深松鏟的發展與研究現狀

盧祺　王安　李建昌　郝建軍

摘 要：作為一項重要的保護性耕作技術，農機深松整地對于改善耕地質量、提高作物產量意義重大。深松鏟作為深松機具的關鍵部件，其結構形狀對土壤耕作阻力影響很大。因此，了解和掌握不同類型深松關鍵部件的主要類型和特點，探討存在的主要問題，對我國深松技術的研究和推廣具有重要意義。

關鍵詞：保護性耕作；深松；深松鏟

中圖分類號：S222 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.08.004

0 引言

我國許多地區連年使用旋耕機進行淺翻、旋耕作業，致使在耕作層與心土層之間形成了一層堅硬、封閉的犁底層[1]，又稱“亞表土層”。對于耕作土壤來說，具有適益的犁底層對保持水分養分是很有益的。但當犁底層過厚（20cm）[2，3]、堅實，會對物質的傳遞和能量的轉移造成影響，作物根系下伸，通氣透水不暢。解決方式之一即深松作業。深松作業時，深松鏟使土壤撕裂、擠壓和擾動，從而打破犁底層，改善土壤的結構，增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力。目前，按深松的工作原理和結構，可分為全方位深松機具、立柱式深松機具、側彎式深松機具、振動深松機具和聯合整地機具。深松技術可以大幅增加作物產量。但是，深松過程中的耕作阻力過大問題一直未能得到很好解決。深松鏟作為深松機具的關鍵部件，對其研究具有重要意義。

1 全方位深松鏟

具有特殊的框架結構，使其對土壤的有限側壓作用被降到最低，松土性能好，土壤上虛下實、兩側松緊結合，加深耕層且不翻轉土壤，還會在底部形成鼠道，起到改善土壤，蓄水保墑的作用[4-6]。如圖1，其深松部件呈梯形框架式，兩把向外傾的側刀通過左右連接板與橫梁連接，底刀向下傾斜，并向前伸出一段距離[7，8]。該部件充分利用左右兩側的刀和水平刀面的切割作用，從土層中切離出V型截面的垡條，垡條在深松部件的作用下抬升后移，并最終從梯形框架中流出，而后下落鋪放在田間，在底部形成一條溝槽[5]。其鼠道的形成原理如圖2，因底刀以一定角度前傾，其切出的土壤斷面有凹溝，所切出來的垡條與截面形狀相似，垡條的下部凸起，由于重力和左右側刀擠壓作用，被擠壓成平底狀。當垡條落下時，便在土壤中形成鼠道[9]。全方位深松機的深松范圍大，并能保持地表原始植被和覆蓋物情況，可以降低風蝕、水蝕和跑墑[10]。但其工作所需動力大，而且在秸稈覆蓋地易產生堵塞現象。全方位深松機與立柱式深松機對比說明：（1）立柱式深松機具有良好的入土性能，但松土后地表普遍留有松土溝，容易造成土壤水分的丟失，會影響后續的播種質量。（2）全方位深松機具對土壤的壓實作用較小。（3）立柱式深松機具能形成虛實結合的土壤結構，能很好地調節全虛、全實耕層無法協調微生物質和能量消耗與積累的矛盾[11-13]。全方位深松機部件的底刀的結構和尺寸，直接影響鼠道的截面形狀和尺寸，故當底刀磨損后，嚴重影響鼠道的形成，因此應對底刀進行強化處理。

2 立柱式深松鏟

局部深松技術，即采用立柱式深松機對土壤進行間隔松土作業，松土區域與不松土區域間隔，土壤虛實共存，從而改善土壤的結構性能[4]。立柱式深松鏟主要由鏟尖和鏟柄構成：如圖3，鏟尖有鑿型、箭型和雙翼型3種類型[14]。鑿型鏟尖和鏟柄寬度近似，箭型和雙翼型鏟尖寬度比鏟柄寬度大，能有效地增加土壤擾動范圍， 減少阻力、增加耕深和提高深松質量[15，26]；如圖4，鏟柄有彎曲、傾斜和垂直三種類型。由于垂直型鏟柄耕作阻力偏大，故鏟柄普遍采用傾斜和彎曲兩種類型。立柱式深松鏟可分為普通深松鏟、翼鏟式深松鏟和仿生鏟三種類型。

普通型深松鏟。如圖3（a），普通鑿式深松機的工作幅寬比較小，適用于間隔深松，在稍深的土壤中，鏟柄和鏟尖會擠壓兩側的土壤，這樣會把土壤壓實，不利于土壤的疏松，同時作業后會在土層中留下向日的縫隙，造成水分蒸發，不利于土壤保墑[13，26]。

翼鏟式深松鏟。如圖4（a）、（b），翼鏟安裝在鏟柄兩側，擴大了松土范圍。深松作業過程中翼鏟向上抬起土壤，使雙翼鏟上方土壤表層全面疏松，在雙翼鏟下方形成暗溝[17] ，提高蓄水保墑能力。其懸掛位置和翼板形狀對松土深度和松土范圍有顯著的影響，李洪文[16]通過改變翼板的安裝位置，發現若翼鏟的安裝位置距地表以下10 cm左右，會大大改善土壤硬度均勻性。韓樹明[18]，通過實驗發現耕作阻力與耕深和前進速度有很大的關系。當耕深在230～280 mm之間前進速度在4～5 km/h時，牽引阻力變化不大。但當耕深在330 mm時候，耕作阻力急劇增加。故耕深應控制在一定范圍內，并且在動力滿足的情況下應帶翼鏟深松作業。

仿生鏟。在長時間的進化過程中，很多與土壤接觸的動物，它們的爪趾、形成了適合挖掘的特殊結構。近幾年來，很多研究學者應用仿生學原理，利用生物的結構和功能原理來研究深松鏟的結構。其仿生研究大致分兩步[19]：第一步是對有關生物系統的結構、功能、過程或行為特征及其機理進行研究，獲取面向仿生應用的生物信息；第二步是基于生物結構、功能、過程或行為機理解決科學技術問題，發展具有類似于生物系統功能的技術或裝置。目前，多功能的綜合仿生是觸土部件的研究發展趨勢[19]。如：仿生非光滑表面與仿生電滲相結合的仿生非光滑電滲、表面形態仿生（或構形仿生）與材料仿生相結合的仿生表面以及仿生減阻與仿生耐磨相結合的仿生技術。

3 振動深松鏟

在土壤作業的過程中，使深松機具產生一定的頻率振動疏松土壤達到減阻目的。其具體的工作原理是，由于彈性元件因土壤阻力變化或通過拖拉機輸出軸驅動激振系統，使深松鏟產生的振動傳遞給土壤，土壤經過反復多次的振動載荷之后，本身的破壞強度下降，進而降低耕作阻力。深松鏟在不振動時，切開、破碎和提升土壤的工序總是同時進行。土壤切割過程中的阻力是多個力的合力；但當深松鏟振動時，原本同時進行的切開、破碎和提升過程，被分為兩部分：先切開破碎土壤，然后向上提升。在鏟柄切開堅硬的土壤后，由于振動的原因，產生一個垂直向上的加速度，使土壤從深松鏟上浮起，這個力幾乎與運動方向垂直，所產生的牽引阻力極小[20]。王俊發[21]，通過實驗，發現振動深松機具與不振動深松機具相比，牽引阻力可降低30%，但振動深松機具不是總能減少功率，只有在合適的頻率和振幅下才能降低功耗。李霞[22]，通過實驗，發現振動耕作土壤的平均體積比不振動耕作土壤的平均體積質量質量減小，前者有利于作物根系的生長。深松鏟產生振動的方式分為自激振動和強迫振動兩種方式。

自激振動。土壤地表不平引起的耕深變化、土壤力學性質不均勻、土壤雜物等原因引起土壤阻力的變化，會使深松機架產生振動[23]。如圖5（a），為了實現耕具隨著土壤阻力的變化而產生自激振動，通常在機架和鏟柄之間安裝彈性元件。目前常用的彈性元件有壓縮彈簧、鋼板彈簧、液壓3種[26]。深松作業時，深松機架受土壤阻力的作用使彈性元件彈性振動深松鏟產生震動。這種震動對土壤的壓實作用少，耗能也很低。

受迫振動。如圖4（b），其原理是拖拉機輸出軸將動力傳送給震動激發機構，從而使鏟柄按照既定頻率和振幅震動。振動機構一般由偏心軸、偏心軸承、十字連接器、連接板和支撐傳動軸等部件等組成[24，25]。這種方式雖能減少工作阻力，但驅動激振系統要耗能，并對己破碎的土壤有周期性的沖擊壓實作用，故總能量消耗減少不大 [26]。

4 側彎式深松鏟

如圖6，側彎式深松鏟結合了全方位深松機和立柱式深松機的特點。側彎式深松鏟的結構由垂直部分和傾斜部分構成，鏟尖安裝在傾斜部分的下端。如圖7，在間距相同的情況下，側彎式深松鏟的碎土區域大（陰影部分），因為側彎鏟柄的傾斜部分，擴大了對土壤施加無側限擠壓作用范圍，在切割土壤的同時向上抬升土垡。故在相同鏟尖距下，相比于鑿式鏟有更大的松土幅寬，其特別的鏟尖還能在底部形成鼠道，增加雨水的入滲。但為了抵消機具左右側向力的作用，故應在同一機具上采用左右向彎腿犁的配置[27，28]。斜柱式深松鏟具有如下優點：（1）能有效保護地表植被和土壤中原有的有機結構[29]。（2）其拋物線曲面可以保證與土壤之間的良好切土角度，減少耕作阻力，研究學者表明彎曲式耕作部件比鑿式耕作部件所需的牽引力低7%～20%[30]。（3）若其結構不能圓滑過渡（圖7），易出現局部應力集中和過度磨損。（4）深松鏟柱一般有40°～50°的傾角或拋物線曲面形狀，所以入土位置可以躲開播種行，深入到作物根系底部，可以用于中耕作業[31]。（5）作業后在土壤中形成一個弧形斜向下的溝縫，可以減少不必要的水分蒸發。

5 結束語

伴隨著農業的發展，保護型耕作中的深松得到了越來越廣泛的關注，其高效節能的深松裝備成了深松技術的研究和發展的目標。現有的減阻方式有振動減阻、仿生減阻和改變結構參數減阻，大部分在實際中得到了廣泛應用。但中國土壤類型復雜，應該針對不同的土壤和地域類型研究因地制宜的深松裝備。現在，聯合整地裝備的研發成為耕整機械的重要研究方向。機具只需一次作業，可以完成多道耕種技術操作，提高了工作效率[33]，故應在聯合整地機械上多做研究。

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