水田行走轮六维力传感系统开发及载荷谱模型构建在疲劳寿命分析中的应用

为解决水田底盘与土壤复杂力学交互难以量化的问题，研究人员开发了可实时动态测量六维力的传感系统，构建了三种典型工况下的载荷谱模型，实现了底盘结构疲劳寿命分析与优化。该系统测量精度达0.2%FS，防水性能优异，为湿地农业机械智能化发展提供了关键技术支撑。

　　

全球粮食安全面临严峻挑战，水稻作为关键主粮作物，其产量提升高度依赖机械化种植技术。然而，随着水田面积逐年缩减，土壤环境复杂性加剧——硬底层硬度、泥浆深度、土壤质地等不确定因素导致底盘作业时频繁出现打滑、翘头甚至陷车现象。更棘手的是，底盘行走轮与土壤的力学交互不仅影响动力性能，还会引发结构疲劳损伤，最终降低种植质量和效率。尽管已有研究尝试通过GNSS（全球导航卫星系统）和AHRS（航姿参考系统）测量硬底层轮廓，或采用离散元法（DEM）模拟轮-土作用，但这些方法或局限于单维度测量，或缺乏真实力学数据支撑，难以全面表征水田环境下的多维动态载荷。

针对这一技术瓶颈，中国的研究团队（第一作者单位未明确标注，但基金项目显示受国家自然科学基金等国内项目支持）在《Computers and Electronics in Agriculture》发表论文，创新性地开发了水田行走轮专用六维力传感系统。该系统可同步捕获纵向力F_x、横向力F_y、垂向力F_z以及滚转力矩M_x、俯仰力矩M_y、偏航力矩M_z，填补了农业机械领域多维力实时测量的空白。通过土壤槽试验验证，其测量误差控制在满量程的0.2%以内（RMSE<0.2%FS），且具备卓越的防水性能。基于实测数据构建的载荷谱模型，首次实现了水田底盘在转场、耕作、转向三种典型工况下的疲劳寿命仿真分析，为结构优化提供了量化依据。

研究采用多学科交叉技术：1）六维力传感器标定技术（涵盖静态加载与动态响应测试）；2）基于雨流计数法（rainflow counting）的载荷谱建模；3）有限元疲劳仿真（结合Miner线性累积损伤理论）。这些方法协同攻克了复杂工况下力学信号去噪、长期载荷特征提取等难题。

【材料与方法】
系统采用应变式测量原理，通过24个应变片组成的惠斯通电桥网络解耦六维力信号。防水设计包含多层密封结构与纳米涂层，确保IP68防护等级。校准实验证明其耦合误差<1.5%，满足ISO376标准。

【校准与性能结果】
如表1所示，传感器量程覆盖±5kN（力）和±200Nm（力矩），固有频率达1.2kHz，适应水田高频动态载荷。土壤槽对比试验显示，与传统三轴传感器相比，该系统可捕捉侧倾力矩引发的底盘失稳特征（如M_x>±80Nm时出现明显侧滑）。

【载荷谱模型优势】
构建的CEEMDAN-POT（完全自适应噪声集合经验模态分解-峰值超越阈值）模型，首次量化了水田底盘90%置信区间下的极端载荷事件。雨流矩阵分析表明，转向工况下M_z循环次数较耕作工况增加47%，直接导致轮毂连接件疲劳裂纹萌生速率提升3.2倍。

【结论】
该研究不仅建立了水田机械力学研究的新范式，更通过载荷谱驱动的疲劳仿真，指导轮毂结构减重15%的同时延长寿命30%。未来可进一步融合DEM与六维力数据，开发智能底盘自适应控制算法，推动精准农业技术革新。