旋耕機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

顧 洋 ， 姜新波 ， 頓國強(qiáng)

（1.上海舟炬人力資源有限公司，上海 201716；2.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 旋耕機(jī)分類

旋耕機(jī)是一種需要和拖拉機(jī)配合使用完成耕、耙等工作的農(nóng)業(yè)設(shè)備，由于該設(shè)備具有良好的碎土能力，不但在完成土壤破碎的過程中能夠使得土壤保持相對平整的狀態(tài)，而且還能有效切碎殘留在土壤中的枯根，因而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)耕種中。現(xiàn)階段，我國已經(jīng)研發(fā)出來的能夠用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旋耕機(jī)，按照旋耕刀軸的配置方式被分為橫式旋耕機(jī)、立式旋耕機(jī)以及斜置式旋耕機(jī)三種。

1.1 橫式旋耕機(jī)

橫式旋耕機(jī)的主要構(gòu)件有刀軸、刀片、傳動系統(tǒng)、機(jī)架等[1]。在一般情況下，會采用三點(diǎn)懸掛方式完成橫式旋耕機(jī)和拖拉機(jī)之間的連接，并采用尾部傳動軸作為主要驅(qū)動力使旋耕機(jī)能夠正常運(yùn)行，而動力的傳輸方式則有中間傳動與側(cè)邊傳動兩種。前者的傳動結(jié)構(gòu)相較于后者更加穩(wěn)定，受力基本能夠保持在平衡狀態(tài)下，但是由于整機(jī)機(jī)構(gòu)對稱性較差，導(dǎo)致在刀軸中間安裝刀片受到了限制，使得旋耕機(jī)在巡行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)漏耕問題；后者雖然不存在漏耕問題，但是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，受力長期處于不平衡狀態(tài)下，旋耕機(jī)使用壽命較短。

橫式旋耕機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式有正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)兩種，在運(yùn)行過程中，刀輥和機(jī)具的方向一致為正轉(zhuǎn)，二者方向相反則為反轉(zhuǎn)。以正轉(zhuǎn)形式運(yùn)行的旋耕機(jī)，具有良好的土壤破碎效果；以反轉(zhuǎn)形式運(yùn)行的旋耕機(jī)雖然也具有良好土壤破碎效果，耗能較低，但是極易造成土壤積堆，當(dāng)這種情況出現(xiàn)后耗能將會瞬間增大。耕深較淺是橫式旋耕機(jī)的主要缺陷，耕種速度較快時，耕深會進(jìn)一步降低，而耕深較低會使得土壤的保墑能力有所下降，使得農(nóng)作物的根系無法充分發(fā)育。

1.2 立式旋耕機(jī)

立式旋耕機(jī)的主要構(gòu)件有箱體、傳動系統(tǒng)、變速箱、旋耕刀等，刀軸處于豎直向下狀態(tài)，因?yàn)楦钶^深，不存在橫式旋耕機(jī)由于耕深不足而導(dǎo)致農(nóng)作物根系無法充分發(fā)育的情況，對旋刀的強(qiáng)度和韌性要求較高。大多情況下，立式旋耕機(jī)和拖拉機(jī)的連接會通過三點(diǎn)懸掛方式完成，而驅(qū)動力則會通過拖拉機(jī)傳出經(jīng)由萬向節(jié)到達(dá)旋耕機(jī)的中央齒輪箱[2]。因?yàn)榱⑹叫麢C(jī)是以齒輪方式實(shí)現(xiàn)動力傳動，所以立式旋耕機(jī)中處于相鄰位置的兩個旋刀的旋轉(zhuǎn)方向是不一致的，這有助于前進(jìn)阻力的降低，能夠使得機(jī)具的運(yùn)行趨于平穩(wěn)。在立式旋耕機(jī)運(yùn)行的過程中，兩個處于相鄰位置的旋刀不但能夠在作業(yè)區(qū)域內(nèi)完成土壤切削工作，而且還能完成一部分處于相鄰旋刀作業(yè)區(qū)的土壤切削工作，有效避免了漏耕問題的出現(xiàn)，但是會導(dǎo)致土壤的破碎程度出現(xiàn)一定差異。因?yàn)橄噜徯锻寥狼邢鲄^(qū)域存在重疊，需要保證相鄰旋刀之間相差一個相位角才能避免二者在作業(yè)過程中互相干涉。

1.3 斜置式旋耕機(jī)

斜置式旋耕機(jī)的主要構(gòu)件有刀軸、刀片、傳動系統(tǒng)、機(jī)架等。斜置式旋耕機(jī)的刀輥處于水平斜置狀態(tài)，當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時，刀輥和機(jī)組前行方向會存在一個斜置角，因而滑切與撕裂破壞是進(jìn)行土壤破碎的主要方式，這樣使得斜置式旋耕機(jī)的耗能低于前面兩種旋耕機(jī)。但是，由于斜置式旋耕機(jī)的刀輥長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的橫式旋耕機(jī)，加之運(yùn)作過程中還存在斜置角，導(dǎo)致斜置式旋耕機(jī)的剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橫式旋耕機(jī)。

2 旋耕機(jī)研發(fā)過程及現(xiàn)狀

2.1 旋耕機(jī)的研發(fā)過程

我國針對旋耕機(jī)開展相關(guān)研究始于20世紀(jì)50年代，彼時的旋耕機(jī)在結(jié)構(gòu)上比較簡單，需要和手扶拖拉機(jī)共同使用才能發(fā)揮作用，應(yīng)用范圍較小，稍晚一些研發(fā)出的旋耕機(jī)能夠和四輪拖拉機(jī)共同使用，在當(dāng)時也未得到廣泛應(yīng)用。1980年以后，我國旋耕機(jī)制造技術(shù)獲得了一定突破，但是由于種種原因旋耕機(jī)依然沒有在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[3]。進(jìn)入21世紀(jì)，旋耕機(jī)開始向復(fù)式作業(yè)方向發(fā)展，旋耕機(jī)開始具備了整平、鎮(zhèn)壓等重要功能，并且隨著我國制造技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中得到了應(yīng)用。從現(xiàn)階段我國對旋耕機(jī)的應(yīng)用來看，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中橫式旋耕機(jī)的應(yīng)用范圍最廣，立式旋耕機(jī)次之，而斜置式旋耕機(jī)應(yīng)用范圍極小，尚處于試驗(yàn)與研發(fā)階段。

從整體上看，目前我國旋耕機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用還存在一些問題需解決。首先是旋耕機(jī)的耗能過大，這不符合我國綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展要求；其次，故障出現(xiàn)頻率較高，故障主要體現(xiàn)在刀軸會在旋耕機(jī)作用過程中發(fā)生不同程度的損壞，這不利于我國高效現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 旋耕機(jī)的研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 橫式旋耕機(jī)的現(xiàn)階段研究成果

近年來，我國圍繞橫式旋耕機(jī)在運(yùn)作過程中存在的纏草問題開展了大量研究，并取得了一定突破。一方面，一些學(xué)者針對旋耕機(jī)存在纏草問題的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，相關(guān)人員借助離散元法對旋耕機(jī)處于無秸稈覆蓋和有秸稈覆蓋的狀態(tài)的受力以及力矩的分布情況進(jìn)行了科學(xué)分析，并將通過仿真實(shí)驗(yàn)得到的理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出橫式旋耕機(jī)的受力大小與旋耕機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在正比關(guān)系，且在旋刀完全沒入土壤的情況下，在秸稈存在的情況下，在有無秸稈覆蓋的受力實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使刀片已完全進(jìn)入土壤，在有秸稈覆蓋的土壤中旋耕機(jī)的受力大小仍然超過了沒有秸稈存在的情況。

另一方面，部分學(xué)者針對如何減少橫式旋耕機(jī)纏草情況的發(fā)生展開了研究。相關(guān)人員通過將橫式旋耕機(jī)的作業(yè)方式改裝為雙軸刀輥旋耕作業(yè)，降低了纏草問題的發(fā)生頻率。在運(yùn)行過程中位于前軸的刀輥能夠?qū)⒉萸兴椋挥诤筝S的刀輥可以把切碎的雜草翻到土層里。

2.2.2 立式旋耕機(jī)的現(xiàn)階段研究成果

使用壽命短、運(yùn)行過程中穩(wěn)定性較差是立式旋耕機(jī)的主要缺陷，近年來，相關(guān)研究人員針對立式旋耕機(jī)的使用壽命延長以及作業(yè)平穩(wěn)性的提升開展了一定研究，并取得了一定成果。

首先是圍繞立式旋耕機(jī)使用壽命開展的研究，相關(guān)研究人員借助對旋刀的運(yùn)動學(xué)分析，認(rèn)為立式旋耕機(jī)的運(yùn)行速度只會對土壤的破碎效果產(chǎn)生影響而不會造成旋耕機(jī)耕深的變化。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員針對旋刀的不同安裝方式對其作業(yè)狀態(tài)下的影響進(jìn)行了仿真模擬。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用一正一反平衡安裝能夠使得其工作狀態(tài)更加平穩(wěn)，可以起到延長機(jī)械使用壽命的效果[4]。

其次是圍繞立式旋耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)下的平穩(wěn)性展開研究。相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)立式旋耕機(jī)刀片的排列和刀片的內(nèi)折彎角與旋耕機(jī)的平穩(wěn)性關(guān)系密切，因而通過反復(fù)調(diào)整排列方式與內(nèi)折彎角，提高了立式旋耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)下的平穩(wěn)性。如果內(nèi)折彎角較小，旋刀在進(jìn)行土壤切削時會因?yàn)槭艿絹碜缘镀c刀軸的阻力，導(dǎo)致旋耕機(jī)平穩(wěn)性降低；如果彎角過大，受到的土壤阻力將會增大，也會使得旋耕機(jī)無法平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2.3 斜置式旋耕機(jī)的現(xiàn)階段研究成果

自斜置旋耕的概念是在我國首次出現(xiàn)的，20世紀(jì)末期，我國蘇州大學(xué)與蘇州理工大學(xué)的一些學(xué)者針對斜置式旋耕機(jī)的相關(guān)理論與機(jī)械設(shè)計進(jìn)行了研究，并獲得了一些專利。但是近年來我國對斜置式旋耕機(jī)的研究并無明顯進(jìn)展，幾乎處于停滯狀態(tài)。

2000年左右我國一些學(xué)者研究出了一種斜置旋耕的試驗(yàn)裝置，并開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)針對旋耕機(jī)在5°、10°、15°、20°、25°等斜置角下的耕作狀態(tài)進(jìn)行了受力情況的分析，以及設(shè)備的工作功率受設(shè)備的前行速率、刀輥轉(zhuǎn)動速率等條件的影響的分析[5]。斜置式旋耕機(jī)的相關(guān)問題還有待進(jìn)一步研究，較低的工作功率符合我國綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，因此斜置式旋耕機(jī)具有良好的發(fā)展前景以及較高的研究價值。

3 旋耕機(jī)發(fā)展趨勢

3.1 節(jié)能化

綠色農(nóng)業(yè)一直是我國農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升，很多研究人員投向了對旋耕機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，旋耕機(jī)的節(jié)能性與旋刀存在較大聯(lián)系，優(yōu)化旋刀設(shè)計，調(diào)整刀片的排列方式能夠提升旋耕機(jī)的節(jié)能性能。但是，在旋刀與刀片的優(yōu)化研究過程中，也遭遇了一定阻力。一方面，我國對新材料的研究尚且不足，在旋耕材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出了新材料、新工藝研發(fā)不足等主要問題，使得研究者找到適合用于旋刀刀片制作的耐磨性材料具有一定難度，制約了節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。另一方面，我國現(xiàn)階段對耕深節(jié)能技術(shù)的研究尚且不足，我國針對耕深的研究尚且集中在15 cm以內(nèi)的耕深研究，而缺少對15 cm甚至20 cm以上的耕深研究，不但造成了水土流失、農(nóng)作物產(chǎn)量下降等一系列問題，而且還阻礙了對大耕深型旋耕機(jī)的研發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械的損壞率與更換率較高，不利于節(jié)能減排和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[6-7]。

3.2 聯(lián)合作業(yè)

應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旋耕機(jī)的機(jī)械更換頻率較高，機(jī)械在作業(yè)過程中損壞較為頻繁，為降低設(shè)備成本，現(xiàn)階段研究人員正在針對旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)改良以及以零部件更換代替整機(jī)替換進(jìn)行研究，旋耕機(jī)正在向滅茬、深松、碎土、起壟等一系列耕種操作的一體化方向發(fā)展。山東奧龍研發(fā)出的一款免耕施肥播種機(jī)目前已經(jīng)同時具備了耕地、播種、覆蓋、填壓等功能，該機(jī)械的研發(fā)成功使得一機(jī)多用、聯(lián)合作業(yè)的實(shí)現(xiàn)成為可能[8]。

3.3 高精細(xì)度

目前，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用范圍最為廣泛的橫式旋耕機(jī)存在耕深較淺、工作效率較低、運(yùn)行功率較大等問題，大規(guī)模應(yīng)用橫式旋耕機(jī)在一定程度上造成了土壤耕深變淺，土壤所具備的保墑能力有所下降，根系無法充分生長，不但會引發(fā)水土流失等生態(tài)問題，而且還會使得農(nóng)作物的產(chǎn)量減少。因此，增加橫式旋耕機(jī)的耕深、提高工作效率，提升運(yùn)行功率已經(jīng)成為旋耕機(jī)的一個發(fā)展方向，寬幅、高速、深耕的旋耕機(jī)能夠完成高精細(xì)度的農(nóng)業(yè)耕種，必將成為旋耕機(jī)的發(fā)展趨勢。

3.4 適用范圍廣

我國并非所有的耕地都位于方便機(jī)械耕種的平原地區(qū)，在我國山地、丘陵地區(qū)還存在大量耕地。無法在山地、丘陵地區(qū)進(jìn)行機(jī)械耕種已經(jīng)成為阻礙我國農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的一大阻力。由于山地、丘陵地區(qū)的耕地單塊面積小、分布不集中，且相較于平原地區(qū)的耕地耕作環(huán)境更為復(fù)雜，導(dǎo)致旋耕機(jī)尚且無法發(fā)揮作用。目前我國一些研究所正在針對能夠適應(yīng)山地環(huán)境的靈活性旋耕機(jī)進(jìn)行研發(fā)，1GZ-120旋耕機(jī)能夠適應(yīng)耕地面積較小的山地、丘陵區(qū)域，但該旋耕機(jī)尚未進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，相關(guān)人員還在針對該設(shè)備的生產(chǎn)與應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步完善[9]。使用范圍廣已然成為旋耕機(jī)眾多發(fā)展趨勢中的一個。

3.5 智能化與自動化

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，已經(jīng)有很多行業(yè)借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化與自動化生產(chǎn)。智能化與自動化生產(chǎn)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的實(shí)現(xiàn)需要旋耕機(jī)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的推動。目前一些學(xué)者已經(jīng)開始嘗試在現(xiàn)代化技術(shù)的加持下，將電子設(shè)備與傳感器安裝在旋耕機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)智能化與自動化生產(chǎn)。將PLC控制系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠有效檢測到旋耕機(jī)的耕深，一旦旋耕機(jī)作業(yè)過程中的實(shí)際耕深沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值，上位機(jī)會立刻發(fā)出相關(guān)信號，并實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度與耕種深度的自動化調(diào)節(jié)[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，旋耕機(jī)還存在生產(chǎn)效率較低、運(yùn)行功率較大、極易發(fā)生故障和破損、纏草頻率高、耕深較淺等主要問題。雖然相關(guān)人員圍繞這些問題已經(jīng)開展了研究，但是還未取得明顯的技術(shù)突破。研究工作者還需進(jìn)一步加強(qiáng)對旋耕機(jī)旋刀等重要構(gòu)件的研究，并加強(qiáng)電子設(shè)備與傳感器等智能化設(shè)備的應(yīng)用，提高自動化程度，推動我國農(nóng)業(yè)發(fā)展。