中耕培土機械裝備研究進展

何激光，張　晟，鄧志強，張文軍，熊橙梁，張慶富，楊　柳，姚未遠，羅海峰，陳　熵

中耕培土機械裝備研究進展

何激光1，張晟2，鄧志強1，張文軍1，熊橙梁1，張慶富1，楊柳1，姚未遠1，羅海峰2，陳熵2

(1.湖南省煙草公司長沙市公司寧鄉市分公司，湖南 長沙 410600； 2.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128)

中耕培土是田間管理的關鍵環節，可以為作物生長提供良好的外圍環境。通過系統闡述國內外中耕機械裝備與關鍵部件的研究進展和應用現狀，針對目前我國中耕培土機械裝備的優缺點進行了深入分析和探討，從加強農機農藝融合、加快智能化培土機具研發等方面提出了具體改進建議。

中耕培土；機械；研究進展；發展建議；研究趨勢

中耕培土作為田間管理中一項重要的耕作技術，是我國傳統農業生產精耕細作的重要組成部分，也是農民增產增收的一個必要因素[1]。

中耕培土作為農業生產的關鍵環節，對于作物生長具有不可或缺的積極作用[2-4]。在中耕培土作業過程中，利用開溝培土裝置將溝底的土壤進行銑削加工，完成碎土、除草、開溝作業，并將打碎的土壤拋送至作物根部附近，實現培土功能。通過中耕培土后可以松碎土壤，還可以增強土壤通氣、透氣性，有利于保持地溫，提升作物的防風抗倒伏性，使土壤具有較好的蓄水保墑保肥性[5-7]，可以在一定程度上改善土壤的板結現象，還可以將作物生長在土壤淺層中的部分雜根切斷,促進根系向縱深方向的生長[8-11]。

中耕培土有人工、畜力與機械3種方式[12]。人工、畜力培土作業的質量極其不穩定，強度大，成本高，生產效率低，因此大力發展和推廣中耕培土機械裝備對促進農業生產發展有著積極作用。

1　國外中耕培土機械裝備研究現狀

中耕培土機械是指在作物生長過程中進行松散土層、去除雜草、培土等土壤作業的裝備[13]。歐美等發達國家在中耕培土機械方面的研究起步較早，多以大型機械為主，大多是采用液壓控制系統，自動化程度高，因此國外農業生產的中耕作業幅寬較大，適合大平原地區作業。

德國研發的VERBEEK高地隙農機（如圖1a所示）[14]，采用下掛培土器具的方式完成大田的開溝、除草、培土、深松等作業。其搭載的車載計算機不僅能控制液壓系統實現作業臂的運動，還能對整個作業區域進行實時監控并輸出相關的田間數據。該機自動化程度高，田間通過性好，復合型功能強，作業效率高。

美國吉爾森公司[15]研制的一款自走式旋耕機，在需要培土作業時，可換裝中耕鏟完成培土作業。該型機具也可實際作業需求裝配如鏵式犁、除草器、噴霧器等部件，一次性完成綜合作業。

丹麥康斯基德公司研發的VRC系列懸掛式中耕機[16]，配有四桿仿形及無壓實橡膠鎮壓輪，作業可靠性強。該系列機型在保證培土作業一致性的同時，還可確保壟堆形狀的穩定性，作業幅寬可達9.5m。

荷蘭STRUIK公司生產了兩款代表性的中耕機（如圖1b所示），分別是驅動型中耕培土機和動力型中耕培土機[17]。兩款機型均能調節作業幅寬來完成多項作業，可滿足不同作物的耕作農藝要求。驅動式中耕培土機是由拖拉機輸出動力，其培土部件為并聯獨立的單元，能在一定程度上減少對作物根部的損傷，并且在培土部件發生故障時便于處理。動力型中耕培土機的作業單元由單獨的液壓馬達驅動，拖拉機只負責懸掛牽引。亞洲具代表性的中耕培土機械有日本生產的SYR1101田間管理機、MK5管理機[18]、RK20型系列中耕機以及K652NH-D培土機(如圖1c所示)等，韓國生產的圣地亞3TG-4Q系列培土機(如圖1d所示)。這類中耕培土機械大都是利用田間管理機通用底盤上動力輸出軸等機械結構輸出動力，然后再根據需要裝配各種機具完成作業，適應性較強。

(a)(b) (c)(d)

2　國內中耕培土機械裝備研究現狀

我國幅員遼闊，南北方地理條件、氣候環境的差異巨大，南北方對農作物耕種的農藝要求也有所不同。我國的農機生產企業和科研機構在研發中耕培土機械時要因地制宜，在借鑒國外培土機械結構的基礎上，結合當地的實際地理、氣候環境，研發出適合我國農業生產需求的培土機械。目前，代表性機具有希森天成3ZMP-360中耕培土施肥機(如圖2a所示)、三山機械的ST609X田園管理機(如圖2b所示)、金禾3ZP-0.6型培土機、洪珠3MZ-4馬鈴薯中耕培土機等。

(a)(b)

在我國南方傳統水稻種植區域輪作煙葉時，因稻田土壤的含水率高且粘重，培土機械在作業時行駛裝置容易打滑或下陷，導致培土質量達不到煙葉種植的農藝要求。針對這問題，肖名濤等[19]提出了采用履帶底盤螺旋培土機的設計方案，履帶底盤螺旋培土機由行駛機構、變速器及螺旋刀盤培土器等組成。通過調整培土器的尺寸，改型培土機還能完成甘蔗、大蔥、香芋等壟行栽種且需要培土的農作物的中耕作業，適合在多種農作物生產中推廣應用。

劉志峰等[20]設計了一款適用于東北地區粘重、板結土壤條件下的中耕培土機，可一次性完成深松碎土、鏟除雜草、培土起壟的復合性作業。試驗證明，該機的碎土率、除草率、傷苗率、土壤蓬松度、培土高度、油耗等均符合國家標準。

培土裝置的結構設計是否合理直接影響著作業質量、作物產量[21]。常見的開溝培土裝置主要有犁鏵式、圓盤式、螺旋式、彈齒式、鏈式、旋轉刀片式。

(1)犁鏵式培土器(如圖3a所示)左右對稱的曲面雙犁壁具有分流作用，作業時可將土壤推向壟腹并向壟頂推擠拋送，由于對原土的翻動較少，對土壤的保肥能力高，作業時不易纏草[22]，但其碎土能力差，培土高度低，消耗功率大，一般只適合小微型田地培土。

(2)圓盤式培土器(如圖3b所示)有較好的入土和翻土能力，可破壞表土板結層，疏松下層土壤，切斷雜草，通過適當調節圓盤培土器的偏轉角和兩組圓盤間的距離,可實現其仿形功能。使用圓盤式培土器作業后的壟形飽滿穩定、土壤細碎疏松[23-25]。圓盤式培土器多用于播種施肥時的培土作業，其尺寸結構大小直接影響到作業后土壟的高度與寬度以及溝壑大小。

(3)螺旋式培土器(如圖3c所示)左右兩側具有螺旋旋向相反并相互錯開90°的葉片[26]，其作用是切除雜草，翻動土壤，將土壤向壟溝兩側推移輸送實現培土作業。該器具結構新穎，具備復合型功能，但在粘重土壤的田塊中作業，切削下的土壤在推送時會造成軸向阻塞，影響培土質量。

(4)彈齒式培土器(如圖3d所示)的觸土部分小，作業時如果碰撞硬物可彈起越過，對機具與作物具有一定保護作用，針對不同的壟寬培土可以通過拆卸或加裝彈齒滿足作業要求。彈齒式培土器具有拆裝方便、適應性強等優點，但由于其尺寸較小，為達到較好的作業效果，一般都會裝配較多彈齒或與其他部件組合，導致整機較重。

(5)鏈式培土器(如圖3e所示)一般為大型機具，有著與挖掘機相似的功能，主要用于土方施工、工程開溝、管路線路鋪設等[28,29]。鏈式培土器可以完成入土、碎土、取土作業，即便是在石塊或硬質土地上也能開挖形狀較為規則的溝槽。鏈式培土器具有對地表的破壞較小、可連續作業、工作效率高等優勢，但也存在培土部件較復雜，拆裝維修不便等缺點。多年來，在各科研機構和企事業單位的大力研發下，小型手扶式的鏈式中耕機也逐漸在農業生產中普及開來[30]。

(6)旋轉刀片式培土器(如圖3f所示)又稱為旋耕式培土器，其作業原理和旋耕機類似，多用于粘重板結、雜草較多的農田作業[31]，具有重量輕、易滅茬、不纏草、易滑切入土且拋土性好等優點[32,33]，在保證培土穩定性的同時還能降低作業成本，但土壤切削后易噴濺，落點位置難以控制，增加了損傷作物的概率。

3　中耕培土機械未來發展趨勢

3.1　中耕培土部件仿生設計

現代仿生學研究表明，許多生物經歷了漫長的進化演變，為適應環境變化，其組織結構、個別器官、體表特征都已和所處的生存環境極其契合[34]。根據仿生學的相關研究理論,張鵬等[35]基于培土節能減阻、降低功耗，用Creo軟件對馬鈴薯中耕培土裝置進行了仿生優化，將培土裝置用三維建模導入Creo軟件再擬合導曲線，添加必要的仿生凸包。通過仿真模擬測試可知，該款優化后的培土裝置不僅減少了觸土部件的土壤粘附，并且減少了450 N的作業阻力，減阻效果達37.5%，符合馬鈴薯中耕標準，適用于60～75cm 的壟距作業。

楊玉婉等[36,37]以鼴鼠前足的仿真分析為基礎，填補了刀片在切土過程中土壤失效和阻力形成研究成果較少的空白。對鼴鼠前足爪趾進行系統分析后，以骨骼結構為幾何特征設計了一種仿生旋耕刀片，在保證其基本旋耕效果的前提下，可大幅降低旋耕時的扭矩，減少功耗、提高土壤破碎率、降低溝底因被涂抹而造成排水和板結的風險。此研究對中耕機具的刀片在理論設計上具有很大的借鑒意義。

3.2　中耕培土機械化技術新能源研究

為響應國家輕簡化號召，以環境保護為宗旨，新能源的應用將是我國農機行業未來發展的趨勢。

毛鵬軍等[38]研制了一種適用于煙田、溫室等特殊環境作業的電動旋耕培土機，其安全性能、耕寬耕深、耗電量等均滿足國家標準。該機具以蓄電池為動力源，由直流電機驅動，作業效率可達0.121 hm2/h，耗電量約為30.71 kWh/hm2，折合電價18.43元/hm2。田間試驗表明，與同功率傳統汽油培土機械相比，該型電動旋耕培土機作業效率與經濟性優勢明顯。

彭安校等[39]研制了一款電動韭薹類中耕培土機，其整機的傳動比較大(18:1)，采用了行星齒輪串聯一組圓柱齒輪進行降速，通過電動推桿控制作業臂，作業角度和深度均可調節，具備結構簡單，可靠性高等優點。田間試驗表明，其作業時噪聲小，對作物環境污染少，田間通過性好，爬坡能力強，作業效果良好，能一機多用。

3.3　中耕培土技術聯合作業研究

聯合作業可以在一定程度上減少機具對田間土壤的破壞，并能節省時間與燃料成本。董學虎等[40]借鑒國內外甘蔗施肥機的結構參數，設計了一種配備在小型拖拉機上的3ZSP-2型多功能甘蔗施肥培土機。該機按照結構組合、功能聯合、性能綜合的技術思路進行設計，適用于甘蔗各生長周期的中耕培土。田間試驗表明,該機型碎土培土質量穩定,施肥位置較合理，聯合作業性較強，還能一次性完成除草、破壟、施肥、開溝等作業，工作效率約為畜力作業的3倍。

劉超等[41]于2019年研制了一款適用于煙葉種植的新型中耕培土復式作業機。該機型的培土質量、培土高度、埋苗率、作業效果等各項指標均優于傳統的鏵犁式培土機，可滿足煙葉種植培土作業的農藝要求。

4　問題與建議

4.1　問題

目前我國的中耕培土機械裝備普遍存在農機農藝融合度不緊密、田間作業適應性較差、作業部件纏草、觸土部件易磨損、功耗較大、通用性不高等問題，且在自動化、智能化方面還存在較大的提升空間。

4.2　建議

4.2.1提高機具的通用性

提高中耕培土機的通用性是實現我國中耕培土技術全面應用的關鍵。我國的農機生產企業眾多，機具產品種類繁雜，各企業的生產工藝、標準、規格都不同，大大增加了農民的使用和維修成本。農機管理部門應為農機生產企業制定相應的產品規范、標準，使不同企業的同類產品可以實現部分零部件通用，以提高機具的通用性，降低使用成本。

4.2.2加強農機農藝融合研究

由于我國幅員遼闊，不同地區的地質條件、氣候環境、農作物種植傳統都有著很大的差別，導致很難將中耕農藝要求在全國范圍內進行規范和統一。各地農機管理部門需要與農業科研單位聯動協調，緊密合作，加強農機與農藝的融合，制定出適合于大范圍農機作業的農藝標準，并完善相應的服務體系。

4.2.3加快智能培土機具研發

智慧農業是我國農業未來發展的目標，而智能化的農機設備是發展智慧農業的硬件基礎。農機管理職能部門應出臺適宜的規章、政策，引導農機生產企業將自動化、智能化技術應用在已經十分成熟的中耕培土機具上，推動中耕培土機械化技術的發展。

5　結語

中耕培土是田間管理的關鍵環節，可以為作物生長提供良好的外圍環境。現階段，我國的中耕培土機械的研究取得了豐碩的成果，農機從業人員應該將提高中耕機具的通用性、加強農機農藝融合、加快智能培土機具研發等工作落到實處，助力我國農業生產向現代化、智能化快速轉型。

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Research progress of the cultivation and banking machine and equipment

HE Jiguang1, ZHANG Sheng2, DENG Zhiqiang1, ZHANG Wenjun1, XIONG Chengliang1, ZHANG Qingfu1, YANG Liu1, YAO Weiyuan1, LUO Haifeng2, CHEN Shang2

(1.Ningxiang Branch Company of Hunan Changsha Tobacco Company, Changsha,Hunan 410600, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128, China)

Soil cultivation is the key link of field management, which can provide a good peripheral environment for crop growth. This paper systematically expounds the research progress and application status of the key components and the advantages and disadvantages of the cultivated soil machinery equipment, and puts forward some concrete improvement suggestions on strengthening the integration of agricultural machinery and technology, speeding up the research and development of intelligent soil equipment. Cultivation and banking is a critical part of agricultural management technology, which is capable of providing excellent and favorable conditions for crops growth. This paper systematically expounded the research progresses and application status of cultivation and banking’s machine and its key components at home and abroad and analyzed existing problems of this mechanization of technology. It stated the specific suggestions for cultivation and banking’s mechanization technology, including strengthening integration of agricultural machinery and agronomy, to accelerate the research and development of intelligent for cultivator.

cultivation and banking; machine; research progresses; development suggestions; research trends

S222

A

2096–8736(2022)05–0001–05

長沙市煙草公司專項—煙草專用中耕培土機關鍵部件與整機輕量化設計(2021430124200045)；湖南省教育廳一般項目(19C0915)。

何激光(1985—)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，農藝師，主要研究方向為作物栽培。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立