深松鏟的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

盧祺　王安　李建昌　郝建軍

摘 要：作為一項重要的保護(hù)性耕作技術(shù)，農(nóng)機(jī)深松整地對于改善耕地質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量意義重大。深松鏟作為深松機(jī)具的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形狀對土壤耕作阻力影響很大。因此，了解和掌握不同類型深松關(guān)鍵部件的主要類型和特點(diǎn)，探討存在的主要問題，對我國深松技術(shù)的研究和推廣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：保護(hù)性耕作；深松；深松鏟

中圖分類號：S222 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.08.004

0 引言

我國許多地區(qū)連年使用旋耕機(jī)進(jìn)行淺翻、旋耕作業(yè)，致使在耕作層與心土層之間形成了一層堅硬、封閉的犁底層[1]，又稱“亞表土層”。對于耕作土壤來說，具有適益的犁底層對保持水分養(yǎng)分是很有益的。但當(dāng)犁底層過厚（20cm）[2，3]、堅實(shí)，會對物質(zhì)的傳遞和能量的轉(zhuǎn)移造成影響，作物根系下伸，通氣透水不暢。解決方式之一即深松作業(yè)。深松作業(yè)時，深松鏟使土壤撕裂、擠壓和擾動，從而打破犁底層，改善土壤的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力。目前，按深松的工作原理和結(jié)構(gòu)，可分為全方位深松機(jī)具、立柱式深松機(jī)具、側(cè)彎式深松機(jī)具、振動深松機(jī)具和聯(lián)合整地機(jī)具。深松技術(shù)可以大幅增加作物產(chǎn)量。但是，深松過程中的耕作阻力過大問題一直未能得到很好解決。深松鏟作為深松機(jī)具的關(guān)鍵部件，對其研究具有重要意義。

1 全方位深松鏟

具有特殊的框架結(jié)構(gòu)，使其對土壤的有限側(cè)壓作用被降到最低，松土性能好，土壤上虛下實(shí)、兩側(cè)松緊結(jié)合，加深耕層且不翻轉(zhuǎn)土壤，還會在底部形成鼠道，起到改善土壤，蓄水保墑的作用[4-6]。如圖1，其深松部件呈梯形框架式，兩把向外傾的側(cè)刀通過左右連接板與橫梁連接，底刀向下傾斜，并向前伸出一段距離[7，8]。該部件充分利用左右兩側(cè)的刀和水平刀面的切割作用，從土層中切離出V型截面的垡條，垡條在深松部件的作用下抬升后移，并最終從梯形框架中流出，而后下落鋪放在田間，在底部形成一條溝槽[5]。其鼠道的形成原理如圖2，因底刀以一定角度前傾，其切出的土壤斷面有凹溝，所切出來的垡條與截面形狀相似，垡條的下部凸起，由于重力和左右側(cè)刀擠壓作用，被擠壓成平底狀。當(dāng)垡條落下時，便在土壤中形成鼠道[9]。全方位深松機(jī)的深松范圍大，并能保持地表原始植被和覆蓋物情況，可以降低風(fēng)蝕、水蝕和跑墑[10]。但其工作所需動力大，而且在秸稈覆蓋地易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。全方位深松機(jī)與立柱式深松機(jī)對比說明：（1）立柱式深松機(jī)具有良好的入土性能，但松土后地表普遍留有松土溝，容易造成土壤水分的丟失，會影響后續(xù)的播種質(zhì)量。（2）全方位深松機(jī)具對土壤的壓實(shí)作用較小。（3）立柱式深松機(jī)具能形成虛實(shí)結(jié)合的土壤結(jié)構(gòu)，能很好地調(diào)節(jié)全虛、全實(shí)耕層無法協(xié)調(diào)微生物質(zhì)和能量消耗與積累的矛盾[11-13]。全方位深松機(jī)部件的底刀的結(jié)構(gòu)和尺寸，直接影響鼠道的截面形狀和尺寸，故當(dāng)?shù)椎赌p后，嚴(yán)重影響鼠道的形成，因此應(yīng)對底刀進(jìn)行強(qiáng)化處理。

2 立柱式深松鏟

局部深松技術(shù)，即采用立柱式深松機(jī)對土壤進(jìn)行間隔松土作業(yè)，松土區(qū)域與不松土區(qū)域間隔，土壤虛實(shí)共存，從而改善土壤的結(jié)構(gòu)性能[4]。立柱式深松鏟主要由鏟尖和鏟柄構(gòu)成：如圖3，鏟尖有鑿型、箭型和雙翼型3種類型[14]。鑿型鏟尖和鏟柄寬度近似，箭型和雙翼型鏟尖寬度比鏟柄寬度大，能有效地增加土壤擾動范圍， 減少阻力、增加耕深和提高深松質(zhì)量[15，26]；如圖4，鏟柄有彎曲、傾斜和垂直三種類型。由于垂直型鏟柄耕作阻力偏大，故鏟柄普遍采用傾斜和彎曲兩種類型。立柱式深松鏟可分為普通深松鏟、翼鏟式深松鏟和仿生鏟三種類型。

普通型深松鏟。如圖3（a），普通鑿式深松機(jī)的工作幅寬比較小，適用于間隔深松，在稍深的土壤中，鏟柄和鏟尖會擠壓兩側(cè)的土壤，這樣會把土壤壓實(shí)，不利于土壤的疏松，同時作業(yè)后會在土層中留下向日的縫隙，造成水分蒸發(fā)，不利于土壤保墑[13，26]。

翼鏟式深松鏟。如圖4（a）、（b），翼鏟安裝在鏟柄兩側(cè)，擴(kuò)大了松土范圍。深松作業(yè)過程中翼鏟向上抬起土壤，使雙翼鏟上方土壤表層全面疏松，在雙翼鏟下方形成暗溝[17] ，提高蓄水保墑能力。其懸掛位置和翼板形狀對松土深度和松土范圍有顯著的影響，李洪文[16]通過改變翼板的安裝位置，發(fā)現(xiàn)若翼鏟的安裝位置距地表以下10 cm左右，會大大改善土壤硬度均勻性。韓樹明[18]，通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)耕作阻力與耕深和前進(jìn)速度有很大的關(guān)系。當(dāng)耕深在230～280 mm之間前進(jìn)速度在4～5 km/h時，牽引阻力變化不大。但當(dāng)耕深在330 mm時候，耕作阻力急劇增加。故耕深應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，并且在動力滿足的情況下應(yīng)帶翼鏟深松作業(yè)。

仿生鏟。在長時間的進(jìn)化過程中，很多與土壤接觸的動物，它們的爪趾、形成了適合挖掘的特殊結(jié)構(gòu)。近幾年來，很多研究學(xué)者應(yīng)用仿生學(xué)原理，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研究深松鏟的結(jié)構(gòu)。其仿生研究大致分兩步[19]：第一步是對有關(guān)生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、過程或行為特征及其機(jī)理進(jìn)行研究，獲取面向仿生應(yīng)用的生物信息；第二步是基于生物結(jié)構(gòu)、功能、過程或行為機(jī)理解決科學(xué)技術(shù)問題，發(fā)展具有類似于生物系統(tǒng)功能的技術(shù)或裝置。目前，多功能的綜合仿生是觸土部件的研究發(fā)展趨勢[19]。如：仿生非光滑表面與仿生電滲相結(jié)合的仿生非光滑電滲、表面形態(tài)仿生（或構(gòu)形仿生）與材料仿生相結(jié)合的仿生表面以及仿生減阻與仿生耐磨相結(jié)合的仿生技術(shù)。

3 振動深松鏟

在土壤作業(yè)的過程中，使深松機(jī)具產(chǎn)生一定的頻率振動疏松土壤達(dá)到減阻目的。其具體的工作原理是，由于彈性元件因土壤阻力變化或通過拖拉機(jī)輸出軸驅(qū)動激振系統(tǒng)，使深松鏟產(chǎn)生的振動傳遞給土壤，土壤經(jīng)過反復(fù)多次的振動載荷之后，本身的破壞強(qiáng)度下降，進(jìn)而降低耕作阻力。深松鏟在不振動時，切開、破碎和提升土壤的工序總是同時進(jìn)行。土壤切割過程中的阻力是多個力的合力；但當(dāng)深松鏟振動時，原本同時進(jìn)行的切開、破碎和提升過程，被分為兩部分：先切開破碎土壤，然后向上提升。在鏟柄切開堅硬的土壤后，由于振動的原因，產(chǎn)生一個垂直向上的加速度，使土壤從深松鏟上浮起，這個力幾乎與運(yùn)動方向垂直，所產(chǎn)生的牽引阻力極小[20]。王俊發(fā)[21]，通過實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)振動深松機(jī)具與不振動深松機(jī)具相比，牽引阻力可降低30%，但振動深松機(jī)具不是總能減少功率，只有在合適的頻率和振幅下才能降低功耗。李霞[22]，通過實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)振動耕作土壤的平均體積比不振動耕作土壤的平均體積質(zhì)量質(zhì)量減小，前者有利于作物根系的生長。深松鏟產(chǎn)生振動的方式分為自激振動和強(qiáng)迫振動兩種方式。

自激振動。土壤地表不平引起的耕深變化、土壤力學(xué)性質(zhì)不均勻、土壤雜物等原因引起土壤阻力的變化，會使深松機(jī)架產(chǎn)生振動[23]。如圖5（a），為了實(shí)現(xiàn)耕具隨著土壤阻力的變化而產(chǎn)生自激振動，通常在機(jī)架和鏟柄之間安裝彈性元件。目前常用的彈性元件有壓縮彈簧、鋼板彈簧、液壓3種[26]。深松作業(yè)時，深松機(jī)架受土壤阻力的作用使彈性元件彈性振動深松鏟產(chǎn)生震動。這種震動對土壤的壓實(shí)作用少，耗能也很低。

受迫振動。如圖4（b），其原理是拖拉機(jī)輸出軸將動力傳送給震動激發(fā)機(jī)構(gòu)，從而使鏟柄按照既定頻率和振幅震動。振動機(jī)構(gòu)一般由偏心軸、偏心軸承、十字連接器、連接板和支撐傳動軸等部件等組成[24，25]。這種方式雖能減少工作阻力，但驅(qū)動激振系統(tǒng)要耗能，并對己破碎的土壤有周期性的沖擊壓實(shí)作用，故總能量消耗減少不大 [26]。

4 側(cè)彎式深松鏟

如圖6，側(cè)彎式深松鏟結(jié)合了全方位深松機(jī)和立柱式深松機(jī)的特點(diǎn)。側(cè)彎式深松鏟的結(jié)構(gòu)由垂直部分和傾斜部分構(gòu)成，鏟尖安裝在傾斜部分的下端。如圖7，在間距相同的情況下，側(cè)彎式深松鏟的碎土區(qū)域大（陰影部分），因為側(cè)彎鏟柄的傾斜部分，擴(kuò)大了對土壤施加無側(cè)限擠壓作用范圍，在切割土壤的同時向上抬升土垡。故在相同鏟尖距下，相比于鑿式鏟有更大的松土幅寬，其特別的鏟尖還能在底部形成鼠道，增加雨水的入滲。但為了抵消機(jī)具左右側(cè)向力的作用，故應(yīng)在同一機(jī)具上采用左右向彎腿犁的配置[27，28]。斜柱式深松鏟具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）能有效保護(hù)地表植被和土壤中原有的有機(jī)結(jié)構(gòu)[29]。（2）其拋物線曲面可以保證與土壤之間的良好切土角度，減少耕作阻力，研究學(xué)者表明彎曲式耕作部件比鑿式耕作部件所需的牽引力低7%～20%[30]。（3）若其結(jié)構(gòu)不能圓滑過渡（圖7），易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中和過度磨損。（4）深松鏟柱一般有40°～50°的傾角或拋物線曲面形狀，所以入土位置可以躲開播種行，深入到作物根系底部，可以用于中耕作業(yè)[31]。（5）作業(yè)后在土壤中形成一個弧形斜向下的溝縫，可以減少不必要的水分蒸發(fā)。

5 結(jié)束語

伴隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，保護(hù)型耕作中的深松得到了越來越廣泛的關(guān)注，其高效節(jié)能的深松裝備成了深松技術(shù)的研究和發(fā)展的目標(biāo)。現(xiàn)有的減阻方式有振動減阻、仿生減阻和改變結(jié)構(gòu)參數(shù)減阻，大部分在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。但中國土壤類型復(fù)雜，應(yīng)該針對不同的土壤和地域類型研究因地制宜的深松裝備。現(xiàn)在，聯(lián)合整地裝備的研發(fā)成為耕整機(jī)械的重要研究方向。機(jī)具只需一次作業(yè)，可以完成多道耕種技術(shù)操作，提高了工作效率[33]，故應(yīng)在聯(lián)合整地機(jī)械上多做研究。

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