翻傾的研究經驗，創新性提出了適用于自走式農用機械的橫向翻傾預警技術，但主動增強靜態穩定性能的技術發展尚不成熟，其智能化程度不高。結合控制算法、高精度傳感器、遠程遙控和無人駕駛技術等，可有效提高對現有主被動防失穩的響應速度、效率和可靠性。

5.3 優化底盤開發

在增強自走式農業機械靜態穩定性方法中，應加大底盤的研發力度，對底盤進行合理布局，優化底盤設計參數?？勺兊妆P技術應向自動化、輕量化和結構簡便化發展。尤其對于我國小地塊的丘陵山地的小型自走式農業機械，應結合遙控駕駛等現代化科學技術，避免出現失穩對人員造成危害。

6 結束語

在我國“十四五”加強丘陵山區農業機械發展的背景下，如何提高農業機械靜態穩定性是關鍵問題，對實現農業現代化具有重要意義。針對現有研究的不足，一方面應結合實踐作業，完善理論研究內容；另一方面對機械的穩定性創新多角度的分析方法，以降低計算誤差。針對提升底盤靜態穩定性設計開發，提出以傳統底盤設計為基礎，引導自走式農業機械研發向智能化、輕量化發展的建議。