微耕機旋耕刀適配東北設施農業的優化路徑與規模化驗證研究

摘要：本文聚焦東北設施農業機械化升級，在政策背景下展開研究。針對東北設施農業面臨生產場景特殊、技術痛點等問題，如空間約束、土壤保護需求、傳統刀具能耗高及導航系統精度低等。從結構仿生與模塊化設計、耐磨涂層材料體系創新、智能控制與路徑規劃系統三方面提出旋耕刀系統多維度優化策略。經規模化應用驗證，該優化提升了生產效能、產生生態效益。最后提出產業化推進路徑，經技術經濟性驗證其適配性與成本效益良好，并展望智能感知升級、能量回收技術、數字孿生運維等未來技術演進方向。

關鍵詞：設施農業；旋耕刀；仿生設計；耐磨涂層；智能導航

《中共中央、國務院關于進一步深化農村改革扎實推進鄉村全面振興的意見》中強調需持續增強糧食等重要農產品的供給保障能力，構建多元化食物供給體系[1]；具體政策層面包含兩個重點舉措：一是加強建設具備應急保障功能的蔬菜供應基地，二是推動實施以大中城市周邊區域為核心的現代設施農業升級改造工程。國內已初步形成了黃淮海及環渤海、長江流域、西北、東北和華南等5大設施蔬菜優勢產區[2]。截至2016年，東北地區設施農業面積已突破40萬hm2

（遼寧省292 016.13 hm2、吉林省20 065 hm2、黑龍江省25 141.27 hm2）[3]，其中日光溫室占比超過70%。然而，東北設施農業發展面臨諸多挑戰。特殊的農業生產環境，如狹窄的溫室作業空間（通道寬度≤80 cm），

使得大型農機具難以施展，而小型機具又面臨適配性問題；黏重的黑土物理特性（容重1.3～1.5 g/cm3）增加了耕作難度，對農機具的磨損也更為嚴重；嚴格的生態保護要求，需要更高效合理的耕作方式來確保效果。

當前設施農業旋耕作業已具備從機械化到智能化的發展基礎[4]，電動微耕機相關研究已取得一定進

展[5]。隨著人工智能、大數據、物聯網技術在農業中的發展，設施農業管理和作業方式正迎來巨大變革，設施農業正從機械化向信息化、智能化快速發展，特別是環境調控、灌溉施肥自動化、智能化發展已經逐漸成熟，應用較為廣泛[6]，但對于微耕機旋耕刀的研究仍有待提升，當前研究多聚焦于單一技術改進：如仿生刃口設計提升碎土效率、等離子涂層技術增強耐磨性，但缺乏針對設施農業場景的系統性解決方案。尤其在高密度種植模式下，農機農藝協同不足導致土地利用率不足80%、作業能耗增加40%。與此同時，《東北黑土地保護性耕作行動計劃（2020—2025年）》明確提出，需在2025年前實現設施農業關鍵環節機械化率突破45%[7]，這對旋耕刀技術的創新提出了迫切需求。

本文立足多學科交叉，從結構仿生優化、材料梯度強化、智能控制集成三個維度展開研究，突破傳統設計范式。通過構建“空間適配—土壤保護—能效提升”協同優化體系，旨在為東北設施農業機械化升級提供理論支撐與裝備保障，助力黑土地保護與農業高質量發展。

1 東北設施農業機械化瓶頸與需求分析

1.1 生產場景特殊性

東北地區日光溫室結構加快升級換代，保溫效果優良的節能型日光溫室，溫室結構及保溫性能進一步提高，溫室內外溫差達35℃以上[8]。其作業環境呈現三大特征：

空間約束：標準化溫室通道寬度≤80 cm（立柱間距1.8 m×3 m），要求農機具整機寬度≤70 cm，最小轉彎半徑≤1.2 m（GB/T 15370-2025）；這就如同在狹小的迷宮中作業，農機具必須小巧靈活，才能在有限的空間內高效運作，否則極易碰撞溫室立柱，造成設施損壞。

土壤保護需求：東北黑土地成土母質一般以黃土性黏土和亞黏土為主[9]。黑土黏重特性（容重1.35±0.1 g/cm3，

塑性指數18～22）需控制耕作深度變異系數≤15%；黑土是大自然賦予東北的寶貴財富，保護黑土的結構和肥力至關重要，因此對耕作深度和旋耕質量有著嚴格要求。

經濟性閾值：單棚（667 m2）作業成本需≤150元，

刀具壽命≥500 h（磨損速率≤0.3 mm/100 h）。農戶在追求農業生產效益的同時，必須控制成本，這對農機具的性價比提出了高要求。

1.2 技術痛點解析

當前旋耕機具及控制系統存在以下問題：

傳統直刃刀在黏重土壤中耕作阻力波動達35%（2.5～3.8 kN），導致能耗增加；就像在泥濘的道路上行走，阻力越大，消耗的能量就越多，不僅增加了生產成本，還降低了作業效率。65Mn鋼刀具在含石英砂（2%～3%）的黑土中磨損速率達0.95 mm/100 h，壽命不足200 h；頻繁更換刀具不僅增加了成本，還耽誤了農時，影響了農業生產的連續性。

微耕機導航系統利用北斗定位的方式來獲得實時位置數據，因為作業環境較為復雜，干擾性強，會導致系統定位信息精度方面有所欠缺[10]，路徑規劃誤差±20 cm，邊際作業效率僅18 m2/min，土地利用率不足80%。這使得寶貴的土地資源未能得到充分利用，降低了農業生產的經濟效益。

2 旋耕刀系統多維度優化策略

2.1 結構仿生與模塊化設計

雙曲率復合刃口技術：仿穿山甲鱗片結構設計主曲率R35 mm（碎土區）與副曲率R15 mm（根系切斷區）復合刃口，通過離散元法（DEM）仿真優化刃口應力分布。試驗表明，該設計使耕作阻力峰值降低21.3%（從2.8 kN降至2.2 kN），碎土均勻度提升至（88.7±3.2）%。穿山甲的鱗片結構在自然界中具有獨特的力學性能，模仿其結構設計的刃口，能夠更好地適應土壤的力學特性，提高耕作效果。

快換式模塊化刀組系統：開發開溝、碎土、起壟三功能刀庫，采用液壓插接機構（插拔力≤50 N）實現10 min內功能切換。試驗中，番茄定植壟溝成型合格率（高度15±1 cm）達96.4%，較傳統固定刀組提升28%。這種模塊化設計就像搭建積木一樣，農戶可以根據不同的作業需求，快速更換刀組，提高了農機具的通用性和作業效率。

2.2 耐磨涂層材料體系創新

梯度復合涂層技術：采用超音速火焰噴涂（HVOF）工藝制備Cr?O?-Al?O?梯度涂層（總厚度200 μm，

過渡層50 μm），通過組分梯度設計（Cr?O?占比30%～50%）實現顯微硬度HV1150±50與結合強度≥45 MPa（GB/T 8642-2002）。田間試驗顯示，涂層磨損速率降至0.22 mm/100 h，壽命提升4.2倍。這種涂層技術就像是給刀具穿上了一層堅固的鎧甲，有效抵御了土壤中各種顆粒的磨損。

激光表面微織構技術：在刃口后方加工菱形微凹坑陣列（邊長300 μm，深80 μm，密度

1 200個/cm2），利用空氣動力學效應形成潤滑層，降低黏附阻力34.7%（從1.5 kN降至0.98 kN），有效解決黑土黏附問題。微凹坑陣列就像一個個微小的“潤滑劑儲存庫”，在作業過程中形成的潤滑層，大大減少了刀具與土壤之間的摩擦力。

2.3 智能控制與路徑規劃系統

多傳感器融合控制：集成電容式土壤含水率傳感器（量程0～50%，精度±1.5%）、應變片式緊實度傳感器（量程0～200 kPa，精度±3 kPa），構建模糊PID控制模型。溫室實測顯示，系統可動態調節轉速（250～650 r/min），耕作深度穩定性系數達0.89±0.03。傳感器就像農機具的“眼睛”和“觸角”，能夠實時感知土壤的狀況，讓農機具根據實際情況智能調整作業參數。

北斗高精度導航系統：開發抗遮擋定位終端（搭載雙頻RTK模塊），水平定位精度≤5 cm，航向角偏差≤0.5°。結合數字高程模型（DEM）與溫室三維地圖，實現邊際路徑自動規劃，作業效率提升41.2%（從18 m2/min增至25.4 m2/min）。衛星導航可獲取米級至厘米級的高精度定位，逐漸成為精準農業應用的基本保障[11]，讓其在溫室中能夠精準作業，大大提高了作業效率和土地利用率。

3 規模化應用驗證與綜合效益評估

3.1 生產效能提升

單機作業能力：3.5 kW機組日均作業面積

0.53～0.67 hm2，能耗成本降低至0.82元/m2；優化后的農機具作業能力大幅提升，同時能耗成本降低，為農戶帶來了實實在在的經濟效益。

全生命周期成本：按500 h壽命計算，單位面積成本0.15元/m2，較人工（0.38元/m2）降低60.5%；長期來看，使用新型農機具的成本優勢更加明顯，有助于推動農業生產的規模化發展。

維護便捷性：模塊化刀組使故障維修時間縮短至30 min，備件更換成本降低45%。維修時間的縮短和成本的降低，減少了農機具的停機時間，提高了生產效率。

3.2 生態效益分析

土壤改良效果：秸稈還田后土壤有機質含量提升0.35±0.05 g/kg，團粒結構（gt;0.25 mm）占比增加14.2%；新型旋耕刀在作業過程中，能夠更好地將前期作物根系混入土壤，促進土壤改良，提高土壤肥力。

環境友好性：每667 m2減少柴油消耗1.2 L（CO?減排3.2 kg），殘膜回收率≥97%；這不僅減少了對環境的污染，還實現了資源的回收利用，符合可持續發展的理念。

噪音控制：優化刀組作業噪聲≤72 dB（A）。降低噪聲污染，為農戶和農作物創造了一個更加舒適的作業和生長環境。

4 產業化推進路徑

4.1 產業化推進策略

財政支持政策：對采購新型機具的合作社給予40%購置補貼（上限5萬元/臺），納入東北黑土地保護專項扶持范圍；財政補貼能夠有效降低農戶的購置成本，提高他們使用新型農機具的積極性。

技術培訓體系：建立“企業—高校—農戶”三級技術培訓體系。通過培訓，讓農戶更好地掌握新型農機具的使用和維護方法，提高農機具的使用效率。

4.2 市場推廣機制創新

區域性示范工程：設立核心示范區，開展“技術展示—操作培訓—效益對比”一體化推廣；通過示范工程，讓農戶直觀地看到新型農機具的優勢，增強購買信心。

售后服務網絡：建立“省級維修中心—縣級服務站—合作社維修點”三級服務體系，完善的售后服務網絡，提高農機具的使用滿意度。

4.3 跨領域協同創新

材料—農藝聯合攻關：與中國科學院金屬研究所等相關機構合作開發黑土專用耐磨材料數據庫，建立刀具壽命預測模型（誤差≤8%）；跨領域合作能夠整合各方資源，推動技術創新，提高農機具的性能和質量。

裝備—設施集成設計：聯合溫室建造企業制定“農機—建筑”協同標準，預留標準化農機接口（如間距、電力接口位置等）。這有助于實現農機與溫室設施的無縫對接，提高農業生產的整體效率。

5 結論與展望

5.1 技術經濟性驗證

生產適配性：整機寬度70～80 cm機組可覆蓋98%日光溫室作業場景，邊際土地利用率從78%提升至93%；新型農機具能夠很好地適應東北設施農業的作業環境，大大提高了土地利用率。

成本效益比：按10年生命周期計算，畝均機械投入成本較人工降低62.3%（從3.8萬元降至1.44萬元）；從長期來看，新型農機具具有顯著的成本優勢，能夠為農戶節省大量資金。

5.2 未來技術演進方向

智能感知升級：研發多光譜土壤傳感器陣列，實時監測有機質含量（精度±0.2 g/kg）、微生物活性等參數；進一步提高農機具對土壤狀況的感知能力，實現更加精準的農業生產。

能量回收技術：利用耕作振動能量發電（目標回收效率≥15%），延長電池機組續航時間；探索新型能源利用方式，提高農機具的能源利用效率，減少對傳統能源的依賴。

數字孿生運維：構建刀具全生命周期管理平臺，通過振動頻譜分析實現磨損預警（提前量≥50 h）。借助數字技術，實現對刀具的智能化管理，提前預防故障，降低維修成本。

參考文獻

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