深松鏟研究進展與分析

袁洪印 李曉波

(長春光華學院，吉林 長春 130033)

中國東北黑土區，是世界玉米主產區之一，有東北糧倉之稱。由于過去大量施用化肥、掠奪式經營等長期不合理的耕作模式，導致土壤有機質減少到危險邊緣，耕層變淺，犁底層硬。改變的思路是可持續發展。改變的方法就是近些年推廣的保護性耕作技術，包括免(少)耕播種、秸稈殘茬處理、雜草控制和機械深松4大主要保護性耕作技術。免(少)耕播種減少對土壤的擾動和破壞，減少了土壤壓實；增加地表殘茬和秸稈的還田，通過秸稈腐化增加土壤有機質含量；藥劑除草防蟲害；深松打破犁底層，增加土壤孔隙，保墑蓄水，達到保持水土資源和增加土壤有機質的效果。

1 機械深松與深松鏟

1.1 機械深松

使用深松機具，為了疏松土壤、打破犁底層、蓄水保墑和促進作物生長，所進行的耕作活動，稱為機械深松。

機械深松按作業性質分為局部深松和全面深松2種。全面深松完成整個作業面積深松，適合農田全面改造；局部深松完成條帶形深松，適合只深松作物需要的有效部位，節能高效，應用廣泛。

由于保護性耕作要求作業機具盡量減少進地次數，如果不是單獨作業需要，深松機具常與其它作業機具組合成一套聯合作業機來一次完成多項作業。

1.2 深松鏟

國家機械工業局2000年1月1日實施了《深松鏟和深松鏟柄》機械行業標準[1]。該標準規定，深松鏟尖分鑿形、箭形和雙翼形3種，如圖1～3所示；深松鏟柄分輕型和中型2種。

圖1 鑿形鏟

圖2 箭形鏟

圖3 雙翼形鏟

在進行科學研究中，一般不分深松鏟柄和深松鏟，統稱深松鏟，而且對鏟柄形狀研究更多一些。深松技術不同，深松鏟的形狀也有很多變化。

實際農業生產中，還有曲面深松鏟和V型深松鏟。V型深松鏟應用在全面深松改造土壤狀態作業；曲面深松鏟深松效果好，但耗能更多。

2 國內深松鏟的研究進展

隨著深松技術的研究深入，機理研究的熱潮已經回落，先進研究手段和方法的引入，使得對深松鏟的研究多呈現技術集成的運用，研究的重點是減阻降耗。影響深松阻力的因素不同，呈現的研究方法也有不同。本文主要探討深松鏟結構形狀、表面狀態和綜合3方面減阻研究。

2.1 深松鏟結構形狀減阻研究

深松鏟結構形狀減阻研究主要是深松鏟柄結構形狀的減阻問題，鏟尖的減阻研究較少。鏟尖形狀影響打破犁底層和底層松土效果。已有的3種標準鏟尖基本保證了松土對其要求的功能。標準鏟柄刃口結構形狀要保證有足夠通過能力要求的強度和韌性的情況下，盡量減少通過阻力。所以，對標準鏟柄結構形狀的改進研究出現了很多研究方法和內容。

2.1.1 仿生結構形狀減阻研究

張金波[2]研究家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能源于其指數函數曲線形狀，將此形狀曲線用于減阻深松鏟柄破土刃口結構，改進了現有深松鏟柄，見圖4。研制出的仿生減阻深松鏟與傳統深松鏟相比，耕作阻力降低了8.5%～39.5%，減阻效果明顯。

圖4 指數曲線型深松鏟結構簡圖

2.1.2 滑切結構形狀減阻研究

楊超[3]將深松分前后鏟分層進行，深松鏟柄形狀按滑切理論設計。依據土壤、玉米秸稈和根茬的空間分布差異性，將前鏟鏟柄分為4段曲線進行設計。運用滑切減阻理論，得到不同深度范圍土壤、玉米秸稈與根茬的滑動摩擦角，從而獲得了4段鏟柄滑切角，建立了四段鏟柄曲線方程，見圖5。前后鏟分工不同，按同樣方法設計后鏟柄形狀。

圖5 交互分層深松鏟

2.1.3 擬合曲線結構形狀減阻研究

趙淑紅[4]運用離散元(EDEM)軟件仿真分析鏟尖對土壤的作用為依據，獲得鏟尖上方土壤顆粒運動軌跡的擬合曲線和擬合方程，采用線元設計法對線形進行優化，獲得鏟柄外形曲線，得到了阻力小和擾動小的深松鏟柄形狀。

2.1.4 曲線優化結構形狀減阻研究

陳坤[5]設計了一種新型圓弧型深松鏟。從圓弧曲線中得到靈感，圓弧上部滑切和壓土性能，下部起土性能。對不同半徑的圓弧曲線鏟柄進行優化，并進行了田間試驗，結果表明該深松鏟能有效改善松土效果、減少耕作阻力。

2.2 深松鏟表面狀態減阻研究

深松鏟表面狀態減阻研究主要考慮深松鏟表面形狀、表面與土壤接觸狀態等影響阻力的因素的改進問題。

2.2.1 仿生表面狀態減阻研究

邱兆美[6]分析蚯蚓的波紋體表和在土壤中穿行的狀態，設計了深松鏟波紋形觸土表面，改變土塊和觸土曲面之間的滑動摩擦狀態，從而減少實際接觸時間、接觸面積和阻力，以提高土壤的蓬松度、透氣性和透水性，改善深松作業質量。

2.2.2 氣動表面狀態減阻研究

屈通等[7]探究了曲形鋼管布置在深松鏟柄刃口的氣動深松鏟，結果表明，進氣口壓強與出氣孔數量呈近似線性正相關。構建了深松鏟的氣動力學模型，并采用離散元法對氣動深松鏟的受力進行仿真試驗。

劉明財等[8]探究了氣壓噴槍布置在鏟尖上的劈裂式深松鏟，推導出在氣壓劈裂下的牽引阻力計算公式，對深松鏟整體結構進行靜力學分析與動力學分析，得出了氣動減阻的結論。

2.2.3 液體潤滑表面狀態減阻研究

辛振波[9]提出對曲面深松鏟進行液體潤滑的深松減阻方法。確定曲面深松鏟潤滑面，并選擇具有潤滑減阻和改良土壤作用的潤滑液，應用離散元方法進行仿真分析，通過試驗驗證表明，作業速度與潤滑介質流量對耕作阻力均有顯著影響。曲面深松鏟見圖6，與土壤的接觸面積大、深松效果明顯，但耗能也比較大，所以液體潤滑也是較好的減阻方法。

圖6 曲面深松鏟

2.3 深松鏟綜合減阻研究

深松鏟綜合減阻研究主要是基本理論減阻研究和技術集成減阻研究。

2.3.1 深松鏟基本理論研究

周桂霞等[10]對鑿尖加小雙翼形深松鏟的關鍵參數翼張角α、刃角δ、翼傾角β進行多因素多水平二次正交旋轉回歸試驗，以牽引阻力為觀測指標，分析α、δ、β與觀測指標之間的關系，得出兩者之間的數學模型；得出牽引阻力較小的α、δ、β范圍；刃角對牽引阻力影響最大，翼張角和翼傾角的影響規律基本相同；最優的α、δ、β參數組合。

周健等[11]為研究不同觸土曲面深松鏟的減阻效果及不同工作參數對深松鏟耕作阻力的影響，設計了5種典型準線的深松鏟結構，并通過ANSYS/LS-DYNA軟件對深松鏟切削土壤過程進行了仿真，對比分析了不同結構深松鏟切削土壤時所受到的阻力，選擇出減阻性能最好的深松鏟結構，以優選的深松鏟作為研究對象,對入土角、工作速度及工作深度等因素進行單因素試驗，研究上述因素對耕作阻力的影響。試驗結果表明，仿生變曲率深松鏟的減阻性能最好；其耕作阻力最小(601N)；入土角為24°時，深松鏟耕作阻力最小；耕作阻力隨工作速度和工作深度的增加而增大。

果霖等[12]應用有限元和光滑粒子流體動力學建立了深松鏟破壞土壤的仿真分析模型。分析結果表明，在深松過程中，土壤受到的應力較大，并短時間內變小；能量守恒，外界牽引力提供的能量主要轉化為土壤粒子的內能；深松過后，土壤粒子密度大大降低，土壤變得松軟。

陳偉等[13]分析了鑿型、鑿型帶翼、曲面和箭型深松鏟對深松作業的土壤堅實度、膨松度和牽引阻力的影響。得出曲面鏟阻力大、單面松土效果好，其它次之。

2.3.2 深松鏟技術集成研究

楊超[3]設計了交互式分層深松鏟。依據土壤、玉米秸稈和根茬的空間分布差異性，通過滑切理論得到不同深度的滑動摩擦角，從而設計前鏟鏟柄4段曲線。依據前鏟仿真過程中土壤顆粒回流規律及土壤和根茬的空間分布差異性，利用線元法和Matlab設計后鏟鏟柄3段曲線。前后鏟組合分層深松，產品見圖5。

周華等[14]設計了滑切自激振動減阻深松裝置。運用滑切原理，設計深松鏟柄結構形狀，并組合自激振動裝置。自激振動連接方式滑切型深松鏟在各速度下相對于傳統弧形深松鏟減阻15.45%～20.05%。

羅斌等[15]設計了預破土組合振動深松鏟。單獨設計圓弧預破土器與深松鏟柄組合，以降低深松鏟強度要求，降低土壤阻力，并與振動裝置組合成新型深松鏟。優化了破土器的位置，確定了振動參數，取得了減阻的效果。

3 分析與建議

近年來，深松鏟的研究不斷深入和全面。對深松鏟的結構形狀、表面狀態和綜合減阻研究都很多。有限元法、離散元法、Matlab、滑切理論、流體力學、振動減阻等一系列方法或軟件都應用到了研究中，并能綜合運用。在眾多的研究中，減阻研究占相當重要的比例。

在深度和廣度研究不斷推進時，保護性耕作下的深松鏟和深松裝備，尤其適合東北黑土區，應該加大力度研究和推廣。保證減阻效果的前提下，全面達到耕作模式要求的深松質量的深松鏟，應該得到廣大研究者的重視。