旋耕機產品創新技術思路探討

河北省耕作機械技術創新中心 河北圣和農業機械有限公司

□張培增 □王 帥

旋耕機屬于多用途耕整地機械，其結構形式有很多種，本文研究的是最常見的臥式旋耕機。其特點是，機動靈活，一機多用，可同時完成翻地、耙地、耢（耱）地等一系列作業；主要優點是，土壤松碎能力強，耕后土壤細碎，地表平整，土肥摻和均勻，有利于在搶收搶種中及時完成播前整地任務，大大提高作業效率和作業質量，是我國目前使用最普遍、最受農民歡迎的農田耕作機械。

然而，旋耕機不足之處也很明顯，主要是耕作深度有限，對土壤擾動大，功率消耗高，這些問題也是長期以來業內對旋耕機發展前景爭論的焦點問題。如何提高旋耕機作業性能，降低旋耕機功率消耗，一直是旋耕機設計、制造和使用者共同關注的問題。尤其最近幾年，實現“碳中和”成為全球努力目標，降低旋耕機作業功率消耗也成為了重要的研究課題。

一、旋耕機構造及工作原理

旋耕機主要由土壤工作部件、傳動系統及輔助部件構成。旋耕刀軸總成是旋耕機的主要工作部件，機器通過機架與拖拉機進行掛接，動力由萬向節傳動軸傳到齒輪箱再傳至刀軸，從而實現旋耕作業。其主要構成如圖1所示。

圖1 旋耕機構造

旋耕機是一種以銑切原理加工土壤的耕耘機械。工作時，旋耕機刀軸上的刀片在動力驅動下旋轉，同時隨機組沿直線向前移動，呈余擺線運動軌跡。田間作業時，刀片在運動中切入土壤，當刀片向后下方運動時切削土壤，到最下方時切土動作完成，隨后刀片向后上方運動，把切下的土垡向后上方拋擲，土垡撞擊擋土板和殼體后被破碎并落向地表，然后被后拖板拖平。

二、旋耕機作業的功率消耗分析

旋耕機工作原理如圖2所示。

圖2 旋耕機工作原理

試驗資料表明，旋耕機作業所消耗的功率N可用公式表達如下：

公式中，Nq為刀片切削土壤所消耗功率，數值在工作過程中是不斷變化的，刀片開始切削土壤時功率消耗較大，隨著耕深增大功率消耗逐步減小，平均約占42%；Np為旋耕刀拋送土壤所消耗功率，數值約占41.5%；Nt為旋耕機作業時推動機組前進所消耗功率，數值約占9.7%；Nc為旋耕機傳動系統各部件所消耗功率，數值約占6.8%。

由此可見，旋耕機切削和拋送土壤所消耗功率占總功耗比例達80 %以上。影響旋耕機作業功耗的主要因素是刀軸總成，包括旋耕刀形狀、旋耕刀排列方式、切土角、切土進距、機組前進速度、刀輥（刀軸總成）轉速、耕深、刀輥回轉半徑等。

三、旋耕機創新的技術思路

1.旋耕刀片的形狀和參數

旋耕刀輥是旋耕機的最主要部件，刀片形狀和參數對旋耕機工作質量、功率消耗影響很大。為適應不同土壤耕作需要，技術人員對旋耕刀進行了大量研究。根據現行國家標準《旋耕機刀和刀座》（GB/T 5669—2017），普通臥式旋耕機上使用的旋耕刀已形成系列產品，有刀座式旋耕刀和刀盤式旋耕刀（含滅茬刀）兩大類。刀座式旋耕刀形式分為I型、Ⅱ型和Ⅲ型3種，I型刀主要用于一般水旱田耕作，刀輥回轉半徑有225、245、260mm等3種；Ⅱ型刀主要用于水田綠肥、稻茬、麥茬較多的田地作業，刀輥回轉半徑有195、210、225、245、260 mm等5種；Ⅲ型刀主要用于淺耕滅茬作業，刀輥回轉半徑有150、175mm兩種，總共有18種規格；刀盤式旋耕刀（含滅茬刀）有2種規格。

圖3 刀座式旋耕刀結構簡圖

為降低旋耕作業時切削土壤所消耗功率，除保持刀片刃口鋒利外，根據實際情況選擇合理的旋耕刀形狀和尺寸非常重要。我國對新型旋耕刀創新研究深度和力度存在不足，雖然也有一些科研人員和高校進行了探索試驗和研究，但大多只停留在理論層面。尤其需要加強旋耕刀應用減阻耐磨新型材料的產業化研究。

2.旋耕刀的排列方式

旋耕刀在刀軸上的排列是影響旋耕機作業性能及功率消耗的重要因素之一，為使旋耕機耕后土壤細碎、地表平整，刀軸受力均勻，刀片在刀軸上的排列一般應滿足下列要求：（1）刀軸輥每轉過一個相同角度，有相同且盡可能少的旋耕刀入土，以使刀軸承受扭矩均勻，保證工作平穩；（2）每一把旋耕刀切土量相等，以達到碎土質量好，耕后溝底平整，而且旋耕刀受力均衡；（3）在同一根刀軸上，左彎刀和右彎刀應成對入土，以使刀軸軸承所受的軸向力盡可能小；（4）相鄰刀片角位差及相繼入土的兩把刀片的軸向距離應盡量大，以防止夾土和堵塞。

一般旋耕機刀片按螺旋線規則排列。常用刀片排列方式，有單向螺旋線排列，人字形或 V 字形螺旋線排列，近年還有采用多區段排列方式。單向螺旋線排列，是從刀軸的一端向另一端按螺旋線順序排列。這種方式排列刀片規律明顯，但作業時刀輥承受的側向力較大。人字形或V字形排列，側向力可得到較好平衡，但容易在分界處出現凹溝或土埂。目前較多采用分區段排列方式，可以克服螺旋線排列缺點，且耕后地表平整度好，特別適合于幅寬較大的旋耕機。

3.刀輥轉速和機組前進速度

刀輥轉速和機組前進速度是旋耕機工作的主要參數，對作業質量和功率消耗影響比較復雜。資料表明，在刀輥轉速保持不變前提下，旋耕作業所消耗功率隨機組前進速度增大而近似線性增大。這是因為機組前進速度增大，切土進距就增大，也就是切土量增大。

切土進距是指在刀片旋轉的同一縱向平面內，前后相鄰兩個刀片切土的間隔距離。切土進距的大小，直接決定于旋耕刀端點圓周線速度與旋耕機前進速度的比值λ，通常λ值在4—10之間。在實際生產中，進距適度增大又可使功率減小，原因是耕作單位體積土壤時，切削總面積隨進距的增大而有所減少，同時也減少了對垡片的重復切削。此外，切土進距對旋耕機的碎土程度也有較大影響，切土進距越大，切下土塊厚度越大，碎土程度越低。通常在旱田熟地耕作時，由于刀體使垡片產生剪切破裂面，土壤強度降低，土壤容易破碎，切土進距可以大一些，故增大進距可使功耗減少而不影響碎土效果；粘重土壤和多草地耕作時，土垡不易破碎，切土進距應小一些。

由此可見，選擇合理λ值是個復雜的技術問題。為了保證旋耕機良好作業質量，同時滿足節能降耗要求，需要綜合考慮旋耕機的結構、刀片形狀、刀輥直徑、土壤條件等多種因素。λ值選擇不合理時，功率消耗會明顯上升，作業性能會明顯變差。對于這一問題，需要進行深入廣泛試驗研究，以便根據不同土壤條件調整合適的λ值，尤其應該探索借助智能化手段，根據作業條件自動調整λ值的技術途徑。

4.刀輥回轉半徑和耕深

我國目前大量使用的旋耕機耕深普遍在12cm—16cm之間，耕作深度淺，埋茬效果差。長期淺旋，還會導致土壤耕層變淺，土壤耕作層肥力降低。根據旋耕機工作原理，加大耕深的唯一辦法是增大刀輥回轉半徑（或直徑）。試驗證明，增加刀輥直徑，切土功率相應增加。直徑增大使功率增加的原因是，刀片切削土垡的行程增大和切削線速度增大（當轉速一定時）。還有試驗發現，在耕深一定時，刀輥直徑過小反而使功率消耗增大。由此看來，刀輥直徑與耕深之間或切削行程與耕深之間，應有一個最佳比值（即功耗最小的比值）。現有的旋耕機設計，通常是使刀輥半徑接近于最大耕深。

近年來，農業生產對大耕深旋耕機也提出了需求，已有不少企業開發了產品，但仍存在不少技術上的問題。真正開發出成熟實用的大耕深旋耕機，還需要做更深入的理論研究和試驗驗證。

5.動力傳動系統

雖然旋耕機傳動系統各部件所消耗功率，只占總功耗的6.8%左右，但是這只是特定情況下的數值。實際上，旋耕機傳動系統的制造質量對功耗大小、作業效果、使用壽命等的影響很大，其因素很多，情況也很復雜，需要研究和解決的技術難題還有很多，包括：設計問題、制作工藝問題、檢驗手段問題、使用調整問題等。如，傳動箱體各軸孔的形狀和位置誤差，傳動箱各齒輪的嚙合誤差，刀軸軸承座在旋耕機側板上的安裝誤差，刀軸的形狀和位置誤差，各傳動部件總成和整機的裝配誤差。如何有效控制這些誤差，如何改善潤滑效果和防塵效果，如何減少空轉功率消耗，所有這些問題的解決都需要進行廣泛深入的研究。