果園旋耕機的研究現狀與分析

王健 張秀花 張江紅

1、河北農業大學機電工程學院 2、河北農業大學園藝學院

引言

我國果樹種類約670種，到2019年我國果樹種植面積約為11875千公頃，總產量為世界第一[1]。近些年，我國政府十分重視“三農問題”，隨著國家大力度推廣現代化果園種植模式，林果業的發展前景非常廣闊。現代化果園果樹行距為3～3.5米，中小型機械可以進入果園進行作業，從而使果園機械化作業成為可能[2]。隨著現代農業的快速發展、國家對果農的大力扶持，許多果園陸續使用中耕機具進行旋耕作業[3]。傳統旋耕機由配套拖拉機提供動力，采用三點懸掛方式，旋耕機在拖拉機正后方：果樹樹冠離地距離小，且只需對樹冠周圍進行松土作業，拖拉機行走部分不需要進行旋耕作業，因此傳統旋耕機無法完成果園的松土作業。微型旋耕機作業質量低、勞動強度大、工作效率低。因此急需一款高效、勞動強度小、工作質量高的果園旋耕機。

1 國外研究現狀

19世紀中葉，英美等西方國家研制了一種功率為3～4kw的旋耕機械，由內燃機提供動力，后來L型旋耕刀被成功研制出來，為旋耕機進行大田作業提供了重要保障[4]。旋耕機自從19世紀中期至今已發展了170多年，現在美國、德國等西方國家的生產、研發比較先進。

泰國學者S.K等[5]通過對旋耕刀片進行等離子噴涂處理和HVOF超音速火焰噴涂處理，使旋耕刀片具有了較好的耐磨特性，除考慮旋耕機的消耗功率和作業質量外，國外研究人員也開始關注機具的耐用性能，其目的是延長機具的使用壽命。

日本農業機械化協會的研究人員重點研究了旋耕刀的排列方式，按照先前的旋耕刀片排列方式，旋耕機在作業過程中容易產生側向偏移力并且力矩較大，從而造成土壤側向移動；采用V字形或人字形新型排列方式，對平衡機具作業時產生的側向力十分有效，缺點是在相鄰刀片作業分界處易出現土埂或凹溝。從而得出:采用分段組合方式的刀片排列方式，可以避免兩者的弊端，作業后地表平整，初步解決了旋耕刀易纏草、刀軸兩端受力不平衡等難題，適用于作業幅寬較大的旋耕機[6]。

英國F·W·McConnel公司生產研制的Tillaerator型旋耕機[7]，其旋耕刀片形狀是平板狀，主要是用來對熟地分層分部。工作流程：首先平切鏟疏松15厘米左右的耕作層土壤，然后旋耕刀片對12厘米左右的表層土壤進行旋耕作業，最后鎮壓器可以壓碎因旋耕作業產生的大土塊，從而保證旋耕機的旋耕質量。

美國吉爾森公司生產的自走式微型旋耕機[8]，如圖1所示，功率為3.68kw，工作幅寬為30～65厘米，消費者根據自身需要進行調節，主要應用于溫室大棚、果園、菜園等作業面積較小的區域。傳動方式主要是蝸輪蝸桿和鏈傳動，可根據自身需求進行選擇；旋耕刀拆卸方便，可裝配霧化器、施肥機械等。

圖1 自走式微型旋耕機

2 國內研究現狀

20世紀中期我國才開始研究旋耕機技術，相對于發達的西方國家，起步較晚。前期主要研制作業效率低和勞動強度大的手扶式微耕機，后來隨著我國經濟實力不斷增強，逐步研制出適用于我國不同地區的中、大型旋耕機，目前我國旋耕機已有300多種，數量估計500余萬臺，生產整機及零部件的廠家有320余家[9]。

山東農業大學研制了一種溫室電動爪式松土機[10]，該農機具有碎土能力強、輸出功率大、綠色環保等優點。設計時應用現代仿真學，該機具作業時會模擬人工揮動鎬頭的動作，增強松土機的碎土能力。缺點是旋耕深度較淺僅為8厘米，一些蔬菜種植需要的旋耕深度較大，故無法滿足生長要求；機器刀具工作時起伏較大，由于溫室大棚環境的限制，易在大棚邊角地帶出現漏耕現象。

西南農業大學李慶東團隊[11]對履帶式旋耕機進行了大量研究，履帶式旋耕機適于水田和山地丘陵等地勢不平的區域，研究表明：單履帶式旋耕機底盤的動力性能較差，從而導致機動性能較差，工作時勞動強度較大。在此基礎上,該團隊改進了行走方式，并把先進的遙控技術與旋耕機相結合，使用遙控控制旋耕機進行工作，使得人機分離，降低了操作人員的勞動強度，還為未來智能化農機提供了新的研究方向。

南京農業大學丁為民等[12]對深耕機和正、反轉旋耕刀進行了大量的研究，得到了正、反旋耕刀在進行作業時只是切土的范圍不同的結論。深耕機作業時能耗較大，研究目的是在減小其能耗的前提下，加大旋耕深度和提高作業質量，以滿足薯類等根莖類植物的旋耕深度要求。深耕機首先考慮功耗問題，其次考慮的是與其他機具進行聯合復式作業，以達到降低勞作時間、提高工作效率和增強作業質量的目的。

山東瑞宸農業機械有限公司公司生產的1GQN型果園用偏置式旋耕機[13]，如圖2所示，采用三點懸掛方式與配套拖拉機相連接，耕深范圍為15～20厘米，作業幅寬1.2～2.0米，與傳統微耕機相比，優點是作業效率高、操作強度小，缺點是機具穩定性低。

圖2 1GQN型旋耕機

山東博興華興公司生產的TG4-K型管理機[14]，整機質量為106千克，裝配EM175型發動機。該農機與其他同類機具比，具有如下優點，可以與其他機具配套使用，耕深和作業幅寬可根據需要進行調節，應用范圍廣，在復雜的田地環境中也可以較好地完成旋耕作業。缺點是價錢比同類機具較昂貴。

3 國內外發展現狀優缺點

目前我國果園所使用的旋耕機多數是微型機，在完成一行果樹松土工作后，需要人工操作進行轉向，因此勞動強度大，費時費力。微型旋耕機驅動功率一般在7.5千瓦左右，作業速度相對于其他較大、中型旋耕機較慢。果園所在區域多為山地丘陵地貌，近些年來，許多國家研制了多種履帶式果園管理機，履帶式由于底盤重心、低附著系數大，具有爬坡能力強等特點；最大的缺點是行駛速度較慢[15]。同時這種果園管理機可以配套使用多種設備，不僅能完成旋耕作業，還能進行打藥、除草等工作。這種果園管理機價格比較昂貴，我國果園種植模式大多是一家一戶經營，果農種植果樹面積相對于國外農場主的種植面積較小，考慮到經濟效益，使用果園管理機不合算。近些年，偏置式果園旋耕機也逐漸應用于果園旋耕工作中，缺點是穩定性能較差。

4 果園旋耕機的發展趨勢

（1）向聯合作業旋耕機的方向發展。針對不同的作業要求，設計出相應的功能模塊，單一的旋耕作業不能很好地利用資源，同時還會增加拖拉機的進地次數。利用聯合作業的方式可以實現一機多用，如旋耕、除草、施肥等一體化，可極大地提高機器的利用率，節約成本。

（2）針對我國不同地區果樹品種，研究旋耕機工作參數與拖拉機工作參數的最佳組合方式，為果園旋耕機的設計提供理論基礎。

（3）研制高效穩定的偏置旋耕機。偏置式旋耕機雖然可以深入樹下作業，但是因為其結構和懸掛方式，機具工作時穩定性差，壽命低；在滿足果園旋耕作業的前提下，保證機體和各工作部件的穩定性，使機器作業效率和工作穩定性大大提高。

（4）向小型化發展。大型旋耕機械不宜進入果園作業，研制小型機械，不僅能夠提高機器的操作性能，使作業過程更加方便，而且能提高果園的空間利用率[16]。

（5）向著自動化、智能化的方向發展。近些年科技不斷發展創新，全球定位、遙控技術、液壓技術等先進技術也將應用在旋耕機中，使得旋耕機操作更簡便，作業質量更高[17]。