孫志全，段潔利，楊洲, 3

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心，廣州市，510642； 2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642； 3. 廣東省山區(qū)特色農(nóng)業(yè)資源保護與精準利用重點實驗室，廣東梅州，514000)

0 引言

土壤耕作就是以機械作用力進行土壤處理，使其產(chǎn)生破碎、切削、翻轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)移，最終達到理想狀態(tài)，以適宜作物生長[1]。2019年，我國共有耕地面積1.33億hm2[2]，耕作動力費按500元/hm2計算，若通過優(yōu)化耕作機具實現(xiàn)降耗1%，則每年可節(jié)省動力費用6.65億元。因此，開展耕作減阻降耗技術(shù)研究是推動我國農(nóng)業(yè)機械化高質(zhì)高效發(fā)展的有效手段，對我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實價值和意義。

旋耕可一次完成耕耙聯(lián)合作業(yè)，有效避免耕作機械多次進地，減少對土壤的壓實，在南方水稻生產(chǎn)機械化和北方的水稻生產(chǎn)、蔬菜種植和旱地滅茬整地作業(yè)中應(yīng)用廣泛[3-4]。由于旋耕在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要地位，旋耕減阻降耗研究成為相關(guān)學(xué)者關(guān)注的熱點[5]。為此，本文簡述了旋耕減阻降耗技術(shù)研究要點，重點介紹了目前國內(nèi)外此方面的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上展望了我國旋耕減阻降耗技術(shù)的發(fā)展方向，旨在為我國高效節(jié)能旋耕機械進一步研究提供參考。

1 旋耕減阻降耗技術(shù)研究要點

1.1 旋耕刀具—土壤相互作用

刀具—土壤相互作用包括土壤對刀具的摩擦、粘附和抗剪作用，是產(chǎn)生耕作耗能的根本原因[1]。刀具的幾何結(jié)構(gòu)是影響土壤對旋耕刀具的抗剪作用的決定性因素，因此，旋耕刀幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究成為旋耕減阻降耗研究的重點方向[6-7]。土壤對刀具的摩擦和粘附作用與刀具表面和土壤性質(zhì)有關(guān)，顯著影響著耕作部件的作業(yè)阻力、功耗和質(zhì)量，是另一個研究重點[8-10]。

1.2 旋耕功耗的影響因素

旋耕是使用旋耕刀將土壤切碎后拋起，高速運行的土壤撞擊到覆土板后破碎，因此旋耕能耗主要有切土能耗和拋土能耗[11]，另外，土壤粘附堵塞在覆土板上時，會產(chǎn)生重復(fù)切土功耗[12-13]。相關(guān)研究表明，旋耕功耗的主要影響因素有旋耕刀輥幾何結(jié)構(gòu)、旋耕刀輥工作方式、旋耕刀輥工作參數(shù)和土壤性質(zhì)參數(shù)[14]。其中，旋耕刀輥幾何參數(shù)包括旋耕刀幾何結(jié)構(gòu)、旋耕輥子幾何結(jié)構(gòu)和旋耕刀排列方式；旋耕刀輥工作方式包括正切、反切和振動旋切；旋耕刀輥工作參數(shù)包括刀輥轉(zhuǎn)速、耕深和前進速度；土壤性質(zhì)參數(shù)包括土壤含水率、土壤堅實度、土質(zhì)等[15]。目前，旋耕刀輥工作參數(shù)優(yōu)化研究已較為成熟，其選取范圍已基本確定，而土壤在不同地域有不同的性質(zhì)，無法統(tǒng)一參數(shù)，因此，現(xiàn)階段旋耕減阻降耗技術(shù)研究主要集中在旋耕刀輥設(shè)計、旋耕工作方式改進和農(nóng)機農(nóng)藝融合這幾個方面[16]。

2 旋耕減阻降耗技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 旋耕刀輥設(shè)計

2.1.1 旋耕刀優(yōu)化

1912年旋耕機雛形在澳大利亞出現(xiàn)，20世紀20年代，美國開始研究動力旋轉(zhuǎn)機具，50年代末，ADAMS等人研究了幾種不同宏觀外形的旋耕刀齒(如圖1)，確定了后來旋耕刀幾何外形的發(fā)展框架，但ADAMS采用的是繪圖表達的方式，沒有建立刀具幾何外形的數(shù)學(xué)表達式，發(fā)展至70年代初Hendrick和Gill對旋耕刀的設(shè)計參數(shù)和工作參數(shù)進行了一系列研究，為旋耕刀優(yōu)化研究奠定了理論基礎(chǔ)[17-18]。20世紀20年代日本從歐美引進旋耕機應(yīng)用于水田，并根據(jù)日本本土田間工況研制出一種切削性能和排草性能兼?zhèn)涞膹澬涡?，結(jié)合長期的理論研究和試驗研究，建立了相應(yīng)的旋耕刀設(shè)計系統(tǒng)理論，使得日本旋耕減阻技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用，其研制的旋耕刀具有優(yōu)越的減阻性能，得到了國際認可[19-20]。同一時期，蘇聯(lián)、歐洲等國家也針對旋耕減阻技術(shù)開展了較深入系統(tǒng)的研究，取得了較豐富的研究成果[21]。國內(nèi)自20世紀50年代引進旋耕機，并開展旋耕技術(shù)相關(guān)研究，顧乾安、丁為民等對旋耕彎刀設(shè)計理論進行了系統(tǒng)深入地研究，為我國旋耕刀切削和減阻性能優(yōu)化設(shè)計做出了巨大貢獻[22-23]。

(a) 鋤形刀齒

旋耕減阻技術(shù)發(fā)展至今，旋耕刀主體外形已基本確定為鑿型、L型和彎型旋耕刀(如圖2)，直條型旋耕刀也偶爾被采用。國內(nèi)應(yīng)用較普遍的是彎型旋耕刀，該類型刀體側(cè)切刃為阿基米德螺旋線，正切刃為空間曲線，兩段刃口間以圓弧線連接[24]，詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a) L型

圖3 旋耕彎刀結(jié)構(gòu)簡圖

基于旋耕刀主體外形基礎(chǔ)，相關(guān)學(xué)者開展了旋耕刀減阻優(yōu)化研究，如郝建軍等[25]基于旋耕刀理論受力模型設(shè)計了一種楔形切削刃的減阻旋耕刀，田間試驗結(jié)果表明，在保證刀身強度的前提下，楔形旋耕刀與國標旋耕刀相比，切削阻力下降10.65%、平均功耗下降9.29%。水田旋耕埋草作業(yè)是水稻種植中的一個重要程序，夏俊芳等[26]突破傳統(tǒng)的旋耕刀設(shè)計理念，研制了一種螺旋橫刀(如圖4)，并對該刀輥進行優(yōu)化，使其工作能耗降低了17.01%。Selvi等[27]設(shè)計了一種Y型旋耕刀(如圖5)，并采用ANSYS軟件對該刀片的三種材料(結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和低碳鋼)的模型進行靜力分析，結(jié)果顯示三種材料的模型均小于其對應(yīng)應(yīng)力極限值，表明該設(shè)計可作為旋耕減阻技術(shù)的一個研究思路。

圖4 螺旋橫刀模型

圖5 Y型旋耕刀

2.1.2 旋耕刀排列方式優(yōu)化

旋耕刀的排列方式不僅決定旋耕機的切土和拋土性能，也影響旋耕機的功耗[28]，其方式常見有單螺旋線、雙螺旋線、星形及對稱排列等，同一旋轉(zhuǎn)平面的刀盤一般為單排設(shè)計[29]。在常見旋耕刀排列設(shè)計的基礎(chǔ)上，一些研究學(xué)者基于不漏耕、不重耕，功耗最小，生產(chǎn)成本最低的設(shè)計原則對旋耕刀排列方式進行改進。徐紅光等[30]參考發(fā)動機氣缸點火順序，基于1GF-170型滅茬旋耕機設(shè)計了新型旋耕刀的排列方式(圖6)，較優(yōu)化前降低了旋耕功耗。鄂智[31]針對反轉(zhuǎn)旋耕刀雙螺旋排列方式進行優(yōu)化，確定了旋耕刀最優(yōu)安裝參數(shù)為50°的安裝相位角和155 mm的旋耕刀旋轉(zhuǎn)面間距(圖7)。

圖6 仿發(fā)動機氣缸點火順序排列方式

圖7 優(yōu)化的雙螺旋排列方式

EDEM仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的旋耕刀輥作業(yè)功耗平均降低了13%。Srivastava等[32]開展了旋耕刀寬度、作業(yè)深度和旋耕刀安裝角對旋耕工作性能影響試驗，結(jié)果表明，旋耕刀輥直徑為15 cm，耕作深度為8.5 cm，安裝角度為30°時，旋耕刀所受的水平力、垂直力和作業(yè)比能耗最小。Ivanov等[33]設(shè)計了一種雙列直刀式旋耕刀盤(如圖8)，土槽試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的刀盤在滿足溝底穩(wěn)定性的條件下，比能耗降低了20%～30%。

圖8 雙列式旋耕刀盤

2.2 仿生減阻

仿生可追溯的年代久遠，如戰(zhàn)國時代魯班模仿茅草葉發(fā)明了我國第一個人類史上第一把木工鋸。但直至1966年仿生才作為一種系統(tǒng)科學(xué)在國內(nèi)提出[34]，1990年陳秉聰院士和任露泉院士等[35]首次將仿生學(xué)應(yīng)用于觸土耕作部件表面減粘脫土研究，為耕作部件減阻降耗研究注入了新的活力，2003年朱鳳武、郭志軍等[36-37]開啟了對洞穴動物足趾結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的靜態(tài)觸土耕作部件仿生減阻研究，拓展了耕作部件仿生研究仿生原型選擇范圍，2009年文立閣[38]以螻蛄開掘爪趾為仿生原型，設(shè)計了一種仿生滅茬刀，開啟了動態(tài)耕作部件幾何結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化研究的序幕。隨后的十余年，在旋耕刀幾何結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方面取得了較大進展，如汲文峰等[39]仿鼴鼠爪趾指甲的幾何外形，郭俊和楊玉婉[40-41]仿鼴鼠前足五個爪趾排列方式，李默[42]仿螳螂前足結(jié)構(gòu)，俞杰[43]仿家兔爪趾幾何外形，齊慧[44]仿螃蟹鱉前足幾何結(jié)構(gòu)等設(shè)計了旋轉(zhuǎn)耕作刀具，并通過試驗驗證了仿生刀具的減阻性能。仿生旋耕刀相關(guān)研究的仿生原型、仿生刀具實物及減阻性能如表1所示[45]。

我國觸土耕作部件仿生減阻降耗研究從仿生表面減粘脫土到仿生幾何結(jié)構(gòu)，已相繼開展了30余年，取得了部分可轉(zhuǎn)化成果。近年來開展的旋耕仿生減阻研究，證明了該理論的可行性，為旋耕減阻優(yōu)化指出了突破當前研究瓶頸的一條路徑。與旋耕刀仿生幾何結(jié)構(gòu)相比，在旋耕刀表面減粘脫土方面的仿生研究進展較為緩慢，雖然仿生起初研究對象是觸土耕作部件表面減粘脫土，但目前針對旋耕刀表面脫土的研究及應(yīng)用則極為少見[46]。與國內(nèi)相比，國外針對耕作部件仿生減阻的研究成果則少見報端，加拿大Chen Ying與我國學(xué)者合作開展了熊爪與土壤間的相互作用研究[47]，此外未見國外其他學(xué)者開展耕作部件仿生減阻方面的研究。

表1 仿生減阻旋耕刀實例

2.3 振動減阻

日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授最早對振動切削進行研究，最先提出了一套系統(tǒng)完整的振動切削理論，為推動各國機械制造領(lǐng)域的發(fā)展做出巨大貢獻[47-49]。隨后，國內(nèi)外相當多的研究學(xué)者開展了振動深松技術(shù)相關(guān)的研究，取得了豐碩的研究成果，并有較好的市場應(yīng)用[50-51]。

伴隨著振動深松技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者將振動作用應(yīng)用于旋耕機械，如張憲等[52]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)振動為正弦波形，頻率為12～20 Hz，振幅為6～12 mm時，平均旋耕扭矩減少超過10%。蔣建東等[53]設(shè)計了一種旋耕刀振動產(chǎn)生機構(gòu)，建立了振動旋耕刀尖的運動方程，結(jié)合人機工程學(xué)，確定了振動頻率范圍為20～50 Hz，仿真試驗研究表明，振動旋耕切削降耗最高達30%。在振動旋耕機專利成果方面，高建民等[54]設(shè)計一種混沌振動擺件，將其對稱安裝在導(dǎo)輥軸兩端，當旋耕刀輥轉(zhuǎn)動時，混沌擺件作無規(guī)則旋轉(zhuǎn)運動，在擺件離心力作用下，旋耕刀輥作無規(guī)則振動旋切。其他專利成果如“一種振動式茶園松土機”“一種土壤旋耕刀片自激振動產(chǎn)生裝置及土壤旋耕刀輥”[55-56]。

振動旋耕減阻的另一個應(yīng)用是將振動作用于旋耕機擋土板上，以減少土壤對擋土板的粘附，避免刀具重復(fù)切削。日本對旋耕機振動擋土板的減粘脫附效果開展了一系列研究，證明了該理論的可行性[57-58]，國內(nèi)也有此技術(shù)相關(guān)的專利成果[59]。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，1970年蘇聯(lián)就已開展振動旋耕機相關(guān)的研究，但截至目前，此方面的研究成果并不豐富，可見振動旋耕減阻降耗技術(shù)的發(fā)展非常緩慢，國內(nèi)的研究仍處于仿真試驗研究和概念設(shè)計階段，還未出現(xiàn)實際試驗的振動旋耕樣機。

2.4 農(nóng)機農(nóng)藝融合減阻

隨著免耕、少耕、秸稈還田等現(xiàn)代農(nóng)藝技術(shù)的發(fā)展，旋耕減阻降耗技術(shù)也逐漸在旋耕碎茬、播種開溝、深松等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，其減阻降耗原理是在耕整土壤滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的條件下，減少機器進地次數(shù)以降低多次作業(yè)總功耗和盡可能減少土壤擾動。在避免機器多次進地的聯(lián)合作業(yè)方面，旋耕常和其他耕作方式相結(jié)合，如犁翻—旋耕、深松—旋耕、滅茬—旋耕、旋耕—播種(或施肥)等，其結(jié)構(gòu)通常是將兩種或以上耕作部件按照一定次序布置合為一體，如1SZL-230GD型鎬式深松滅茬整地聯(lián)合作業(yè)機，主要有滅茬機構(gòu)、深松機構(gòu)和旋耕機構(gòu)組成(如圖9)。此外，一些學(xué)者為簡化聯(lián)合作業(yè)機械結(jié)構(gòu)，降低作業(yè)功耗，研制了多功能耕作部件，如賈洪雷等[60]設(shè)計了一種可同時完成旋耕和碎茬兩種作業(yè)的旋耕—碎茬通用刀片，分析了該刀體的回轉(zhuǎn)半徑、彎折角、正切面刃角、滑切角、彎曲半徑、單刀切削幅寬和刃厚，結(jié)合土槽試驗結(jié)果確定了刀片最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的通用刀片單位幅寬功耗小于國際旋耕刀。

圖9 1SZL-230GD滅茬深松旋耕聯(lián)合整地機

在減少土壤擾動方面，Yang等[61]結(jié)合小麥播種農(nóng)藝要求，研究了一種用于條耕播種的組合旋耕刀刀盤，在滿足播種溝溝形參數(shù)和種床土壤狀態(tài)要求的條件下，避免全耕土壤，減少土壤擾動，降低了耕種作業(yè)能耗。同Yang，Matin等[62]提出了一種以條耕代替全耕的作業(yè)方式，設(shè)計了相適配的直型旋耕刀，土槽試驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速在375～500 r/min時，直型旋耕刀比能耗小于通用旋耕刀和半寬旋耕刀，節(jié)能率最高達25%。旋耕也可應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，Harrison[63]為清除林地有機垃圾，研制了一種立式半橢圓形立式旋耕刀(如圖10)，該刀具能以最小的土壤擾動量清除土壤中的有機物垃圾和腐殖質(zhì)，漏出礦質(zhì)土壤層，為新林木種植提供良好條件。

圖10 半橢圓形立式旋耕刀

不漏耕是耕作農(nóng)藝中的一個基本要求，但常用的中間傳動旋耕機作業(yè)時卻無法避免產(chǎn)生漏耕現(xiàn)象，常用的解決方式是在中間傳動箱下方安裝鋤鏟來消除漏耕帶，但鋤鏟工作阻力大、磨損嚴重、漏耕帶消除不徹底。相關(guān)學(xué)者嘗試了不同設(shè)計方案，以解決漏耕問題，如高建民等[64]設(shè)計了一種斜置潛土旋耕機(如圖11)，旋耕刀旋轉(zhuǎn)面與機組前進方向有一定夾角，再通過合理的排列旋耕刀從而避免漏耕，田間試驗表明，該旋耕機能夠滿足耕作農(nóng)藝要求，且與傳統(tǒng)旋耕機相比降低了耕作能耗。

圖11 斜置潛土旋耕機

農(nóng)機農(nóng)藝融合的理念已經(jīng)提出多年，但從目前研究現(xiàn)狀來看，我國農(nóng)機農(nóng)藝融合并未取得較大進展。分析其原因可能是以下三個方面：(1)農(nóng)藝和農(nóng)機分屬不同學(xué)科，學(xué)科交叉融合對研究人員學(xué)術(shù)背景、經(jīng)歷要求較高；(2)長期以來，農(nóng)民是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一線人員，農(nóng)藝技術(shù)往往是廣大農(nóng)民群眾不斷實踐積累起來的，由于各種條件限制，這些技術(shù)未形成可保存和傳遞的系統(tǒng)理論文獻；(3)是農(nóng)機要依據(jù)農(nóng)藝要求來設(shè)計，還是農(nóng)藝生產(chǎn)技術(shù)要根據(jù)農(nóng)機來制定，或是兩學(xué)科研究人員合作制定統(tǒng)一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標準，目前尚未形成共識。

3 旋耕減阻降耗技術(shù)研究展望

旋耕刀輥工作參數(shù)對功耗影響的理論和研究方法較為成熟，已達到瓶頸階段，若要取得旋耕減阻技術(shù)研究的突破性進展，需深入到微觀層面，探索刀具與土壤的微觀作用規(guī)律，并進行多學(xué)科交叉融合，突破旋耕刀設(shè)計思路局限，結(jié)合數(shù)值模擬研究和實際試驗研究，借助現(xiàn)代檢測技術(shù)，揭示旋切時刀具—土壤的相互作用機理，建立適于我國不同地域和作物的旋耕刀設(shè)計理論體系，從而促進我國旋耕減阻技術(shù)快速發(fā)展。

3.1 完善我國旋耕刀具設(shè)計的系統(tǒng)理論

我國地域遼闊，不同地域的土質(zhì)、田間環(huán)境不同，而一種旋耕刀不可能在各種作業(yè)條件下都具有較好的性能，因此，需要建立旋耕刀設(shè)計的系統(tǒng)理論，以避免旋耕刀設(shè)計與選型無據(jù)可依或依據(jù)太少。為突破旋耕刀的設(shè)計局限，豐富旋耕刀設(shè)計理論體系，可關(guān)注仿生、振動和農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，具體為：(1)在仿生方面，不僅要仿生動物趾爪的幾何結(jié)構(gòu)，也要仿生這些動物挖掘土壤時足趾的運動規(guī)律，另外，在減粘脫附減阻方面，仿生善于在泥土中運動的生物表皮層幾何、化學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)；(2)在振動減阻方面，需將概念轉(zhuǎn)化為實物，研制振動旋耕機械樣機，獲取有效的試驗數(shù)據(jù)；(3)在農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合方面，需考慮不同地域和作物農(nóng)藝要求，有針對性的設(shè)計旋耕部件，降低研究成本。

3.2 增強模擬試驗和實際試驗的相互印證

在旋耕減阻降耗技術(shù)研究中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，其優(yōu)勢在于節(jié)省時間、資金、人工等成本，能夠?qū)Φ毒咔邢鬟^程中的動力學(xué)和運動學(xué)進行精細化、可視化分析。但仿真模型不等同于實物，僅僅依靠數(shù)值模擬的研究成果，無法滿足實際生產(chǎn)需求。因此，數(shù)值模擬和實際試驗要互相印證，仿真數(shù)據(jù)為旋耕刀設(shè)計提供參考，實際試驗結(jié)果為仿真模型的修正提供依據(jù)，不斷提高數(shù)值模擬結(jié)果的準確性和實物模型設(shè)計的有效性與實用性，兩者相互促進，相得益彰。

3.3 開發(fā)應(yīng)用于旋耕刀微觀受力及變形檢測的儀器和測試平臺

刀具所受的微觀力及變形則是反映土壤對旋耕刀具作用的直接表現(xiàn)，宏觀力研究可為旋耕刀輥工作參數(shù)優(yōu)化和旋耕刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，微觀作用的研究可用于優(yōu)化旋耕刀微小局部結(jié)構(gòu)，探索高效節(jié)能的切土破碎方式，以降低旋耕刀單位工作長度的切土阻力?；诠I(yè)領(lǐng)域中較為成熟的檢測技術(shù)，開發(fā)旋耕刀微觀受力與變形研究的專用傳感器和測試平臺，探索在土壤摩擦、粘附和抗剪作用下動態(tài)旋切刀具局部的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)，揭示旋切刀具—土壤相互作用機理，為設(shè)計高效減阻降耗旋耕刀和開發(fā)減粘脫附表面工程的新理論、新技術(shù)、新材料提供基礎(chǔ)條件。

4 結(jié)論

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者經(jīng)過長期的研究探索，部分揭示了旋耕刀具—土壤相互作用機理，確定了旋耕功耗主要影響因素，并對這些因素的參數(shù)優(yōu)化開展了大量研究，推動了旋耕減阻降耗技術(shù)的快速發(fā)展。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該技術(shù)研究目前存在一些問題，即大多數(shù)研究是針對旋耕刀輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，而在仿生減阻和振動減阻方面的研究卻很少且不深入，此外，農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合減阻的理念在理論研究和實際應(yīng)用中并未得到廣泛實施。為突破旋耕減阻降耗技術(shù)的研究瓶頸，研制適用于我國國情的旋耕機械，本文建議進一步完善我國旋耕刀具設(shè)計的理論體系，加強現(xiàn)代計算機技術(shù)和測試技術(shù)在數(shù)值模擬和旋耕切削微觀力學(xué)研究方面的應(yīng)用，從而為我國旋耕機械高質(zhì)高效的發(fā)展奠定一定的條件。