翻轉犁的研究現狀與展望

雷智高 李向春 何興村 王艷 段愛國 王忠 湯智輝 孟祥金 鄭炫 楊懷君

摘要?土地耕作是農業耕整中最基本的作業環節，翻轉犁在耕作方面起著至關重要的作用。與傳統鏵式犁不同，翻轉犁改變了以前單一方向作業的方式，在犁架上安裝左右翻垡相反的2組犁體，進行雙向交替作業，效率明顯提高。針對當前國內外翻轉犁的研究現狀，總結了我國翻轉犁的類型以及工作原理，探討了國內翻轉犁研制使用過程中存在的一些問題，并提出了促進我國翻轉犁發展的有關建議，以期為翻轉犁的進一步研發與應用提供參考依據。

關鍵詞?土地耕作;翻轉犁;研究現狀;發展;建議

中圖分類號?S22?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）03-0217-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.058

Abstract?Land?tillage?is?the?most?basic?operation?link?in?agricultural?tillage.?Flipped?plows?play?a?vital?role?in?tillage.?Compared?with?traditional?hoetype?plough，?flipped?plows?have?changed?the?ways?that?they?can?only?work?in?one?direction?before.?Two?sets?of?plow?bodies?with?opposite?lefttoright?hoeturns?are?installed?on?the?plow?frame，?and?the?twoway?alternating?operation?has?significantly?improved?the?efficiency.?According?to?the?current?research?status?of?flipped?plows?at?home?and?abroad，?this?paper?summarized?the?types?and?working?principles?of?flipped?plows?in?China，?discussed?some?existing?problems?in?the?development?and?use?of?flipped?plows?in?China，?and?put?forward?some?suggestions?for?promoting?the?development?of?flipped?plows?in?China，?so?as?to?provide?reference?basis?for?further?development?and?application?of?flipped?plows.

Key?words?Land?cultivation;Flipped?plow;Research?status;Development;Suggestions

土地耕作是整個農業生產過程中最重要的環節之一，翻耕機械的應用與發展符合我國農業現代化建設的要求，根據其耕作部件的工作原理，可大致分為鏵式犁、圓盤犁和旋轉耕耘機等類型，其中鏵式犁的應用最多[1]。大多數鏵式犁在耕作過程中只能進行單一方向的作業，效率明顯偏低，隨著農業機械技術的發展，翻轉犁可以很好地解決這一問題。

翻轉犁是通過在犁架上安裝2組左右對稱翻垡相反的犁體，在翻轉油缸的帶動下犁體會跟隨犁架交替翻轉，在其往返的耕地作業過程中交替作業，犁耕過后會使得土垡垡片都向同一側覆蓋，地表更加平整，不會出現普通犁耕作過后形成的溝和梗，犁體空行少，提高工作效率[2]。近年來，翻轉犁以其獨特的工作方式得到了推廣應用，對農業機械可持續發展具有十分重要的意義。

1?翻轉犁的類型以及工作原理

1.1?翻轉犁的類型

翻轉犁是在普通犁的基礎上增設翻轉機構而成的，其類型有很多，按2組犁體的配置分為全翻轉式和半翻轉式2種，全翻轉式2組犁體呈180°相對配置，半翻轉式2組犁體的夾角大于90°。按換向動力來源可分為機械式、氣動式和液壓式;機械式是以犁在提升時懸掛機構的提升力;氣動式是將拖拉機的出氣口與翻轉犁的氣缸氣嘴相連接，實現犁體的翻轉;液壓式是利用油缸、活塞以及活塞桿來驅動犁體的翻轉，液壓式翻轉更加平穩[3]。

1.2?翻轉犁翻轉機構的工作原理

犁體翻轉機構由于結構型式不同，其工作原理也不同，以普遍應用的懸掛式液壓翻轉犁的工作原理來講，其結構由油缸、懸掛架、犁架以及翻轉軸等組成。油缸分別與懸掛架和犁架相連接，懸掛架與犁架通過翻轉軸連接。作業時，犁到地頭轉彎時，駕駛員操縱拖拉機液壓開關使得油缸活塞桿縮回，在液壓油缸的作用下，犁架以翻轉軸為中心旋轉至與地面接近垂直狀態時，液壓閥體變換液壓缸油路方向，油缸活塞桿開始逐漸伸長，犁架也會隨之繼續轉動，直至2組對稱犁體互換工作位置，此刻犁架與地面平行;當到另一邊地頭轉彎時，翻轉過程與上一次過程相反。

2?國內外研究現狀

2.1?國外研究現狀

國外對于農業機械的研究較早，在20世紀60年代西方一些發達國家就已經開始利用大型的農業機械開展各種農業生產活動，也促使了農業生產活動向現代化、人機和諧、自動化方向發展[4]。隨著技術的發展，耕地機械不斷進行創新，當涉及到高速、工作幅寬以及聯合作業等快速、高效的機組時，這與大功率拖拉機是分不開的，同時也帶動著耕地機械的發展趨于成熟。

近年來，一些發達國家不斷將高端的技術應用到農業機械設備上，并不斷提高農業機械的科學技術含量，使得現在的農機具發展為集機、電、液技術于一體的綜合作業農用機械。

國外學者在翻轉犁理論的研究方面也取得了大量的研究成果，如犁體懸掛裝置的調整、整體機組性能的提升以及自動掛接裝置、安全設施等方面的研究[5]。Formato?等[6]對土壤和犁體曲面之間的相互作用進行了深入探討與研究。國外學者Aguilar等[7]發現一種可以準確建立犁體曲面模型的方法。

自1780年雷肯公司創建以來，憑借其出色的創新技術，成為引領農業耕作技術的快速、高效發展的典范，并在1905年獲得了世界上第一個犁具的專利，現在翻轉犁的設計中還保留了一些當時的設計理念。同時，雷肯為世界上第一臺帶有液壓裝置的拖拉機設計配套的液壓翻轉犁，在德國本土雷肯翻轉犁在市場的占有率在50%以上[8]。

目前，國外在翻轉犁領域具有代表性的主要有美國約翰迪爾Z5T-CN6（RP1105）型五鏵液壓翻轉犁、德國雷肯懸掛式翻轉犁歐派EurOpal、法國庫恩MASTER系列翻轉犁、法國格里格爾-貝松HRP7型翻轉五鏵犁、格蘭LD翻轉犁等。

約翰迪爾?Z5T-CN6（RP1105）五鏵液壓翻轉犁，如圖1所示。通過采用高強度設計的犁鏟和具有獨特結構設計的犁架，該犁架機構可以與大功率的拖拉機配套作業使用，可以提高耕地作業的效率，圓柱狀犁體耕地翻垡覆蓋效果顯著，耕后地表適合農作物的生長，可以提高農作物的產量。同時，也擁有可以方便、快捷地調整第一犁體位置的機構設計，即可以通過一個螺桿對第一個犁體的位置進行連續調整，這使得該犁體可以與多種型號的拖拉機配套使用[9]。

德國雷肯懸掛式翻轉犁歐派EurOpal系列，如圖2所示。單架犁最多可配有7鏵犁體，配套拖拉機最大動力為220?kW。每一個關鍵部件都通過先進的熱處理技術進行加工，耐磨耐用，壽命長，通過在犁柱上裝配安全剪切螺栓來保護犁體，通過獨特的結構設計限深輪也可以作為運輸輪，翻轉犁可以輕松地犁到田埂地邊，還可以在壟溝內以及壟溝上作業，并且隨時自由轉換[10]。

法國格里格爾-貝松HRP7型翻轉五鏵犁，如圖3所示，適用于132～169?kW拖拉機，在犁架方面，犁架上的犁梁為2個梁夾在一塊，既增大了整個犁梁的強度，又可以使得整個翻轉犁的重心靠后，有利于對系統起保護的作用。在犁柱方面，采用了空心部件的先進鑄造技術，減輕了整個犁體的重量;在犁尖方面，采用高強度三孔自磨銳式可拆換犁尖，可以通過向前移動犁尖來應對犁尖的損耗問題，而且損耗過大的情況下可以將其調整方向繼續使用，使用時間長，也是在原來犁鏟尖的基礎上進行了創新[11]。

由于翻轉犁工作效率高、空行少等優點，在國外發展非常迅速。翻轉犁的使用率在法國已經達到70%，在意大利的生產率也在30%以上，美國翻轉犁的產量也占總量的50%以上[12]。

2.2?國內研究現狀

2.2.1?翻轉犁整體結構設計的研究現狀。

我國對翻轉犁的研究起步較晚，隨著經濟的不斷發展，農業生產活動中出現的矛盾與問題也越來越多，如耕地作業耗費大量的人力、物力和財力，油耗大，效率低下等，同時也加劇了對現代大型農業機械的需求，越來越多的學者加入到翻轉犁的研究中。

劉興愛[13]于2006年研制了與大功率履帶拖拉機配套的1LF-445型液壓翻轉犁，該犁體犁架更加安全可靠，而且犁體的工作幅寬變大。2008年，甘露等[14]根據農藝的要求，設計了1FFSL-5型淺翻深松翻轉犁，如圖4所示。該犁通過鑿形深松鏟、翼鏟與土壤間的剪切和摩擦作用力使其出現相對位移，進而進行擠壓，以達到破碎土壤和翻垡的作用，并可經過一次作業就達到耕前狀態的效果，且完成對土壤的淺翻和深松，可達到30～35?cm的深松深度，減少了作業的次數，降低成本，提高了作業效率。

張迅等[15]研發了1LFT-435調幅翻轉犁，該型犁體可以保證翻垡的土壤始終倒向一邊，耕后的地表非常平整不會留下溝痕，并且其工作寬度的調節也非常方便、快捷。

新疆地區土地面積廣大，但由于年降水量低以及土壤鹽漬化非常嚴重，土壤中秸稈含量多以及土塊成板結狀等問題，為研制適合新疆地區的耕地機械，新疆農墾科學院學者做了大量的研究。針對國內中小型拖拉機不能直接配帶液壓翻轉犁的問題，鄭炫等[16]于2011年自主研制了1LFQ-325型氣動翻轉犁，如圖5所示。該犁可與25.7～36.8?kW的中小型拖拉機配套使用，并且利用氣缸翻轉機構來實現犁體的翻轉，比機械式的翻轉機構更加靈活可靠。該犁通過三點懸掛機構和拖拉機進行連接，并通過將拖拉機剎車系統的排氣口和翻轉氣缸的氣嘴相連接來實現犁體的翻轉。啟動機器，犁體落下開始前進，直至達到穩定耕深后再以工作速度前進，完成第一行程之后，拖拉機開始換向，并踩下剎車，翻轉氣缸帶動犁架進行換向，然后開始進行第二行程。該犁耕作速度可達到5.7?km/h，耕寬為740?mm，耕深為202?mm，翻轉到位率為96%，耕深、耕寬穩定性變異系數均達到有關技術指標。該試驗結果表明，各項性能指標均達到國家的有關標準要求。

針對新疆生產建設兵團的實際農業生產需要，鄭炫等[17]于2012年研制出1LFS-435型淺翻深松翻轉犁，如圖6所示。該犁體分為2層，上、下層分別為鏵式犁體和松土鏟。犁體的翻轉由液壓系統控制，拖拉機的進油口和出油口通過液壓油管與翻轉油缸連接構成液壓回路，可以通過操縱液壓閥來實現犁體換向翻轉。作業時，上層犁體做正常的翻垡工作，下層犁體進行犁底層土壤的松動，該犁可以一次性完成耕深范圍內的翻土以及松土，達到標準的耕深要求。該犁深松深度可達400?mm，犁耕深度為280?mm，土垡破碎率為98%，翻轉到位率為96%，試驗表明該犁的利用效率明顯提高，符合農業經濟可持續發展的要求。沈從舉等[18]研制出1LFT-435型調心調幅式液壓翻轉犁，解決了翻轉犁不能適應各種不同拖拉機輪距和功率而出現的漏耕、重耕問題，從而提高了耕作效率，翻轉犁的研制與創新為我國農業機械的發展打下了堅實的基礎。

隨著國外大型農業機械的引進，國內與大型拖拉機配套的耕地機具幾乎全被國外企業所占據[19]，為了開拓創新，迎合市場需求，賀江川等[20]于2016年設計研制了1LFT-550型調幅式液壓翻轉柵條犁，如圖7所示。該犁的犁體采用柵條式結構，翻垡順暢、易脫土、阻力小，同時在主犁體前面加裝小附犁，具有更好的覆蓋效果，限深輪也可作為行走輪，折疊和調幅油缸的設計使犁體的翻轉更加平穩省力，機具結構設計具有創新性。該犁作業時耕速可達10.3?km/h，耕幅為2?500?mm，耕深為310?mm，碎土率在83%以上，田間試驗表明作業質量能夠達到農藝的要求。

2.2.2?翻轉犁翻轉機構的研究現狀。

翻轉犁的翻轉機構是實現2組對稱犁體換向工作的關鍵部件，其翻轉性能的好壞直接決定了整個翻轉犁工作性能的好壞，為此國內也對翻轉機構做了大量的研究。鄭德聰等[21]利用反求工程技術以及計算機技術，建立了翻轉機構的數學模型并做好了相應的計算機程序，將其反求的結果應用于與拖拉機配套的液壓翻轉犁，并將該犁投入生產。

隨著農業機械的發展以及農業的需要，我國學者也不斷追求翻轉機構的創新。為了改善翻轉犁的越中性能，鄭德聰等[22]于2007年利用極值法進行翻轉犁裝配尺寸鏈的分析計算，并將設計結果應用于液壓翻轉犁，使得其越中性能良好。

金紅基[23]于2008年提出了單缸臥式翻轉機構的運動方程，并對翻轉機構進行動力學和運動學的特性分析，發現該機構可以保證在進行180°翻轉時所需要的動力，實現其設計性能要求。2008年，王會福[24]對新型ILF-435A型翻轉犁的翻轉機構進行了運動學分析，并將設計的緩沖閥應用到翻轉犁的液壓系統中，以便適用于不同類型的翻轉犁，對于翻轉過程中出現的沖擊過度、翻轉不可靠、搖擺等問題可以有效解決，也因此獲得了國家實用新型專利。

羅進軍等[25]于2016年通過對翻轉犁翻轉機構進行受力分析以及液壓油缸工作參數的計算，從而設計了一種能夠實現平穩可靠翻轉的翻轉機構，能以較小的換向沖擊力確保犁架的成功越中和換向。

2.2.3?翻轉犁犁體曲面的研究現狀。

犁體作為翻轉犁最核心的部件，通過切土翻垡來完成翻轉犁的耕作任務，因此犁體曲面的形狀也在很大程度上影響著耕作效果，長期以來國內學者也一直將犁體曲面作為重點研究內容。隨著計算機技術的不斷成熟，許多學者利用參數化設計、仿真技術以及CAD技術研究犁體曲面，也逐漸成為犁體曲面研究設計的新方法。利用計算機技術可以較好地解決在犁體曲面設計過程中出現的諸多問題。

張士國等[26]在2007年利用Pro/E軟件研究出一種犁體曲面三維參數化CAD系統，三維犁體曲面結構模型可以利用該系統自動生成，大大縮短了犁體曲面的繪制周期，使整個制作過程的成本有所降低。同時，余貴珍等[27]以犁體曲面十二參數法數學模型以及犁體曲面的構成線方程為基礎，通過知識庫來表達犁體曲面參數化設計過程中的專家經驗與設計常識，進而編寫了犁體參數化設計系統。

2008年，楊化偉等[28]研究了水平直元線法來犁體曲面形成原理，開發了水平直元線犁體曲面參數化設計模塊，使水平直元線犁體曲面的優化設計變得非常直觀和方便，有利于犁體產品進一步開發的系列化和標準化。

趙鄭斌等[29]分析了國內外高速犁體曲面的研究現狀，也對高速犁體曲面的成形方法進行了總結與概括，并且土垡運動原理的參數化設計是當前犁體曲面設計的重要方法。

3?翻轉犁應用中存在的主要問題

（1）近些年，我國研制了各種各樣的翻轉犁，但大多數都是在國外機型的基礎上進行仿制的，技術不夠成熟，設計的翻轉犁較為笨重，工作效率較低。

（2）由于制造工藝技術不足，國內制造的翻轉犁的犁體及機架抗疲勞強度不夠，結構設計不能有效針對不同土壤類型;零部件制造精度較低，熱處理技術不足，導致翻轉犁在耕作過程中出現犁鏟尖斷裂、磨損快、局部變形、犁梁拉斷以及液壓缸漏油的問題，降低了翻轉犁工作的可靠性。

（3）我國土地面積較為廣泛，各個地區的氣候條件、土壤類型以及土壤規格各不相同，國內生產的翻轉犁很難適應各個地區的不同土壤環境，并且翻轉犁適合耕作土地面積大的地方，具有一定的局限性。

（4）整架翻轉犁有許多關鍵部件，而關鍵部件的連接需要各種不同型號的螺栓與螺母，在實際耕作過程中，因其螺栓以及螺母的數量較多，各個部件之間的松動也較為頻繁，在上緊螺栓的過程中耗費了大量的人力，降低了工作效率。

4?展望

（1）適當放寬現有的農業機械化相關政策，根據我國各個地區的實際情況，制定合理、有效的推廣、補貼以及獎勵政策并加大資金的投入，激勵研究學者自主創新的積極性，做到理論與實踐相結合。

（2）注重犁關鍵部件產品材料的研發、加工及熱處理工藝，找出適宜制作適應不同土壤類型的犁關鍵部件的新材料，提升部件的加工精度，優化部件熱處理工藝，爭取將犁鏟、犁尖、犁壁等關鍵零部件規模化、國產化制造，降低翻轉犁制造和使用的成本，打破國外產品長期壟斷市場的局面。

（3）針對我國地理環境復雜的實際情況，要提高翻轉犁的適用性，相關的企業、工廠以及研究機構在設計過程中對犁體零部件應制定統一的規格標準，以便于用戶的選擇與使用。

（4）在設計翻轉犁的過程中，應盡可能設計簡單的結構，使盡可能多的部件整體化，以減少螺栓以及螺母的使用，減少螺栓的松動，提高其工作效率。

5?小結

在分析國內外翻轉犁研究現狀的基礎上，指出了我國翻轉犁應用過程中出現的一些問題并提出相應的發展策略。翻轉犁作為耕地機械發展過程中里程碑式的創新，為我國的農業機械向著自動化、多樣化以及現代化的方向發展作出了重大的貢獻，對于農業可持續發展也具有十分重要的意義。

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