深松機(jī)具研究現(xiàn)狀與展望

鄭侃++陳婉芝

摘要：深松是提高作物產(chǎn)量的一項(xiàng)重要耕作方式，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保障糧食安全具有重要意義。介紹近年深松面積和深松機(jī)數(shù)量的變化情況，根據(jù)深松鏟工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將深松機(jī)分為鑿式深松機(jī)、全方位深松機(jī)，詳細(xì)描述這2類機(jī)具的工作原理、作業(yè)特點(diǎn)，并總結(jié)現(xiàn)有的典型機(jī)具；最后分析現(xiàn)有深松機(jī)存在的問(wèn)題并提出解決方法，為深松機(jī)的研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深松機(jī)具；鑿式深松機(jī)；全方位深松機(jī)；現(xiàn)狀；展望

中圖分類號(hào)： S224.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0016-05

深松是指使用專用深松機(jī)，在不打亂原有土壤耕層結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行深度松土的一種機(jī)械化耕整地作業(yè)方式，是保護(hù)性耕作的重要組成部分[1]。傳統(tǒng)翻耕深度為16～30 cm，旋耕深度一般為14～16 cm[2]，翻耕、旋耕作業(yè)時(shí)犁鏵、旋耕刀會(huì)對(duì)土壤有擠壓、打擊作用，長(zhǎng)期使用會(huì)使耕層以下形成堅(jiān)硬的犁底層，影響作物根系生長(zhǎng)，使作物產(chǎn)量下降；雖然免耕減少了土壤耕作，保護(hù)了土壤結(jié)構(gòu)，但播種、收獲、植保時(shí)農(nóng)機(jī)具作業(yè)造成的土壤壓實(shí)，再加上土壤的自然沉降，同樣會(huì)導(dǎo)致土壤的緊實(shí)度、容重增加，影響作物生長(zhǎng)[3-4]。通過(guò)深松作業(yè)可打破堅(jiān)硬的犁底層，同時(shí)疏松土壤，增加土壤的透水性和透氣性，改善土壤理化特性以及作物根系生長(zhǎng)環(huán)境，是一項(xiàng)重要的作物增產(chǎn)技術(shù)[5-6]。

深松機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化深松作業(yè)的關(guān)鍵機(jī)具，深松鏟則是深松機(jī)的關(guān)鍵工作部件。歐美等地區(qū)在20世紀(jì)30年代初對(duì)深松耕作和深松機(jī)具開(kāi)展研究，現(xiàn)已形成較完善的理論體系和系列化的深松機(jī)具。我國(guó)于20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)深松技術(shù)進(jìn)行研究，近些年深松部件和深松機(jī)具的研制開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視，并取得了豐碩的成果[7]，但與國(guó)外先進(jìn)的深松機(jī)具相比，仍然存在材料質(zhì)量差、阻力功耗大、配套動(dòng)力不足、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、種類繁多以及無(wú)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化管理等問(wèn)題[8-9]。因此，了解和掌握深松機(jī)具及其關(guān)鍵部件的主要類型和特點(diǎn)，探討存在的主要問(wèn)題，對(duì)于我國(guó)深松技術(shù)的研究和推廣具有重要意義。

1近年來(lái)深松面積和深松機(jī)數(shù)量變化情況

自2009年國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定對(duì)深松作業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼以后，深松作業(yè)在全國(guó)適宜省份迅速展開(kāi)，深松補(bǔ)貼實(shí)施后5年內(nèi)的深松實(shí)施面積與深松機(jī)擁有量變化趨勢(shì)如圖1所示[10]，可以看出，全國(guó)深松作業(yè)面積和深松機(jī)擁有量明顯增加，其中2013年全國(guó)深松面積為1 078.47萬(wàn)hm2，比2008年多21149萬(wàn)hm2；2013年全國(guó)深松機(jī)擁有量為23.36萬(wàn)臺(tái)，比2008年多14.79萬(wàn)臺(tái)。2011年農(nóng)業(yè)部辦公廳印發(fā)的《全國(guó)農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)實(shí)施規(guī)劃（2011—2015年》（農(nóng)機(jī)發(fā)[2011]1號(hào)）[11]文件中指出：2013—2015年，在東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、南方蔗區(qū)、西北地區(qū)全面實(shí)施深松；2011—2015年，5年累計(jì)[CM（25]深松整地作業(yè)面積0.713億hm2。農(nóng)業(yè)部在2015年2月[CM）]

2深松機(jī)主要結(jié)構(gòu)類型及典型機(jī)具研究現(xiàn)狀

結(jié)合深松鏟的工作原理和結(jié)構(gòu)將深松機(jī)分為鑿式深松機(jī)和全方位深松機(jī)。

2.1鑿式深松機(jī)

鑿式深松機(jī)的工作部件為鑿式鏟，主要由鏟尖、鏟柄構(gòu)成。鏟尖有鑿形鏟尖、箭形或鵝掌形鏟尖、雙翼形鏟尖3種形式[15]，鑿形鏟尖寬度與鏟柱寬度相近，工作時(shí)阻力較小，并且加工簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、易于更換；箭形或鵝掌形鏟尖與雙翼形鏟尖寬度較大，常用于旋耕后起壟或中耕時(shí)表土行間疏松。鏟柄分為彎弧式、直立式、傾斜式3種[16]，無(wú)論哪種鏟柄在運(yùn)動(dòng)方向的投影總是垂直的。彎弧式鏟柄和傾斜式鏟柄，鏟柄下部向前伸具有滑切作用，有一定的減阻效果，但加工較難，且結(jié)構(gòu)突變處易受力變形；相反，直立式鏟柄結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，但破土?xí)r阻力相對(duì)較大。根據(jù)是否具有振動(dòng)功能將鑿式深松機(jī)劃分為鑿型深松機(jī)和鑿式振動(dòng)深松機(jī)兩大類。

2.1.1鑿型深松機(jī)鑿型深松機(jī)工作時(shí)在拖拉機(jī)的牽引下，通過(guò)鏟尖對(duì)土壤的擠壓、上抬作用以及鏟柄刃部對(duì)土壤的切割破壞作用使土壤松碎，深松深度一般為30～50 cm，深松鏟間距為40～80 mm[17]。常見(jiàn)的鑿型深松機(jī)有普通鑿型深松機(jī)和翼鏟式深松機(jī)2種。

普通鑿型深松機(jī)。普通鑿型深松機(jī)松土系數(shù)僅為0.2～0.3[18]，工作幅寬較小，適用于間隔深松；并且在稍深的土層處，鏟柄與鏟尖對(duì)兩側(cè)土壤產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓，增加土壤的壓實(shí)，不利于土壤疏松；此外，深松后鏟柄會(huì)在土層中留下垂直縫隙，造成水分蒸發(fā)，尤其對(duì)于干旱地區(qū)而言不利于保墑[19]。國(guó)內(nèi)典型的機(jī)具有山西河?xùn)|雄風(fēng)農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的1S-250A型深松機(jī)（圖2）[20]，該機(jī)采用鑿形鏟尖和彎弧式鏟柄，深松鏟之間的間距為50 cm，為了增大機(jī)具的通過(guò)性，前機(jī)架安裝2個(gè)深松鏟，后機(jī)架安裝3個(gè)深松鏟，所需動(dòng)力66.2 kW以上，深松鏟工作深度為30～35 cm。國(guó)外典型的機(jī)具有德國(guó)雷肯公司生產(chǎn)的1S-225C型深松機(jī)（圖3）[21]，該機(jī)3個(gè)鑿形鏟安裝在機(jī)架主梁上，深松鏟間距為70 cm，深松鏟最大深松深度達(dá)65 cm，需要配套動(dòng)力55～129 kW。

翼鏟式深松機(jī)。在普通鑿型深松機(jī)鏟柄兩側(cè)增加翼鏟形

成翼鏟式深松機(jī)，相比普通鑿型深松機(jī)有以下特點(diǎn)：（1）增加了深松工作幅寬，擴(kuò)大了松土面積，提高了深松效率；（2）雙翼鏟入土后，翼板上傾角向上抬起土壤，使其發(fā)生斷裂，當(dāng)雙翼鏟通過(guò)后，土壤重新回落進(jìn)一步松碎，從而提高了松土系數(shù)[22]；（3）雙翼鏟消除了鏟柄對(duì)兩側(cè)土壤壓實(shí)；（4）雙翼鏟上方土壤全面疏松，雙翼鏟下方經(jīng)鏟尖運(yùn)動(dòng)形成鼠道，有利于排澇，減少土壤水蝕；（5）雙翼鏟增加了工作能耗，尤其是作業(yè)達(dá)到一定深度時(shí)，能耗加劇[23]?，F(xiàn)有典型的翼鏟式深松機(jī)如豪豐1S-250型深松機(jī)（圖4）[24]，其深松鏟按“前3后2”方式安裝在機(jī)架上，采用直立式鏟柄和鑿形鏟，并將翼鏟安裝在鏟柄中部以減少能耗，深松鏟間距為40 cm，工作深度為25～30 cm，需要配套動(dòng)力66.2～88.2 kW。國(guó)外有馬斯奇奧公司生產(chǎn)的PINOCCHIO200型深松機(jī)[25]（圖5），深松鏟按“前2后3”方式安裝在機(jī)架上，采用彎弧式鏟柄和鑿形鏟；翼鏟安裝于鏟柄下部，增大了對(duì)深層土壤的疏松；深松鏟間距為 37 cm，深松深度為40 cm，需要?jiǎng)恿?0～130 kW。

[CM（26]2.1.2鑿式振動(dòng)深松機(jī)鑿式振動(dòng)深松機(jī)是在鑿型深松機(jī)[CM）]

基礎(chǔ)上增加了激振源。振動(dòng)深松機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是牽引阻力小，其原理是利用土壤的彈塑性性質(zhì)，將振動(dòng)位移置于土壤的彈塑性變形區(qū)，使其阻力在小于塑性變形最大阻力的同時(shí)又獲得塑性變形的特點(diǎn)，從而減小牽引阻力，相比非振動(dòng)式深松機(jī)能減少6.9%～17.0%的阻力[26]。根據(jù)激振源是否需要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)，可以將鑿式振動(dòng)深松機(jī)振動(dòng)方式分為自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)。

鑿式自激振動(dòng)深松機(jī)。鑿式自激振動(dòng)深松機(jī)的激振源主要來(lái)自變化的土壤阻力，即由于土壤地表不平導(dǎo)致耕深變化、不同范圍土壤力學(xué)性質(zhì)不均勻以及秸稈量不同等因素引起的土壤阻力變化，這種振動(dòng)方式引起的沖擊和對(duì)土壤的壓實(shí)作用小，并且保護(hù)了深松鏟和其他部件[27]。現(xiàn)有激振源的彈性元件有壓縮彈簧、鋼板彈簧、液壓3種。此類深松機(jī)作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)深松鏟受土壤阻力大于彈性元件預(yù)作用力時(shí)，深松鏟將繞連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，鏟尖向上抬起，同時(shí)壓縮彈性元件存儲(chǔ)彈性能量；當(dāng)土壤阻力減少時(shí)，彈性元件會(huì)釋放存儲(chǔ)的彈性能量，帶動(dòng)深松鏟反向轉(zhuǎn)動(dòng)剪切土壤；深松鏟因不斷變化的土壤阻力產(chǎn)生振動(dòng)，從而減少牽引阻力?，F(xiàn)有此類深松機(jī)有美國(guó)大平原制造公司生產(chǎn)的SS1300A型垂直深松機(jī)（圖6）[28] ，整機(jī)工作幅寬305 cm，深松鏟彈性元件采用2個(gè)壓縮彈簧，5個(gè)深松鏟之間的間距為76 cm，工作深度為20～50 cm，需要150～255 kW動(dòng)力；圖7所示的丹麥格蘭集團(tuán)生產(chǎn)的CLG-Ⅱ型深松機(jī)[29]，整機(jī)工作幅寬在90～225 cm范圍內(nèi)可調(diào)，深松鏟間距在30～100 cm范圍內(nèi)可調(diào)，深松鏟彈性元件為鋼板彈簧，需配套121 kW以上動(dòng)力；圖8所示的加拿大LASOLE制造公司生產(chǎn)的MAX型深松機(jī)[30]，深松鏟采用液壓彈性元件，深松深度為40～70 cm，深松鏟間距為76 cm，工作幅寬為365 cm，配置動(dòng)力為112～186 kW。

鑿式強(qiáng)迫振動(dòng)深松機(jī)。鑿式強(qiáng)迫振動(dòng)深松機(jī)激振源動(dòng)力來(lái)自拖拉機(jī)，其原理是拖拉機(jī)輸出軸將動(dòng)力傳遞給深松機(jī)振動(dòng)機(jī)構(gòu)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)把轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)樯钏社P既定頻率和振幅的振動(dòng)，同時(shí)深松鏟帶動(dòng)土壤振動(dòng)，土壤經(jīng)周期性振動(dòng)后破碎，達(dá)到深松目的。振動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由偏心軸、偏心軸承、十字連接器、連接板和支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸等部件組成[31]。鑿式強(qiáng)迫振動(dòng)深松機(jī)雖然減少了工作阻力，但拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)需要耗能，且對(duì)已破碎的土

壤有沖擊壓實(shí)作用[32]，同時(shí)振動(dòng)易使深松鏟及其他部件產(chǎn)生疲勞破壞，影響深松機(jī)使用壽命。鄆城縣工力有限公司生產(chǎn)的鄆農(nóng)ZS-180型振動(dòng)深松機(jī)（圖9）[33]，該機(jī)采用振動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整個(gè)深松鏟振動(dòng)，深松深度為25～40 cm，需要配套50～75 kW 動(dòng)力。圖10為德國(guó)CLEMENS公司生產(chǎn)的TLK833型深松機(jī)[34]，該機(jī)只有1個(gè)深松鏟，主要用于果園深松，利用振動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)翼鏟實(shí)現(xiàn)振動(dòng)深松，而深松鏟和鏟柄不振動(dòng)；最大深松深度為60 cm，只須配套動(dòng)力30 kW。

2.2全方位深松機(jī)

全方位深松機(jī)的作業(yè)原理完全不同于鑿式深松機(jī)。該類機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）松土性能好，松土系數(shù)可以達(dá)到077[35]，且松土范圍大，作業(yè)后地表平整；（2）與鑿式深松機(jī)相比，全方位深松機(jī)充分利用刀刃的切割作用，對(duì)土壤的壓實(shí)

作用較小[36]；（3）能完整地保持地表植被覆蓋，有利于減少風(fēng)蝕、水蝕[37]；（4）動(dòng)力消耗大、秸稈覆蓋時(shí)通過(guò)性差、易堵塞；（5）不適用于中耕時(shí)深松作業(yè)。根據(jù)深松鏟形狀分為“V”形鏟式深松機(jī)和側(cè)彎式深松機(jī)。

（1）“V”形鏟式全方位深松機(jī)?！癡”形鏟刀是“V”形鏟式全方位深松機(jī)的主要工作部件，由底刀和2個(gè)左右對(duì)稱的側(cè)刀等構(gòu)成。作業(yè)時(shí)，“V”形鏟刀的底刀和2個(gè)側(cè)刀切出梯形截面的土垡條，當(dāng)機(jī)具以一定速度前進(jìn)時(shí)，“V”形鏟刀將土垡條向上抬升、撕裂，土垡條因剪切、拉伸得到疏松，松碎后的土壤回落到“V”形溝內(nèi)，無(wú)較大的孔隙，有利于干旱地區(qū)保墑[38]。

典型的機(jī)具有北京銀華春翔農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的春翔1SQ-340型全方位深松機(jī)（圖11）[39]，機(jī)具有3個(gè)“V”形鏟刀，其中2個(gè)“V”形鏟刀對(duì)稱安裝在前機(jī)架梁上，深松深度為40～50 cm，需要配套動(dòng)力73.6～88.3 kW。圖12為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)董向前等研制用于草地疏松的振動(dòng)深松機(jī)[40]，該機(jī)融合了全方位深松機(jī)和振動(dòng)深松機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，深松深度為15～20 cm，需要配套動(dòng)力90 kW。

（2）側(cè)彎式深松機(jī)。側(cè)彎式深松機(jī)是全方位深松機(jī)和鑿式深松機(jī)的結(jié)合，與全“V”形鏟式全方位深松機(jī)碎土原理相似，其主要結(jié)構(gòu)“L”形側(cè)彎鏟柄分為垂直部分和傾斜部分，鏟尖安裝在傾斜部分的下端。工作時(shí)，側(cè)彎鏟柄的傾斜部分對(duì)土壤進(jìn)行切割，并向上抬起土垡，對(duì)該部分土壤進(jìn)行剪切、拉伸破壞，從而達(dá)到松土效果，而鏟尖能夠在松土層底部形成鼠道，增加雨水入滲。為了抵消整個(gè)機(jī)具的左右側(cè)向力，成對(duì)安裝深松鏟。該類機(jī)具的特點(diǎn)是側(cè)彎鏟柄取代鑿式深松機(jī)的鏟尖進(jìn)行碎土，在能耗相同的條件下，提高了機(jī)具的入土性能，且碎土效果比鑿式深松機(jī)好[9]。

山東奧龍農(nóng)機(jī)機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的1S-310型深松機(jī)（圖13）[41]，整機(jī)共有6個(gè)深松鏟，每2個(gè)深松鏟組成1組，且傾斜部分向內(nèi)側(cè)傾斜并對(duì)稱安裝在深松鏟前方、中間、后方，深松鏟間距為52 cm，深松深度≥30 cm，需要配套動(dòng)力≥992 kW。圖14為德國(guó)DALBO公司生產(chǎn)的Ratoon系列深松機(jī)[42]，可配備2、4、6、8個(gè)深松鏟，深松工作幅寬120～300 cm，根據(jù)深松鏟數(shù)量分別需要配套動(dòng)力30、60、90、120 kW；為消除側(cè)向力，深松鏟以相同的傾斜方向安裝在前梁和后梁；整個(gè)深松鏟采用液壓彈性元件與機(jī)架連接，以增加碎土率、保護(hù)深松部件。

3展望

3.1深松機(jī)作業(yè)減阻

深松作業(yè)造成的能耗是種植、收獲作業(yè)等其他種植工序的3～5倍[43]，減少深松機(jī)具作業(yè)時(shí)的耕作阻力是降低能耗的主要措施[44]?，F(xiàn)有的深松減阻研究有仿生減阻、振動(dòng)減阻、流體潤(rùn)滑減阻、改變深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)以及改善深松部件的分布等，并取得了較好的成果。仍須對(duì)以下方向進(jìn)行研究：（1）增加深松鏟對(duì)不同土壤的碎土特性以及土壤機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究，從理論上解釋深松阻力來(lái)源；（2）已有的深松鏟減阻技術(shù)在致力于減少深松能耗的同時(shí)，應(yīng)該考慮降低減阻深松鏟的加工難度和成本；（3）多數(shù)深松減阻研究?jī)H限于試驗(yàn)條件下模擬，應(yīng)結(jié)合田間實(shí)際狀況真正做到應(yīng)用推廣。

3.2深松聯(lián)合作業(yè)機(jī)具

深松聯(lián)合作業(yè)機(jī)具是深松機(jī)具發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有以下優(yōu)點(diǎn)[45]：（1）作業(yè)效率高，可有效緩解農(nóng)忙時(shí)機(jī)具緊張狀況；（2）提高大馬力拖拉機(jī)利用率，節(jié)省油料，降低作業(yè)成本，作業(yè)次數(shù)減少，減少對(duì)土壤的破壞，保護(hù)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；（3）降低金屬材料消耗，減少機(jī)具存放面積?，F(xiàn)有的深松聯(lián)合整地機(jī)多數(shù)為深松機(jī)與其他作業(yè)機(jī)具簡(jiǎn)單組合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，以至于無(wú)法保證作業(yè)性能和質(zhì)量；整機(jī)適應(yīng)性、可靠性較差，若遇到黏重土壤，機(jī)具阻力會(huì)急劇增大，且拖拉機(jī)會(huì)打滑，不適于大面積推廣應(yīng)用。因此，需要研制適應(yīng)不同地區(qū)、不同季節(jié)的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化且具有較高可靠性的多功能深松聯(lián)合作業(yè)機(jī)，以滿足我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。

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