適用于輕型棉花收獲機的履帶底盤選型分析及展望

摘要：針對我國長江、黃河流域棉花種植區種植面積小、地形復雜、機械化收獲效率低及大型輪式收獲機適應性不足的問題，系統分析國內外大型棉花收獲機的研究進展，揭示該區域棉花機收困難的主要原因。通過研究履帶式底盤在農業領域的優勢，分類概述普通型、三角型、輪履復合型及倒梯型履帶底盤的特點與適用場景，并闡述國內農用履帶式底盤的重點研究方向，強調農作物農藝要求對底盤選型的重要性。結合棉花76 cm等行距標準化種植的農藝要求，提出一種適用于長江、黃河流域棉區的后驅式輕型棉花收獲機履帶底盤，該底盤具有良好的爬坡能力和穩定性，能夠適應復雜多變的作業環境，進一步提高棉花收獲裝備的適應性和收獲效率。為促進我國長江和黃河流域棉區機械化收獲裝備的不斷提升，推動棉花產業的可持續發展，提出農機農藝相融合、基礎研究與先進技術相結合、機電液數字化應用等發展趨勢。

關鍵詞：履帶底盤；棉花；輕型收獲機；智能化；數字化

中圖分類號：S225.91+1" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0265?06

Selection analysis and prospects of track chassis for light cotton harvesters

Wang Zhenlong Chen Changlin Sun Yongfei Xie Qing Kong Fanting Wang Jianhe

（1. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China； 2. Hebei Center of Agriculture Machinery Extension， Shijiazhuang， 050011， China）

Abstract： To address the challenges of small?scale cultivation， complex terrain， low mechanized harvesting efficiency， and inadequate adaptability of large wheeled harvesters in the cotton planting areas of the Yangtze and Yellow River Basins in China， this study systematically analyzes the research progress of large cotton harvesters at home and abroad， revealing the primary constraints on mechanized cotton harvesting in these regions. By investigating the advantages of tracked chassis in agricultural applications， we categorize and summarize the characteristics and applicable scenarios of four tracked chassis types： standard， triangular， wheel?track composite， and inverted trapezoidal configurations. Furthermore， we elaborate on key domestic research directions for agricultural tracked chassis and emphasize the critical role of crop?specific agronomic requirements in chassis selection. Aligned with the standardized agronomic practice of 76 cm equidistant row planting for cotton， this paper proposes a rear?wheel?drive lightweight tracked chassis tailored for cotton harvesters in the Yangtze and Yellow River Basins. The optimized chassis design enhances climbing capacity and operational stability， effectively adapting to heterogeneous field conditions.In order to promote the continuous improvement of mechanized harvesting equipment in the cotton areas of the Yangtze River and Yellow River basins in China and push the sustainable development of the cotton industry， the development trends of the integration of agricultural machinery and agronomy， the combination of basic research and advanced technology， and digital application of electromechanical and hydraulic are proposed.

Keywords： track chassis; cotton; light harvester; intelligentize; diagitization

0 引言

棉花作為一種經濟作物，在農作物種植中具有重要的地位，對我國的國計民生和國民經濟發展起到積極的作用[1]。棉花的種植與生產涉及農業、紡織業、機械等多個行業，是棉農的主要收入來源，是紡織工業的主要原料，是出口的重要商品，也是不可缺少的生活必需品，為我國帶來大量的就業機會與經濟效益，對經濟發展具有重要的推動作用。棉花也是我國的戰略物資，在我國有著重要的戰略地位。

我國棉花產地主要分布包括長江流域、黃河流域和新疆棉區等三大棉花主產區。我國新疆棉區種植面積大、地形多數為平原，且種植面積較為集中，在國內率先實現大型機械采摘機采棉技術，技術相對比較成熟，棉花機采率超過90%，而長江流域、黃河流域棉區機采率不足10%。

本文將根據國內外棉花收獲機的發展現狀，分析長江、黃河流域棉花機械化收獲困難的原因和難點，闡述不同履帶式底盤在農業領域的應用場景，研究履帶式底盤的優勢與選型，設計適用于該區域的后驅式輕型履帶底盤，提高棉花收獲裝備的適應性和收獲效率，提升該區域的機械化收獲裝備水平。

1 棉花收獲機概述及現狀

1.1 棉花收獲技術及裝備

機采棉技術是指利用先進的機械化設備和技術，對棉花進行高效采摘和處理。這種技術包括使用各種類型的采摘設備，采棉機根據采摘原理的不同大致分為兩大類：選收式采棉機和統收式采棉機[2]。選收式采棉機通過振動或刮動分離棉花，而統收式采棉機通過一體化的采收頭將整株棉植連同棉花一起收割，并在機器內部進行后續的分離和處理。

機采棉技術被一些發達國家看作是一項成熟的常規性生產技術，由于實現全程機械化，人均管理面積可達66.67 hm2以上[3]。根據我國三大棉區的生產特點及棉花的種植模式，研制以刷輥式采棉機和指刷式采棉機等為代表的統收式采棉機型，田間試驗表明采凈率可達95%，由于其功率消耗小，生產、使用與維護成本低，具有更好的推廣應用前景[4]。

目前，國外棉花收獲機技術相對成熟，具備先進的設計理念和高效的作業性能。在研發和生產方面，國外廠商注重引入先進的智能控制技術，提高機械自動化程度，使得棉花收獲過程更為精準和高效。同時，采用先進的采摘臺設計，提高收獲效率，減少對植株的損傷。此外，國外棉花收獲機積極應用激光傳感器、衛星導航等技術，提高了機器在不同農田條件下的適應性和作業精度。目前，我國新疆地區大型棉花種植區的棉花收獲裝備已經相對成熟，最高可實現一次多行收獲以及采摘、清選、打包等一系列工作，提高了我國新疆棉區的機械化的生產效率。目前，在黃河、長江流域棉花種植區的機械化收獲仍處于起步發展階段。

1.2 棉花收獲機現狀與對策

我國長江流域和黃河流域棉花種植區種植面積較小、相對分散，且地形較為復雜、地面坡度大、形狀不規則以及長江、黃河流域棉花種植區的氣候條件相對濕潤。目前，適用于新疆棉區的大型采棉機不適用長江流域和黃河流域地區，長江、黃河流域地區棉花種植面積較為零碎，道路原因轉場作業困難，大型的收獲機械很難進入作業地點。

履帶式棉花收獲機的優點具有較強的通過性，履帶底盤可以更好地適應復雜地形和土壤條件，具有較高的承載能力和牽引力。相比于輪式棉花收獲機，履帶式棉花收獲機機型相對輕巧，不適合采收打包一體化作業。

輪式棉花收獲機動力強，軸距長，能實現采摘、打包一體化作業，可以設計6行以上的棉花采收，具有較高的生產效率。相比于履帶式棉花收獲機，輪式棉花收獲機無法適應長江流域、黃河流域棉區高濕土壤等復雜作業條件。

近年來，我國人口老齡化逐年加重，人工成本逐年上升，勞動力短缺問題日益突出，嚴重制約我國棉花產業發展，推進棉花機械化采摘已成為實現棉花產業可持續發展的必然趨勢[4]，研發適應性強、作業性能好的履帶式棉花收獲裝備必將為社會帶來更好的經濟效益。因此，研發一款適用于種植面積較為分散、工作條件復雜的履帶式棉花收獲機尤為重要。

2 農用履帶式底盤國內外應用現狀與分析

2.1 履帶底盤在農業領域的優勢

底盤可大致分為輪式底盤和履帶式底盤。相比于輪式底盤，履帶底盤采用履帶作為行走部件，通過履帶的滾動運動，車輛可以在濕地、沙地、山地、攀爬坡道、穿越沼澤地帶等各種復雜地形上持續提供強大的牽引力，能在不平坦的農田地形上行走，具有更好的通過性，可以適應泥濘、濕滑、不平整的地面，適用于需要較大牽引力的作業，例如耕地、收割等，提供更高的作業效率。

履帶式底盤的觸地面積較大，能夠分散機器的整體重量，減少對地面某一處的壓力，由于觸地面積大，載荷分布均勻，可以減小單位面積對地面的壓力，有利于保護植被或地表結構。履帶底盤的重心比較低，能夠更加穩定地行駛在上坡、泥濘路面、不平整的地形中，減少傾翻風險。同時，對土壤的壓實程度較小，減小對植物根系的損害程度[5]。橡膠履帶底盤在路上行駛時不會造成地面損壞，因此，在近距離轉場過程中不需要專門的運輸工具，簡化履帶底盤的運輸方式[6]。總之，履帶底盤在農業作業中能夠適應各種地形條件，提高作業效率和機械的穩定性，對保護農田環境也有一定的積極作用。

2.2 履帶底盤在農業領域的分類

底盤是指機械設備或車輛的支撐結構，可分為輪式底盤、履帶底盤、仿生腿式底盤，通常用于支撐和承載整個設備的重量，并提供行走、轉向、懸掛等功能。履帶底盤分為普通型履帶底盤、三角履帶底盤、輪履式復合底盤以及倒梯型履帶底盤，如表1所示。履帶式底盤作為車輛的一種重要移動形式，具有對土壤的單位面積壓力小、對土壤的附著性能好，以及不易打滑等優點，在非道路場合，尤其是田間或山地等工況下，具有較好的通過性，牽引效率也較高[7]，關系著整機的工作效率以及作業時的行駛安全。一臺合格的農機不僅要具備高標準的工作質量和生產效率，同時要有穩定且可靠的行駛性能。履帶底盤結構復雜，影響底盤驅動力和行走性能的因素很多，需要結合多方面因素對底盤的行駛性能進行研究[8， 9]。

2.3 履帶式底盤國內外研究現狀

2.3.1 履帶式底盤的國外研究現狀

在21世紀初期，發達國家的履帶式底盤就已經達到最大上坡角度約為27°。普通輪式底盤的農用機械大多數農用機械會用到履帶式底盤，履帶底盤技術在民用機械的使用上更加廣泛，比如履帶式拖拉機、履帶式挖掘機和聯合收割機等[10]。在丘陵山地地區具有更好的通過性，提高作業時的效率以及安全性得到充分保障。日本由于受地理環境的影響，山地丘陵面積占全國的71%，日本的山地丘陵履帶式田園底盤，因其重心較低、輪距寬、性能穩定，在坡地作業中性能優異。

目前，隨著農業機械化進程的加快，履帶式底盤為適應農業機械的適配性，逐漸從大型向小型轉變。Keller等[11]提出一種履帶底盤對土壤垂直應力分布的預測模型，通過建立模型，并在模型上輸入參數以及軌道上的負載，通過Visual Basic進行模擬，計算履帶接觸土壤的應力分布與土壤接觸處垂直應力的現實估計，從而改進履帶底盤對下方接觸土壤壓實風險的預測。Me?yk等[12]提出了一種高速履帶的底盤懸掛系統分析，能夠在崎嶇道路進行高速行走，通過建立高速履帶的懸掛系統模型，采用不同的履帶張緊數值，并通過數值計算與仿真分析得出不同數值對履帶行駛性能的影響。Choodowski等[13， 14]提出了兩種預測橡膠履帶底盤內部運動阻力的方法并展開研究，首先提出對車輪運動阻力的研究，通過模型的建立，考慮車輪的外部載荷以及壓力在履帶上分布不均勻與履帶導軌對履帶兩側導耳的摩擦能量損耗，通過試驗驗證和對車輪以及履帶底盤的布局，可以將履帶底盤運動阻力降低；其次提出一種履帶抗彎性能的研究，通過對模型的計算可知，增加履帶傳遞的初始張力和驅動力并不會影響履帶的抗彎性能，反而增加了驅動輪對履帶的摩擦和履帶底盤的行駛效率。此外，車輛在行駛中由于機械各部件持續運動以及履帶與地面的摩擦，會引起車輛的共振問題，造成很大的能量損失，Choodowski等[15]對試驗樣品進行模態的計算，通過高階模態與低階模態的對比分析給出一種確定模型基本參數的方法，包括彎曲剛度和振蕩阻尼減量并驗證方法的可行性。

2.3.2 履帶式底盤的國內研究現狀

國內相關高校、科研院所以及企業針對不同類型的農用底盤進行研究，將底盤技術應用在不同形式和功率范圍內的農業機械當中。國內對履帶底盤研究起步相對較晚，經過幾十年的發展，大型履帶底盤發展相對完善。在輕型農用履帶底盤研究方面主要以南方農機中小型企業和高校為主，但在棉花收獲裝備缺失。

目前，國內對履帶底盤研究主要集中在理論分析、結構優化及仿真分析上，而且主要集中在稻、麥等主要農作物大型履帶底盤，未涉及適用于棉花生產的輕型履帶底盤研究。對于履帶底盤的研究主要分為3點：驅動方式、轉彎性能和通過性。

1） 驅動方式代表一個車的動力來源和傳動方式。在一個車輛中，驅動系統負責將動力轉化為車輛的運動，使車輛能夠行駛，驅動是車輛運行的核心組成部分，直接影響車輛的性能和操控。針對驅動方式有電動、液壓和液電聯合驅動等3種形式，吳騰飛[16]研制了一款針對西南地區丘陵山地的履帶式拖拉機，采用全液壓無級變速驅動的方式，利用單片機等技術可以實現遠程遙控，后期對轉向性能、轉向半徑進行實測，能夠有效提高丘陵山地道路的通過性以及行駛過程中的穩定性。液壓驅動系統具有高功率密度、平穩性好等優點，但也存在能效低、油液泄漏、噪音振動等缺點；電動驅動具有環保、節能、靜音和高效性等優點，但也存在續航里程有限、充電時間長、制造成本高和充電設施不足等缺點，針對以上2種驅動方式存在的問題，韓明興等[17]提出一種液電混動履帶底盤，采用兩套獨立的驅動方式，采用伺服電機速度及力閉環控制，能夠適應底盤外負載變化，顯著改善閉式液壓驅動系統的動態輸出特性，通過對液電的仿真分析，分析不同工況下的行駛性能，并通過實際試驗得出，液電混合驅動情況下能夠減少能耗。

2） 轉彎性能代表履帶式車輛在轉彎時的靈活性和穩定性。轉彎性能好的履帶式車輛能夠在狹窄的空間內實現轉向，并且可以保持車輛的穩定性和控制性，確保駕駛員能夠準確地控制車輛的方向和速度。良好的轉彎性能對履帶式車輛在田間地頭、建筑工地或其他狹窄環境中的操作至關重要，能夠提高車輛的操控性和適應性。針對履帶式車輛的轉彎性能問題，賈鑫等[18]基于動力學模型的數值分析與基于RecurDyn模型的仿真分析針對履帶式車輛在不同坡度角、轉向角度和土壤環境下影響履帶車輛的轉向性能，結果表明，土壤環境影響履帶車輛轉彎的主要因素。

3） 履帶式底盤的通過性代表車輛在復雜地形和惡劣環境下的通過能力。通過性取決于車輛底盤的設計和懸掛系統，以及履帶的特性，具有良好通過性的履帶式底盤可以在泥濘、崎嶇、沙漠等惡劣路況下保持穩定的行駛能力，能夠克服障礙物和陡坡，確保車輛順利通過。通過性強的履帶式底盤在軍事、野外探險、建筑工地等領域有著重要的應用，能夠提供更可靠的越野性能和通過能力。郭凱文[19]通過對沃得1GL-2000F履帶自走式輕型農用履帶底盤展開研究，通過對履帶底盤進行動力學于力學的理論分析得出影響履帶底盤行駛時出現的工況，基于多體動力學軟件Recurdyn進行建模，并對履帶車輛平地通過性、越障性、越溝性、爬坡性進行仿真分析，同時考慮履帶車輛行走時地面對車輛的影響因素，來驗證車輛的通過性。

綜上所述，大型履帶拖拉機與山地履帶拖拉機研究比較集中且研究體系成熟，為適應更多的作業環境，履帶式底盤的設計必須轉向輕量化、小型化的設計與研究，通過上述對底盤不同部件、不同性能的研究，包括驅動方式、轉彎性能和通過性等，針對不同地區的作業條件做出合理化的改進，以滿足區域性生產需求。

2.4 履帶底盤在農業領域的選型與分析

表2為當前履帶式收獲裝備的規格，根據當前履帶式收獲裝備結合棉花種植農藝，不同農作物的種植密度和行距不同，根據作物的生長特點選擇適合的履帶底盤，以保證在不同行距下的機動性和穩定性。部分農田地形復雜，且有一定的坡度，需要選擇具有良好爬坡能力和穩定性的履帶底盤，以確保在不同地形下的作業效率和安全性。考慮田間的通過性與穩定性問題，選配合適規格的履帶底盤，進一步提高農業機械設備的適應性與棉花機械化收獲的效率。

2.5 履帶式底盤前驅式與后驅式對比分析

履帶底盤是一種用于裝載和運輸的機械底盤，廣泛應用于各個領域。在農業中，履帶底盤常用于拖拉農機具，如拖拉機、收割機等。前驅式履帶底盤與后驅式履帶底盤的區別為驅動輪在履帶的前后位置的不同。前驅式履帶底盤是由驅動輪推著履帶前進，有更高的牽引力，能夠克服阻力，尤其在崎嶇不平或者松軟的地面上，保持牽引性能，重心偏后的整機裝備通常使用前驅式。

后驅式履帶底盤的動力源在履帶的后方，由驅動輪拉著履帶前進，后驅式可以提供更高的抓地力，穩定性更好，后驅式履帶底盤由于有更大的重量集中在驅動輪上，因此，在特定的工作條件下，例如爬坡或者搬運重物時，后驅式履帶底盤具有更好的穩定性。后驅式履帶底盤可能會提供更快的速度，適用于需要快速移動的工作場合，通常能解決采摘臺偏重的機組或重心過前的收獲裝備。

2.6 履帶式采棉機底盤的基本結構及工作原理

作為支撐整機和驅動整機的部件，履帶式底盤能夠讓機器在各種復雜的環境條件下進行作業。履帶式底盤大致分為液壓驅動部分、支撐部分、行走部分、底盤機架。履帶式底盤是以履帶作為行走裝置底盤，主要由傳動系、制動系、轉向系、履帶和回轉輪（驅動輪、導向輪、支重輪和張緊輪）等組成[20]。

履帶式輕型采棉機底盤的工作原理：通過發動機將機械能傳遞到HST，HST從油箱吸油到液壓泵中，首先由高液壓能轉換成機械能傳遞到液壓馬達中，其次由液壓馬達的機械能傳遞到驅動橋兩側的驅動輪，最后由驅動橋兩端的驅動輪帶動履帶前進行走。

結合上述底盤的分類以及綜合考慮機器在行駛過程中的穩定性、通過性等問題，棉花收獲機采摘臺的重量遠超常規谷物收獲機采摘臺的重量，而后置有大型棉箱，整機造型偏長，設計過程中需要對機器的重心進行計算，結合上述針對不同農作物所使用的履帶底盤，提出后驅式履帶棉花收獲底盤，如圖1所示。

履帶式底盤通過橡膠履帶取代傳統車車輪，提供優越的承載能力和越野性能。履帶式底盤作為驅動整臺機器的重要部分，影響整機進行作業的工作效率和性能。

3 展望

3.1 農機農藝相融合

通過改進和創新農業機械設備，結合農藝需求，可以更好地發揮現代農業技術的優勢。為解決長江流域棉區機械化收獲關鍵技術，按照現有標準化76 cm等行距模式，設計幅寬為采摘3行。履帶軌距為2 000 mm，履帶寬為350 mm，作業時實施“跨3行收3行”模式，如圖2所示，不僅能減少履帶的磨損，而且大跨距有利于提高機具的穩定性、通過性。探索適合我國長江流域棉花機械化收獲的生產技術路線，涉及棉花品種、種植模式、水肥及化學調控、打頂、脫葉催熟、機械化采摘以及籽棉預處理等諸多環節配套使用指導意見[21]。當前履帶式底盤的設計逐漸輕便，功能逐漸完善，設計結構緊湊。

3.2 基礎研究與先進技術相結合

近年來，履帶式底盤的優化設計主要依靠仿真分析進行研究，大幅度降低研發成本，縮短研發周期。目前，隨著液壓技術的發展，適用于我國長江黃河流域以及丘陵山地的履帶底盤逐漸發展為以液壓傳動為主，液壓驅動的底盤結構緊湊和方便自動控制，相比于機械傳動和電氣傳動，采用液壓傳動有更加顯著的優勢[22]。另外履帶式底盤能夠在不同地形和作業條件下保持良好的穩定性，可以適應各種土壤和地形，為農業生產提供可靠支持。農業機械化技術的發展趨勢是自動控制、智能信息化。

3.3 機電液數字化應用

為促進履帶式收獲機在丘陵地區大范圍推廣，需要對收獲機的底盤爬坡和穩定性技術深入研究，通過將機電液數字化技術應用到農業機械中，實現農業生產的智能化、高效化和可持續發展，為農業生產帶來更多的創新和發展機遇，在一定程度上解決長江流域和黃河流域地區農業機械在行駛、作業過程中存在的操作難度大、作業質量差等問題，提高我國長江流域和黃河流域地區農業機械的作業質量和安全性。

4 結語

長江流域和黃河流域棉花種植區存在田間道路狹窄、道路坡度大、棉花種植分散等問題，使其在進行棉花收獲作業時仍以人工和半機械化為主，在客觀條件下導致長江流域、黃河流域棉花收獲機械化發展較為緩慢。目前，輪式棉花收獲機在新疆棉區得到廣泛應用與推廣，能實現采摘、收獲、打包一體化作業，具有高效、自動化程度高等特點。隨著科技的不斷進步和農業發展需求，履帶式棉花收獲機將會繼續發展和完善，為長江流域和黃河流域的棉花機械化收獲做出更大的貢獻。

隨著農業機械化進程的加快，傳統的手工收獲棉花逐漸被機械化取代。長江流域和黃河流域棉區的機收作業條件相比新疆更為苛刻。由于地況復雜，高濕多雨的不同氣候條件，研發一款履帶式棉花收獲機是必然趨勢，同時對履帶式棉花收獲機的底盤通過性能提出更高的要求。通過對各種農作物機械化裝備的農藝要求的對比分析，對履帶式底盤進行選型及優化，綜合履帶底盤的可靠性與通過性考慮，提出適合采棉機的后驅式履帶底盤。此外，未來輕型棉花收獲機履帶底盤的發展將更加注重智能化、環保性和高效性，有助于提高農機在不同農田環境下的適應性和生產效率，推動農業機械技術的不斷創新。

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