评估实施措施引起的重心（CoG）变化对拖拉机翻滚稳定性的影响：一项针对不同机器姿态的多体动力学与实验研究

《Computers and Electronics in Agriculture》：Evaluating implement-induced CoG shifts on tractor rollover stability: A multibody dynamics and experimental study across different machine orientations

葡萄园拖拉机侧翻稳定性受重心偏移影响研究。通过ISO 789-6标准实验确定初始重心位置，构建刚体多体动力学模型验证，发现侧向和垂直方向重心偏移显著降低稳定性，尤其在±90°取向时稳定性角下降达37%。建立360°稳定性地图，量化分析13种重心偏移场景下地形坡度与取向角对侧翻的影响，验证了模型预测保守性（MAPE=11%）。提出前部装载设备应避免在侧坡作业，后部高重心设备需配合配重，为农业机械安全设计提供理论依据。

　　农业领域中，拖拉机翻车事故是导致致命伤害的主要原因之一，特别是在地形复杂的葡萄园和果园中。这些区域的坡度变化大，地面不平整，使得拖拉机在操作过程中更容易失去平衡。拖拉机的重心位置（CoG）是影响其稳定性的重要因素，尤其在装载不同类型的设备时，重心会因设备的重量分布而发生改变。当前的ISO标准主要针对侧向稳定性测试，却未充分考虑不同方向上的翻车情况，这可能导致对实际翻车风险的低估。本研究旨在探讨不同设备安装所引起的重心偏移对窄轨拖拉机翻车稳定性的影响，以期为农业机械的安全设计和主动安全系统的开发提供依据。

为了评估拖拉机的翻车稳定性，研究人员采用实验方法确定了拖拉机的重心位置，并基于此构建了刚体多体动力学（MBD）模型。该模型使用Adams/View 2022.3软件进行模拟，通过调整重心在纵向、横向和垂直方向上的位置，分析其对翻车行为的影响。研究还利用一种特殊的翻车测试平台，该平台能够测试±175°的倾斜角度和55°的倾斜角度，以验证模型的准确性。结果显示，模拟结果与实验数据相比，翻车角度被低估，平均绝对百分比误差（MAPE）为11%，这表明模型在安全范围内做出了较为保守的预测。

在分析不同设备配置对拖拉机稳定性的影响时，研究人员考虑了13种不同的场景，分别调整重心在纵向、横向和垂直方向上的位置。这些调整基于实验数据，同时保持总质量不变。研究结果通过稳定性图和翻车稳定性指数（RSI）进行评估。稳定性图以极坐标形式展示，其中径向坐标表示倾斜角度（α），而角坐标表示拖拉机的朝向（β）。实验数据和模拟结果分别以点和线的形式呈现，以便更直观地理解拖拉机在不同倾斜和朝向条件下的稳定性表现。研究发现，横向和垂直方向的重心偏移对翻车行为有显著影响，尤其是在接近侧向翻车的条件下。

为了进一步理解重心偏移对稳定性的影响，研究人员还探讨了不同方向上的重心变化对翻车角度的具体影响。例如，在纵向方向上，重心前移或后移会导致不同的稳定性变化趋势。重心前移会降低侧向稳定性，而重心后移则可能增加侧向稳定性。这些变化在特定的倾斜角度下尤为明显，如拖拉机在向后倾斜时，重心后移会增加侧向翻车的风险。因此，在设计和操作拖拉机时，应特别注意重心的变化，尤其是在使用前部设备时，需谨慎对待侧向坡度的变化。

此外，垂直方向上的重心变化也对拖拉机的稳定性产生重要影响。重心升高会降低侧向稳定性，而重心降低则有助于提高稳定性。这主要是因为重心越高，重力作用线越接近翻车三角形的铰接点，从而更容易引发翻车。相反，重心降低会增加稳定性，减少翻车的可能性。因此，在选择设备安装位置时，应考虑其对重心位置的影响，以确保拖拉机在各种地形条件下的安全运行。

研究还指出，当前的ISO标准主要关注侧向稳定性测试，但未能涵盖所有可能的朝向和倾斜情况。这可能导致对实际翻车风险的低估，尤其是在复杂地形条件下。因此，有必要开发更全面的稳定性评估方法，以涵盖所有可能的朝向和倾斜角度。同时，研究强调了主动安全系统的重要性，这些系统可以通过实时监测和调整重心位置，来提高拖拉机的安全性。

在实验和模拟过程中，研究人员采用了PAC2002轮胎模型，该模型能够准确预测轮胎在不同工况下的非线性行为。同时，静态摩擦系数（f_s）也被纳入考虑，以模拟轮胎与地面之间的相互作用。为了排除滑动现象对翻车结果的影响，实验中使用了高摩擦力的金属网格表面，而模拟中则采用了理想化的高摩擦系数（f_s ≥ 1），以确保结果的可靠性。

研究结果表明，重心偏移对拖拉机的稳定性有显著影响，尤其是在接近侧向翻车的条件下。通过调整重心位置，研究人员能够更准确地预测不同工况下的翻车风险。这些发现为未来开发稳定性地图和基于RSI的主动安全策略提供了基础。同时，研究还指出，未来的分析应考虑动态因素，如加速、制动和地形变化，以全面评估翻车风险。此外，还需要进一步研究低气压轮胎或不同花纹轮胎对稳定性的影响，以及如何将传感器系统集成到稳定性管理中，实现对重心的动态跟踪。

总的来说，本研究通过实验和模拟相结合的方法，系统地分析了不同设备安装引起的重心偏移对拖拉机翻车稳定性的影响。研究结果表明，重心偏移在不同方向上的变化对稳定性有显著影响，尤其是在侧向和垂直方向。这些发现为农业机械的安全设计和主动安全系统的开发提供了重要的理论依据和实践指导。未来的研究应进一步拓展这些方法，以应对更复杂的工作环境和更广泛的应用需求。