旋耕機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

顧 洋 ， 姜新波 ， 頓國(guó)強(qiáng)

（1.上海舟炬人力資源有限公司，上海 201716；2.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 旋耕機(jī)分類(lèi)

旋耕機(jī)是一種需要和拖拉機(jī)配合使用完成耕、耙等工作的農(nóng)業(yè)設(shè)備，由于該設(shè)備具有良好的碎土能力，不但在完成土壤破碎的過(guò)程中能夠使得土壤保持相對(duì)平整的狀態(tài)，而且還能有效切碎殘留在土壤中的枯根，因而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)耕種中?，F(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)研發(fā)出來(lái)的能夠用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旋耕機(jī)，按照旋耕刀軸的配置方式被分為橫式旋耕機(jī)、立式旋耕機(jī)以及斜置式旋耕機(jī)三種。

1.1 橫式旋耕機(jī)

橫式旋耕機(jī)的主要構(gòu)件有刀軸、刀片、傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架等[1]。在一般情況下，會(huì)采用三點(diǎn)懸掛方式完成橫式旋耕機(jī)和拖拉機(jī)之間的連接，并采用尾部傳動(dòng)軸作為主要驅(qū)動(dòng)力使旋耕機(jī)能夠正常運(yùn)行，而動(dòng)力的傳輸方式則有中間傳動(dòng)與側(cè)邊傳動(dòng)兩種。前者的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相較于后者更加穩(wěn)定，受力基本能夠保持在平衡狀態(tài)下，但是由于整機(jī)機(jī)構(gòu)對(duì)稱性較差，導(dǎo)致在刀軸中間安裝刀片受到了限制，使得旋耕機(jī)在巡行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏耕問(wèn)題；后者雖然不存在漏耕問(wèn)題，但是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，受力長(zhǎng)期處于不平衡狀態(tài)下，旋耕機(jī)使用壽命較短。

橫式旋耕機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式有正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)兩種，在運(yùn)行過(guò)程中，刀輥和機(jī)具的方向一致為正轉(zhuǎn)，二者方向相反則為反轉(zhuǎn)。以正轉(zhuǎn)形式運(yùn)行的旋耕機(jī)，具有良好的土壤破碎效果；以反轉(zhuǎn)形式運(yùn)行的旋耕機(jī)雖然也具有良好土壤破碎效果，耗能較低，但是極易造成土壤積堆，當(dāng)這種情況出現(xiàn)后耗能將會(huì)瞬間增大。耕深較淺是橫式旋耕機(jī)的主要缺陷，耕種速度較快時(shí)，耕深會(huì)進(jìn)一步降低，而耕深較低會(huì)使得土壤的保墑能力有所下降，使得農(nóng)作物的根系無(wú)法充分發(fā)育。

1.2 立式旋耕機(jī)

立式旋耕機(jī)的主要構(gòu)件有箱體、傳動(dòng)系統(tǒng)、變速箱、旋耕刀等，刀軸處于豎直向下?tīng)顟B(tài)，因?yàn)楦钶^深，不存在橫式旋耕機(jī)由于耕深不足而導(dǎo)致農(nóng)作物根系無(wú)法充分發(fā)育的情況，對(duì)旋刀的強(qiáng)度和韌性要求較高。大多情況下，立式旋耕機(jī)和拖拉機(jī)的連接會(huì)通過(guò)三點(diǎn)懸掛方式完成，而驅(qū)動(dòng)力則會(huì)通過(guò)拖拉機(jī)傳出經(jīng)由萬(wàn)向節(jié)到達(dá)旋耕機(jī)的中央齒輪箱[2]。因?yàn)榱⑹叫麢C(jī)是以齒輪方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)，所以立式旋耕機(jī)中處于相鄰位置的兩個(gè)旋刀的旋轉(zhuǎn)方向是不一致的，這有助于前進(jìn)阻力的降低，能夠使得機(jī)具的運(yùn)行趨于平穩(wěn)。在立式旋耕機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，兩個(gè)處于相鄰位置的旋刀不但能夠在作業(yè)區(qū)域內(nèi)完成土壤切削工作，而且還能完成一部分處于相鄰旋刀作業(yè)區(qū)的土壤切削工作，有效避免了漏耕問(wèn)題的出現(xiàn)，但是會(huì)導(dǎo)致土壤的破碎程度出現(xiàn)一定差異。因?yàn)橄噜徯锻寥狼邢鲄^(qū)域存在重疊，需要保證相鄰旋刀之間相差一個(gè)相位角才能避免二者在作業(yè)過(guò)程中互相干涉。

1.3 斜置式旋耕機(jī)

斜置式旋耕機(jī)的主要構(gòu)件有刀軸、刀片、傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架等。斜置式旋耕機(jī)的刀輥處于水平斜置狀態(tài)，當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，刀輥和機(jī)組前行方向會(huì)存在一個(gè)斜置角，因而滑切與撕裂破壞是進(jìn)行土壤破碎的主要方式，這樣使得斜置式旋耕機(jī)的耗能低于前面兩種旋耕機(jī)。但是，由于斜置式旋耕機(jī)的刀輥長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的橫式旋耕機(jī)，加之運(yùn)作過(guò)程中還存在斜置角，導(dǎo)致斜置式旋耕機(jī)的剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橫式旋耕機(jī)。

2 旋耕機(jī)研發(fā)過(guò)程及現(xiàn)狀

2.1 旋耕機(jī)的研發(fā)過(guò)程

我國(guó)針對(duì)旋耕機(jī)開(kāi)展相關(guān)研究始于20世紀(jì)50年代，彼時(shí)的旋耕機(jī)在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，需要和手扶拖拉機(jī)共同使用才能發(fā)揮作用，應(yīng)用范圍較小，稍晚一些研發(fā)出的旋耕機(jī)能夠和四輪拖拉機(jī)共同使用，在當(dāng)時(shí)也未得到廣泛應(yīng)用。1980年以后，我國(guó)旋耕機(jī)制造技術(shù)獲得了一定突破，但是由于種種原因旋耕機(jī)依然沒(méi)有在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[3]。進(jìn)入21世紀(jì)，旋耕機(jī)開(kāi)始向復(fù)式作業(yè)方向發(fā)展，旋耕機(jī)開(kāi)始具備了整平、鎮(zhèn)壓等重要功能，并且隨著我國(guó)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了應(yīng)用。從現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)旋耕機(jī)的應(yīng)用來(lái)看，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中橫式旋耕機(jī)的應(yīng)用范圍最廣，立式旋耕機(jī)次之，而斜置式旋耕機(jī)應(yīng)用范圍極小，尚處于試驗(yàn)與研發(fā)階段。

從整體上看，目前我國(guó)旋耕機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題需解決。首先是旋耕機(jī)的耗能過(guò)大，這不符合我國(guó)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展要求；其次，故障出現(xiàn)頻率較高，故障主要體現(xiàn)在刀軸會(huì)在旋耕機(jī)作用過(guò)程中發(fā)生不同程度的損壞，這不利于我國(guó)高效現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 旋耕機(jī)的研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 橫式旋耕機(jī)的現(xiàn)階段研究成果

近年來(lái)，我國(guó)圍繞橫式旋耕機(jī)在運(yùn)作過(guò)程中存在的纏草問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，并取得了一定突破。一方面，一些學(xué)者針對(duì)旋耕機(jī)存在纏草問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，相關(guān)人員借助離散元法對(duì)旋耕機(jī)處于無(wú)秸稈覆蓋和有秸稈覆蓋的狀態(tài)的受力以及力矩的分布情況進(jìn)行了科學(xué)分析，并將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到的理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出橫式旋耕機(jī)的受力大小與旋耕機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在正比關(guān)系，且在旋刀完全沒(méi)入土壤的情況下，在秸稈存在的情況下，在有無(wú)秸稈覆蓋的受力實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使刀片已完全進(jìn)入土壤，在有秸稈覆蓋的土壤中旋耕機(jī)的受力大小仍然超過(guò)了沒(méi)有秸稈存在的情況。

另一方面，部分學(xué)者針對(duì)如何減少橫式旋耕機(jī)纏草情況的發(fā)生展開(kāi)了研究。相關(guān)人員通過(guò)將橫式旋耕機(jī)的作業(yè)方式改裝為雙軸刀輥旋耕作業(yè)，降低了纏草問(wèn)題的發(fā)生頻率。在運(yùn)行過(guò)程中位于前軸的刀輥能夠?qū)⒉萸兴?，而位于后軸的刀輥可以把切碎的雜草翻到土層里。

2.2.2 立式旋耕機(jī)的現(xiàn)階段研究成果

使用壽命短、運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定性較差是立式旋耕機(jī)的主要缺陷，近年來(lái)，相關(guān)研究人員針對(duì)立式旋耕機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)以及作業(yè)平穩(wěn)性的提升開(kāi)展了一定研究，并取得了一定成果。

首先是圍繞立式旋耕機(jī)使用壽命開(kāi)展的研究，相關(guān)研究人員借助對(duì)旋刀的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，認(rèn)為立式旋耕機(jī)的運(yùn)行速度只會(huì)對(duì)土壤的破碎效果產(chǎn)生影響而不會(huì)造成旋耕機(jī)耕深的變化。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員針對(duì)旋刀的不同安裝方式對(duì)其作業(yè)狀態(tài)下的影響進(jìn)行了仿真模擬。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用一正一反平衡安裝能夠使得其工作狀態(tài)更加平穩(wěn)，可以起到延長(zhǎng)機(jī)械使用壽命的效果[4]。

其次是圍繞立式旋耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)下的平穩(wěn)性展開(kāi)研究。相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)立式旋耕機(jī)刀片的排列和刀片的內(nèi)折彎角與旋耕機(jī)的平穩(wěn)性關(guān)系密切，因而通過(guò)反復(fù)調(diào)整排列方式與內(nèi)折彎角，提高了立式旋耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)下的平穩(wěn)性。如果內(nèi)折彎角較小，旋刀在進(jìn)行土壤切削時(shí)會(huì)因?yàn)槭艿絹?lái)自刀片與刀軸的阻力，導(dǎo)致旋耕機(jī)平穩(wěn)性降低；如果彎角過(guò)大，受到的土壤阻力將會(huì)增大，也會(huì)使得旋耕機(jī)無(wú)法平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2.3 斜置式旋耕機(jī)的現(xiàn)階段研究成果

自斜置旋耕的概念是在我國(guó)首次出現(xiàn)的，20世紀(jì)末期，我國(guó)蘇州大學(xué)與蘇州理工大學(xué)的一些學(xué)者針對(duì)斜置式旋耕機(jī)的相關(guān)理論與機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并獲得了一些專(zhuān)利。但是近年來(lái)我國(guó)對(duì)斜置式旋耕機(jī)的研究并無(wú)明顯進(jìn)展，幾乎處于停滯狀態(tài)。

2000年左右我國(guó)一些學(xué)者研究出了一種斜置旋耕的試驗(yàn)裝置，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)針對(duì)旋耕機(jī)在5°、10°、15°、20°、25°等斜置角下的耕作狀態(tài)進(jìn)行了受力情況的分析，以及設(shè)備的工作功率受設(shè)備的前行速率、刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)速率等條件的影響的分析[5]。斜置式旋耕機(jī)的相關(guān)問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究，較低的工作功率符合我國(guó)綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，因此斜置式旋耕機(jī)具有良好的發(fā)展前景以及較高的研究?jī)r(jià)值。

3 旋耕機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 節(jié)能化

綠色農(nóng)業(yè)一直是我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升，很多研究人員投向了對(duì)旋耕機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，旋耕機(jī)的節(jié)能性與旋刀存在較大聯(lián)系，優(yōu)化旋刀設(shè)計(jì)，調(diào)整刀片的排列方式能夠提升旋耕機(jī)的節(jié)能性能。但是，在旋刀與刀片的優(yōu)化研究過(guò)程中，也遭遇了一定阻力。一方面，我國(guó)對(duì)新材料的研究尚且不足，在旋耕材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出了新材料、新工藝研發(fā)不足等主要問(wèn)題，使得研究者找到適合用于旋刀刀片制作的耐磨性材料具有一定難度，制約了節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。另一方面，我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)耕深節(jié)能技術(shù)的研究尚且不足，我國(guó)針對(duì)耕深的研究尚且集中在15 cm以內(nèi)的耕深研究，而缺少對(duì)15 cm甚至20 cm以上的耕深研究，不但造成了水土流失、農(nóng)作物產(chǎn)量下降等一系列問(wèn)題，而且還阻礙了對(duì)大耕深型旋耕機(jī)的研發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械的損壞率與更換率較高，不利于節(jié)能減排和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[6-7]。

3.2 聯(lián)合作業(yè)

應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旋耕機(jī)的機(jī)械更換頻率較高，機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中損壞較為頻繁，為降低設(shè)備成本，現(xiàn)階段研究人員正在針對(duì)旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)改良以及以零部件更換代替整機(jī)替換進(jìn)行研究，旋耕機(jī)正在向滅茬、深松、碎土、起壟等一系列耕種操作的一體化方向發(fā)展。山東奧龍研發(fā)出的一款免耕施肥播種機(jī)目前已經(jīng)同時(shí)具備了耕地、播種、覆蓋、填壓等功能，該機(jī)械的研發(fā)成功使得一機(jī)多用、聯(lián)合作業(yè)的實(shí)現(xiàn)成為可能[8]。

3.3 高精細(xì)度

目前，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用范圍最為廣泛的橫式旋耕機(jī)存在耕深較淺、工作效率較低、運(yùn)行功率較大等問(wèn)題，大規(guī)模應(yīng)用橫式旋耕機(jī)在一定程度上造成了土壤耕深變淺，土壤所具備的保墑能力有所下降，根系無(wú)法充分生長(zhǎng)，不但會(huì)引發(fā)水土流失等生態(tài)問(wèn)題，而且還會(huì)使得農(nóng)作物的產(chǎn)量減少。因此，增加橫式旋耕機(jī)的耕深、提高工作效率，提升運(yùn)行功率已經(jīng)成為旋耕機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向，寬幅、高速、深耕的旋耕機(jī)能夠完成高精細(xì)度的農(nóng)業(yè)耕種，必將成為旋耕機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.4 適用范圍廣

我國(guó)并非所有的耕地都位于方便機(jī)械耕種的平原地區(qū)，在我國(guó)山地、丘陵地區(qū)還存在大量耕地。無(wú)法在山地、丘陵地區(qū)進(jìn)行機(jī)械耕種已經(jīng)成為阻礙我國(guó)農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的一大阻力。由于山地、丘陵地區(qū)的耕地單塊面積小、分布不集中，且相較于平原地區(qū)的耕地耕作環(huán)境更為復(fù)雜，導(dǎo)致旋耕機(jī)尚且無(wú)法發(fā)揮作用。目前我國(guó)一些研究所正在針對(duì)能夠適應(yīng)山地環(huán)境的靈活性旋耕機(jī)進(jìn)行研發(fā)，1GZ-120旋耕機(jī)能夠適應(yīng)耕地面積較小的山地、丘陵區(qū)域，但該旋耕機(jī)尚未進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，相關(guān)人員還在針對(duì)該設(shè)備的生產(chǎn)與應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步完善[9]。使用范圍廣已然成為旋耕機(jī)眾多發(fā)展趨勢(shì)中的一個(gè)。

3.5 智能化與自動(dòng)化

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，已經(jīng)有很多行業(yè)借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化與自動(dòng)化生產(chǎn)。智能化與自動(dòng)化生產(chǎn)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的實(shí)現(xiàn)需要旋耕機(jī)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的推動(dòng)。目前一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始嘗試在現(xiàn)代化技術(shù)的加持下，將電子設(shè)備與傳感器安裝在旋耕機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)智能化與自動(dòng)化生產(chǎn)。將PLC控制系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠有效檢測(cè)到旋耕機(jī)的耕深，一旦旋耕機(jī)作業(yè)過(guò)程中的實(shí)際耕深沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)值，上位機(jī)會(huì)立刻發(fā)出相關(guān)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度與耕種深度的自動(dòng)化調(diào)節(jié)[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，旋耕機(jī)還存在生產(chǎn)效率較低、運(yùn)行功率較大、極易發(fā)生故障和破損、纏草頻率高、耕深較淺等主要問(wèn)題。雖然相關(guān)人員圍繞這些問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)展了研究，但是還未取得明顯的技術(shù)突破。研究工作者還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)旋耕機(jī)旋刀等重要構(gòu)件的研究，并加強(qiáng)電子設(shè)備與傳感器等智能化設(shè)備的應(yīng)用，提高自動(dòng)化程度，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展。