中耕培土機(jī)械裝備研究進(jìn)展

何激光，張　晟，鄧志強(qiáng)，張文軍，熊橙梁，張慶富，楊　柳，姚未遠(yuǎn)，羅海峰，陳　熵

中耕培土機(jī)械裝備研究進(jìn)展

何激光1，張晟2，鄧志強(qiáng)1，張文軍1，熊橙梁1，張慶富1，楊柳1，姚未遠(yuǎn)1，羅海峰2，陳熵2

(1.湖南省煙草公司長沙市公司寧鄉(xiāng)市分公司，湖南 長沙 410600； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

中耕培土是田間管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以為作物生長提供良好的外圍環(huán)境。通過系統(tǒng)闡述國內(nèi)外中耕機(jī)械裝備與關(guān)鍵部件的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，針對目前我國中耕培土機(jī)械裝備的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入分析和探討，從加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合、加快智能化培土機(jī)具研發(fā)等方面提出了具體改進(jìn)建議。

中耕培土；機(jī)械；研究進(jìn)展；發(fā)展建議；研究趨勢

中耕培土作為田間管理中一項(xiàng)重要的耕作技術(shù)，是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精耕細(xì)作的重要組成部分，也是農(nóng)民增產(chǎn)增收的一個(gè)必要因素[1]。

中耕培土作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于作物生長具有不可或缺的積極作用[2-4]。在中耕培土作業(yè)過程中，利用開溝培土裝置將溝底的土壤進(jìn)行銑削加工，完成碎土、除草、開溝作業(yè)，并將打碎的土壤拋送至作物根部附近，實(shí)現(xiàn)培土功能。通過中耕培土后可以松碎土壤，還可以增強(qiáng)土壤通氣、透氣性，有利于保持地溫，提升作物的防風(fēng)抗倒伏性，使土壤具有較好的蓄水保墑保肥性[5-7]，可以在一定程度上改善土壤的板結(jié)現(xiàn)象，還可以將作物生長在土壤淺層中的部分雜根切斷,促進(jìn)根系向縱深方向的生長[8-11]。

中耕培土有人工、畜力與機(jī)械3種方式[12]。人工、畜力培土作業(yè)的質(zhì)量極其不穩(wěn)定，強(qiáng)度大，成本高，生產(chǎn)效率低，因此大力發(fā)展和推廣中耕培土機(jī)械裝備對促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展有著積極作用。

1　國外中耕培土機(jī)械裝備研究現(xiàn)狀

中耕培土機(jī)械是指在作物生長過程中進(jìn)行松散土層、去除雜草、培土等土壤作業(yè)的裝備[13]。歐美等發(fā)達(dá)國家在中耕培土機(jī)械方面的研究起步較早，多以大型機(jī)械為主，大多是采用液壓控制系統(tǒng)，自動化程度高，因此國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的中耕作業(yè)幅寬較大，適合大平原地區(qū)作業(yè)。

德國研發(fā)的VERBEEK高地隙農(nóng)機(jī)（如圖1a所示）[14]，采用下掛培土器具的方式完成大田的開溝、除草、培土、深松等作業(yè)。其搭載的車載計(jì)算機(jī)不僅能控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)臂的運(yùn)動，還能對整個(gè)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并輸出相關(guān)的田間數(shù)據(jù)。該機(jī)自動化程度高，田間通過性好，復(fù)合型功能強(qiáng)，作業(yè)效率高。

美國吉爾森公司[15]研制的一款自走式旋耕機(jī)，在需要培土作業(yè)時(shí)，可換裝中耕鏟完成培土作業(yè)。該型機(jī)具也可實(shí)際作業(yè)需求裝配如鏵式犁、除草器、噴霧器等部件，一次性完成綜合作業(yè)。

丹麥康斯基德公司研發(fā)的VRC系列懸掛式中耕機(jī)[16]，配有四桿仿形及無壓實(shí)橡膠鎮(zhèn)壓輪，作業(yè)可靠性強(qiáng)。該系列機(jī)型在保證培土作業(yè)一致性的同時(shí)，還可確保壟堆形狀的穩(wěn)定性，作業(yè)幅寬可達(dá)9.5m。

荷蘭STRUIK公司生產(chǎn)了兩款代表性的中耕機(jī)（如圖1b所示），分別是驅(qū)動型中耕培土機(jī)和動力型中耕培土機(jī)[17]。兩款機(jī)型均能調(diào)節(jié)作業(yè)幅寬來完成多項(xiàng)作業(yè)，可滿足不同作物的耕作農(nóng)藝要求。驅(qū)動式中耕培土機(jī)是由拖拉機(jī)輸出動力，其培土部件為并聯(lián)獨(dú)立的單元，能在一定程度上減少對作物根部的損傷，并且在培土部件發(fā)生故障時(shí)便于處理。動力型中耕培土機(jī)的作業(yè)單元由單獨(dú)的液壓馬達(dá)驅(qū)動，拖拉機(jī)只負(fù)責(zé)懸掛牽引。亞洲具代表性的中耕培土機(jī)械有日本生產(chǎn)的SYR1101田間管理機(jī)、MK5管理機(jī)[18]、RK20型系列中耕機(jī)以及K652NH-D培土機(jī)(如圖1c所示)等，韓國生產(chǎn)的圣地亞3TG-4Q系列培土機(jī)(如圖1d所示)。這類中耕培土機(jī)械大都是利用田間管理機(jī)通用底盤上動力輸出軸等機(jī)械結(jié)構(gòu)輸出動力，然后再根據(jù)需要裝配各種機(jī)具完成作業(yè)，適應(yīng)性較強(qiáng)。

(a)(b) (c)(d)

2　國內(nèi)中耕培土機(jī)械裝備研究現(xiàn)狀

我國幅員遼闊，南北方地理?xiàng)l件、氣候環(huán)境的差異巨大，南北方對農(nóng)作物耕種的農(nóng)藝要求也有所不同。我國的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在研發(fā)中耕培土機(jī)械時(shí)要因地制宜，在借鑒國外培土機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地理、氣候環(huán)境，研發(fā)出適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的培土機(jī)械。目前，代表性機(jī)具有希森天成3ZMP-360中耕培土施肥機(jī)(如圖2a所示)、三山機(jī)械的ST609X田園管理機(jī)(如圖2b所示)、金禾3ZP-0.6型培土機(jī)、洪珠3MZ-4馬鈴薯中耕培土機(jī)等。

(a)(b)

在我國南方傳統(tǒng)水稻種植區(qū)域輪作煙葉時(shí)，因稻田土壤的含水率高且粘重，培土機(jī)械在作業(yè)時(shí)行駛裝置容易打滑或下陷，導(dǎo)致培土質(zhì)量達(dá)不到煙葉種植的農(nóng)藝要求。針對這問題，肖名濤等[19]提出了采用履帶底盤螺旋培土機(jī)的設(shè)計(jì)方案，履帶底盤螺旋培土機(jī)由行駛機(jī)構(gòu)、變速器及螺旋刀盤培土器等組成。通過調(diào)整培土器的尺寸，改型培土機(jī)還能完成甘蔗、大蔥、香芋等壟行栽種且需要培土的農(nóng)作物的中耕作業(yè)，適合在多種農(nóng)作物生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

劉志峰等[20]設(shè)計(jì)了一款適用于東北地區(qū)粘重、板結(jié)土壤條件下的中耕培土機(jī)，可一次性完成深松碎土、鏟除雜草、培土起壟的復(fù)合性作業(yè)。試驗(yàn)證明，該機(jī)的碎土率、除草率、傷苗率、土壤蓬松度、培土高度、油耗等均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

培土裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響著作業(yè)質(zhì)量、作物產(chǎn)量[21]。常見的開溝培土裝置主要有犁鏵式、圓盤式、螺旋式、彈齒式、鏈?zhǔn)?、旋轉(zhuǎn)刀片式。

(1)犁鏵式培土器(如圖3a所示)左右對稱的曲面雙犁壁具有分流作用，作業(yè)時(shí)可將土壤推向壟腹并向壟頂推擠拋送，由于對原土的翻動較少，對土壤的保肥能力高，作業(yè)時(shí)不易纏草[22]，但其碎土能力差，培土高度低，消耗功率大，一般只適合小微型田地培土。

(2)圓盤式培土器(如圖3b所示)有較好的入土和翻土能力，可破壞表土板結(jié)層，疏松下層土壤，切斷雜草，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)圓盤培土器的偏轉(zhuǎn)角和兩組圓盤間的距離,可實(shí)現(xiàn)其仿形功能。使用圓盤式培土器作業(yè)后的壟形飽滿穩(wěn)定、土壤細(xì)碎疏松[23-25]。圓盤式培土器多用于播種施肥時(shí)的培土作業(yè)，其尺寸結(jié)構(gòu)大小直接影響到作業(yè)后土壟的高度與寬度以及溝壑大小。

(3)螺旋式培土器(如圖3c所示)左右兩側(cè)具有螺旋旋向相反并相互錯(cuò)開90°的葉片[26]，其作用是切除雜草，翻動土壤，將土壤向壟溝兩側(cè)推移輸送實(shí)現(xiàn)培土作業(yè)。該器具結(jié)構(gòu)新穎，具備復(fù)合型功能，但在粘重土壤的田塊中作業(yè)，切削下的土壤在推送時(shí)會造成軸向阻塞，影響培土質(zhì)量。

(4)彈齒式培土器(如圖3d所示)的觸土部分小，作業(yè)時(shí)如果碰撞硬物可彈起越過，對機(jī)具與作物具有一定保護(hù)作用，針對不同的壟寬培土可以通過拆卸或加裝彈齒滿足作業(yè)要求。彈齒式培土器具有拆裝方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其尺寸較小，為達(dá)到較好的作業(yè)效果，一般都會裝配較多彈齒或與其他部件組合，導(dǎo)致整機(jī)較重。

(5)鏈?zhǔn)脚嗤疗?如圖3e所示)一般為大型機(jī)具，有著與挖掘機(jī)相似的功能，主要用于土方施工、工程開溝、管路線路鋪設(shè)等[28,29]。鏈?zhǔn)脚嗤疗骺梢酝瓿扇胪?、碎土、取土作業(yè)，即便是在石塊或硬質(zhì)土地上也能開挖形狀較為規(guī)則的溝槽。鏈?zhǔn)脚嗤疗骶哂袑Φ乇淼钠茐妮^小、可連續(xù)作業(yè)、工作效率高等優(yōu)勢，但也存在培土部件較復(fù)雜，拆裝維修不便等缺點(diǎn)。多年來，在各科研機(jī)構(gòu)和企事業(yè)單位的大力研發(fā)下，小型手扶式的鏈?zhǔn)街懈麢C(jī)也逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普及開來[30]。

(6)旋轉(zhuǎn)刀片式培土器(如圖3f所示)又稱為旋耕式培土器，其作業(yè)原理和旋耕機(jī)類似，多用于粘重板結(jié)、雜草較多的農(nóng)田作業(yè)[31]，具有重量輕、易滅茬、不纏草、易滑切入土且拋土性好等優(yōu)點(diǎn)[32,33]，在保證培土穩(wěn)定性的同時(shí)還能降低作業(yè)成本，但土壤切削后易噴濺，落點(diǎn)位置難以控制，增加了損傷作物的概率。

3　中耕培土機(jī)械未來發(fā)展趨勢

3.1　中耕培土部件仿生設(shè)計(jì)

現(xiàn)代仿生學(xué)研究表明，許多生物經(jīng)歷了漫長的進(jìn)化演變，為適應(yīng)環(huán)境變化，其組織結(jié)構(gòu)、個(gè)別器官、體表特征都已和所處的生存環(huán)境極其契合[34]。根據(jù)仿生學(xué)的相關(guān)研究理論,張鵬等[35]基于培土節(jié)能減阻、降低功耗，用Creo軟件對馬鈴薯中耕培土裝置進(jìn)行了仿生優(yōu)化，將培土裝置用三維建模導(dǎo)入Creo軟件再擬合導(dǎo)曲線，添加必要的仿生凸包。通過仿真模擬測試可知，該款優(yōu)化后的培土裝置不僅減少了觸土部件的土壤粘附，并且減少了450 N的作業(yè)阻力，減阻效果達(dá)37.5%，符合馬鈴薯中耕標(biāo)準(zhǔn)，適用于60～75cm 的壟距作業(yè)。

楊玉婉等[36,37]以鼴鼠前足的仿真分析為基礎(chǔ)，填補(bǔ)了刀片在切土過程中土壤失效和阻力形成研究成果較少的空白。對鼴鼠前足爪趾進(jìn)行系統(tǒng)分析后，以骨骼結(jié)構(gòu)為幾何特征設(shè)計(jì)了一種仿生旋耕刀片，在保證其基本旋耕效果的前提下，可大幅降低旋耕時(shí)的扭矩，減少功耗、提高土壤破碎率、降低溝底因被涂抹而造成排水和板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。此研究對中耕機(jī)具的刀片在理論設(shè)計(jì)上具有很大的借鑒意義。

3.2　中耕培土機(jī)械化技術(shù)新能源研究

為響應(yīng)國家輕簡化號召，以環(huán)境保護(hù)為宗旨，新能源的應(yīng)用將是我國農(nóng)機(jī)行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。

毛鵬軍等[38]研制了一種適用于煙田、溫室等特殊環(huán)境作業(yè)的電動旋耕培土機(jī)，其安全性能、耕寬耕深、耗電量等均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。該機(jī)具以蓄電池為動力源，由直流電機(jī)驅(qū)動，作業(yè)效率可達(dá)0.121 hm2/h，耗電量約為30.71 kWh/hm2，折合電價(jià)18.43元/hm2。田間試驗(yàn)表明，與同功率傳統(tǒng)汽油培土機(jī)械相比，該型電動旋耕培土機(jī)作業(yè)效率與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。

彭安校等[39]研制了一款電動韭薹類中耕培土機(jī)，其整機(jī)的傳動比較大(18:1)，采用了行星齒輪串聯(lián)一組圓柱齒輪進(jìn)行降速，通過電動推桿控制作業(yè)臂，作業(yè)角度和深度均可調(diào)節(jié)，具備結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。田間試驗(yàn)表明，其作業(yè)時(shí)噪聲小，對作物環(huán)境污染少，田間通過性好，爬坡能力強(qiáng)，作業(yè)效果良好，能一機(jī)多用。

3.3　中耕培土技術(shù)聯(lián)合作業(yè)研究

聯(lián)合作業(yè)可以在一定程度上減少機(jī)具對田間土壤的破壞，并能節(jié)省時(shí)間與燃料成本。董學(xué)虎等[40]借鑒國內(nèi)外甘蔗施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種配備在小型拖拉機(jī)上的3ZSP-2型多功能甘蔗施肥培土機(jī)。該機(jī)按照結(jié)構(gòu)組合、功能聯(lián)合、性能綜合的技術(shù)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于甘蔗各生長周期的中耕培土。田間試驗(yàn)表明,該機(jī)型碎土培土質(zhì)量穩(wěn)定,施肥位置較合理，聯(lián)合作業(yè)性較強(qiáng)，還能一次性完成除草、破壟、施肥、開溝等作業(yè)，工作效率約為畜力作業(yè)的3倍。

劉超等[41]于2019年研制了一款適用于煙葉種植的新型中耕培土復(fù)式作業(yè)機(jī)。該機(jī)型的培土質(zhì)量、培土高度、埋苗率、作業(yè)效果等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)的鏵犁式培土機(jī)，可滿足煙葉種植培土作業(yè)的農(nóng)藝要求。

4　問題與建議

4.1　問題

目前我國的中耕培土機(jī)械裝備普遍存在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度不緊密、田間作業(yè)適應(yīng)性較差、作業(yè)部件纏草、觸土部件易磨損、功耗較大、通用性不高等問題，且在自動化、智能化方面還存在較大的提升空間。

4.2　建議

4.2.1提高機(jī)具的通用性

提高中耕培土機(jī)的通用性是實(shí)現(xiàn)我國中耕培土技術(shù)全面應(yīng)用的關(guān)鍵。我國的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)眾多，機(jī)具產(chǎn)品種類繁雜，各企業(yè)的生產(chǎn)工藝、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格都不同，大大增加了農(nóng)民的使用和維修成本。農(nóng)機(jī)管理部門應(yīng)為農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)制定相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，使不同企業(yè)的同類產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)部分零部件通用，以提高機(jī)具的通用性，降低使用成本。

4.2.2加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合研究

由于我國幅員遼闊，不同地區(qū)的地質(zhì)條件、氣候環(huán)境、農(nóng)作物種植傳統(tǒng)都有著很大的差別，導(dǎo)致很難將中耕農(nóng)藝要求在全國范圍內(nèi)進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一。各地農(nóng)機(jī)管理部門需要與農(nóng)業(yè)科研單位聯(lián)動協(xié)調(diào)，緊密合作，加強(qiáng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的融合，制定出適合于大范圍農(nóng)機(jī)作業(yè)的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，并完善相應(yīng)的服務(wù)體系。

4.2.3加快智能培土機(jī)具研發(fā)

智慧農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的目標(biāo)，而智能化的農(nóng)機(jī)設(shè)備是發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的硬件基礎(chǔ)。農(nóng)機(jī)管理職能部門應(yīng)出臺適宜的規(guī)章、政策，引導(dǎo)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)將自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用在已經(jīng)十分成熟的中耕培土機(jī)具上，推動中耕培土機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展。

5　結(jié)語

中耕培土是田間管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以為作物生長提供良好的外圍環(huán)境。現(xiàn)階段，我國的中耕培土機(jī)械的研究取得了豐碩的成果，農(nóng)機(jī)從業(yè)人員應(yīng)該將提高中耕機(jī)具的通用性、加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合、加快智能培土機(jī)具研發(fā)等工作落到實(shí)處，助力我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向現(xiàn)代化、智能化快速轉(zhuǎn)型。

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Research progress of the cultivation and banking machine and equipment

HE Jiguang1, ZHANG Sheng2, DENG Zhiqiang1, ZHANG Wenjun1, XIONG Chengliang1, ZHANG Qingfu1, YANG Liu1, YAO Weiyuan1, LUO Haifeng2, CHEN Shang2

(1.Ningxiang Branch Company of Hunan Changsha Tobacco Company, Changsha,Hunan 410600, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128, China)

Soil cultivation is the key link of field management, which can provide a good peripheral environment for crop growth. This paper systematically expounds the research progress and application status of the key components and the advantages and disadvantages of the cultivated soil machinery equipment, and puts forward some concrete improvement suggestions on strengthening the integration of agricultural machinery and technology, speeding up the research and development of intelligent soil equipment. Cultivation and banking is a critical part of agricultural management technology, which is capable of providing excellent and favorable conditions for crops growth. This paper systematically expounded the research progresses and application status of cultivation and banking’s machine and its key components at home and abroad and analyzed existing problems of this mechanization of technology. It stated the specific suggestions for cultivation and banking’s mechanization technology, including strengthening integration of agricultural machinery and agronomy, to accelerate the research and development of intelligent for cultivator.

cultivation and banking; machine; research progresses; development suggestions; research trends

S222

A

2096–8736(2022)05–0001–05

長沙市煙草公司專項(xiàng)—煙草專用中耕培土機(jī)關(guān)鍵部件與整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)(2021430124200045)；湖南省教育廳一般項(xiàng)目(19C0915)。

何激光(1985—)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，農(nóng)藝師，主要研究方向?yàn)樽魑镌耘唷?/p>

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立