小型深耕機發展淺析

許蓬勃，楊永發，崔 月，呂新宇

（西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650000）

0 引言

近幾年在非標準大棚作業中，手扶式微耕機因其體積小、重量輕、轉運方便、功能多樣的特點在非標準大棚中得到了廣泛的推廣和普及。手扶式微耕機雖有上述一系列優點，價格也能被丘陵山地地區農民接受，但存在操控不便、操控者勞動強度大、危險系數高、耕深不足、不能打破犁底層等缺點。犁底層的出現會導致土壤上下通透性變差，阻礙水分滲入深層土壤，影響作物根部的生長使得作物的根系只能生長在淺層土壤中，影響植物對養分的吸收，不僅會導致作物減產還會增加水肥的施用量，增加非標準大棚的運營成本。在實際生產中的應用表明：采用深耕技術可以有效打破犁底層，改善土壤通透性，增加水肥的滲入，有利于作物根系的生長發育，實現作物的增產，提升非標準大棚內作物品質。

為此，結合非標準大棚的空間大小限制并結合耕深達到25 cm以上、機型輕巧、價格便宜、安全系數高、適用于西南山區非標準大棚內作物種植等要求，筆者研制出一種小型四驅深耕機。結合要求與實際情況，主要研究意義有以下兩點：

1）小型四驅深耕機應用于非標準大棚內作物種植前的深耕工作，大棚內土壤經過深耕后能夠減少農戶水肥的施用量，有利于農作物根系的生長，提高農作物品質與產量，進而降低大棚運營成本，增加農戶種植效益，解決了手扶式深耕機耕作過淺無法打破犁底層、使用不安全、使用者勞動量大等問題。

2）目前，國內市場上基本沒有一種專門適用于非標準大棚的深耕機，此類深耕機的研制較為緩慢，知名大廠大多側重適用標準大棚的大型深耕機的研制，而一些小廠家研制出的深耕機因為各種原因，沒有得到大規模的推廣。基于此種情況，筆者研制出適用于非標準大棚的小型四驅深耕機，可有力推進非標準大棚種植行業的發展。

1 深耕機發展現狀

目前，國內和國外比較流行的翻耕機械主要有以下幾種：深耕機、深松機、粉壟機等。此類機具均可實現對土地的耕整，并且都能有效打破犁底層，為農作物根系的生長起到了促進作用。由于不同國家和地區有著不同的農藝及地形特點，因此，各地設計的深耕機都有著不同的尺寸、所需動力平臺的功率都各不相同，受制于不同地貌特征與農藝等限制，翻耕機械在適應不同地區、不同耕作深度的需求上還有很大的發展前景。

1.1 國外發展現狀

國外對深耕機的研發始于20世紀30年代，其中深耕技術發展較快，在20世紀40年代英國的耕地就有近半數采用深耕的方式進行耕作。國外經過近90年的發展，深耕技術已經相當完善，并形成了一整套成熟的體系，有著一系列適應不同環境作業的機型。目前，國外比較流行的兩種深翻機械分別采用擠壓式深耕與震動式深耕，兩種機具均與大型動力平臺相配套使用，可自由調節耕作寬度和深度，并有著作業速度快、作業質量高、油耗小的特點。

2003年，Lee對比研究了帶鋸形齒的旋耕刀片與不帶鋸形齒的旋耕刀片，在轉速、轉向、整機前進速度相同的情況下，工作效果的對比。2007年，Fashola公司研制了一款適用于水田的微耕機。2009年，日本的SahaC研發了一種通過震動來實現耕作的微耕機，為其配備大功率發動機使其具有工作效率高、碎土效果好的特點。2011年，美國約翰迪爾公司，推出了一款深耕機，該深耕機的特點是，在深松犁兩側增加了側向刀鏟，增加了松土效率。2013年，Ryan對耕作部組與動力機械的間距在留有小麥茬的耕地上進行了研究，得出了兩者連接的最小間距[1]。2014年，Yang等對耕作機械的作業寬度、速度、深度對耕作所需功率的影響進行了研究，分析了對整機功率影響最大的因素[2-3]。2015年，澳大利亞Matin對不同的深耕刀片消耗功率、所需扭矩，進行了分析與優化。2016年，Matin探究了旋耕刀片不同的刃角對農作物種子發芽率的影響，通過研究發現合適的刃角可以提高耕作時土壤的回流，改善種子生長環境，提高種子發芽率。在刀具的研究上國外也進行了一系列研究。S.K等，為了改善耕作刀具的耐磨性能，對同一款刀具噴涂了兩種不同的表面材料，通過對比發現其中一種材料可以顯著提高旋耕刀具的耐磨性能。Leek等，分析了不同刀具組合一起工作時的耕作效果。H Gholmai等，研究設計了一種新型旋耕刀具，改善了微耕機在作業時易纏草、操作人員易疲勞的缺點，并研究了不同土壤含水率、耕作速度、消耗功率，對新型旋耕刀片的影響，提高了微耕機的工作效果，降低了旋耕作業對功率的消耗。Shoutai等，采用sph模型對旋耕刀切土模型進行了模擬，仿真分析優化了旋耕刀的外形結構。通過實驗測定表明旋耕刀優化后，降低了微耕機械在作業時功率損耗，減小了油耗。還有一些科研人員研究機器在耕作過程的震動。V G等，對小型農業機械的震動特性進行了醫學方向的分析。Tiwari等，對比分析了手扶式旋耕機和乘坐式旋耕機操作者心率，在操作有座位的旋耕機時操作者的心率更低，據此對微耕機的操作舒適性提出了建議。Ragni等，通過對一款小型手扶微耕機使用者的調查發現，經常使用微耕機的人3年后，會有十分之一的人患白指病。Sam等，為了降低微耕機震動對操作人員的影響，提高了操作人員的舒適度。J.Retherton等，通過使用新型材料代替鋼鐵，有效減輕了微耕機的重量，減輕了微耕機的震動。Patal等，研究出了一整套對于小型農機耕作性能評價標準。Tarverdyan等，研制出了一種小型垂直旋耕機械，并通過建模仿真、田間試驗等驗證了其設計的合理性。

1.2 國內發展現狀

我國旋耕機械研制的開始時間相較于歐美發達國家起步較晚，在20世紀70年代，我國研發了第一款微耕機。80—90年代我國微耕機得到快速發展，但這一時期是以仿制國外機器為主。20世紀90年代—20世紀末，我國的微耕機逐漸發展起來，并形成了一套完備的生產體系。進入21世紀以來,我國生產微耕機的企業已達到200多家。2007年，余泳昌等通過對深松鏟的受力分析，優化設計了立式深松鏟。2011年，徐月天、王景立等通過對深松鏟的運動優化，提高了機器的工作效率。2013年，西南大學李卓設計了一種煙田深耕機，耕深達到30 cm，滿足了煙田打破犁底層的需求。2014年，王耀文、葉進等運用TRIZ理論優化設計了煙田深耕機。2015年，李坤研究了撬翻式茶園深耕機，運用動力學軟件Adams仿真分析了機器的各種工況，優化了機器工作參數。2017年，韓煜杰通過對不同深耕刀的仿真分析，優化了立式深耕刀的設計參數，提高了深耕刀的工作效率[4]。2019年，貴州大學孫效荷對螺旋深耕機的關鍵部件進行了靜力學、動力學仿真和模態分析，降低了整機的損耗，提高了整機的工作效率。2020年，張富貴等針對丘陵山地地區土壤耕作層過淺和常年淺耕土壤病蟲害增加等問題，設計了一款自走式螺旋深耕機，并測量出深耕刀的最大變形量為2.67 mm，滿足了機器工作要求。

2 深耕機存在的問題

目前，深耕領域在刀具、深耕效果、增加操作者操作舒適性上有了長足的進步，但還存在大中型深耕機體積過大、不適宜在大棚內作業等問題。現有的小型耕作機械大多為手扶式微耕機，存在著安全性低、耕作深度不足、操控性差、振動大等一些不足之處，限制了其進一步發展。主要表現在以下3個方面：1）在安全性上，由于操作者操作不夠熟練、疏忽大意、安全意識不強、在操作時對防護裝置必要性認識不足等因素，在多種因素的影響下很容易造成安全事故，例如現有手扶式微耕機在啟動時，沒注意檔位是否在空檔，貿然啟動機器，易出現機器的突然前進或后退，造成操作者被撞傷。2）微耕機耕深不足，耕深不足導致大棚內土壤情況惡化，形成犁底層，不能很好滿足農藝要求。3）在操縱性上，操縱手扶式微耕機需要操作者有一定的力量來控制手扶式微耕機，長期工作會極大消耗操作者的體力，并且手扶式微耕機在工作時由于發動機工作和旋耕刀的工作會產生不同程度的震動，易使操作者產生不適感，常年使用可能會影響操作者健康，嚴重影響操作者健康和工作效率。

3 四驅深耕機的優勢

近年來，適用于平原大地塊的大型深耕機，在我國得到了快速發展，并在深耕刀具與節能上有一定的建樹，但在小型深耕機的研究上，存在著諸多問題，特別是針對西南丘陵山地地區仍大量存在的非標準大棚，市場上幾乎沒有與之配套的小型深耕機具。現有的并被農民大量使用的手扶式微耕機，存在著耕深不足、安全性能差、作業效率低、操作不便、田間轉運困難等問題，針對上述問題，亟需針對非標準大棚研制一種耕深足夠、安全高效、操作便捷、方便轉運的小型深耕機，滿足非標準大棚農戶的迫切需求。

筆者根據四驅深耕機作業環境特點，設計了一種強度尺寸合適的機架。根據設計經驗大體設計出整機的布置方案，確定發動機、變速箱等關鍵部件的大體位置。根據深耕機的牽引特性和各作業工況對牽引力、作業速度及牽引功率的要求，對動力系統的發動機進行選型和參數確定，并對變速箱進行設計。根據非標準大棚地形和土壤特點，測出非標準大棚土壤黏度、坡度等實地情況，通過計算分析整機穩定性，選擇合適的深耕刀能夠打破犁底層，確定深耕刀的旋轉方向和深耕刀長度。根據非標準大棚土壤特點選擇合適的深耕刀，并通過實驗選擇出深耕刀合適的轉向和深耕刀長度。

4 小結

綜上所述，本研究分析了目前云南地區非標準大棚深耕作業面臨的問題，探討了國內外現有旋耕和深耕機具的問題和各自的優劣勢，同時介紹了四驅深耕機的研究對解決問題的幫助和現實意義。