小型深耕機(jī)發(fā)展淺析

許蓬勃，楊永發(fā)，崔 月，呂新宇

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650000）

0 引言

近幾年在非標(biāo)準(zhǔn)大棚作業(yè)中，手扶式微耕機(jī)因其體積小、重量輕、轉(zhuǎn)運(yùn)方便、功能多樣的特點(diǎn)在非標(biāo)準(zhǔn)大棚中得到了廣泛的推廣和普及。手扶式微耕機(jī)雖有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格也能被丘陵山地地區(qū)農(nóng)民接受，但存在操控不便、操控者勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高、耕深不足、不能打破犁底層等缺點(diǎn)。犁底層的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致土壤上下通透性變差，阻礙水分滲入深層土壤，影響作物根部的生長(zhǎng)使得作物的根系只能生長(zhǎng)在淺層土壤中，影響植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，不僅會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)還會(huì)增加水肥的施用量，增加非標(biāo)準(zhǔn)大棚的運(yùn)營(yíng)成本。在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用表明：采用深耕技術(shù)可以有效打破犁底層，改善土壤通透性，增加水肥的滲入，有利于作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)，提升非標(biāo)準(zhǔn)大棚內(nèi)作物品質(zhì)。

為此，結(jié)合非標(biāo)準(zhǔn)大棚的空間大小限制并結(jié)合耕深達(dá)到25 cm以上、機(jī)型輕巧、價(jià)格便宜、安全系數(shù)高、適用于西南山區(qū)非標(biāo)準(zhǔn)大棚內(nèi)作物種植等要求，筆者研制出一種小型四驅(qū)深耕機(jī)。結(jié)合要求與實(shí)際情況，主要研究意義有以下兩點(diǎn)：

1）小型四驅(qū)深耕機(jī)應(yīng)用于非標(biāo)準(zhǔn)大棚內(nèi)作物種植前的深耕工作，大棚內(nèi)土壤經(jīng)過(guò)深耕后能夠減少農(nóng)戶水肥的施用量，有利于農(nóng)作物根系的生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物品質(zhì)與產(chǎn)量，進(jìn)而降低大棚運(yùn)營(yíng)成本，增加農(nóng)戶種植效益，解決了手扶式深耕機(jī)耕作過(guò)淺無(wú)法打破犁底層、使用不安全、使用者勞動(dòng)量大等問(wèn)題。

2）目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基本沒(méi)有一種專門適用于非標(biāo)準(zhǔn)大棚的深耕機(jī)，此類深耕機(jī)的研制較為緩慢，知名大廠大多側(cè)重適用標(biāo)準(zhǔn)大棚的大型深耕機(jī)的研制，而一些小廠家研制出的深耕機(jī)因?yàn)楦鞣N原因，沒(méi)有得到大規(guī)模的推廣?；诖朔N情況，筆者研制出適用于非標(biāo)準(zhǔn)大棚的小型四驅(qū)深耕機(jī)，可有力推進(jìn)非標(biāo)準(zhǔn)大棚種植行業(yè)的發(fā)展。

1 深耕機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)外比較流行的翻耕機(jī)械主要有以下幾種：深耕機(jī)、深松機(jī)、粉壟機(jī)等。此類機(jī)具均可實(shí)現(xiàn)對(duì)土地的耕整，并且都能有效打破犁底層，為農(nóng)作物根系的生長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用。由于不同國(guó)家和地區(qū)有著不同的農(nóng)藝及地形特點(diǎn)，因此，各地設(shè)計(jì)的深耕機(jī)都有著不同的尺寸、所需動(dòng)力平臺(tái)的功率都各不相同，受制于不同地貌特征與農(nóng)藝等限制，翻耕機(jī)械在適應(yīng)不同地區(qū)、不同耕作深度的需求上還有很大的發(fā)展前景。

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)深耕機(jī)的研發(fā)始于20世紀(jì)30年代，其中深耕技術(shù)發(fā)展較快，在20世紀(jì)40年代英國(guó)的耕地就有近半數(shù)采用深耕的方式進(jìn)行耕作。國(guó)外經(jīng)過(guò)近90年的發(fā)展，深耕技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，并形成了一整套成熟的體系，有著一系列適應(yīng)不同環(huán)境作業(yè)的機(jī)型。目前，國(guó)外比較流行的兩種深翻機(jī)械分別采用擠壓式深耕與震動(dòng)式深耕，兩種機(jī)具均與大型動(dòng)力平臺(tái)相配套使用，可自由調(diào)節(jié)耕作寬度和深度，并有著作業(yè)速度快、作業(yè)質(zhì)量高、油耗小的特點(diǎn)。

2003年，Lee對(duì)比研究了帶鋸形齒的旋耕刀片與不帶鋸形齒的旋耕刀片，在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、整機(jī)前進(jìn)速度相同的情況下，工作效果的對(duì)比。2007年，F(xiàn)ashola公司研制了一款適用于水田的微耕機(jī)。2009年，日本的SahaC研發(fā)了一種通過(guò)震動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)耕作的微耕機(jī)，為其配備大功率發(fā)動(dòng)機(jī)使其具有工作效率高、碎土效果好的特點(diǎn)。2011年，美國(guó)約翰迪爾公司，推出了一款深耕機(jī)，該深耕機(jī)的特點(diǎn)是，在深松犁兩側(cè)增加了側(cè)向刀鏟，增加了松土效率。2013年，Ryan對(duì)耕作部組與動(dòng)力機(jī)械的間距在留有小麥茬的耕地上進(jìn)行了研究，得出了兩者連接的最小間距[1]。2014年，Yang等對(duì)耕作機(jī)械的作業(yè)寬度、速度、深度對(duì)耕作所需功率的影響進(jìn)行了研究，分析了對(duì)整機(jī)功率影響最大的因素[2-3]。2015年，澳大利亞Matin對(duì)不同的深耕刀片消耗功率、所需扭矩，進(jìn)行了分析與優(yōu)化。2016年，Matin探究了旋耕刀片不同的刃角對(duì)農(nóng)作物種子發(fā)芽率的影響，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)合適的刃角可以提高耕作時(shí)土壤的回流，改善種子生長(zhǎng)環(huán)境，提高種子發(fā)芽率。在刀具的研究上國(guó)外也進(jìn)行了一系列研究。S.K等，為了改善耕作刀具的耐磨性能，對(duì)同一款刀具噴涂了兩種不同的表面材料，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)其中一種材料可以顯著提高旋耕刀具的耐磨性能。Leek等，分析了不同刀具組合一起工作時(shí)的耕作效果。H Gholmai等，研究設(shè)計(jì)了一種新型旋耕刀具，改善了微耕機(jī)在作業(yè)時(shí)易纏草、操作人員易疲勞的缺點(diǎn)，并研究了不同土壤含水率、耕作速度、消耗功率，對(duì)新型旋耕刀片的影響，提高了微耕機(jī)的工作效果，降低了旋耕作業(yè)對(duì)功率的消耗。Shoutai等，采用sph模型對(duì)旋耕刀切土模型進(jìn)行了模擬，仿真分析優(yōu)化了旋耕刀的外形結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明旋耕刀優(yōu)化后，降低了微耕機(jī)械在作業(yè)時(shí)功率損耗，減小了油耗。還有一些科研人員研究機(jī)器在耕作過(guò)程的震動(dòng)。V G等，對(duì)小型農(nóng)業(yè)機(jī)械的震動(dòng)特性進(jìn)行了醫(yī)學(xué)方向的分析。Tiwari等，對(duì)比分析了手扶式旋耕機(jī)和乘坐式旋耕機(jī)操作者心率，在操作有座位的旋耕機(jī)時(shí)操作者的心率更低，據(jù)此對(duì)微耕機(jī)的操作舒適性提出了建議。Ragni等，通過(guò)對(duì)一款小型手扶微耕機(jī)使用者的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常使用微耕機(jī)的人3年后，會(huì)有十分之一的人患白指病。Sam等，為了降低微耕機(jī)震動(dòng)對(duì)操作人員的影響，提高了操作人員的舒適度。J.Retherton等，通過(guò)使用新型材料代替鋼鐵，有效減輕了微耕機(jī)的重量，減輕了微耕機(jī)的震動(dòng)。Patal等，研究出了一整套對(duì)于小型農(nóng)機(jī)耕作性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Tarverdyan等，研制出了一種小型垂直旋耕機(jī)械，并通過(guò)建模仿真、田間試驗(yàn)等驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)旋耕機(jī)械研制的開(kāi)始時(shí)間相較于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，在20世紀(jì)70年代，我國(guó)研發(fā)了第一款微耕機(jī)。80—90年代我國(guó)微耕機(jī)得到快速發(fā)展，但這一時(shí)期是以仿制國(guó)外機(jī)器為主。20世紀(jì)90年代—20世紀(jì)末，我國(guó)的微耕機(jī)逐漸發(fā)展起來(lái)，并形成了一套完備的生產(chǎn)體系。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)生產(chǎn)微耕機(jī)的企業(yè)已達(dá)到200多家。2007年，余泳昌等通過(guò)對(duì)深松鏟的受力分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了立式深松鏟。2011年，徐月天、王景立等通過(guò)對(duì)深松鏟的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化，提高了機(jī)器的工作效率。2013年，西南大學(xué)李卓設(shè)計(jì)了一種煙田深耕機(jī)，耕深達(dá)到30 cm，滿足了煙田打破犁底層的需求。2014年，王耀文、葉進(jìn)等運(yùn)用TRIZ理論優(yōu)化設(shè)計(jì)了煙田深耕機(jī)。2015年，李坤研究了撬翻式茶園深耕機(jī)，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)軟件Adams仿真分析了機(jī)器的各種工況，優(yōu)化了機(jī)器工作參數(shù)。2017年，韓煜杰通過(guò)對(duì)不同深耕刀的仿真分析，優(yōu)化了立式深耕刀的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了深耕刀的工作效率[4]。2019年，貴州大學(xué)孫效荷對(duì)螺旋深耕機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真和模態(tài)分析，降低了整機(jī)的損耗，提高了整機(jī)的工作效率。2020年，張富貴等針對(duì)丘陵山地地區(qū)土壤耕作層過(guò)淺和常年淺耕土壤病蟲(chóng)害增加等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款自走式螺旋深耕機(jī)，并測(cè)量出深耕刀的最大變形量為2.67 mm，滿足了機(jī)器工作要求。

2 深耕機(jī)存在的問(wèn)題

目前，深耕領(lǐng)域在刀具、深耕效果、增加操作者操作舒適性上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但還存在大中型深耕機(jī)體積過(guò)大、不適宜在大棚內(nèi)作業(yè)等問(wèn)題。現(xiàn)有的小型耕作機(jī)械大多為手扶式微耕機(jī)，存在著安全性低、耕作深度不足、操控性差、振動(dòng)大等一些不足之處，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：1）在安全性上，由于操作者操作不夠熟練、疏忽大意、安全意識(shí)不強(qiáng)、在操作時(shí)對(duì)防護(hù)裝置必要性認(rèn)識(shí)不足等因素，在多種因素的影響下很容易造成安全事故，例如現(xiàn)有手扶式微耕機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，沒(méi)注意檔位是否在空檔，貿(mào)然啟動(dòng)機(jī)器，易出現(xiàn)機(jī)器的突然前進(jìn)或后退，造成操作者被撞傷。2）微耕機(jī)耕深不足，耕深不足導(dǎo)致大棚內(nèi)土壤情況惡化，形成犁底層，不能很好滿足農(nóng)藝要求。3）在操縱性上，操縱手扶式微耕機(jī)需要操作者有一定的力量來(lái)控制手扶式微耕機(jī)，長(zhǎng)期工作會(huì)極大消耗操作者的體力，并且手扶式微耕機(jī)在工作時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作和旋耕刀的工作會(huì)產(chǎn)生不同程度的震動(dòng)，易使操作者產(chǎn)生不適感，常年使用可能會(huì)影響操作者健康，嚴(yán)重影響操作者健康和工作效率。

3 四驅(qū)深耕機(jī)的優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，適用于平原大地塊的大型深耕機(jī)，在我國(guó)得到了快速發(fā)展，并在深耕刀具與節(jié)能上有一定的建樹(shù)，但在小型深耕機(jī)的研究上，存在著諸多問(wèn)題，特別是針對(duì)西南丘陵山地地區(qū)仍大量存在的非標(biāo)準(zhǔn)大棚，市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有與之配套的小型深耕機(jī)具?，F(xiàn)有的并被農(nóng)民大量使用的手扶式微耕機(jī)，存在著耕深不足、安全性能差、作業(yè)效率低、操作不便、田間轉(zhuǎn)運(yùn)困難等問(wèn)題，針對(duì)上述問(wèn)題，亟需針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)大棚研制一種耕深足夠、安全高效、操作便捷、方便轉(zhuǎn)運(yùn)的小型深耕機(jī)，滿足非標(biāo)準(zhǔn)大棚農(nóng)戶的迫切需求。

筆者根據(jù)四驅(qū)深耕機(jī)作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)度尺寸合適的機(jī)架。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)大體設(shè)計(jì)出整機(jī)的布置方案，確定發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等關(guān)鍵部件的大體位置。根據(jù)深耕機(jī)的牽引特性和各作業(yè)工況對(duì)牽引力、作業(yè)速度及牽引功率的要求，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型和參數(shù)確定，并對(duì)變速箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)大棚地形和土壤特點(diǎn)，測(cè)出非標(biāo)準(zhǔn)大棚土壤黏度、坡度等實(shí)地情況，通過(guò)計(jì)算分析整機(jī)穩(wěn)定性，選擇合適的深耕刀能夠打破犁底層，確定深耕刀的旋轉(zhuǎn)方向和深耕刀長(zhǎng)度。根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)大棚土壤特點(diǎn)選擇合適的深耕刀，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇出深耕刀合適的轉(zhuǎn)向和深耕刀長(zhǎng)度。

4 小結(jié)

綜上所述，本研究分析了目前云南地區(qū)非標(biāo)準(zhǔn)大棚深耕作業(yè)面臨的問(wèn)題，探討了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有旋耕和深耕機(jī)具的問(wèn)題和各自的優(yōu)劣勢(shì)，同時(shí)介紹了四驅(qū)深耕機(jī)的研究對(duì)解決問(wèn)題的幫助和現(xiàn)實(shí)意義。