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(yè)大學(xué)，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(nóng)業(yè)設(shè)備，由于該設(shè)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(tài)，而且還能有效切碎殘留在土壤中的枯根，因而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)耕種中?，F(xiàn)階段，我國已經(jīng)研發(fā)出來的能夠用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(gòu)件有刀軸、刀片、傳動系統(tǒng)、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(qū)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(cè)邊傳動兩種。前者的傳動結(jié)構(gòu)相較于后者更加穩(wěn)定，受力基本能夠保持在平衡狀態(tài)下，但是由于整機機構(gòu)對稱性較差，導(dǎo)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(jīng)常會出現(xiàn)漏耕問題；后者雖然不存在漏耕問題，但是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，受力長期處于不平衡狀態(tài)下，旋耕機使用壽命較短。

橫式旋耕機的旋轉(zhuǎn)方式有正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)兩種，在運行過程中，刀輥和機具的方向一致為正轉(zhuǎn)，二者方向相反則為反轉(zhuǎn)。以正轉(zhuǎn)形式運行的旋耕機，具有良好的土壤破碎效果；以反轉(zhuǎn)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(dāng)這種情況出現(xiàn)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(nóng)作物的根系無法充分發(fā)育。

1.2 立式旋耕機

立式旋耕機的主要構(gòu)件有箱體、傳動系統(tǒng)、變速箱、旋耕刀等，刀軸處于豎直向下狀態(tài)，因為耕深較深，不存在橫式旋耕機由于耕深不足而導(dǎo)致農(nóng)作物根系無法充分發(fā)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(qū)動力則會通過拖拉機傳出經(jīng)由萬向節(jié)到達(dá)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(xiàn)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(zhuǎn)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(wěn)。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(yè)區(qū)域內(nèi)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(yè)區(qū)的土壤切削工作，有效避免了漏耕問題的出現(xiàn)，但是會導(dǎo)致土壤的破碎程度出現(xiàn)一定差異。因為相鄰旋刀土壤切削區(qū)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(yè)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(gòu)件有刀軸、刀片、傳動系統(tǒng)、機架等。斜置式旋耕機的刀輥處于水平斜置狀態(tài)，當(dāng)處于運行狀態(tài)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的橫式旋耕機，加之運作過程中還存在斜置角，導(dǎo)致斜置式旋耕機的剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橫式旋耕機。

2 旋耕機研發(fā)過程及現(xiàn)狀

2.1 旋耕機的研發(fā)過程

我國針對旋耕機開展相關(guān)研究始于20世紀(jì)50年代，彼時的旋耕機在結(jié)構(gòu)上比較簡單，需要和手扶拖拉機共同使用才能發(fā)揮作用，應(yīng)用范圍較小，稍晚一些研發(fā)出的旋耕機能夠和四輪拖拉機共同使用，在當(dāng)時也未得到廣泛應(yīng)用。1980年以后，我國旋耕機制造技術(shù)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[3]。進入21世紀(jì)，旋耕機開始向復(fù)式作業(yè)方向發(fā)展，旋耕機開始具備了整平、鎮(zhèn)壓等重要功能，并且隨著我國制造技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中得到了應(yīng)用。從現(xiàn)階段我國對旋耕機的應(yīng)用來看，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中橫式旋耕機的應(yīng)用范圍最廣，立式旋耕機次之，而斜置式旋耕機應(yīng)用范圍極小，尚處于試驗與研發(fā)階段。

從整體上看，目前我國旋耕機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)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(nóng)業(yè)發(fā)展要求；其次，故障出現(xiàn)頻率較高，故障主要體現(xiàn)在刀軸會在旋耕機作用過程中發(fā)生不同程度的損壞，這不利于我國高效現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實現(xiàn)。

2.2 旋耕機的研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 橫式旋耕機的現(xiàn)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(xué)者針對旋耕機存在纏草問題的產(chǎn)生機理進行了研究，相關(guān)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(tài)的受力以及力矩的分布情況進行了科學(xué)分析，并將通過仿真實驗得到的理論數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，得出橫式旋耕機的受力大小與旋耕機的轉(zhuǎn)速之間存在正比關(guān)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(fā)現(xiàn)，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(xué)者針對如何減少橫式旋耕機纏草情況的發(fā)生展開了研究。相關(guān)人員通過將橫式旋耕機的作業(yè)方式改裝為雙軸刀輥旋耕作業(yè)，降低了纏草問題的發(fā)生頻率。在運行過程中位于前軸的刀輥能夠?qū)⒉萸兴?，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(xiàn)階段研究成果

使用壽命短、運行過程中穩(wěn)定性較差是立式旋耕機的主要缺陷，近年來，相關(guān)研究人員針對立式旋耕機的使用壽命延長以及作業(yè)平穩(wěn)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(guān)研究人員借助對旋刀的運動學(xué)分析，認(rèn)為立式旋耕機的運行速度只會對土壤的破碎效果產(chǎn)生影響而不會造成旋耕機耕深的變化。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員針對旋刀的不同安裝方式對其作業(yè)狀態(tài)下的影響進行了仿真模擬。實驗發(fā)現(xiàn)，使用一正一反平衡安裝能夠使得其工作狀態(tài)更加平穩(wěn)，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(yè)狀態(tài)下的平穩(wěn)性展開研究。相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)立式旋耕機刀片的排列和刀片的內(nèi)折彎角與旋耕機的平穩(wěn)性關(guān)系密切，因而通過反復(fù)調(diào)整排列方式與內(nèi)折彎角，提高了立式旋耕機作業(yè)狀態(tài)下的平穩(wěn)性。如果內(nèi)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(dǎo)致旋耕機平穩(wěn)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(wěn)運行。

2.2.3 斜置式旋耕機的現(xiàn)階段研究成果

自斜置旋耕的概念是在我國首次出現(xiàn)的，20世紀(jì)末期，我國蘇州大學(xué)與蘇州理工大學(xué)的一些學(xué)者針對斜置式旋耕機的相關(guān)理論與機械設(shè)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(tài)。

2000年左右我國一些學(xué)者研究出了一種斜置旋耕的試驗裝置，并開展了相關(guān)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(tài)進行了受力情況的分析，以及設(shè)備的工作功率受設(shè)備的前行速率、刀輥轉(zhuǎn)動速率等條件的影響的分析[5]。斜置式旋耕機的相關(guān)問題還有待進一步研究，較低的工作功率符合我國綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，因此斜置式旋耕機具有良好的發(fā)展前景以及較高的研究價值。

3 旋耕機發(fā)展趨勢

3.1 節(jié)能化

綠色農(nóng)業(yè)一直是我國農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升，很多研究人員投向了對旋耕機節(jié)能技術(shù)的研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，旋耕機的節(jié)能性與旋刀存在較大聯(lián)系，優(yōu)化旋刀設(shè)計，調(diào)整刀片的排列方式能夠提升旋耕機的節(jié)能性能。但是，在旋刀與刀片的優(yōu)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(lǐng)域呈現(xiàn)出了新材料、新工藝研發(fā)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(jié)能技術(shù)的發(fā)展。另一方面，我國現(xiàn)階段對耕深節(jié)能技術(shù)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(nèi)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(nóng)作物產(chǎn)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(fā)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械的損壞率與更換率較高，不利于節(jié)能減排和碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)[6-7]。

3.2 聯(lián)合作業(yè)

應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旋耕機的機械更換頻率較高，機械在作業(yè)過程中損壞較為頻繁，為降低設(shè)備成本，現(xiàn)階段研究人員正在針對旋耕機的結(jié)構(gòu)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(fā)展。山東奧龍研發(fā)出的一款免耕施肥播種機目前已經(jīng)同時具備了耕地、播種、覆蓋、填壓等功能，該機械的研發(fā)成功使得一機多用、聯(lián)合作業(yè)的實現(xiàn)成為可能[8]。

3.3 高精細(xì)度

目前，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)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(guī)模應(yīng)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(fā)水土流失等生態(tài)問題，而且還會使得農(nóng)作物的產(chǎn)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(jīng)成為旋耕機的一個發(fā)展方向，寬幅、高速、深耕的旋耕機能夠完成高精細(xì)度的農(nóng)業(yè)耕種，必將成為旋耕機的發(fā)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(qū)，在我國山地、丘陵地區(qū)還存在大量耕地。無法在山地、丘陵地區(qū)進行機械耕種已經(jīng)成為阻礙我國農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展的一大阻力。由于山地、丘陵地區(qū)的耕地單塊面積小、分布不集中，且相較于平原地區(qū)的耕地耕作環(huán)境更為復(fù)雜，導(dǎo)致旋耕機尚且無法發(fā)揮作用。目前我國一些研究所正在針對能夠適應(yīng)山地環(huán)境的靈活性旋耕機進行研發(fā)，1GZ-120旋耕機能夠適應(yīng)耕地面積較小的山地、丘陵區(qū)域，但該旋耕機尚未進行大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，相關(guān)人員還在針對該設(shè)備的生產(chǎn)與應(yīng)用進行進一步完善[9]。使用范圍廣已然成為旋耕機眾多發(fā)展趨勢中的一個。

3.5 智能化與自動化

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，已經(jīng)有很多行業(yè)借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)實現(xiàn)了智能化與自動化生產(chǎn)。智能化與自動化生產(chǎn)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的實現(xiàn)需要旋耕機等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的推動。目前一些學(xué)者已經(jīng)開始嘗試在現(xiàn)代化技術(shù)的加持下，將電子設(shè)備與傳感器安裝在旋耕機上，以實現(xiàn)智能化與自動化生產(chǎn)。將PLC控制系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠有效檢測到旋耕機的耕深，一旦旋耕機作業(yè)過程中的實際耕深沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值，上位機會立刻發(fā)出相關(guān)信號，并實現(xiàn)作業(yè)速度與耕種深度的自動化調(diào)節(jié)[10]。

4 結(jié)語

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