水田底盘行走轮六维力传感系统研发与载荷谱建模及其在农机结构优化中的应用

为解决水田底盘与复杂土壤环境机械相互作用难以量化的问题，研究人员开发了可实时动态测量行走轮六轴力(纵向力Fx、横向力Fy、垂向力Fz及滚转/俯仰/偏航力矩)的高精度传感器系统，构建了三种典型工况载荷谱模型(RMSE<0.2%FS)，通过疲劳寿命仿真验证了系统可靠性，为湿地农机结构优化和智能控制提供了关键技术支撑。

　　

在全球水稻种植面积逐年缩减的背景下，复杂多变的水田环境正成为制约水稻机械化种植的瓶颈。硬底层硬度不均、泥脚深度变化等不确定因素常导致水田底盘出现打滑、翘头甚至陷车，这些机械相互作用不仅影响底盘通过性，更直接关系到结构疲劳寿命和插秧质量——而后者显著影响水稻产量。传统单轴力传感器难以捕捉滚转力矩、俯仰力矩等多维力学参数，计算机仿真又缺乏真实测量数据支撑，这些问题严重阻碍了水田底盘的结构优化与智能控制发展。

针对这一技术难题，中国的研究团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表的研究中，创新性地开发了水田行走轮专用六轴力传感器系统。该系统通过精密标定实现六维力/力矩同步测量(精度0.2%FS)，结合土壤槽试验验证了防水性能；基于三种典型工况(直线行驶、转向、越障)采集的动态数据，采用雨流计数法构建载荷谱模型；最后通过有限元仿真进行疲劳寿命分析，为底盘结构优化提供量化依据。

主要技术方法
研究采用应变式测量原理设计六轴力传感器弹性体，通过静态标定(加载0-10kN垂直力、0-500Nm力矩)和动态标定验证系统性能；在1.5m×10m土壤槽中模拟水田环境进行验证试验；使用CEEMDAN-POT模型处理六维力时序数据，结合雨流计数法建立表征长期载荷变化的载荷谱；通过ANSYS进行10⁶次循环的疲劳寿命仿真。

Calibration and performance results
标定数据显示传感器量程覆盖F_x/F_y/F_z：±5kN，M_x/M_y：±300Nm，M_z：±500Nm，各轴干扰误差<1.5%FS。土壤试验中系统在30cm水深环境下连续工作8小时无渗漏，动态测量RMSE稳定在0.18%FS以内。

Advantages of the system
相比传统单轴测量，该系统首次实现水田底盘多维力学参数的实时同步采集，特别是捕捉到转向时产生的2.1kN·m偏航力矩和越障时4.3kN·m俯仰力矩——这些关键数据为解释底盘失稳现象提供了直接证据。载荷谱分析显示直线行驶时垂向力幅值波动达±1.8kN，频率集中于2-5Hz。

Conclusion
该研究建立的六轴力测量体系填补了水田机械力学研究的空白，载荷谱模型为底盘结构寿命预测提供了新方法。疲劳仿真表明优化后的行走轮寿命提升2.3倍，验证了系统的工程应用价值。这项技术不仅适用于水稻种植机械，对湿地拖拉机、收割机等农业装备的智能化发展也具有重要参考意义。