姜?dú)g龍，嚴(yán)重勇，李青濤,2*，梁 麗，李佳陽(yáng)，譚蕓穎

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610039；2.西華大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院,四川 成都 610039）

自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械自發(fā)明以來(lái)，憑借自身提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)行走并可帶動(dòng)機(jī)具作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人工勞動(dòng)量大幅度降低，工作效率得到飛速提升。但是自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械相比于汽車，重心高、軸距短、輪/軌距窄，作業(yè)環(huán)境差，靜態(tài)穩(wěn)定性差，易在作業(yè)時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量差，甚至造成人員傷亡?，F(xiàn)在常采用的主動(dòng)安全手段是加裝預(yù)防失穩(wěn)裝置，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)作用過(guò)程中存在動(dòng)作響應(yīng)慢、調(diào)節(jié)精度差等問(wèn)題；被動(dòng)安全手段多采用安全框架設(shè)計(jì)，但它只能在失穩(wěn)發(fā)生后起到保護(hù)駕駛員的作用?，F(xiàn)有主、被動(dòng)安全手段均未能從根本上解決失穩(wěn)這一問(wèn)題[1]。解決自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械失穩(wěn)問(wèn)題的根本在于直接提升其穩(wěn)定性，即應(yīng)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析與理論建模，對(duì)影響穩(wěn)定性的重要因素進(jìn)行研究，并系統(tǒng)地提出提升其穩(wěn)定性的方法。

自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械失穩(wěn)問(wèn)題多出現(xiàn)于田間或坡地，行走速度較低，因此對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行研究更有針對(duì)性。國(guó)內(nèi)外在靜態(tài)穩(wěn)定性研究方面較少，可參考的權(quán)威性文獻(xiàn)量相對(duì)較少，其研究發(fā)展緩慢，因此，對(duì)現(xiàn)有的自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié)是必要的。

本文對(duì)比了國(guó)內(nèi)外自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性基礎(chǔ)理論研究及標(biāo)準(zhǔn)，介紹了其靜態(tài)穩(wěn)定性影響因素的研究現(xiàn)狀和已提出的改良方法，指出了研究存在的不足，并對(duì)其進(jìn)行展望，以期為自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性研究提供參考。

1 靜態(tài)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外研究者均認(rèn)為自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的失穩(wěn)是以滑移和翻傾形式出現(xiàn)[1?2]。靜態(tài)穩(wěn)定性能是指在靜態(tài)下機(jī)械本身所固有的抗拒滑移和翻傾的能力，可分為滑移穩(wěn)定性和翻傾穩(wěn)定性。在靜態(tài)穩(wěn)定性的研究?jī)?nèi)容上，國(guó)內(nèi)外主要對(duì)其縱向靜態(tài)穩(wěn)定性和橫向靜態(tài)穩(wěn)定性展開(kāi)研究，采用縱/橫向靜態(tài)滑移角和縱/橫向靜態(tài)翻傾角作為評(píng)定指標(biāo)[3?5]。

1.1 靜態(tài)滑移穩(wěn)定性

研究者在對(duì)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的縱/橫向滑移進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)履帶式和全輪均有制動(dòng)裝置的輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的縱向靜態(tài)滑移角僅與地面附著系數(shù)相關(guān)，地面附著系數(shù)越大，靜態(tài)滑移角越大。但由于橫坡的地面附著系數(shù)小于縱坡的地面附著系數(shù)，因此橫坡滑移問(wèn)題相對(duì)縱坡滑移問(wèn)題更為嚴(yán)峻[6?8]。對(duì)于僅驅(qū)動(dòng)輪有制動(dòng)裝置的輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械而言，其縱向靜態(tài)滑移角還與重心高度、軸距相關(guān)[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(shù)對(duì)其縱向靜態(tài)滑移角的影響。

1.2 靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性

研究者對(duì)縱向翻傾采用力矩分析法進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)履帶式和輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)翻傾角與軸距和重心位置相關(guān)，且均獨(dú)立影響縱向靜態(tài)翻傾角：軸距越大、重心越低，縱向靜態(tài)翻傾角度越大。當(dāng)重心縱向位置在軸距中間時(shí)，其爬/下坡的縱向抗翻傾性能最優(yōu)。為避免自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)生縱向翻傾，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在整機(jī)前端加配重，使重心盡可能在縱向中間位置，以達(dá)到前后軸載荷各占一半的目的。Kumar 等[10]認(rèn)為拖拉機(jī)前輪傳遞到路面上的負(fù)載不應(yīng)小于拖拉機(jī)總質(zhì)量的20%，并通過(guò)監(jiān)控前后車轎載荷進(jìn)行預(yù)警；張昊等[11]對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)確定機(jī)械翻傾臨界點(diǎn)，通過(guò)對(duì)穩(wěn)定系數(shù)K值的判定來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械的翻傾預(yù)警。

有研究者對(duì)橫向翻傾現(xiàn)象采用相同方法分析，發(fā)現(xiàn)其橫向靜態(tài)翻傾角與輪/軌距、履帶或輪胎接地寬度和重心位置相關(guān)，且均獨(dú)立影響橫向靜態(tài)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(dāng)重心橫向偏移量為零時(shí)，其左右兩側(cè)抗翻傾性能最優(yōu)。橫向翻傾問(wèn)題相對(duì)縱向翻傾問(wèn)題更為嚴(yán)峻，因此，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)橫向翻傾預(yù)警做了大量工作。國(guó)外通常以橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為判斷發(fā)生橫向翻傾的依據(jù)，再結(jié)合控制計(jì)算，判斷機(jī)體是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，設(shè)計(jì)翻傾預(yù)警，并對(duì)其進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證[12?13]。國(guó)內(nèi)研究者提出采用傳感器監(jiān)測(cè)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)警，如：彭朝暉等[14]針對(duì)高地隙田園管理機(jī)，基于橫向載荷轉(zhuǎn)移率建立模型，并采用仿真和試驗(yàn)證明了預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性；賈拓等 [15]根據(jù)鉸接式裝載機(jī)作業(yè)狀態(tài)計(jì)算出穩(wěn)定區(qū)域，采用陀螺儀測(cè)量其傾斜角度，與穩(wěn)定區(qū)域中的穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)對(duì)比進(jìn)行預(yù)警判斷，并用實(shí)驗(yàn)證明了該方案的可行性。

1.3 國(guó)內(nèi)外靜態(tài)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比與使用建議

1.3.1 國(guó)內(nèi)外權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

國(guó)內(nèi)外研究者均認(rèn)為滑移沒(méi)有翻傾危險(xiǎn)[2?3]，因此，自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足靜態(tài)滑移角度小于靜態(tài)翻傾角度，使其在陡坡行駛時(shí)先發(fā)生滑移提醒駕駛員，避免翻傾的發(fā)生。當(dāng)?shù)孛鎸?duì)一側(cè)行走裝置的作用力變?yōu)榱銜r(shí)，自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械將會(huì)發(fā)生翻傾，此時(shí)它的重心在穩(wěn)定面上的投影位于穩(wěn)定面的邊緣線。為確定自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的靜態(tài)翻傾角度，國(guó)內(nèi)外制定了不同的計(jì)算或試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3871.21—2015《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程 第21 部分：穩(wěn)定性》[4]和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在確定靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性方法的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，如表1 所示。

表1 靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性測(cè)定方法對(duì)比Tab.1 Comparison of static roll stability determination methods

分析表1 可知，國(guó)內(nèi)是采用試驗(yàn)測(cè)得靜態(tài)翻傾角度，而國(guó)外采用計(jì)算法和幾何法得到靜態(tài)翻傾角度。學(xué)者和企業(yè)在對(duì)某一特定機(jī)型進(jìn)行分析時(shí)的理論基礎(chǔ)和方法是相同的：通過(guò)理論計(jì)算或模型仿真，得到模糊的靜態(tài)翻傾角度，隨后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析誤差大小。

此外，國(guó)外研究者認(rèn)為帶有搖擺軸的輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的橫向翻傾過(guò)程與其他類型的橫向翻傾過(guò)程不同，如圖1 所示，對(duì)此采用空間投影法判斷重心的水平投影是否在翻傾穩(wěn)定面內(nèi)，如圖2 所示，最后通過(guò)求解得到有搖擺軸的輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的橫向靜態(tài)翻傾角度。

圖1 國(guó)外輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械橫向翻傾穩(wěn)定面確定過(guò)程Fig.1 Stability surface determination process of foreign wheeled self-propelled agricultural machinery

圖2 輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械橫向翻傾穩(wěn)定面Fig.2 Wheel self-walking agricultural machinery transverse roll stability surface

國(guó)標(biāo)GB/T 3871.21—2015 規(guī)定了靜態(tài)翻傾角度的測(cè)試方法，適用于測(cè)量國(guó)內(nèi)大部分自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的靜態(tài)翻傾角度，但其側(cè)重試驗(yàn)過(guò)程，理論部分介紹較少。ISO 16231-2 側(cè)重理論求解靜態(tài)翻傾角度，針對(duì)輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的靜態(tài)翻傾過(guò)程更加細(xì)致深入，但沒(méi)有對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證部分進(jìn)行規(guī)范。有研究者引用ISO 16231-2 進(jìn)行理論計(jì)算后對(duì)其靜態(tài)翻傾角度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，例如：Hong 等[16]對(duì)3軸非對(duì)稱設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)進(jìn)行了測(cè)試；Chowdhury 等[17]對(duì)蘿卜收割機(jī)橫向靜態(tài)翻傾角度進(jìn)行測(cè)定，建立了數(shù)學(xué)仿真公式進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)展了橫向翻傾試驗(yàn)，并與仿真結(jié)果進(jìn)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(nóng)業(yè)機(jī)械安全使用建議

通過(guò)分析ISO 16231-2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械在坡地作業(yè)時(shí)車身處于以下?tīng)顩r時(shí)最易發(fā)生失穩(wěn)。

1）針對(duì)履帶式和無(wú)搖擺軸的輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械，穩(wěn)定面是履帶/輪胎與地面接觸的矩形穩(wěn)定面。若軸距大于輪/軌距，重心在垂直于單側(cè)穩(wěn)定邊界線所在的平面進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)失穩(wěn)最容易發(fā)生，即由于軸距大于輪/軌距，整機(jī)的橫向翻轉(zhuǎn)范圍小于縱向翻轉(zhuǎn)范圍，此時(shí)整機(jī)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(shí)最易發(fā)生失穩(wěn)。

2）針對(duì)有搖擺軸的輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械，在搖擺軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度被鎖定前，當(dāng)其重心在垂直于單側(cè)穩(wěn)定邊界線所在的平面上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)最容易發(fā)生失穩(wěn)，即圖2 中線SD/SC與等高線平行時(shí)[5]；在搖擺軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度被鎖定后與上述履帶式相同。

2 自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性影響因素的研究現(xiàn)狀

2.1 地面附著系數(shù)對(duì)靜態(tài)滑移角的影響

地面附著系數(shù)是受多種因素共同作用所形成的結(jié)果。常見(jiàn)的地面類型附著系數(shù)如表2、表3所示。

表2 輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械與地面附著系數(shù)[3]Tab.2 The ground attachment coefficient of wheel selfpropelled agricultural machinery[3]

表3 履帶式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械與地面附著系數(shù)[18]Tab.3 Attach coefficient of crawler type self-propelled agricultural machinery and ground[18]

孔江生等[19]對(duì)車輪受力分析發(fā)現(xiàn)，輪式機(jī)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(guān)；張季琴等[20]通過(guò)正交試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，履帶式機(jī)械的地面附著性能主要與履刺寬窄有關(guān)，履帶支承段長(zhǎng)度和履帶寬度次之；余玉春等[21]通過(guò)輪胎附著力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大輪胎接地面積有利于干地附著力的提升，但會(huì)導(dǎo)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(guān)；張新局等[22]通過(guò)仿真和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，履帶拖拉機(jī)旋耕機(jī)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(nóng)業(yè)機(jī)械在不同類型的作業(yè)坡地的附著能力不同。

在研制自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械時(shí)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)環(huán)境，合理選擇行走裝置類型及尺寸，有利于其靜態(tài)滑移穩(wěn)定性能增強(qiáng)。

2.2 重心高度對(duì)靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性的影響

重心的高度發(fā)生微小變化將對(duì)靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械具有重心高的特點(diǎn)，因此重心的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)分析靜態(tài)穩(wěn)定性非常重要。我國(guó)常用的自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械重心測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 3871.15—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程第15 部分 質(zhì)心》[23]。仿真分析和試驗(yàn)是測(cè)量重心高度的常用方法。仿真分析具有方便快捷的優(yōu)勢(shì)，但是由于實(shí)際制造與模型存在誤差，其外形也不規(guī)則；因此，仿真測(cè)得的重心高度與實(shí)際有一定誤差。試驗(yàn)法相對(duì)仿真法可以更精準(zhǔn)測(cè)得重心高度，但由于彈性元件的作用和內(nèi)部液體運(yùn)動(dòng)造成的重心高度變化，機(jī)械在不同翻傾角度的重心高度均有誤差。

為探究油液的運(yùn)動(dòng)對(duì)重心高度測(cè)量的影響，Wang 等[24]采取試驗(yàn)法以零轉(zhuǎn)彎半徑割草機(jī)為對(duì)象展開(kāi)研究，分析零轉(zhuǎn)彎半徑割草機(jī)在油箱儲(chǔ)油量為1/3、1 和整個(gè)系統(tǒng)幾乎干燥的情況下，后橋被抬起角度與重心位置的變化關(guān)系，結(jié)果顯示割草機(jī)的提升角從12°增加到15°時(shí)，重心高度相對(duì)恒定，并采用數(shù)據(jù)應(yīng)用誤差傳遞理論分析證實(shí)了測(cè)量結(jié)果的有效性，誤差滿足ISO 16231-2 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；Farzaneh 等[25]在Wang 等[24]的研究基礎(chǔ)上通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了液體容器的位置不會(huì)改變液體移動(dòng)對(duì)重心高度測(cè)量的影響，且當(dāng)油箱具有最佳的液量和自由空間組合（即油箱的一半）時(shí)對(duì)拖拉機(jī)的影響為0.41%，滿油箱時(shí)為1.3%。

Reński[2]研究發(fā)現(xiàn)，重心位置越高，自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械翻傾的可能性越大，且翻傾過(guò)程中的加速度越大。Paul 等[26]對(duì)全地形車輛、輪式越野車輛、草坪拖拉機(jī)、零轉(zhuǎn)彎半徑割草機(jī)等4 組共17 臺(tái)機(jī)械在滿載和空載的狀況下進(jìn)行橫向和縱向翻傾極限角度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)空載機(jī)械的最大橫/縱向翻傾角度相對(duì)于滿載時(shí)最大降低了14°，試驗(yàn)結(jié)果表明重心高度越高越容易發(fā)生翻傾失穩(wěn)。毛智琳等[27]對(duì)全架式履帶拖拉機(jī)進(jìn)行合理布局設(shè)計(jì)，使重心位置處于整機(jī)穩(wěn)定性能較優(yōu)的位置，橫向翻傾角度達(dá)到51.35°。武濤等[28]針對(duì)現(xiàn)有的甘蔗田間運(yùn)輸車卸料時(shí)重心偏高造成的翻傾問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款折疊式輸送卸料裝置，使其在卸蔗時(shí)重心高度降低，以提高整車穩(wěn)定性。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)部分自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)，降低整機(jī)重心高度，這已成為增強(qiáng)其穩(wěn)定性能的主要措施之一。

2.3 輪/軌距、軸距對(duì)靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性的影響

增加輪/軌距可增強(qiáng)橫向翻傾穩(wěn)定性的原理和增大軸距可增強(qiáng)縱向翻傾穩(wěn)定性的原理是相同的，兩者都是增大翻傾半徑，使翻傾發(fā)生變得更加困難。對(duì)于前輪距小于后輪距的拖拉機(jī)，張碩等[29]采取田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，改變前后輪輪胎類型、前配重質(zhì)量、前后輪距和機(jī)具位置，在E 級(jí)和F 級(jí)隨機(jī)路面行駛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)拖拉機(jī)斜坡上側(cè)前、后輪的側(cè)向穩(wěn)定性影響最大的分別是前配重質(zhì)量和后輪距。李忠政等[30]探究了輪距和軸距對(duì)拖拉機(jī)的影響，其模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：增加輪距對(duì)拖拉機(jī)橫向穩(wěn)定性有顯著提升，但對(duì)縱向靜態(tài)穩(wěn)定性能的影響范圍影響較??；增加軸距對(duì)拖拉機(jī)的縱向靜態(tài)穩(wěn)定性顯著提升，但與此同時(shí)，軸距過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)使縱向靜態(tài)穩(wěn)定性能降低，軸距變化對(duì)橫向靜穩(wěn)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(yè)；較大的輪/軌距和軸距便于增強(qiáng)靜態(tài)穩(wěn)定性能：因此，自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的開(kāi)發(fā)應(yīng)具有針對(duì)性，根據(jù)作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象選擇合適的輪/軌距，對(duì)于復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和多類型作業(yè)對(duì)象，應(yīng)結(jié)合底盤(pán)可變技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4 輪胎/履帶接地寬度對(duì)橫向靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性影響

輪胎和履帶是自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械在橫向翻傾的支撐點(diǎn)，橫向翻傾與輪胎/履帶接地寬度相關(guān)。Paul等[26]對(duì)同一自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械在相同載荷下，采取不同寬度的輪胎進(jìn)行橫向和縱向的橫向翻傾極限角計(jì)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(duì)于縱向翻傾角度幾乎無(wú)差別。研究者認(rèn)識(shí)到輪胎/履帶接地寬度對(duì)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械橫向靜態(tài)翻傾穩(wěn)定性的影響，對(duì)丘陵山地機(jī)械多采用增大支撐點(diǎn)寬度來(lái)提升其穩(wěn)定性能，例如：瑞士Aebi Schmidt 公司的TT 系列坡地拖拉機(jī)安裝了單輪轂裝配雙輪胎，如圖3 所示；德國(guó)公司生產(chǎn)的 Brielmaier 割草機(jī)采用寬的滾筒作為行走裝置，增強(qiáng)了其橫向靜態(tài)穩(wěn)定性能，如圖4 所示；我國(guó)廣西惠來(lái)寶機(jī)械制造有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的適用于山地的惠利山牛系列輪式拖拉機(jī)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(guó)Brielmaier 割草機(jī)Fig.4 Germany Brielmaier lawn mower

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

實(shí)踐證明，對(duì)于丘陵山區(qū)等復(fù)雜地形，可采用寬輪胎/履帶增強(qiáng)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性能，同時(shí)可降低接地比壓，減少對(duì)土壤的壓實(shí)度。因此設(shè)計(jì)人員在對(duì)坡地作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械選用行走裝置時(shí)，無(wú)特殊設(shè)計(jì)要求的情況下，應(yīng)有“選寬不選窄”的規(guī)范。

3 改良自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性的技術(shù)

現(xiàn)有提升自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的靜態(tài)穩(wěn)定性能的方法主要有底盤(pán)調(diào)平技術(shù)、可變底盤(pán)技術(shù)、動(dòng)量飛輪技術(shù)。

3.1 底盤(pán)調(diào)平技術(shù)

常見(jiàn)的自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的姿態(tài)不變，其重心位置固定，在不同作業(yè)環(huán)境下合理調(diào)整車身姿態(tài)，使重心位置變化，可以提高其靜態(tài)穩(wěn)定性。以歐美為代表的國(guó)家在20 世紀(jì)七八十年代開(kāi)始對(duì)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械在坡地作業(yè)進(jìn)行車架調(diào)平研究[31]。我國(guó)對(duì)調(diào)平技術(shù)的研究起步較晚，自本世紀(jì)初展開(kāi)后，出現(xiàn)了以楊福增團(tuán)隊(duì)研究的具有代表的履帶式差高調(diào)平技術(shù)[32]，同時(shí)三點(diǎn)調(diào)平、四點(diǎn)調(diào)平和多點(diǎn)調(diào)平技術(shù)也得到快速發(fā)展[32?36]。

我國(guó)在應(yīng)用于自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的調(diào)平技術(shù)中，以車橋是否調(diào)平為判斷依據(jù)可大致分為2 類：車橋隨車身完成調(diào)平和車橋以上部位完成調(diào)平。理論上，前者在調(diào)平前后車身的橫坡站姿由垂直坡面變?yōu)榇怪彼矫妫笳咴诖诉^(guò)程中車橋姿態(tài)不變，車架姿態(tài)變?yōu)樗健Ｔ诖_定姿態(tài)調(diào)平的變化過(guò)程后，國(guó)內(nèi)研究者開(kāi)展了大量研究。Wang 等[32]針對(duì)履帶底盤(pán)開(kāi)發(fā)了帶有電控液壓控制的調(diào)平裝置，車橋與車架姿態(tài)同步調(diào)整，整車更適宜坡地作業(yè)；莊家鵬[37]針對(duì)輪式底盤(pán)開(kāi)發(fā)了車橋姿態(tài)可調(diào)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了縱向和橫向靜態(tài)翻傾角均增大了10°的結(jié)論。于泳超等[38]針對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了車橋姿態(tài)不變、車架姿態(tài)隨坡地變化調(diào)平的機(jī)構(gòu)，其在不同干擾下始終保持水平，具有較好的抗翻傾能力。

實(shí)踐證明，調(diào)平技術(shù)可以有效提升自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的穩(wěn)定性能。調(diào)平是研究者研究較多的一種技術(shù)手段。

3.2 可變底盤(pán)技術(shù)

可變底盤(pán)技術(shù)通過(guò)增大兩側(cè)行走裝置的距離和離地間隙高度，使機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性能得到提升。同時(shí)，可變底盤(pán)技術(shù)使機(jī)械對(duì)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性也得到很大的提升。但是可變底盤(pán)技術(shù)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分輪/軌距調(diào)整過(guò)程費(fèi)力、繁瑣等不足，因此，在應(yīng)用可變底盤(pán)技術(shù)時(shí)，應(yīng)注重簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、注重結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)[39]。

3.3 動(dòng)量飛輪技術(shù)

動(dòng)量飛輪技術(shù)是一種主動(dòng)預(yù)防橫向翻傾的技術(shù)，車頭部的飛輪工作對(duì)車身整體產(chǎn)生反橫向翻傾力矩，使其保持穩(wěn)定，達(dá)到主動(dòng)防橫向翻傾效果[1,40]。由于此項(xiàng)技術(shù)方案比較新穎，國(guó)內(nèi)研究者較少，因此，該技術(shù)相對(duì)其他方法并不成熟，暫未投入到實(shí)際應(yīng)用中。

增強(qiáng)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性能的不同方法采用的關(guān)鍵技術(shù)及所實(shí)現(xiàn)的功能如表4 所示。國(guó)內(nèi)對(duì)提升機(jī)體靜態(tài)穩(wěn)定性能的研制仍處于創(chuàng)新探索階段，其中：調(diào)平技術(shù)研究較多，相對(duì)另2 種較為成熟，能夠達(dá)到我國(guó)規(guī)定的15°坡地調(diào)平；可變底盤(pán)技術(shù)發(fā)展較為緩慢，普遍采用機(jī)械和液壓結(jié)合方式，功率消耗較大；動(dòng)量飛輪方法較為創(chuàng)新，但仍需深入研究。

表4 提高農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性能方法的功能對(duì)比Tab.4 Functional comparison of improving the static stability methods of agricultural machinery

4 研究存在的問(wèn)題

4.1 基礎(chǔ)理論研究不足

我國(guó)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的后輪多是驅(qū)動(dòng)輪，前輪是轉(zhuǎn)向輪。僅驅(qū)動(dòng)輪有制動(dòng)裝置的輪式自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的滑移角就受多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，其中附著系數(shù)、重心位置高度和軸距是關(guān)鍵影響因素，但目前仍未有深入研究。針對(duì)不同機(jī)械類型，如何進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)整機(jī)的重心高度和軸距使得綜合靜態(tài)穩(wěn)定性能最優(yōu)有待深入研究。

4.2 胎面有效接地寬度誤差大

國(guó)內(nèi)丘陵山地的自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置逐步傾向于選配較寬的輪胎。在標(biāo)準(zhǔn)胎壓下，不同輪胎的胎面有效接地寬度是小于實(shí)際胎寬的。輪胎接地寬度誤差是造成橫向靜態(tài)翻傾角仿真分析與試驗(yàn)誤差的主要影響之一。準(zhǔn)確計(jì)算輪胎胎面的實(shí)際接地寬度可以提升理論分析的準(zhǔn)確性。針對(duì)不同類型輪胎在不同胎壓下的胎面有效接地寬度規(guī)律值得深入探索。

4.3 彈性元件對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)造成的誤差大

農(nóng)業(yè)機(jī)械在不斷發(fā)展過(guò)程中，設(shè)計(jì)者越來(lái)越注重車輛平順性，通常采用懸架等彈性元件減緩?fù)饨巛斎氲恼駝?dòng)和沖擊，但是彈性元件是造成仿真與試驗(yàn)測(cè)試靜態(tài)翻傾角度的重要誤差源之一。分析彈性元件對(duì)測(cè)試靜態(tài)翻傾角度影響情況可以降低計(jì)算、仿真誤差，確定其真實(shí)靜態(tài)翻傾角度。

4.4 底盤(pán)坡地實(shí)際站姿缺少研究

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

5 展望

5.1 拓展三維空間分析

現(xiàn)有的自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性研究多是絕對(duì)的橫坡或縱坡，但自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械最易失穩(wěn)并不在橫坡和縱坡；因此，應(yīng)根據(jù)不同的類型進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定性分析確定最易失穩(wěn)的狀況，并進(jìn)行驗(yàn)證，其過(guò)程相對(duì)繁瑣復(fù)雜?；诂F(xiàn)有的二維研究平面，研發(fā)在三維空間的測(cè)量方法，將能更加精準(zhǔn)快速確定并顯示在不同角度下的車身狀態(tài)，也可以給翻傾預(yù)警的研究提供參考。

5.2 加強(qiáng)智能化技術(shù)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)研究人員借鑒汽車橫向翻傾的研究經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新性提出了適用于自走式農(nóng)用機(jī)械的橫向翻傾預(yù)警技術(shù)，但主動(dòng)增強(qiáng)靜態(tài)穩(wěn)定性能的技術(shù)發(fā)展尚不成熟，其智能化程度不高。結(jié)合控制算法、高精度傳感器、遠(yuǎn)程遙控和無(wú)人駕駛技術(shù)等，可有效提高對(duì)現(xiàn)有主被動(dòng)防失穩(wěn)的響應(yīng)速度、效率和可靠性。

5.3 優(yōu)化底盤(pán)開(kāi)發(fā)

在增強(qiáng)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性方法中，應(yīng)加大底盤(pán)的研發(fā)力度，對(duì)底盤(pán)進(jìn)行合理布局，優(yōu)化底盤(pán)設(shè)計(jì)參數(shù)。可變底盤(pán)技術(shù)應(yīng)向自動(dòng)化、輕量化和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便化發(fā)展。尤其對(duì)于我國(guó)小地塊的丘陵山地的小型自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械，應(yīng)結(jié)合遙控駕駛等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，避免出現(xiàn)失穩(wěn)對(duì)人員造成危害。

6 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)“十四五”加強(qiáng)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的背景下，如何提高農(nóng)業(yè)機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定性是關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，一方面應(yīng)結(jié)合實(shí)踐作業(yè)，完善理論研究?jī)?nèi)容；另一方面對(duì)機(jī)械的穩(wěn)定性創(chuàng)新多角度的分析方法，以降低計(jì)算誤差。針對(duì)提升底盤(pán)靜態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，提出以傳統(tǒng)底盤(pán)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，引導(dǎo)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)向智能化、輕量化發(fā)展的建議。