《Agronomy》：Power Machinery for Hilly and Mountainous Agriculture: Research Progress and Development Trends
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丘陵与山区的农业生产具有地块破碎、坡度频繁变化、田间道路狭窄以及土壤承载与附着条件高度多变等特征，这些特征对农业动力机械的牵引与通过性、坡地稳定性、机动性和作业适应性提出了特殊要求。本综述聚焦拖拉机及相关动力底盘，从装备构型与关键地形自适应技术两个互补视角，综
丘陵与山区的农业生产具有地块破碎、坡度频繁变化、田间道路狭窄以及土壤承载与附着条件高度多变等特征，这些特征对农业动力机械的牵引与通过性、坡地稳定性、机动性和作业适应性提出了特殊要求。本综述聚焦拖拉机及相关动力底盘，从装备构型与关键地形自适应技术两个互补视角，综合了中国及其他国家的研究。研究进展涵盖轮式拖拉机、履带拖拉机、坡地调平及其他特殊构型拖拉机、微耕机和轻量化动力平台，并重点关注轻量化与总体结构设计、牵引与机器–土壤相互作用、坡地稳定性与姿态调整、高机动转向、动力总成与传动系统以及智能作业控制。所综述研究表明，相关设计正从紧凑、低重心和固定构型向主动调平、无级变速传动（continuously variable transmission, CVT）、多模式转向、车辆–机具协调和智能自主作业转变。然而，轻量化设计与牵引能力、高机动性与坡地稳定性、高地通过性与低土壤扰动之间仍存在显著权衡。许多专用机械在复杂作业条件下的可靠性、经济可行性和长期性能仍需进一步验证。基于所综述证据，研究人员将地形适应的演进总结为三个阶段：被动地形适应、协调地形适应和主动地形适应。未来研究应聚焦轻量化与可重构设计、主动坡地稳定、高效动力传递、复杂地形自主作业以及机器–土壤–作物协调，从而推动动力机械从固定结构适应向多系统协调并最终向感知驱动的主动适应发展。
1 引言
丘陵山区农业机械化受地块破碎、坡度变化、田间通行受限及土壤承载与附着复杂等因素制约。相关研究已从山地拖拉机、调平系统、动力底盘、防侧翻、动力传动、行走支撑和导航跟踪等角度展开，但将装备构型、关键地形自适应技术、整机性能权衡和工程验证进行整合的综述仍有限。本综述从装备构型与关键地形自适应技术两个互补视角展开。
2 作业条件与技术需求
2.1 地形与土壤条件：地块小而不规则、分布分散、高差显著，常见田埂、沟渠和窄路，要求紧凑尺寸、短轴距和小转弯半径，但会压缩稳定裕度。坡度引起沿坡和法向重力重分配，侧坡导致上下坡侧载荷不均并增加侧滑、侧翻风险，纵坡影响牵引和转向；机具和运输载荷进一步耦合。土壤承载与附着条件从旱地到软坡地、水旱轮作田和高湿稻田变化，低承载和差附着会造成下陷和滑转。履带可降低平均接地压力，但差速转向可能增加转向阻力和表层剪切。需协调接地压力、附着牵引、下陷滑转和土壤扰动。
2.2 作业载荷与机具匹配：动力机械需提供牵引、动力输出轴（power take-off, PTO）和液压供能，完成耕作、播种、管理、运输等。犁耕和深松为低速高阻，旋耕需持续稳定功率，坡地运输叠加坡度阻力和载荷变化。坡度还造成载荷转移，机具质量、安装位置和阻力改变质心与轴荷，形成坡度、牵引载荷和整机稳定的强耦合。仅按额定功率或平地牵引性能不足以评价丘陵作业。
2.3 整体性能要求：需同时满足机动、牵引、转向和作业稳定，比平原机械更强调轻量紧凑、牵引通过、小地块机动和坡地稳定。各要求相互制约，如减重降低接地压但削弱重载牵引，短轴距提高机动但降低稳定，增大接触面积改善软土通过但增加质量与转向阻力。设计应避免单指标最大化，而应匹配车辆结构、行走系统、动力、稳定性和机具兼容性。
3 主要类型与研究进展
3.1 轮式拖拉机：结构成熟、传动效率较高、转移和机具匹配较好，适合中等坡度、可达地块和果园行间。国外机型采用低重心、多轴或铰接/复合转向，中国产品从常规小型化转向专用地形自适应。其优势是简单高效，但软湿土易滑，陡坡稳定受限；缩短轴距和轮距会进一步缩小稳定裕度。研究显示结构参数与侧坡稳定强耦合。
3.2 履带拖拉机：增大接地长度和面积，降低平均接地压力，改善附着和软土通过，适合坡耕地、稻田和低承载地形。中国研究发展了基于静液传动（hydrostatic transmission, HST）的通用履带底盘、遥控履带底盘、全向调平履带拖拉机和电驱动履带平台，重点转向动力传动、转向、调平和机具匹配集成。局限是结构复杂、质量较大，差速转向可能产生转向阻力和表层剪切。
3.3 坡地调平与特殊构型拖拉机：为应对质心偏移、车身倾斜、地形不规则和小地块机动，出现调平系统、铰接车架、摆动关节和可重构结构。差高液压、平行四杆、质心调节、铰接/摆动和全向调平是代表机构。需区分铰接转向（改善偏航机动）和摆动铰接（改善横滚贴合与载荷分配）。该类机械提高稳定、贴合和机动，但增加机械、液压和电控复杂度及可靠性、维护、成本要求。
3.4 微耕机和轻量动力平台：结构简单、质量轻、成本较低，适合小地块、坡地和受限空间，在中国西南丘陵仍承担基本耕整。传统步行机效率低、劳动强度大且坡地安全性不足，正朝乘坐式、履带式、多功能平台发展，并采用低重心、液压提升、快速挂接和遥控；果园、茶园平台还采用电驱动和模块化。其功率、载荷、续航、效率和机具兼容性仍是约束。总体而言，轮式和履带主导，调平特殊构型增强适应，轻量平台补充，不同构型对应不同坡度、土壤、地块和载荷组合。
4 关键地形自适应技术研究进展
4.1 轻量化设计与总体结构优化：轻量化可降低接地压、下陷和土壤压实，提高小地块可进入性，但影响附着、牵引、稳定、强度和载荷能力。当前采用低重心、紧凑车架、合理质量分布和轻量结构，并结合三维建模、虚拟样机、有限元和多体动力学。研究已用于稳定、越障和关键部件强度验证。趋势是从简单小型化转向质量、几何、分布和可靠性集成优化；可调轮距、可变离地间隙和可重构结构受到关注，但疲劳耐久、振动和长期可靠性仍不足。
4.2 牵引、通过性与机器–土壤相互作用：坡度和土壤条件通过载荷转移改变轮/履法向载荷和附着，影响滑转、牵引效率、通过性和稳定。轮式效率高但软湿坡易滑陷，履带降低接地压力并改善软土通过。研究已从轮/履参数和配重优化转向坡度、接地压力、土壤、载荷分布和滑转的耦合分析。越障能力受坡度、速度、质心位置和履带张力影响；土壤扰动亦应作为约束。目标是在保持通过性和稳定性的同时实现高效力传递和低扰动。
4.3 坡地稳定性与姿态调整：坡地稳定是安全前提。坡度改变质心投影与支撑多边形关系，机具、转向、地形起伏和动态扰动改变稳定裕度。传统被动措施包括低重心、合理轮距和质量分布，但固定几何难以兼顾机动与全坡稳定。主动姿态调整已从机械调整发展到反馈自动调平，并扩展到车辆–机具协调。轮式和履带平台均发展了横向、纵向或全向调平，但车身调平精度不等同于动态侧翻稳定。现有系统多在样机、规则坡或短期试验中验证，连续起伏、变附着、带机具和长期田间可靠性仍需验证。
4.4 转向与高机动技术：地块破碎、田头狭窄和频繁转移使转向机动性关键。传统前轮转向受轴距、轮距和转角限制，履带差速转向可减小半径但增加阻力和剪切。铰接、四轮和多模式转向可提高受限地块机动性。研究趋势从最小转弯半径转向机动性与坡地动态稳定的平衡，综合评价应包含转弯半径、轨迹可控性、横向稳定、侧滑、转向阻力和土壤扰动。
4.5 动力总成与传动技术：丘陵作业要求低速大扭矩、宽连续调速、快速响应和高效率。机械传动成熟高效但速度不连续；HST 可连续调速和快速倒车，适合履带低速重载和差速转向，但存在液压损失和发热；液压机械无级变速（hydromechanical continuously variable transmission, HMCVT）兼具连续调速和较高效率，但需针对中小功率和丘陵工况设计。电动和混合动力可提供独立可控执行器，支持电子差速、滑转调节和分布式扭矩分配。未来多种传动将共存，关键在于代表性丘陵工况下的高效动力匹配。
4.6 智能感知与作业控制技术：定位、传感、线控和自主导航推动机械向状态感知、自动控制和自主作业发展。丘陵坡度、地形不平、附着变化和载荷波动影响定位、姿态、侧滑、牵引和转向。研究涉及多传感器融合侧滑估计、离散元法（discrete element method, DEM）前馈速度控制、全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）与机器视觉融合、激光雷达–同步定位与建图（light detection and ranging–simultaneous localization and mapping, LiDAR-SLAM）避障等。自主控制正从路径跟踪扩展到行驶速度、驱动力、转向、车身姿态和机具状态协调，且安全目标应优先于路径精度和能效。
5 主要挑战
5.1 多性能目标权衡与协调：存在轻量化与牵引、高机动与坡地稳定、高通过与低土壤扰动三大权衡。这些权衡相互关联，需从单指标优化转向条件约束的整机多目标协调，根据坡度、土壤、地块和任务协调结构、行走、动力、转向、姿态和机具。
5.2 专业化、可靠性与经济适用性：高度专用可提高特定适应性，但可能导致低产量型号多、成本高、机具兼容差和年利用率低。主动调平、多模式转向、线控、分布式电驱和智能感知增加机械、液压、电气和控制部件，对防水、防尘、抗振、热管理、故障诊断和维护提出更高要求。未来应平衡专用能力与平台通用性，并纳入生命周期成本和实际场景评价。
5.3 试验评价与工程验证：试验条件和评价指标不统一，坡度、土壤、含水率、速度、机具载荷和车辆构型差异使性能难以直接比较。许多研究依赖规则试验坡、短距离、仿真或单一工况，不能充分代表连续变化的真实丘陵环境。未来需加强长时田间试验，综合评价牵引效率、软土通过、越障、坡地稳定、机动、土壤扰动、作业质量、能效、可靠性、维护性以及智能系统的故障处理和安全停车。
6 发展趋势
6.1 轻量化与可重构多场景适应：未来继续低质量、紧凑、低重心，并强调可调轮距、可变离地间隙、可选轮/履和模块化机具接口。轻量化将与质量分布、强度、牵引、附着、稳定和载荷联合优化，目标从固定轻量专用转向轻量、可重构、场景自适应平台。
6.2 主动坡地稳定与车辆–机具协调：姿态调整将纳入坡度变化率、速度、载荷转移、附着、转向和机具载荷，从车身调平扩展到车辆–机具协调，以兼顾稳定性和耕深、播深、幅宽等作业质量。
6.3 高效动力传动与新能源驱动：机械、静液、液压机械、电动和混合动力将按功率等级、地形、任务和基础设施共存。电动和混合动力为多轮/多履驱动、电子差速、滑转调节和分布式扭矩分配提供基础。
6.4 复杂地形智能感知与自主作业：自主控制将从路径跟踪扩展到地形感知、状态估计、安全约束决策和多执行器协调。丘陵环境中，防侧翻、限制侧滑、牵引丧失检测和安全停车应优先于路径精度和能效。
6.5 机器–土壤–作物协调与低扰动作业：土壤扰动应成为行走系统设计和控制的显式约束。未来根据土壤、作物和任务动态调整质量分布、驱动力、速度和作业参数，协调牵引效率、土壤保护和作业质量。当前机器–土壤相互作用证据强于作物响应直接证据。
7 结论
丘陵山区动力机械需适应破碎地块、连续坡度、复杂土壤和波动载荷，形成轮式、履带、调平特殊构型、微耕机及轻量平台并存体系。牵引与机器–土壤相互作用、坡地稳定与姿态调整是最具区别性的技术，三大权衡仍突出。动力传动多路线并行，智能控制从自动转向向安全约束下的整机协调拓展。未来发展应整合轻量化可重构、主动稳定与车辆–机具协调、高效可控动力、智能感知自主作业及机器–土壤–作物协调，从固定结构适应经多系统协调走向感知驱动的主动地形适应。
