1、农业机械底盘技术研究现状与展望0引言我国农机生产和拥有量居世界首位，2018年农机总动力达到10.04亿千瓦,总量近2亿台，其中拖拉机保有量2240万台、联合收获机206万台，截止2019年综合机械化率为69%o随着工业化和城镇化的加速发展，社会老龄化加剧、人工劳动成本不断增加，发展以现代化、工厂化农业为主体的生产模式成为当务之急。在新形势与背景下，中国制造2025实施纲要把智能农机装备列为重点发展的十大领域之一；在“十四五”科技发展规划中，工厂化农业关键技术与智能农机装备也被列为重点研发计划。底盘总成是移动式农业动力机械的重要组成部分，其性能直接影响整机的作业质量和效率。底盘支撑、安装驱动系
2、统及各部件的总成，并接受驱动系统的动力，使农业装备在各种复杂环境下运动，不仅要在耕、播、管、收等生产环节正常行驶，而且通用底盘上还要安装其他功能性机构，从而实现苗木移栽、林果采收、产品分级、根茎切割等功能。因此，农业机械底盘技术发展水平是体现农业现代化和智能化程度的重要标志，世界农业装备强国均将底盘作为智能农机装备研究发展的核心。底盘是集传动、行走、液压、转向、制动、机-电-液集成控制等技术于一体的动力机械移动平台3可以稳定、高效、可靠地承载、牵引、外挂其他功能性农机具，从而完成农业生产任务。近年来，国内外学者从“高效、智能、环保”等角度出发，在四轮驱动、动力换挡、无级变速、轮距可调、空气悬架
4、收获机等底盘传动系统布置方案；液力式传动系统是以液体作为传动介质，循环流动的动能或压能变化来传递或转换能量，主要适用于高地隙植保机、水田插秧机等底盘传动系统布置方案；电力式传动系统是指将电动机输出的动力传递至传动轴或驱动桥，或多轮毂电机直接驱动，目前中国一拖集团有限公司的超级无人拖拉机1号、农业采摘机器人等装备底盘均采用电力式传动系统布置方案，图1所示为不同驱动类型的农机装备。a）四轮郛的宋兆机器人电力卦动推迄讥框毅图i不同驱动形式的农业装备Fig.1Differentdriveformsofagriculturalequipment1.1.1.1.1机械式驱动机械式四轮驱动具有良好的越障性
5、、牵引性、坡地稳定性，广泛适用于山区农机底盘传动系统布置方案，常见的机械式四轮驱动主要包括：全时四轮驱动、分时四轮驱动和适时四轮驱动。陈黎卿团队-为了提高四轮驱动底盘动力性和行驶稳定性，提出一种基于前后轴转速差及车轮滑转率实时观测的轴间扭矩分配控制策略。张京等圆针对农用轮式机器人转向方式单一、难以适应田间地头转向等问题，设计了一种四轮独立驱动转向农用轮式机器人。QUAN等基于扩展阿克曼转向原理设计了一种适用于作物行间行驶的四轮驱动移动式农用信息获取机器人。李勇等10通过对四轮驱动拖拉机牵引效率的分析，提出了影响四轮驱动拖拉机牵引效率的关键因素。1.1.2液力式驱动静液压驱动底盘具有轻量化、功
7、，静液压驱动底盘利于实现自动化、智能化控制和远程操纵，满足对当代农业机械自动化、智能化的要求，具有广阔的市场前景。1.1.3电力式驱动电力式驱动底盘具有低能耗、无污染、噪声低、传动效率高等显著特点，符合新能源背景下电动农机驱动底盘传动系统布置方案，目前电力式驱动主要包括：传统集中式驱动（直接替换内燃机）、分布式驱动（直联式电驱动车桥卜轮边或轮毂电机驱动，采用铅酸蓄电池供电和永磁无刷电机作动力源"YUKO等18设计了一款功率10kW纯电动拖拉机，与等功率内燃机驱动的拖拉机作业能耗对比试验，田间行走和耕作所需的能源消耗可减少约70%。李同辉等IK提出了一种纯电动拖拉机的双电机多模动力耦
8、合驱动系统，实现多种驱动模式协调控制，提高整机驱动效率。刘路等3为了适应烟草植保行农艺要求，设计了一款四轮轮毂电机驱动的植保机移动平台。为满足复杂的田间作业需求，电机的适用性、电池的续航里程、专用的电力式驱动控制系统是未来电动农业机械底盘的研究重点。1.2离合器离合器在农用机械传动系统中是直接与驱动系统相连接的部件，其功用是保证底盘平稳起步，减轻轮齿间的冲击以及限制传动系统过载。根据传递动力的方式分为摩擦式离合器、液力离合器等-0摩擦式离合器可分为单作用式和双作用式，其中双作用摩擦式离合器将动力同时传递至变速箱和动力输出装置(PTO),主要适用于中小型拖拉机、收获机传动系统中，典型的有独立操
9、纵和联动操纵的双作用摩擦式离合器。液力离合器通过施加压力使得湿式摩擦片与片中间的油液挤出接合得很紧而传递扭矩，其中多片湿式离合器广泛用于对平稳性要求较高的自动变速器和无级变速器。廖湘平等凶为了解决液粘调速离合器摩擦副偏磨问题，提出了一种新型双活塞结构液粘调速离合器；傅生辉等24针对大功率拖拉机动力换挡过程中湿式离合器充油压力实际值与理想值之间存在偏差的问题，提出了一种基于紧格式动态线性化的离合器压力无模型自适应预测控制(Modelfreeadaptivepredictivecontrol,MFAPC)算法，以实现离合器油缸压力的跟随控制。1.3动力换挡技术及变速箱变速箱是农业动力机械传动系统
10、的核心部件之一，直接影响整机的动力性、经济性、平顺性和舒适性。20世纪80年代，动力换挡变速箱开始在拖拉机、收获机动力传动系统中得到应用25-26o目前，国外大部分拖拉机厂商都提供带有动力换挡变速装置的拖拉机，如意大利兰蒂尼(Landini)公司的Legend系列，荷兰Ford公司的30系列，法国雷诺公司的175-74T2系列，Caterpillar公司的Challenger65系列，美国Case公司的CX系列、Magnum系列，意大利Same公司的Silver系列等卬-29。与国外相比，国内的动力换挡技术比较落后，早期应用于工程机械上，目前，中国一拖集团、福田雷沃重工、山东常林、五征集团、常
11、州东风和江苏常发等农机制造企业开展了拖拉机动力换挡技术的研究，并已有部分产品进入农机市场30-31目前农业机械底盘用变速器主要有以下几种类型：动力换挡自动变速箱(Powershifttransmission,PST)、液力机械式自动变速箱(Automatictransmission,AT)、电控机械式自动变速箱(Automatedmechanicaltransmission,AMT)、液压机械式无级自动变速箱(Hydro-mechanicalcontinuouslyvariabletransmission,HMCVT)和静液压无级自动变速箱(Hydraulicstatictransmissio
13、统和电子控制手旅组成.通过电渣压悔排机构实现搅打控制由灌变也需，辅助变速器与自动换挡控制系统出成.通讨液体就届期的变化改变效矩.计外部班载真有拉好的白劭调节能力也手动变速器基地上褪过电子技末、计算机控相技术、传礴器技术，信息处理技术等加装变速器控制单元，通过电控凝苗筒化复杂的手工操作通过液压传动与机械传动实现无冢变速自动遭应负载的变化F清足大功率拖拉枕的隹动要求群欷压无怨自动变速通过能体介庖的压力来进行动力的侍速.由液压M.液压马达出成闭式传动系统传动比对控范围有限.高.靖构简单，制造成才红LX7.雷法1004系停劲救率高、传递扭矩.本高东方高LF2C4,10三型、凯斯Soo靠列的起生平整、
15、主要适用于平原、旱地等环境下的农机底盘；龙门式驱动桥，为非行星减速的双极减速车桥，主要适用于园艺、水田等工作环境下的农机底盘39-40。为了满足不同农作物种植行距的农艺要求，能够实现动力底盘轮距根据作物行距自适应调整，具有轮距可调功能的驱动车桥成为研究热点，轮距可调式驱动桥插入底盘横梁中，轮距调节油缸的活塞端通过油缸连接销钱接到底盘横梁上焊接的油缸固定耳，轮距调节油缸的活塞杆端通过螺栓连接到驱动桥横管底端的螺纹孔上，当调节油缸伸缩时，驱动桥横管就能在底盘横梁内滑动，从而实现底盘的轮距调节功能阿。刘平义等陷针对农用底盘轮距随农作物行距变化而适应性调整的技术需求，基于轮距调整联动转向原理，设计一种
16、轮距可调式转向驱动桥，有效提高了农用底盘在田间作业的适应性。刘宏新等，烟以轻量化和高通过性为目标，设计了一种适用于水田自走式驱动底盘的铝制转向驱动桥。2农业机械底盘行驶系统2.1底盘调平系统调平系统主要应用于丘陵山区、果园等农业机械底盘，根据底盘的倾斜程度计算出调节量，并通过液压缸、悬架或轮距进行车身全向调平来适用作业地形。国外农机底盘调平系统主要围绕降低重心、控制车体等方向发展人5。美国约翰迪尔公司研发了适用于坡地作业的联合收获机调平系统，通过控制供油回路通断的方式，实现车体调平46。HOEHN等囱研究了一种应用于耕作机具的调平系统,可实时调节耕作机具与地面的高度，有利于保持恒定的土壤切削
17、深度。国内主要围绕果园升降平台、农机具全向调平控制系统、丘陵山地拖拉机调平系统研究较多，齐文超等园提出基于平行四杆机构和双车架机构的车身横/纵向调平方案，设计了一种基于双闭环PID算法的全向调平丘陵山地拖拉机。金诚谦等峭采用钱链五杆机构，结合电液控制技术，设计一种履带式联合收获机全向调平底盘及其电液控制系统，实现底盘横/纵向倾斜调整。2.2空气悬架悬架按照弹性元件的类型可分为螺旋弹簧悬架、空气弹簧悬架和油气弹簧悬架。图2所示为独立式立轴空气弹簧悬架系统总成；目前，国外大部分喷雾机制造企业都提供带有四轮独立式空气悬架系统的高地隙植保机，如JohnDeere、HAGIE、AGCO、AgriFac
19、得出了乳状液的体积模量和质量密度随气体体积分数的变化规律。因此，空气弹簧悬架具有非线性弹性特性好、悬架行程大、负载能力强、刚度和阻尼可调等特点，广泛应用超高地隙植保机底盘悬架系统图2独立式立轴空气悬架系统总成Fig.2Independentstruttypeairsuspensionsystem1.车轮2.制动盘3.马达保护壳体4.行走液压马达5.制动钳6.立轴7.轮距滑柱支撑8.转向油缸支撑臂9.轮距调节滑柱10.空气弹簧11.转向油缸12.弹簧底部支撑13.弹簧导向架14.尼龙摩擦阻尼块15、16、17.高强螺栓组件18.转向臂19.定位环2.3农用子午线轮胎农用轮胎是轮式移动底盘的核心部
20、件之一，按照胎体结构可分为斜交线轮胎和子午线轮胎，图3所示为3种不同功用的农用轮胎。由于农用子午线轮胎具有出色的牵引力、自清洁能力、舒适性和路面操控灵活性等特点，成为农业装备轮胎的首选57。目前，世界农用轮胎子午化率已达90%左右，欧洲轮胎技术组织标准手册在20世纪70年代已制定出农业子午线轮胎系列和产品标准，而我国农用子午线轮胎仍处于逐步取代斜交线轮胎阶段，截止2019年农用轮胎子午化率仅65%左右。为突破制约我国农用子午线轮胎发展的技术瓶颈，应研发适用于水田高漂浮农用子午线轮胎和旱田垄沟农用子午线轮胎，改变国内生产农业子午线轮胎品种单一化的现状，国内玲珑轮胎、中策橡胶、三角轮胎、昌丰轮胎等
21、企业也开始研发生产农用子午线轮胎X。2020年中国国际农机展中，多款国产化农业子午线轮胎方案亮相，其中拖拉机TM600、TM700、TM800系列子午线轮胎单宽胎、喷药机TM150系列子午线轮胎、收获机TM3000系列子午线轮胎的成功应用，提升了终端用户的使用便利性和高效性，从而大幅促进农业耕作增产增收60-612注轮船出)午线轮胎(Q水曲轮胎图3不同功用的农用轮胎Fig.3Threekindsoftireswithdifferentfunctions2.4农用履带履带移动式底盘具有接地比压小、附着性能好、转弯半径小、越障能力强等优点，在坡地、粘重、潮湿地及沙土地使用时性能显著。按照履带结构
22、形式可分为组合式履带底盘和整体式履带底盘。其中组合式履带多用于履带式农业机器人底盘，常见的可分为带履带臂和不带履带臂2种，带履带臂的又被称为履腿复合式机器人，整体式履带多用于大功率、重负荷、山区农业装备底盘，如履带自走式拖拉机、履带自走式果园采摘机、履带自走式行间喷雾机等62-63。根据履带材料不同分为金属履带底盘和橡胶履带底盘，橡胶履带接地比压低，对土壤破坏程度轻，尤其适于低湿地、沙壤土质区作业。表2为不同结构形式的履带底盘结构特点及应用情况表2农用履带分类Tab.2Classificationofagriculturalcrawler杵点及应用组含式结梅整体式材料伟脱节依小，绕粘性好，寿命
23、长，强度画,靖枸流单.价格便宜，度用于腰腿复合式机器人履带矗板作为啾重轮,结的吱杂.越障性能和脑障槎定性高.但磨损快，应用于农业履带机器人常用丁木的量不大的坚硬蔚而.如砰石:山岫路面应用于大功率拒拉机,收姚机将用于下陷量较大的路面.如木EB,雪地等.良用于水田机械2.5悬浮式转向车桥悬浮式前桥是指在刚性前桥的基础上加装带有自动水平协调控制装置和悬架刚性闭锁装置的悬浮机构，其主要通过悬浮机构的液压油缸伸缩动作来缓和凹凸不平地面引起的冲击载荷对底盘的冲击，衰减由于路况与行驶速度相互作用而产生的低频振动，从而达到底盘的缓冲、减振的效果。图4为电控悬浮式转向车桥结构。目前，国外大功率轮式拖拉机底盘行
24、驶系统均装配悬浮式弹性前桥，约翰迪尔的6210R型拖拉机采用该类型前桥，提升农用动力底盘前轮与地面的接触效率，增加整机的行驶速度和稳定性64-65。而国内由于核心关键零部件研发能力不足，动力底盘前桥系统仍多数采用刚性前桥系统，拖拉机前桥系统仍多数采用刚性前桥系统，由于缺乏衰减振动的有效部件，很大程度上制约着拖拉机舒适性的提升，已难以适应高端农机的发展需求66-68o国内学者对前桥悬架系统及关键技术的研究仍处于起步阶段，且主要集中在悬架特性分析等方面。其中，中国农业大学毛恩荣团队率先开展大功率拖拉机电控悬浮式前桥悬架系统振动控制研究，并设计了一种基于插装式比例阀液压系统回路的悬架参数调节系统，可
25、实现多种模式的前桥悬架阻尼调节-o图4电控悬浮转向车桥结构示意图Fig.4Structurediagramofelectronicallycontrolledsuspensionsteeringaxle1.悬浮控制系统液压单元2.动力输出轴3.悬浮控制系统储能器4.转向油缸5.前桥体6.悬浮挂耳7.悬浮耳轴8.摆臂支撑9.悬浮高度传感器10.转向角度传感器3农业机械底盘转向系统转向系统的功用是利用外部驱动力矩操纵转向机构使得农机底盘按照既定的路径方向行驶。随着农业装备的智能化、高效化发展，农机行驶和作业过程中对于转向系统的要求也越来越高，农业机械转向系统类型有：机械式转向、液压助力转向、电动助
26、力转向、电控液压助力转向以及线控转向70-71。3.1液压助力转向液压助力转向(Hydraulicpowersteering,HPS)具有输出力矩大、转向稳定性高、使用灵活和故障率低等优点，是目前农用高地隙底盘中主流的助力转向技术，主要包括机械助力式液压助力和全液压助力两种类型。其中齿轮齿条式和循环球式转向器为传统液压助力系统的重要组成部件-。国外19世纪初期开始研发液压驱动转向系统，CaseCrop公司生产的Patriot4430型喷雾机首次采用四轮液压助力转向。陈黎卿等a为了实现无人操作的辅助驾驶系统，在原有的高地隙植保机液压助力转向系统基础上并联一套转向液压系统，辅助驾驶状态时,液压油
27、在优先阀的作用下经比例换向阀到达转向油缸，工作时利用驱动控制器控制比例阀芯移动，实现对液压油流量、方向的精确控制，完成辅助驾驶工况下的自动转向。扈凯等国研制了一种适用于高地隙喷雾机的多模式液压转向系统，并采用PID控制算法和压力补偿系统确保变载荷下转向系统控制精度和底盘稳定性。3.2电动助力转向电动助力转向(Electricpower-assistedsteering,EPS)H一种利用电动机提供驱动扭矩的动力转向系统，如图5所示，其系统主要由扭矩传感器、转角传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等组成76-77。其中助力电机及其控制策略是EPS系统中关键技术之一。根据助力电机安
30、控液压助力转向装置，通过摩擦轮驱动拖拉机方向盘从而带动全液压助力阀转动，实现驱动拖拉机前轮转向；施国标等基于无人驾驶模式设计了融合液压助力转向和电动助力转向的电液复合转向系统，并提出一种自适应双闭环转向跟踪控制策略，有效降低转向角度跟踪误差，具有随速助力、主动回力等优点；杨洋等闸设计了基于直流电机与全液压助力器直联的自动转向机构及其电控系统。通过在转向驱动电机输出轴安装电磁离合器和转向柱扭矩传感器实现人工驾驶模式和自动驾驶模式的自动切换，图6所示为电控液压助力转向系统结构。图6电控液压助力转向系统结构示意图Fig.6Schematicofelectrichydraulicpowersteeri
33、传想器电机及物动器杼向后京海乩油柏百送E储M般陶一溢流阈图7线控液压转向系统总体结构图Fig.7Schematicofpowerbywiresystem池缸位球传糕部4农业机械底盘制动系统主动制动系统有效减少了驾驶员制动过程中的经验性操作，实现制动精确化、智能化控制。高端农业机械底盘集成电控制动防抱死系统(Anti-lockbrakingsystem,ABS),在此基础上，驱动防滑控制系统(Accelerationslipregulation,ASR)、电子稳定系统(Electronicstabilityprogram,ESP)的发展极大提高了农用车辆、拖拉机等的行驶安全性。目前，防滑和防侧翻
37、驾驶经验不足又可克服驾驶员生理及心理的限制，有效提高汽车防侧翻能力。秦嘉浩等，115以反作用动量飞轮为执行元件，提出了将动量飞轮置于拖拉机前部，取代传统静态配重的同时可主动提供防侧翻力矩。装备飞轮的拖拉机与无控制组对比可多次实现整机的防侧翻控制，使整机防侧翻性能得到明显改善。张硕等优将前后轮轮胎类型、前配重质量、前后轮距和机具位置6个影响因素作为控制因子，分析拖拉机斜坡直线行驶工况下侧向稳定性贡献度，结果表明：对拖拉机斜坡上侧前、后轮侧向稳定性影响最大的控制因子为前配重质量和后轮距。5农业机械底盘遥控技术5.1线控底盘线控底盘系统是农机装备智能驾驶的核心技术之一，满足遥控驾驶、自动驾驶的线控底
38、盘控制器ECU作为智能农机装备的核心主控制单元，如图8所示，通过CAN总线等方式与线控点火、线控油门、线控离合器、线控转向、线控制动、线控换挡、线控空气悬架等系统进行信息交互，通过对接收到的信息处理，判断各个子控制单元和整机系统的行驶状态，做出安全、合理的指令，从而使各个子控制单元协调、安全的工作，实现底盘遥控、自动驾驶的功能。目前，从执行端来看，线控油门、线控转向、线控制动等技术在农机机械底盘上的应用相对成熟5,实现底盘线控换挡的一个技术瓶颈是无级变速和动力换挡，德国采埃孚(ZF)公司、意大利卡拉罗(Carraro)等企业比较成熟的农机用动力换挡技术及产品；目前国内有中国一拖集团、福田雷沃重
39、工、五征集团等主机企业和配套企业研究动力换挡技术。底盘线控技术的发展大大降低了驾驶员对移动底盘的操作参与度，是未来农机装备实现辅助驾驶、遥控驾驶及无人驾驶的基础。远程温控平由T自一弊驶控赢"1模式关ten制动骷板夜飘冷叫舞个画通回I|一控点火|线控离合一|缱控一向|.控油门|控制图8线控底盘系统架构Fig.8Schematicofchassissystembywire5.2底盘遥控技术底盘遥控技术指驾驶员利用遥控云端对移动底盘发送转向、加速、制动以及具体底盘安装附件的喷药、采摘、升降等指令信号，实现农机装备云端遥控作业、智慧管理等功能；从传播指令信号的载体大体可分为红外线遥控、超声波