旋耕機節能技術研究現狀及展望*

2021-08-13 09:47:38張晉陳偉朱繼平袁棟夏敏丁艷

中國農機化學報 2021年7期

張晉，陳偉，朱繼平，袁棟，夏敏，丁艷

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

旋耕機相對于傳統耕作機械(鏵式犁、圓盤耙等)，作業質量好、對拖拉機牽引力需求小、功率發揮好、工作效率高、便于與其他機具結合組成復試作業機具、對土壤適應性好等優點，這也為旋耕機在我國的推廣奠定了良好的基礎[1]。受整機結構影響，旋耕機存在總功耗較大，耕深較淺等問題。

旋耕機按照工作部件的作業方式可以分為臥式旋耕機、立式旋耕機以及斜置式旋耕機[2]。受制造工藝、材料成本以及適用性等因素制約，我國立式旋耕機及斜置式旋耕機普及較慢，臥式旋耕機以其良好的耕作實用性及相對低廉的成本受到農戶的青睞。我國機械化農業生產中約60%的功耗用于耕作作業和苗床準備。

我國是農業大國但并不是農業強國，截至2019年底，糧食、油料作物機耕率基本保持在90%以上，但是我國農業機械整體功耗較大，同等耕作深度下單位功耗高出國外平均水平約30%，這不符合我國節能減排工作的要求，同時極大的阻礙了我國碳中和的實現進程。因此，對于旋耕節能技術的理論研究是十分迫切的。我國耕作深度淺，耕作深度低于15 cm，長期淺旋導致土壤耕層薄弱，有效耕作層肥力降低，因此，研發耕深20 cm以上的旋耕機對于保持土壤肥力、減少勞動強度，增加耕作效益有重要意義。如無特殊說明，本文提到的旋耕機均為臥式旋耕機。

1 旋耕機構造及其工作原理

常見的旋耕機主要由工作部件、傳動系統及輔助部件等構成。旋耕刀是主要工作部件，機器通過機架與拖拉機進行掛接，動力由萬向節傳到齒輪箱再傳至刀軸，從而實現旋耕作業。其主要構成如圖1所示。

作業時，旋耕機刀片在動力的驅動下一邊旋轉，一邊隨機組直線前進，做擺線運動。在旋轉中切入土壤，并將切下的土塊向后拋擲，與擋土板撞擊后進一步破碎并落向地表，然后被拖板拖平。工作原理如圖2所示。

(a) 正視圖

(b) 傾視圖圖1 臥式旋耕機構造Fig. 1 Horizontal rotary tiller structure1.犁體 2.旋耕刀 3.刀軸 4.懸掛架5.萬向軸 6.拖板 7.側板 8.齒輪箱

圖2 旋耕機工作原理Fig. 2 Working principle of rotary tiller

2 旋耕機節能技術發展現狀

在歐美等發達國家，農業機械化程度較高，旋耕機械發展也有較長的時間，對于節能技術研究的也領先于國內研究。我國對于此項技術的研究開始于20世紀八十年代，在旋耕機得到較大規模推廣，動力輸出較為充足的情況下，研究人員開始著手解決功耗大，旋耕深度不夠等問題。

1969年，Hendrick對旋耕機技術領域各個專家的研究進展進行了梳理與總結，為旋耕機節能技術的研究提供了重要理論參考[3]。1993年，Gupta與Visvanathan研究顯示，旋耕刀工作功耗占比，切土耗能占0.34%～0.59%，拋土占30.5%～72.4%。土壤與旋耕刀摩擦占0.96%～2.45%，土壤與土壤摩擦占0.62%～0.99%。無效功占23.1%～64.6%。數據顯示，刀片拋土和克服摩擦力做功是旋耕作業功耗的主要組成部分[4]。受試驗方法、條件，檢測手段等限制，Gupta等人做出的研究存在一定的局限性，基于此，2012年，章慧全等經過大量試驗驗證，綜合分析得出臥式旋耕機的切土和拋土功耗占總功耗的80%左右，主要功耗構成如表1所示[5]。這也為后來的研究者提供了重要的研究方向。基于對旋耕機功耗構成的研究結果，專家學者在正反轉耕作模式、旋耕刀片形式與參數、以及旋耕刀的排列方式等方面展開了相關研究。

表1 旋耕機功耗構成Tab. 1 Power consumption of rotary tiller

2.1 正反轉耕作模式的研究

對于臥式旋耕機，有正反轉兩種耕作模式，通過對這兩種不同耕作模式進行試驗分析，可以得到其與功耗之間的關系。國外專家在2002年，V. M. Salokhe 和 N. Ramalingam在曼谷的一個粘土土槽進行了試驗，分別用兩種不同的刀片(正轉采用C型刀片，反轉采用鏟式新型刀片)測試正反轉刀片的旋轉式耕作機的性能，刀片形式如圖3所示[6]。試驗分別在旱地和水田進行，旋耕機前進速度為1.0、1.5和2.0 km/h。結果表明，采用新型刀片的反轉旋耕機的動力輸出軸功率在上述作業條件下都比正轉旋耕機的功率小。兩種旋耕機的功耗均隨作業次數的增加而降低，而隨前進速度的增加而增加。在不同的前進速度下，功耗在第一次最高，在第三次最低。機具以1.0 km/h的前進速度第一次耕作后，動力輸出軸功率相差最大，反轉旋耕機的動力輸出軸功率比正轉旋耕機功率低34%左右。主要參數對比如表2所示[6]。由于本研究方法中并未控制單一變量，因此本研究僅能說明使用鏟式新型刀片的反轉功耗比采用C型刀片的功耗小，無法驗證同一種旋耕刀下正反轉功耗的大小。

(a) C型刀片(正轉)

(b) 鏟式新型刀片(反轉)圖3 C型刀片以及鏟式新型刀片Fig. 3 C-type blade and scoopl-type new blade

為解決國外研究工作的存在的問題，我國學者也對正反轉耕作模式展開了大量的研究。首先是針對變量唯一的研究，2001年，丁為民等又對反轉旋耕刀滑切角進行分析與計算，經過系統的分析和理論計算，得出其滑切角的計算方法與正轉旋耕刀的相同，可以使用統一的方法對反轉旋耕刀的滑切角特性進行研究分析，但反轉旋耕機的纏草壅土問題十分嚴重，功耗也明顯高于正轉，因此，其作業能力有待進一步研究[7-9]。2003年，丁為民為了研究和分析不同旋耕機的耕作性能，采用正反轉兩種旋耕機進行試驗。利用計算機斷層掃描(CT)技術對耕作后的土壤進行檢測。試驗結果表明，旋耕機后端裝有碎土擋草柵欄的正轉旋耕機在碎土覆土、田間平整等方面均優于反轉旋耕機[10]。鄂智等人對IT245旋耕刀的正反轉功耗進行了仿真分析，研究指出反轉功耗明顯高于正轉，因此，國內大多采用正轉旋耕機。正反轉耕作模式下功耗對比如表3[11]所示。

通過國內的研究顯示，旋耕機反轉耕作模式的功耗要大于正轉耕作模式，但是反轉耕作模式也擁有比正轉耕作模式更優良的碎土性能以及殘茬覆蓋能力。同時，我們還應注意到Salokhe等采用的鏟式新型刀片反轉功耗要低于采用C型刀片的正轉功耗，因此，不僅要對正反轉耕作模式進行研究，更要對旋耕刀片的結構形式與參數進行研究與分析。

表2 正反轉功耗對比Tab. 2 Comparison of power requirements forforward and reverse rotating blades

表3 正反轉耕作模式功耗對比Tab. 3 Comparison of power consumption in forward and reverse farming modes

2.2 旋耕刀片形式與參數研究

國內外學者對于旋耕刀的研究最為廣泛和深入，一方面是由于旋耕機功耗大部分是在切土、拋土中消耗的，另一方面旋耕刀的各項參數也決定了耕作性能。圖4是旋耕刀主要技術參數[13]。諸多學術研究都圍繞著正切刃、側切刃等參數進行優化與設計。

圖4 旋耕刀結構簡圖Fig. 4 Schematic diagram of the structure of the rotary tiller

1977年，Sohne在室內土槽中進行試驗，研究旋耕刀片各種幾何因素(刀片寬度、切削角度、曲率半徑)、前進速度、正反轉及轉速對作業效果的影響。此外，還將切削土閥的幾何形狀、每個刀盤刀片數、耕后土壤表面狀況、旋耕刀寬度和速度等參數引入到旋耕刀設計的評價體系中[12]。Tsuchiya和Honami對降低旋耕機功耗的進行了相關研究，主要對旋耕刀刃口厚度、特定刀片形狀的切削特性以及刀片在刀軸上的排列等進行了分析[13]。2009年，Jafar Habibi Asl與Surendra singh通過建立數學模型，對L型、C型和RC型(reduced chord-type缺口彎型刀)旋耕刀進行了功耗以及切土拋土性能研究，旋耕刀形式見圖5[14]。試驗結果顯示，RC型刀切土和拋土性能均高于另外兩種形式的刀片，并且功耗明顯低于其他刀片[14]。

(a) L型

(b) C型

2010年，Yasuo Shibata 和 Jun Sakai選取日本C形刀片為研究對象，從設計的角度對其扭矩特性進行了研究。其研究結果顯示，C形刀片的扭矩特性與其邊界條件有極高的相關性，邊界條件就是指被切割土垡上表面的曲面形狀，由相鄰旋耕刀片的相對位置決定[15]。在河南洛陽舉辦的高級機電一體化系統國際會議上，Shi-Tong Jia分析了旋耕機機的基本工作原理。基于Solidworks建立了旋耕刀的三維模型，使用COSMOS子函數對旋耕刀模型進行有限元分析，得到了工作應力、形變和應力等相關數據。結合試驗結果，他指出裝配孔附近的零件應力最大，旋耕刀刀尖附近變形最大。其研究成果對后續研究旋耕刀結構參數方面提供了重要參考[16]。為了優化刀片幾何形狀和參數，Matin等研究了四種轉速(125、250、375和500 r/min)下的三種刀片幾何形狀(常規刀、半寬刀-常規刀片正切刃一半、直刀)對扭矩、功率和功耗的影響，刀片形狀見圖6[17]。

(a) 常規刀

(b) 半寬刀

(d) 側視圖圖6 旋耕刀及側視圖Fig. 6 Rotary tiller and side view

一組旋耕刀的切削寬度為50 mm，耕作深度50 mm。試驗在土槽(砂壤土)中進行。通過分析高速視頻和相應的刀片運動軌跡發現，刀片扭矩峰值出現在入土最深的位置，且隨著速度的增加而增加。最終數據顯示，直刀片的設計要求扭矩最小，平均功率最小，峰值功率最小，比能最小，有效比能最小。與常規和半寬刀片相比，直刀片在500 r/min時節省了20%～25%的功率[18]。

丁為民等詳細介紹了旋轉刀的滑切角及其與滑切角方程。推導出旋轉刀正切刃滑切角的計算公式。該方程整合了滑切角的所有參數，通過對參數進行不同的變換，可以推導出與之相關的其他方程。根據制造過程，將旋轉刀的正切刃在縱向部分平面上彎曲變形圖，形成旋轉刀的側向部分。推導了彎曲后的斜邊方程，并對斜邊滑切角的計算進行了討論。計算結果表明，由于彎折部分的滑切角最小，導致旋轉刀極其容易纏草[7-8]。陳鈞等在滑切角的研究基礎之上，又對出土角和偏切角進行了理論分析，對日本兩種典型旋耕刀FT803、Y151和中國標準旋耕刀IT245的三個角度進行了詳細的分析和討論，見圖7[19]。并闡述了形狀特征對耕作性能和耕作能耗的影響。

高建民等在對斜置旋耕作業過程進行力學分析的基礎上，給出了斜置旋耕刀側切刃動態滑動切削角的定義，確定了動態滑動切削的條件，推導了斜置旋耕刀側切刃動態滑動切削角的計算公式。計算實例包括動態滑動切削角和靜態滑動切削角對旋轉耕作過程和斜置旋轉耕作過程的影響。推導了斜置旋耕刀側切刃動態滑動切削角與側切刃相結合的黎卡蒂微分方程。該方程在斜置旋耕刀計算機輔助設計中發揮了重要的作用[20]。2009年，賈洪雷等基于L型碎茬刀及寬型旋耕刀，設計了旋耕—碎茬通用刀片，試驗數據顯示，在相同條件下，通用刀片的功耗明顯低于旋耕刀及碎茬刀[21]。2010年，汲文峰運用仿生技術對旋耕—碎茬刀進行了設計，選取鼴鼠爪趾作為仿生模型，提取了爪趾的生物曲線，利用matlab對曲線進行了擬合，將其應用到旋耕刀片上，如圖8[22]所示。結果顯示，使用該曲線的旋耕刀片其入土性能和機具的作業質量明顯提高，功耗也顯著降低，受材料的限制，刀片的耐磨性有待進一步解決[22]。

2011年，斯瑞斯克·切克凱特等人對三種不同的旋耕刀(日式C型刀片、歐式C型刀片及歐式L型刀片)進行了轉矩和耕作性能對比試驗，試驗結果表明，刀片的形狀對轉矩和耕作性能的影響顯著，日式C型刀的耕作性能最為良好。為了降低旋耕機作業的阻力以及功耗，郝建軍等人研制出楔形減阻旋耕刀，有效解絕了阻力大功耗高等問題[23]。2013年，張靈芝等運用AutoLISP編程方法得到不同刀型的阿基米德螺旋線，通過有限元分析得出結論，旋耕刀與刀輥連接處刀具設計的關鍵節點，此處受到的應力較為集中，在設計制造過程中應盡量避免或者減小此現象的發生，同時發現，斜置旋耕刀的強度要高于標準刀。2015年，陶景青等對旋耕刀進行了摩擦磨損性能試驗，為旋耕刀的耐磨研究提供了重要的參考[24]。2015年，王榮等對大耕深旋耕刀進行了結構優化設計，基于仿真結果，重點對刀柄進行了機構參數優化，結果表明，在達到耕深20～22 cm時，旋耕刀在極限載荷下仍不會失效，為設計大耕深旋耕刀提供了參考。2015年，趙亞祥對旋耕機的結構及運動參數對作業性能的影響進行了研究，建立了旋耕機總功耗的數學模型，提出了很多建設性意見，他指出，旋耕機在田間試驗之前應該使用計算機軟件進行模擬，以確定主要技術參數，為樣機的改進和性能的提高提供必要的參考[25]。2016年，方會敏等使用離散元法對旋耕刀的作業過程進行了仿真分析，得出旋耕刀轉速對其除側向力之外的力最大值與轉速正相關，側向力隨轉速并無明顯的變化規律。同時，對旋耕機的拋土性能進行了分析，得出隨著土壤深度的增加，被拋土壤的運動位移隨之減小的結論[26-27]。1986年，Desa Ahmad通過進行土槽試驗研究旋耕刀寬度對旋耕機性能影響，將不同參數的幾組旋耕刀固定在法蘭盤上。試驗結果顯示，旋耕機功耗隨著刀軸轉速的提高而增加[28]。熊平原等研究發現，彎折角、刀具幅寬、耕深、相位角、作業速度等對能耗都有不同程度的影響，為降低作業能耗、減少刀具磨損以及增強作業機具的穩定性提供了有力的理論支撐[29-30]。

(a) 旋耕刀FT803

(b) 旋耕刀Y151

(a) 鼴鼠爪趾

(b) 仿生旋耕—碎茬通用刀片圖8 鼴鼠爪趾及仿生旋耕—碎茬通用刀片Fig. 8 Mole claws and bionic rotary tillage-stubbleuniversal blade

通過對比國內外學者關于旋耕刀形式與參數的研究發現，不同形式、參數的旋耕刀對功耗及耕作性能均能產生一定影響，對于不同的耕作模式相同的刀片參數也會產生不同的效應，這也為設計者提供了更多的設計思路。上述研究大多數基于1～2的回轉平面，在實際作業過程中，各旋耕刀依次入土，相互作用，因此研究旋耕刀在刀軸上的排列方式對于功耗分析也是重要的參考。

2.3 刀片排列方式的研究

旋耕刀的排列直接影響著作業功耗，旋耕刀的排列根據不同的耕作要求，排列方式也有所差異。1985年，馮培忠對旋耕機刀片的排列形式進行了分析，研究發現刀片排列方式對旋耕機的耕作性能以及功耗有較為明顯的影響作用。該研究系統闡述了國內外旋耕機刀片不同排列方式的特性。在此基礎上提出了最優數列排列方式，并詳細描述了最優數列排列的方式方法，為以后的研究工作奠定了基礎[31]。2019年，陳偉等研究發現，在功耗方面，刀輥排列方式影響比較明顯，在耕深穩定性、碎土率、植被覆蓋率方面，刀輥排列方式影響并不明顯。圖7為三種常見的旋耕刀排列方式展開圖。

(a) 人字排列

(b) 螺旋排列

研究發現，對比不同的排列方式，旋耕機的功耗如圖10所示，可知，采用螺旋排列方式功耗最大，最大值為35.02 kW，采用雙人字、人字和正人字排列方式的旋耕機功耗依次降低，功耗降低15%～21%。

圖10 不同排列方式對旋耕機功耗的影響Fig. 10 Effect of arrangement style on power consumption

為使旋耕機在作業時，避免漏耕和堵塞，刀軸受力均勻，刀片在刀軸上的排列配置，應滿足以下要求。

1) 置兩把以上的刀片，應保證切土量相等，以達到碎土質量好，耕后溝底平整。

2) 在刀軸回轉一周過程中，在同一相位角，必須是一把刀入土，以保證工作穩定性和刀軸負荷均勻。

3) 相繼入土的刀片，在刀軸上的軸向距離越大越好，以免發生堵塞。

4) 左彎和右彎刀片應盡量交錯排列，以使刀軸兩端軸承受力平衡。一般刀片按螺旋線規則排列。

3 我國旋耕節能技術存在的問題

盡管學者們已通過大量試驗和數值模擬等不同的方法來開展對旋耕節能技術的研究，但在現實應用中仍存在大量難題，從而導致產品與預期設計差別較大，出現無法滿足實際生產需求等情況。影響旋耕機功耗和作業質量的因素是多方面的，不僅包括土壤性質和作業要求等因素，還有旋耕刀的形狀及參數等。提高旋耕機作業質量、降低旋耕機功耗，已成為設計者、制造者和使用者共同注意的話題[32-33]。

3.1 缺少對大耕深節能技術的研究

通過大量的文獻檢索及實地調研，目前我國旋耕機的“大馬拉小車”的現象仍然存在，機具保有量和作業能耗逐年增加。旋耕機節能技術主要針對耕深15 cm 以下的機具開展研究，缺少對15 cm甚至20 cm以上的設計研究與理論分析。我國使用的旋耕機耕深普遍在12 cm左右，耕作深度淺，埋茬效果差，長期淺旋導致土壤耕層薄弱，有效耕作層肥力降低。同時，我國旋耕機機型較為單一，多與中小型拖拉機配套，這在一定程度上限制了大耕深旋耕機的研究。缺少大耕深研究導致缺少配套農藝適用的機具，進而影響作物產量。缺少節能技術的研究阻礙了國家節能減排工作的有序開展，減緩了我國2060年實現碳中和的發展目標。

3.2 缺少對新材料的研究

縱觀國內在旋耕領域的研究發現，對于新材料新工藝的研究尚少，基礎研究成果的產業轉化存在矛盾，時常是基礎研究成果無法緊跟市場需求，新材料研發投入大，難度高，研究周期漫長，這在很大程度上制約了節能技術的發展。目前研究者的成果大多集中于刀片形式，與之相配套的減阻耐磨材料鮮有研究。

3.3 缺少跨學科跨領域交叉研究

21世紀是各學科高度交叉融合的世紀，計算機科學已經被大規模運用到航空、醫療器械領域的仿真分析當中，在農機設計領域也涌現出大量的相關研究內容，這為研究土壤運動規律以及旋耕刀受力情況提供了高效的研究方法。近年來，仿生技術的興起為工業設計提供了新的發展方向，仿生科學已經應用到眾多領域，在研究中也取得了非常出色的成果，但是受到制造工藝落后以及制造加工成本過高等因素的制約，很難大范圍推廣。

4 結論與展望

對于旋耕節能技術的理論研究是十分緊迫的，要結合新的制造工藝，利用各個領域的先進理念，使用多學科交叉融合的方法。同時，也應該注重降低整機作業功耗，這也是將來研究的熱點。低能耗高效率以及深耕是未來旋耕機的發展方向，大力發展旋耕技術，對提高我國耕地質量、增加社會經濟效益、實現農業可持續發展戰略具有重要的現實意義。提升作業速度，保證作業效果，是旋耕機研究人員亟待解決的問題。進行旋耕技術的理論研究對提高作業質量、降低功耗具有重要意義，這方面的理論研究還有所欠缺，需要加大力度研究。

綜合國內外關于旋耕機節能技術的研究可以發現，旋耕刀的設計和優化是解決這一問題的關鍵。刀片的排列組合、刀軸和罩殼的設計也是重要環節。將新技術新領域的先進理念應用到旋耕機節能技術中，是解決節能問題的有力工具，降低制造成本是實現旋耕節能技術的必要保證。