摘要：针对丘陵平原过渡带农机适配性差、作业效率低的问题，研究构建“模块化双源动力+可折叠履带+统一挂接接口”一体化改进方案，并以曲阜市100亩冬小麦地块为案例开展对比试验。试验结果表明，改进机作业速度提升12%，油耗下降9.7%，土壤容重降低5.4%，产量增加3.0%。结构方程模型显示感知易用性对农户采纳意愿影响高于感知收益。提出了“核心社员示范—村集体担保—融资租赁”三级农机推广路径。

　　关键词：丘陵平原过渡带；农业机械适配性；模块化动力平台；可折叠履带；对比试验

　　1.引言

　　黄淮海平原西部普遍分布坡度<8°的缓坡丘陵与平原镶嵌带，地块破碎、土壤含水率变化大，导致传统轮式动力机械滑转率高、作业质量不稳定。济宁市处于该过渡带典型区，现有农机保有量中83%为25—40 kW轮式机型，功率段与地形需求错位，牵引功率损失普遍>15%。随着劳动力短缺加剧，亟需通过装备升级提升丘陵区作业效率，但针对“丘陵+平原”复合地貌的系统化改进研究仍不足[1]。研究以曲阜市梯田—合田复合地块为案例，聚焦动力匹配、接地性能、挂接标准化与路径规划四大瓶颈，构建机—地协同改进体系并进行经济-生态综合评价，为黄河下游同类地貌地区农机化发展提供可复制的参考模式。

　　2.曲阜市丘陵平原区农机适配性现状诊断

　　曲阜市位于鲁西南丘陵平原过渡带，地形坡度0°—8°,高程变异系数0.28。2023年调研显示，农机保有量1217台，83%为25—40 kW轮式机，动力与地形不匹配。耕作环节中传统铧式犁无法适应土壤比阻，作业能耗达1.9kW·h·hm-2，高于平原24%。播种器受梯田坡度角影响，播深合格率仅72%；植保机作业幅宽固定，致药液飘移指数高达18%。纵向轴流收获机因坡道扭矩补偿不足，堵塞率达3.8%。机具挂接接口标准不一，液压口偏差±20 mm，更换农具平均耗时22 min，故障率达11%。底盘离地间隙450—650 mm，接近角<20°,土壤含水率28%时滑转率达25%，沉陷量>45 mm。综上所述，动力不适配、通过性差、挂接混乱是制约农机效率提升的三大痛点，亟需从模块化平台、可折叠履带与标准接口等方向进行系统化改进。

　　3.丘陵平原过渡带农机改进方案与关键技术

　　3.1动力—地形适配机型优选与模块化动力平台搭建

　　曲阜市地块高程变异系数0.28，坡度0°—8°呈阶梯突变，传统30 kW动力底盘在坡道作业中滑转率超过25%，牵引功率损失达18%。为此，构建坡度—扭矩—比质量三维映射模型，以2m×2m高程栅格提取的θmax=7.9°,筛选λ≤55kg·kW-2的30—50 kW四驱折腰转向底盘，具备≥12°爬坡能力与1.34储备扭矩系数是优化的选择。提出应用基于柴油+快换电池的双源模块化动力平台，其中柴油侧为42 kW高压共轨三缸机，电驱侧配置30 kW液冷永磁同步电机，经电磁离合器同轴耦合输出，15min内可完成18.7 kWh电池包更换，实现丘陵/平原作业模式切换[2]。平台采用规则式分层控制策略，上层基于GPS坡度预判，下层通过PID调节，当坡度θ>5°且需求扭矩Treq>180 N·m时，电机即时补偿ΔT=50 N·m，确保柴油机运行于最优油耗区，比油耗降低6%。电池模块采用ISO23232导轨与滑轨限位对接，定位精度±2 mm，整机铰接角±38°,转弯半径3.9m，适配最小通道4.2m。一台动力底盘可覆盖耕、种、管、收作业环节[3]。如图1所示，平台整体架构划分为动力、电源、能量管理、底盘及接口五大系统，系统间通过机械传动与控制信号紧密耦合，构建了适应丘陵地形特性的高适配性农机作业平台。坡道作业过程中的牵引阻力计算公式如下：

　　Fr=mgsinθ+fmgcosθ（1）

　　式中：Fr为坡道阻力（单位：N）；m为整机质量（单位：kg）；g为重力加速度（单位：9.81 m·s-2）；θ为坡度角（单位：°)；f为滚动阻力系数。

　　3.2可折叠履带式仿生接地机构设计

　　曲阜市地块雨后土壤含水率达28%—32%时，传统轮式机接地比压达45—55kPa，滑转率峰值达27%，超出丘陵壤土临界滑转阈值20%。为此提出“三棱交错履刺+可折叠翼板”复合履带，履刺节距90 mm，呈60°相位差交错布置，剪切强度提升12%；翼板材质为7075-T6铝合金，厚度4mm，展开角0°—90°连续可调。平地工况下翼板收起，接地长度由1.2m降至0.98m，接地比压降至28kPa；坡地作业时翼板展开，接地面积增加18%，比压再分配至24kPa，翼板表面毛化粗糙度Ra=6.3μm，有效嵌入土壤颗粒形成二次剪切面，抑制侧滑。折叠机构采用对称四连杆+扭簧复位。接地比压计算如下：

　　式中：p为履带接地比压（单位：kPa）；m为整机质量（单位：kg）；g为重力加速度（单位：9.81m·s-2）；b为履带板宽度（单位：m）；l为接地长度（单位：m）。

　　3.3挂接接口统一与液压电控快换系统

　　曲阜市主流农具挂接孔距存在明显离散性，纵向为280—305mm，横向偏差达±15mm，更换作业需反复试装，存在液压泄漏与信号错配风险。为此设计“双楔形锁止+液压浮动补偿”结构，采用5°上下楔形梯形槽定位，孔距统一为300mm×450mm，H7/f6配合，精度达±0.05mm。锁止楔块选用42CrMo调质钢，表面感应淬火硬度HRC48，并涂覆MoS2固体润滑层，摩擦系数降至0.12，锁紧力由32 kN降至18kN。液压快换口集成于挂接框中部，符合ISO 16028标准，额定流量100 L·min-1，壳体可±30°自动对中，配套两路行程±8mm浮动油缸以缓解姿态误差[4]。电控层设计CAN总线识别模块，基于SAE J1939协议在200ms内完成ID握手，通过M12-5P航空插头与底盘ECU连接，信号线具备ISO 11452-4级抗干扰能力。作业前通过楔块接近开关触发识别并调用参数曲线，实现液压流量、PTO转速及悬挂高度自动匹配[5]。接口结构通过更换2mm楔块垫片兼容多类农具，无需额外加工。

　　3.4基于北斗RTK的机—地协同路径规划算法

　　在地块跨度1.2km，高程差26m的田地中，传统直线路径在脊线区频现纵坡>8%，引发负载不稳。为实现路径与地形协同匹配，布设3个北斗RTK基站构建800 m等边三角网，通过RTCM3.3差分数据与4G链路生成2m×2m数字高程模型。将坡度、土壤承载力与作物行距三因子引入A算法，构建Slope-A权重函数，采用坡向夹角余弦、承载力系数与行距匹配度作为启发代价，控制规划路径趋向等高线方向[6]。

　　针对丘陵地形，设置高差>0.5m且与等高线夹角<30°的节点加入环回系数，生成8字形环回路径。平原区嵌入鱼骨模板，主路径沿长边布设，支路径按1.5倍转弯半径排布，结合A算法二次优化消除边界冲突[7]。路径平滑采用五次B样条，约束最大曲率<0.15m-1，保证转向连贯性。坡度与承载力嵌入启发函数，分别设置阈值与指数修正系数，提升地形适应性。坡度权重函数如下：

　　4.2农户采纳意愿与扩散路径分析

　　基于曲阜市150份问卷，构建含感知收益、感知易用性、风险顾虑、社群影响与采纳意愿五潜变量的结构方程模型，Cronbachα系数为0.81，AVE均大于0.5，模型信度与效度良好。分析结果表明，感知易用性路径系数为0.43，高于感知收益（0.31）、社群影响（0.22），风险顾虑呈负向系数-0.18，说明简化操作比补贴更能影响采纳行为。结合“带机入股”实践，提出三级扩散路径：一是由核心社员示范代耕，二是村集体提供信用担保帮助农户融资租赁，三是建立作业记录与信用积分联动机制，引导融资利率动态调整。扩散过程引入Bass模型，设创新系数0.08、模仿系数0.35，支撑农机推广节奏模拟。分析结果如表2所示，进一步验证易用性主导效应，为丘陵区农机推广策略优化提供了依据。

　　4.3政策建议与未来研究方向

　　基于曲阜市分析验证结果，建议对50 kW以下模块化双源动力平台给予30%财政补贴，单台上限3.6万元，并设立丘陵农机专项，年投入不少于2000万元用于履带、挂接等核心部件升级。补贴应与作业监测平台挂钩，机手上传北斗轨迹与油耗数据以实现精确监管。金融层面，建议推动农商行设立“丘陵农机升级贷”，首付比例20%，利率下调50个基点，贷款期限最长5年，缓解农户资金压力。科研方面，应突破锂电池-20℃时放电保持率≥80%的低温适应性。采用淬火+激光熔覆提升履带销轴耐磨寿命至1500 km。算法上，探索Slope-A*与深度强化学习融合机制，基于作业数据动态调整权重，目标实现路径规划耗时1s内收敛。建议构建覆盖黄河下游丘陵平原过渡带的适配数据库，整合地形、土壤、机具等多源数据，为同类地区复制鲁西南方案提供基础支撑。

　　5.结语

　　研究验证了模块化动力、可折叠履带与统一挂接接口的农机升级技术在丘陵平原过渡带的综合效益，实现了农机作业效率提升与生态压降双赢。感知易用性主导农户采纳意愿的结论提示推广策略应突出操作简化而非仅强调经济补贴。未来需持续优化低温电池、履带耐磨与自学习路径算法，并建立开放数据库支撑区域复制。建议市级财政将30%补贴精准投向50 kW以下模块化平台，完善融资租赁与作业监测配套，推动丘陵带农机化率快速跃升，为国家粮食安全与双碳目标协同贡献山东方案。

　参考文献:

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　　[3]李杨文昭,徐峰,邹业欣,等.面向HBIM中榫卯信息适配的大木榫卯使用规则的构建路径研究[J].建筑师,2025(3):73-82.

　　[4]万玉华.对丘陵山区农机装备熟化应用基地建设的思考[J].农业机械,2024(4):104-107.

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　　[7]任宁,俞国红,武萌,等.茶园履带掘耕机重耕漏耕分析研究[J].农业开发与装备,2024(6):142-144.