农业机械触土部件优化研究现状与展望

贾洪雷 王万鹏 陈 志 郑铁志 张 鹏 庄 健

(1．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130025;2．吉林大学生物与农业工程学院，长春130025; 3．中国农业机械工业协会，北京100083;4．吉林省农业机械化管理中心，长春130022; 5．雷沃重工股份有限公司，潍坊261206)

农业机械触土部件优化研究现状与展望

贾洪雷1，2王万鹏1，2陈 志2，3郑铁志4张 鹏5庄 健1，2

(1．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130025;2．吉林大学生物与农业工程学院，长春130025; 3．中国农业机械工业协会，北京100083;4．吉林省农业机械化管理中心，长春130022; 5．雷沃重工股份有限公司，潍坊261206)

简述了农业机械触土部件的发展及现状，归纳了可提升触土部件减阻降耗、减粘脱附和耐磨延寿等性能的诸多优化设计方法，明确了土壤性状与触土部件结构或材料之间的互作关系，提出触土部件材料的优化制造工艺，分析了仿生等先进设计方法在触土部件上的应用前景，最后总结了触土部件设计、加工等方法对现代农业机械性能的保障性作用，并对未来触土部件的研究趋势和发展方向进行了展望。

农业机械;触土部件;优化设计

引言

农业生产工具的发明、改进、发展与人类社会的发展有着密切的关系，如犁耕技术的传播与应用极大地促进了人类的迁徙、社会的发展和人口的增加［1－2］，而农业机械的出现和发展极大地推动了农业的发展和人类文明的进步。农业机械在不同的作业过程中需构建不同的土壤结构，其中土壤耕作部件起到了至关重要的作用。

土壤耕作部件是指通过特定的触土部件与土壤发生机械作用，使与其接触的土壤产生破碎、切削、翻转或移动等效果，统称各类触土部件为土壤耕作部件［3－5］，农业机械在作业过程中会产生大量能耗，而大部分能耗来自于克服土壤耕作部件作业时产生的阻力［6－7］，作业时，土壤耕作部件受土壤颗粒的冲击将导致磨损和断裂失效，使土壤耕作部件的使用寿命缩短，将直接使农业机械的生产成本变高［3，8－10］。而随着现代农业机械向着大型化、复合化方向发展，对触土部件的各项性能提出了越来越高的要求，这使得农业机械触土部件的优化设计技术和方法成为该领域研究的重要前沿和热点之一。

随着现代农业机械的专业化程度进一步提升，触土部件种类不断增多，但在实际作业过程中普遍存在阻力大、能耗高、粘附和磨损严重、作业效果与农艺要求不匹配等问题［3，10－11］，如土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上［12－13］，耕整机械能耗增加30% ～50%［14－15］，播种机械出苗率降低5% ～10%，而不同部件对于性能优化的需求各不相同，因此，本文分析触土部件的种类和性能需求，总结不同性能的优化设计方法，展望触土部件研究发展趋势，为提高我国触土部件研究水平、提高现代农业装备性能和效益提供参考。

1 触土部件分类与性能优化需求

现代农业的机械化作业过程中，作物的种植一般包括播前耕整地、播种、田间管理和收获等环节，而大部分的触土部件应用于其中前3个作业环节中，如播前耕整地用犁、耙、旋耕和镇压等部件，播种作业用开沟、覆土整形和镇压等部件，田间管理用深松、培土等部件［16］。不同部件的结构、作业方式各不相同，因此对其进行性能优化的方向也不相同，如犁和深松铲等部件作业阻力大、能耗高［6，17－19］，减阻降耗就成为其重要的优化研究方向［20－23］，表1所示为几种主要触土部件的性能特点及其对性能优化的要求。

目前，发达国家在农机触土部件的设计过程中，均充分考虑到机具的结构、功能和农艺要求、土壤性状等因素，并通过结合材料成分与优化加工工艺，来保证触土部件的各项性能指标符合作业要求，同时也实现了部件生产企业的专业化生产，产生了许多国际知名的专业触土部件生产商，如西班牙贝洛塔公司，其生产的耙片、犁尖、犁壁、圆盘开沟器等部件，为雷肯、库恩、约翰-迪尔、格兰等企业生产的机具配套，显著提高了产品的附加值［30］。

而我国目前农机触土部件生产企业大多数规模较小，产业集中度低，技术实力和加工能力相对薄弱，在高精度成型、高强耐磨材料热处理等方面存在问题［32］，因而导致我国农机触土部件性能、使用寿命和作业质量与国际先进水平仍存在差距，难以满足我国现代农业机械发展的需要。

2 部件-土壤相互作用研究与减阻减粘结构设计方法

由于触土部件作业产生的阻力消耗了大量的动力和能源，因此减阻始终是土壤耕作部件设计领域的首要目标。研究表明，在耕作过程中，土壤对触土部件产生的作用力主要有土壤变形所产生的反作用力和摩擦力，同时受土壤剪切强度、土壤内聚力、土壤内摩擦角和外摩擦角等因素影响［33－36］。此外土壤与部件之间的粘附作用显著影响着部件的作业阻力、功耗和质量，由于影响土壤粘附的因素众多，许多科研工作者从不同角度提出了不同的理论和学说以解释和说明土壤粘附的现象与规律，如毛细管理论［12，37－38］、五层界面理论［39］、合力理论［12，40］、分子电荷理论以及粘附界面的分子模型理论［41］，但大多数为基于Fountaine的水膜张力理论，这是因为在耕作过程中，土壤和触土部件表面的粘附与界面水膜的状况呈现出密切的关系［42］。

土壤存在着成分复杂、内部成分和结构不均匀、不同成分与部件接触特性存在显著差异、不同水分温度条件对土壤特性影响显著等问题［43－45］，同时现有土壤-部件作用关系理论依然存在着制约因素多，计算过程繁复，而导致模拟仿真计算量大、结果可靠性较差等问题［46－50］。因此需要针对不同的部件和作业条件，建立更为简洁和准确的计算模型，借助快速提升的超级计算机的运算能力，提高部件-土壤关系分析的效率和准确性，为部件的优化设计提供基础。

国内外研究者对触土耕作部件与土壤的相互作用关系进行了相关研究，并建立了相关的模型，同时利用模型对触土耕作部件的结构参数进行分析和优化，如圆盘犁的牵引力和功率计算预测模型［51－52］;铧式犁牵引力预测模型［53］;犁体结构参数优化方法［54］;利用有限元非线性分析法对碎土辊耙齿进行强度和刚度分析，并进行结构优化设计［55］;基于切土、拋土和转运对动力消耗影响的旋耕刀分析模型及优化设计方法［56］;采用离散元法研究开沟器的工作过程及工作阻力，为开沟器的研究和优化设计提供了一种新方法［57］;分析深松铲翼张角、刃角、翼倾角与观测指标牵引阻力之间的数学模型，为深松铲的优化设计提供参考依据［58］;通过建立立柱式深松铲受力数学模型进行深松铲结构优化设计［59］。在上述研究的基础上，国内外研究者对触土部件进行了有针对性的结构优化设计。

表1 主要触土部件的性能特点及其对性能优化的要求Tab．1 Performance characteristics of soil-engaging com ponents and requirement for performance optim ization

随着数值模拟技术和方法的发展，国内外研究者针对不同作业环节和土壤条件，进行了触土部件结构的优化设计与分析，如应用EDEM软件进行深松铲性能分析，检验了破土刃切削刃角θ与滑切角φ最优效果设计的折线破土刃深松铲［17］，以及采用ANSYS/LS-DYNA分析和优化设计得到的复合形态深松铲［60］;运用DEM分析土壤和旋耕刀作用下秸秆的微观运动行为，为秸秆处理机械中旋耕刀的设计与优化提供理论依据［61］;在ANSYS/LS-DYNA软件中完成犁体耕作过程的动力学模拟仿真，表明在与土体-犁体接触点垂直的平面内，体位移以与犁体接触点为中心呈环带状向四周逐渐减小［62］;采用ANSYS软件对免耕播种机缺口圆盘刀进行了有限元静强度分析，得到刀片的应力分布图，为缺口圆盘刀的设计和优化提供了理论依据［63］。

在模拟仿真研究的基础上，国内外研究者通过理论分析、结构设计和试验验证的方法，进行了不同触土部件的减阻减粘结构设计，如经检验振动法减粘降阻的装置试验，当土壤含水率为38.7%，振动率在60～100 Hz之间时，板上土壤分离的效果最明显［64］;如由驱动圆盘犁和铧式犁组合而成的组合式左翻驱动圆盘犁，入土力矩显著增大，实现了减阻的效果［65］;通过田间试验，对深松铲受力数学模型进行试验验证，实现了对深松铲结构参数的优化，降低了作业阻力［59］;综合深松铲对土壤扰动疏松效果、牵引阻力及沟形面积比阻分析，入土角α为21°的凿形铲是相对最优的铲形［66］;基于星形耙片的曲面和星齿刃口曲线的几何参数对作业质量及作用力的影响关系，对耙片结构参数进行优化［67］;利用TRIZ冲突矩阵建立的犁壁减粘脱附结构优化设计方法［68］等，均能够有效降低触土部件在特定条件下的作业阻力或土壤粘附，提高部件的作业质量和效率，优化性能指标。

研究者通过对触土部件与土壤之间关系的研究及对现有触土部件机构的不断优化，使得触土部件在减阻减粘结构的设计方面取得了显著的效果，与此同时研究者也开始将仿生结构设计等新型设计方法应用于触土部件的结构设计，同样取得了良好的效果。

3 触土部件仿生设计方法

土壤动物是土壤中生存的各种动物的总称，土壤动物在亿万年的进化过程中，进化出大量适应地下生活，能够降低挖掘阻力、土壤粘附和运动磨损的多尺度结构，为与土壤作用的触土部件的减阻、减粘和耐磨结构设计提供了天然的摹本和高效的优化设计途径，如基于蜣螂体表结构设计的仿生犁壁，能够实现减粘脱附性能［69－70］，通过方鼹鼠爪趾结构曲线连接碎茬刀和旋耕刀刃口曲线研制的仿生旋耕碎茬通用刀片［71］，在作业时刀片扭矩和机器振动显著降低;通过模仿蚯蚓结构和运动行为设计的仿生开沟器［72］和镇压辊仿生减粘脱附结构［73］，均可减少触土部件表面土壤粘附;基于黄鼠、小家鼠爪趾结构设计的可降低深松作业阻力的仿生深松铲柄［74］和铲柄破土刃口结构［75］等，在减阻、减粘脱附等性能优化方面取得了良好的应用效果。

表2是一些具有代表性的触土部件仿生结构设计实例。

我国触土部件的仿生结构设计已取得一系列创新性成果，成为国际仿生学研究的重要分支之一。但目前随着农业机械化作业速度、精度的快速提升，单纯依靠对土壤动物器官分析和模仿进行触土部件结构优化设计的方法也已经不能完全满足实际应用的需求，因此，在之后的研究中需要针对触土部件的使用环境进行生物原型的选择和分析，以提高仿生结构设计的可靠性;在仿生结构设计的同时，对土壤动物的运动学特性进行深入的分析，研究其运动对减阻、耐磨、减粘等特性的影响规律和作用机理，并将这些运动特征引入触土部件机构设计中，实现触土部件性能的动态优化，进一步提高部件性能。

4 触土部件新材料与新工艺应用技术

触土部件在耕作过程中，会受到土壤颗粒的冲击，导致磨损、断裂等形式的失效，为了提高耕作部件的性能和寿命，研究人员一直在努力优化触土部件的材料性能和加工工艺，如采用白口铸铁加工的阳城犁镜就是其中的杰出代表［81－82］。但随着现代农业装备作业速度和强度的快速提升，对触土部件的硬度、强度和韧性均提出了更高的要求，而同步提高的硬度和韧性也正是材料学领域的重大难题之一，为此国内外研究人员分别从材料自身和工艺方法等方面开展研究，提高了触土部件的性能。

绝大部分的触土部件是由钢铁材料制造的，而面对触土部件对硬度、强度和韧性的较高要求，生产触土部件所采用的钢铁材料也逐步由铸铁材料向合金钢材料发展，其中应用最为广泛的是65Mn钢，通过采用合理的热处理工艺，可以在保证其强度和韧性的前提下，有效提高其应变硬化指数，使部件表面在作业过程中形成硬化层，有效提高耐磨性［83－85］。近年来随着冶炼、加工和热处理技术的发展，硼钢越来越多地应用在触土部件的生产领域，如西班牙贝洛塔公司采用28MnB5钢加工的触土部件，表面硬度可达48～52 HRC，兼具优良的韧性和硬度［86－88］。表3是65Mn钢和28MnB5钢的主要成分、热处理工艺和主要性能。

表2 触土部件仿生结构设计实例Tab．2 Structuralbionicdesignexamplesofsoil-engagingcomponents

表3 65Mn钢和28MnB5钢Tab．3 Comparativeof65Mnand28MnB5

但具有较高强度的硼钢材料在生产、加工和热处理等环节还存在较大技术难度，尤其是目前我国企业尚无法保证硼钢材料加工的触土部件在热处理后的结构精度，这也成为制约这些材料应用的瓶颈。

为了保证触土部件耐磨、减粘等性能，同时保证其结构强度和韧性，研究者采用多种工艺方法在韧性材料表面构建具有不同结构的功能性结构，成为触土部件优化性能和提高使用寿命的重要途径，如在触土部件表面通过熔覆、粘接等方式添加高硬度的合金或陶瓷涂层，以提高部件的耐磨性和使用寿命，同时保证部件的机械强度和韧性［89－93］;通过合理的热处理或铸造方法，形成材料结构和性能的梯度分布，提高部件表面的硬度和耐磨性，保证部件的结构强度和韧性［94］，通过涂覆高分子涂层减少土壤在触土部件表面的粘附，提高材料微观粗糙度与接触角等方法，提高作业质量［79，95－97］。这些方法的应用显著提高了部件的性能、作业质量和作业效率，降低了部件的使用成本。

如犁壁表面的仿生涂层结构可降低土壤的粘附［80，98－99］;通过研究犁壁表面磨损特性研发的激光表面雕刻方法，可降低犁壁磨损造成的损失［100－101］;在旋耕片表面采用高速氧燃料喷涂WC/Co复合涂层、采用等离子喷涂Al2O3涂层，旋耕刀片磨损速率显著降低，而等离子喷涂Al2O3刀片的磨损速率几乎未变［102］;利用热喷涂技术在旋耕刀具表面喷涂WC-Co-Cr、Cr3C2NiCr和Stellite-21 3种涂层，喷涂涂层对刀具的磨损率有明显的改观，WC-Co-Cr涂层具有优异的耐磨性能［103］;在30MnB5钢制成的犁头表面分别电镀20μm硬铬层、化学镀20μm的镍涂层以及物理气相沉积4μm的TiN涂层，并在砂质粘壤土中进行耐磨损试验，结果表明，TiN涂层的耐磨性能优于硬铬层和镍涂层［104］;采用火焰熔覆［105－106］或激光熔覆［107－109］在65Mn等钢基体上制备了金属基或陶瓷基耐磨涂层结构，可有效提高犁体耐磨性和使用寿命。几种触土部件表面处理方法及应用如表4所示。

表4 触土部件表面处理方法Tab．4 Surface pre-treatments of soil-engaging com ponents

现代农业对农机装备的要求已不仅局限于高效低耗地完成各个作业环节，还需要作业后的地表环境与农艺要求相匹配，这就需要农机触土部件结构和作业方式与农艺要求实现紧密的融合，同时，我国种植农业存在多区域、多熟制和多品种的特点，这也要求触土部件在实现基本功能的前提下，需要针对不同的环境条件实现一定的适应性。

以耕整地用镇压装置为例，不同的土壤条件、作物品种和种植模式，对播前种床土壤的要求各不相同，需要具有不同结构和功能的镇压装置进行作业，镇压器有V型镇压器、网环形结构镇压器、圆筒形镇压器等，而针对不同的工作环境、土壤构成、地表平整度，有不同类型的镇压器，如防风喷雾镇压器、双面牙嵌型镇压器、直面风扇型镇压器、菊型镇压器、AqueelⅡ型镇压器和仿形镇压器等［110－112］，表5为几种常用镇压器主要适用耕作环境或与之配套用的机具。

表5 镇压装置Tab．5 Press-device

5 触土部件与农艺融合设计方法

此外，国内外研究者还针对不同作物和不同农艺要求开展了如开沟、镇压、覆土整形、松土等部件的针对性结构设计与优化，如针对大豆种子结构和种植模式设计的双V型筑沟器［113－114］和仿形弹性镇压辊［115－117］，针对不同作物、种植模式和土壤条件设计的镇压装置可保证播种作业过程中的镇压效果［118］;针对免耕条件下开沟作业易缠绕堵塞等问题设计的组合式开沟器、缺口圆盘开沟器［119－124］等，保证了免耕播种等保护性耕作技术的发展和推广;为改善种床质量、提高播种分布直线性及播深一致性，设计了仿形滑刀式开沟器［125－127］;为使覆土器能够较好地完成覆土作业，达到理想的覆土效果，同时尽量减少种子触土后的位移而设计双圆盘式覆土器［128］;根据土壤墒情和不同作物镇压力需求不同的农艺要求随时调节镇压力的可变力苗带镇压器等［129］;针对保护性工作时秸秆粉碎效果的农艺要求设计的V-L型秸秆粉碎还田刀片，延长了刀片的使用寿命、提高了秸秆粉碎效果和作业效率［130］;在固定垄保护性耕作农艺要求条件下，对松垄割刀理论受力、作业油耗、土壤体积含水率增量性能指标进行评价，确定使用V型松垄割刀作业的综合效益最高［131］。表6为与农艺相配套设计的触土部件。

表6 与农艺相配套的触土部件结构设计Tab．6 Structural design of soil-engaging componentsmatch the agronomy

6 展望

综上可见，随着科技的进步和工业的发展，农业生产需要功能更多、效率更高、生产成本更低的农业机械，而触土部件在保证和提升农业机械性能方面发挥着极为重要的作用，研究者通过研究土壤-部件相互作用关系，采用计算机模拟仿真、材料优化设计、仿生设计等方法，对触土部件进行了多方面的优化设计，降低了部件的作业阻力、磨损、粘附和作业成本，提升了部件的作业效率、作业质量和使用寿命，满足了农艺对农机和触土部件的需求。

但同时，触土部件的优化并没有完全满足农机发展的需求，尤其在我国存在着多地域、多作物和多熟制的农业生产国情，触土部件的优化设计面临更大的难度和挑战，因此对我国农机触土部件优化设计提出以下展望:

(1)针对我国不同地区土壤特性、作物品种、种植模式等差异，研究明确不同土壤-作物-部件间的互作关系，为触土部件针对性优化设计提供理论基础。

(2)充分发挥多学科交叉研究优势，依靠具有技术优势的龙头企业和院校，攻克硼钢等关键材料的冶炼、加工和热处理工艺等技术瓶颈，保证触土部件材料性能。

(3)在传统优化设计方法基础上，充分发挥计算机模拟仿真、仿生结构设计和表面处理技术等研究设计和加工方法的优势，开展农机触土部件高效优化设计和加工。

(4)针对不同地域、作物和农艺要求开展触土部件优化设计，通过农机与农艺的紧密融合，进一步提高触土部件作业质量和效益。

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129 王景立．精密播种机覆土与镇压过程对种子触土后位置控制的研究［D］．长春:吉林大学，2012．WANG Jingli．The research of position control after seed contacting soil in the process of soil covering and rolling with precision seeder［D］．Changchun:Jilin University，2012．(in Chinese)

130 贾洪雷，姜鑫铭，郭明卓，等．V-L型秸秆粉碎还田刀片设计与试验［J/OL］．农业工程学报，2015，31(1):28－33．http:∥www．tcsae．org/nygcxb/ch/reader/view_abstract．aspx?file_no=20150104＆flag=1．DOI:10．3969/j．issn．1002-6819．2015．01．004．JIA Honglei，JIANG Xinming，GUO Mingzhuo，et al．Design and experiment of V-L shaped smashed straw blade［J/OL］．Transactions of the CSAE，2015，31(1):28－33．(in Chinese)

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135 吉林大学．一种仿形仿生镇压辊:中国，201410177756．3［P］．2014-07-16．

136 吉林大学．组合式播种施肥开沟器:中国，201210450701．6［P］．2013-03-06．

137 吉林农业大学．可变力苗带镇压器:中国，200920093853．9［P］．2010-07-14．

138 吉林大学．V-L型秸秆粉碎还田刀片:中国，201110115590．9［P］．2011-08-31．

Research Status and Prospect of Soil-engaging Com ponents Optim ization for Agricultural Machinery

JIA Honglei1，2WANGWanpeng1，2CHEN Zhi2，3ZHENG Tiezhi4ZHANG Peng5ZHUANG Jian1，2
(1．Key Laboratory of Bionic Engineering，Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130025，China 2．College of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China 3．China Association of Agricultural Machinery Manufacturers，Beijing 100083，China 4．Jilin Agricultural Mechanization Management Center，Changchun 130022，China 5．Lovol Heavy Industry Co．，Ltd．，Weifang 261206，China)

The foundation and guarantee role of the modern agriculture mechanical properties of soilengaging componentswas analyzed and the primary performance parameters of soil-engaging components that need optimization at present was also summarized，which mainly included drag reduction and consumption reduction，anti-adhesion and desorption，wear resistance and life extensional and the satisfying requirements of agronomy．Themain research methods to optimize the structure and properties of soil-engaging components were summarized，which mainly included clearing the interaction between soil and soil-engaging components，optimizing material composition and machining process technology，aiming at the structure function design of agronomy．And the developing orientation of agricultural machinery soil-engaging components in China was prospected，which mainly included strengthening the basic theory research，overcoming the high-performance material processing bottleneck，designing soilengaging components by using comprehensive and advanced approach．

agriculturalmachinery;soil-engaging components;optimal design

S222

A

1000-1298(2017)07-0001-13

2017-06-19

2017-07-03

国家重点研发计划项目(2017YFD0700701)

贾洪雷(1957—)，男，教授，博士生导师，主要从事机械化保护性耕作技术及仿生智能机械研究，E-mail:jiahl@vip．163．com

庄健(1981—)，男，高级工程师，博士，主要从事农业机械仿生优化设计研究，E-mail:zhuangjian_2001@163．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．001