旋耕機研究現狀與發展趨勢

顧 洋 ， 姜新波 ， 頓國強

（1.上海舟炬人力資源有限公司，上海 201716；2.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 旋耕機分類

旋耕機是一種需要和拖拉機配合使用完成耕、耙等工作的農業設備，由于該設備具有良好的碎土能力，不但在完成土壤破碎的過程中能夠使得土壤保持相對平整的狀態，而且還能有效切碎殘留在土壤中的枯根，因而被廣泛應用于農業耕種中。現階段，我國已經研發出來的能夠用于農業生產的旋耕機，按照旋耕刀軸的配置方式被分為橫式旋耕機、立式旋耕機以及斜置式旋耕機三種。

1.1 橫式旋耕機

橫式旋耕機的主要構件有刀軸、刀片、傳動系統、機架等[1]。在一般情況下，會采用三點懸掛方式完成橫式旋耕機和拖拉機之間的連接，并采用尾部傳動軸作為主要驅動力使旋耕機能夠正常運行，而動力的傳輸方式則有中間傳動與側邊傳動兩種。前者的傳動結構相較于后者更加穩定，受力基本能夠保持在平衡狀態下，但是由于整機機構對稱性較差，導致在刀軸中間安裝刀片受到了限制，使得旋耕機在巡行過程中經常會出現漏耕問題；后者雖然不存在漏耕問題，但是結構穩定性較差，受力長期處于不平衡狀態下，旋耕機使用壽命較短。

橫式旋耕機的旋轉方式有正轉與反轉兩種，在運行過程中，刀輥和機具的方向一致為正轉，二者方向相反則為反轉。以正轉形式運行的旋耕機，具有良好的土壤破碎效果；以反轉形式運行的旋耕機雖然也具有良好土壤破碎效果，耗能較低，但是極易造成土壤積堆，當這種情況出現后耗能將會瞬間增大。耕深較淺是橫式旋耕機的主要缺陷，耕種速度較快時，耕深會進一步降低，而耕深較低會使得土壤的保墑能力有所下降，使得農作物的根系無法充分發育。

1.2 立式旋耕機

立式旋耕機的主要構件有箱體、傳動系統、變速箱、旋耕刀等，刀軸處于豎直向下狀態，因為耕深較深，不存在橫式旋耕機由于耕深不足而導致農作物根系無法充分發育的情況，對旋刀的強度和韌性要求較高。大多情況下，立式旋耕機和拖拉機的連接會通過三點懸掛方式完成，而驅動力則會通過拖拉機傳出經由萬向節到達旋耕機的中央齒輪箱[2]。因為立式旋耕機是以齒輪方式實現動力傳動，所以立式旋耕機中處于相鄰位置的兩個旋刀的旋轉方向是不一致的，這有助于前進阻力的降低，能夠使得機具的運行趨于平穩。在立式旋耕機運行的過程中，兩個處于相鄰位置的旋刀不但能夠在作業區域內完成土壤切削工作，而且還能完成一部分處于相鄰旋刀作業區的土壤切削工作，有效避免了漏耕問題的出現，但是會導致土壤的破碎程度出現一定差異。因為相鄰旋刀土壤切削區域存在重疊，需要保證相鄰旋刀之間相差一個相位角才能避免二者在作業過程中互相干涉。

1.3 斜置式旋耕機

斜置式旋耕機的主要構件有刀軸、刀片、傳動系統、機架等。斜置式旋耕機的刀輥處于水平斜置狀態，當處于運行狀態時，刀輥和機組前行方向會存在一個斜置角，因而滑切與撕裂破壞是進行土壤破碎的主要方式，這樣使得斜置式旋耕機的耗能低于前面兩種旋耕機。但是，由于斜置式旋耕機的刀輥長度遠遠超出傳統的橫式旋耕機，加之運作過程中還存在斜置角，導致斜置式旋耕機的剛性遠遠低于橫式旋耕機。

2 旋耕機研發過程及現狀

2.1 旋耕機的研發過程

我國針對旋耕機開展相關研究始于20世紀50年代，彼時的旋耕機在結構上比較簡單，需要和手扶拖拉機共同使用才能發揮作用，應用范圍較小，稍晚一些研發出的旋耕機能夠和四輪拖拉機共同使用，在當時也未得到廣泛應用。1980年以后，我國旋耕機制造技術獲得了一定突破，但是由于種種原因旋耕機依然沒有在我國農業生產中得到廣泛應用[3]。進入21世紀，旋耕機開始向復式作業方向發展，旋耕機開始具備了整平、鎮壓等重要功能，并且隨著我國制造技術的不斷發展，逐漸在農業生產過程中得到了應用。從現階段我國對旋耕機的應用來看，在我國農業生產過程中橫式旋耕機的應用范圍最廣，立式旋耕機次之，而斜置式旋耕機應用范圍極小，尚處于試驗與研發階段。

從整體上看，目前我國旋耕機在農業生產過程中的應用還存在一些問題需解決。首先是旋耕機的耗能過大，這不符合我國綠色農業發展要求；其次，故障出現頻率較高，故障主要體現在刀軸會在旋耕機作用過程中發生不同程度的損壞，這不利于我國高效現代化農業生產的實現。

2.2 旋耕機的研究發展現狀

2.2.1 橫式旋耕機的現階段研究成果

近年來，我國圍繞橫式旋耕機在運作過程中存在的纏草問題開展了大量研究，并取得了一定突破。一方面，一些學者針對旋耕機存在纏草問題的產生機理進行了研究，相關人員借助離散元法對旋耕機處于無秸稈覆蓋和有秸稈覆蓋的狀態的受力以及力矩的分布情況進行了科學分析，并將通過仿真實驗得到的理論數據和實驗數據進行對比分析，得出橫式旋耕機的受力大小與旋耕機的轉速之間存在正比關系，且在旋刀完全沒入土壤的情況下，在秸稈存在的情況下，在有無秸稈覆蓋的受力實驗中發現，即使刀片已完全進入土壤，在有秸稈覆蓋的土壤中旋耕機的受力大小仍然超過了沒有秸稈存在的情況。

另一方面，部分學者針對如何減少橫式旋耕機纏草情況的發生展開了研究。相關人員通過將橫式旋耕機的作業方式改裝為雙軸刀輥旋耕作業，降低了纏草問題的發生頻率。在運行過程中位于前軸的刀輥能夠將草切碎，而位于后軸的刀輥可以把切碎的雜草翻到土層里。

2.2.2 立式旋耕機的現階段研究成果

使用壽命短、運行過程中穩定性較差是立式旋耕機的主要缺陷，近年來，相關研究人員針對立式旋耕機的使用壽命延長以及作業平穩性的提升開展了一定研究，并取得了一定成果。

首先是圍繞立式旋耕機使用壽命開展的研究，相關研究人員借助對旋刀的運動學分析，認為立式旋耕機的運行速度只會對土壤的破碎效果產生影響而不會造成旋耕機耕深的變化。在此基礎上，相關研究人員針對旋刀的不同安裝方式對其作業狀態下的影響進行了仿真模擬。實驗發現，使用一正一反平衡安裝能夠使得其工作狀態更加平穩，可以起到延長機械使用壽命的效果[4]。

其次是圍繞立式旋耕機作業狀態下的平穩性展開研究。相關研究人員發現立式旋耕機刀片的排列和刀片的內折彎角與旋耕機的平穩性關系密切，因而通過反復調整排列方式與內折彎角，提高了立式旋耕機作業狀態下的平穩性。如果內折彎角較小，旋刀在進行土壤切削時會因為受到來自刀片與刀軸的阻力，導致旋耕機平穩性降低；如果彎角過大，受到的土壤阻力將會增大，也會使得旋耕機無法平穩運行。

2.2.3 斜置式旋耕機的現階段研究成果

自斜置旋耕的概念是在我國首次出現的，20世紀末期，我國蘇州大學與蘇州理工大學的一些學者針對斜置式旋耕機的相關理論與機械設計進行了研究，并獲得了一些專利。但是近年來我國對斜置式旋耕機的研究并無明顯進展，幾乎處于停滯狀態。

2000年左右我國一些學者研究出了一種斜置旋耕的試驗裝置，并開展了相關試驗研究。該試驗針對旋耕機在5°、10°、15°、20°、25°等斜置角下的耕作狀態進行了受力情況的分析，以及設備的工作功率受設備的前行速率、刀輥轉動速率等條件的影響的分析[5]。斜置式旋耕機的相關問題還有待進一步研究，較低的工作功率符合我國綠色農業的發展要求，因此斜置式旋耕機具有良好的發展前景以及較高的研究價值。

3 旋耕機發展趨勢

3.1 節能化

綠色農業一直是我國農業的重要發展方向，隨著我國農業生產效率的提升，很多研究人員投向了對旋耕機節能技術的研究。經研究發現，旋耕機的節能性與旋刀存在較大聯系，優化旋刀設計，調整刀片的排列方式能夠提升旋耕機的節能性能。但是，在旋刀與刀片的優化研究過程中，也遭遇了一定阻力。一方面，我國對新材料的研究尚且不足，在旋耕材料領域呈現出了新材料、新工藝研發不足等主要問題，使得研究者找到適合用于旋刀刀片制作的耐磨性材料具有一定難度，制約了節能技術的發展。另一方面，我國現階段對耕深節能技術的研究尚且不足，我國針對耕深的研究尚且集中在15 cm以內的耕深研究，而缺少對15 cm甚至20 cm以上的耕深研究，不但造成了水土流失、農作物產量下降等一系列問題，而且還阻礙了對大耕深型旋耕機的研發，導致農業機械的損壞率與更換率較高，不利于節能減排和碳中和目標的實現[6-7]。

3.2 聯合作業

應用農業生產的旋耕機的機械更換頻率較高，機械在作業過程中損壞較為頻繁，為降低設備成本，現階段研究人員正在針對旋耕機的結構改良以及以零部件更換代替整機替換進行研究，旋耕機正在向滅茬、深松、碎土、起壟等一系列耕種操作的一體化方向發展。山東奧龍研發出的一款免耕施肥播種機目前已經同時具備了耕地、播種、覆蓋、填壓等功能，該機械的研發成功使得一機多用、聯合作業的實現成為可能[8]。

3.3 高精細度

目前，在我國農業生產過程中應用范圍最為廣泛的橫式旋耕機存在耕深較淺、工作效率較低、運行功率較大等問題，大規模應用橫式旋耕機在一定程度上造成了土壤耕深變淺，土壤所具備的保墑能力有所下降，根系無法充分生長，不但會引發水土流失等生態問題，而且還會使得農作物的產量減少。因此，增加橫式旋耕機的耕深、提高工作效率，提升運行功率已經成為旋耕機的一個發展方向，寬幅、高速、深耕的旋耕機能夠完成高精細度的農業耕種，必將成為旋耕機的發展趨勢。

3.4 適用范圍廣

我國并非所有的耕地都位于方便機械耕種的平原地區，在我國山地、丘陵地區還存在大量耕地。無法在山地、丘陵地區進行機械耕種已經成為阻礙我國農業進一步發展的一大阻力。由于山地、丘陵地區的耕地單塊面積小、分布不集中，且相較于平原地區的耕地耕作環境更為復雜，導致旋耕機尚且無法發揮作用。目前我國一些研究所正在針對能夠適應山地環境的靈活性旋耕機進行研發，1GZ-120旋耕機能夠適應耕地面積較小的山地、丘陵區域，但該旋耕機尚未進行大規模生產與應用，相關人員還在針對該設備的生產與應用進行進一步完善[9]。使用范圍廣已然成為旋耕機眾多發展趨勢中的一個。

3.5 智能化與自動化

隨著我國科學技術水平的不斷提升，已經有很多行業借助互聯網技術、計算機技術等現代化技術實現了智能化與自動化生產。智能化與自動化生產作為農業發展方向的實現需要旋耕機等農業生產設備的推動。目前一些學者已經開始嘗試在現代化技術的加持下，將電子設備與傳感器安裝在旋耕機上，以實現智能化與自動化生產。將PLC控制系統用于農業生產能夠有效檢測到旋耕機的耕深，一旦旋耕機作業過程中的實際耕深沒有達到預設值，上位機會立刻發出相關信號，并實現作業速度與耕種深度的自動化調節[10]。

4 結語

綜上所述，旋耕機還存在生產效率較低、運行功率較大、極易發生故障和破損、纏草頻率高、耕深較淺等主要問題。雖然相關人員圍繞這些問題已經開展了研究，但是還未取得明顯的技術突破。研究工作者還需進一步加強對旋耕機旋刀等重要構件的研究，并加強電子設備與傳感器等智能化設備的應用，提高自動化程度，推動我國農業發展。