旋耕机研究现状与发展趋势

顾 洋 ， 姜新波 ， 顿国强

（1.上海舟炬人力资源有限公司，上海 201716；2.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 旋耕机分类

旋耕机是一种需要和拖拉机配合使用完成耕、耙等工作的农业设备，由于该设备具有良好的碎土能力，不但在完成土壤破碎的过程中能够使得土壤保持相对平整的状态，而且还能有效切碎残留在土壤中的枯根，因而被广泛应用于农业耕种中。现阶段，我国已经研发出来的能够用于农业生产的旋耕机，按照旋耕刀轴的配置方式被分为横式旋耕机、立式旋耕机以及斜置式旋耕机三种。

1.1 横式旋耕机

横式旋耕机的主要构件有刀轴、刀片、传动系统、机架等[1]。在一般情况下，会采用三点悬挂方式完成横式旋耕机和拖拉机之间的连接，并采用尾部传动轴作为主要驱动力使旋耕机能够正常运行，而动力的传输方式则有中间传动与侧边传动两种。前者的传动结构相较于后者更加稳定，受力基本能够保持在平衡状态下，但是由于整机机构对称性较差，导致在刀轴中间安装刀片受到了限制，使得旋耕机在巡行过程中经常会出现漏耕问题；后者虽然不存在漏耕问题，但是结构稳定性较差，受力长期处于不平衡状态下，旋耕机使用寿命较短。

横式旋耕机的旋转方式有正转与反转两种，在运行过程中，刀辊和机具的方向一致为正转，二者方向相反则为反转。以正转形式运行的旋耕机，具有良好的土壤破碎效果；以反转形式运行的旋耕机虽然也具有良好土壤破碎效果，耗能较低，但是极易造成土壤积堆，当这种情况出现后耗能将会瞬间增大。耕深较浅是横式旋耕机的主要缺陷，耕种速度较快时，耕深会进一步降低，而耕深较低会使得土壤的保墒能力有所下降，使得农作物的根系无法充分发育。

1.2 立式旋耕机

立式旋耕机的主要构件有箱体、传动系统、变速箱、旋耕刀等，刀轴处于竖直向下状态，因为耕深较深，不存在横式旋耕机由于耕深不足而导致农作物根系无法充分发育的情况，对旋刀的强度和韧性要求较高。大多情况下，立式旋耕机和拖拉机的连接会通过三点悬挂方式完成，而驱动力则会通过拖拉机传出经由万向节到达旋耕机的中央齿轮箱[2]。因为立式旋耕机是以齿轮方式实现动力传动，所以立式旋耕机中处于相邻位置的两个旋刀的旋转方向是不一致的，这有助于前进阻力的降低，能够使得机具的运行趋于平稳。在立式旋耕机运行的过程中，两个处于相邻位置的旋刀不但能够在作业区域内完成土壤切削工作，而且还能完成一部分处于相邻旋刀作业区的土壤切削工作，有效避免了漏耕问题的出现，但是会导致土壤的破碎程度出现一定差异。因为相邻旋刀土壤切削区域存在重叠，需要保证相邻旋刀之间相差一个相位角才能避免二者在作业过程中互相干涉。

1.3 斜置式旋耕机

斜置式旋耕机的主要构件有刀轴、刀片、传动系统、机架等。斜置式旋耕机的刀辊处于水平斜置状态，当处于运行状态时，刀辊和机组前行方向会存在一个斜置角，因而滑切与撕裂破坏是进行土壤破碎的主要方式，这样使得斜置式旋耕机的耗能低于前面两种旋耕机。但是，由于斜置式旋耕机的刀辊长度远远超出传统的横式旋耕机，加之运作过程中还存在斜置角，导致斜置式旋耕机的刚性远远低于横式旋耕机。

2 旋耕机研发过程及现状

2.1 旋耕机的研发过程

我国针对旋耕机开展相关研究始于20世纪50年代，彼时的旋耕机在结构上比较简单，需要和手扶拖拉机共同使用才能发挥作用，应用范围较小，稍晚一些研发出的旋耕机能够和四轮拖拉机共同使用，在当时也未得到广泛应用。1980年以后，我国旋耕机制造技术获得了一定突破，但是由于种种原因旋耕机依然没有在我国农业生产中得到广泛应用[3]。进入21世纪，旋耕机开始向复式作业方向发展，旋耕机开始具备了整平、镇压等重要功能，并且随着我国制造技术的不断发展，逐渐在农业生产过程中得到了应用。从现阶段我国对旋耕机的应用来看，在我国农业生产过程中横式旋耕机的应用范围最广，立式旋耕机次之，而斜置式旋耕机应用范围极小，尚处于试验与研发阶段。

从整体上看，目前我国旋耕机在农业生产过程中的应用还存在一些问题需解决。首先是旋耕机的耗能过大，这不符合我国绿色农业发展要求；其次，故障出现频率较高，故障主要体现在刀轴会在旋耕机作用过程中发生不同程度的损坏，这不利于我国高效现代化农业生产的实现。

2.2 旋耕机的研究发展现状

2.2.1 横式旋耕机的现阶段研究成果

近年来，我国围绕横式旋耕机在运作过程中存在的缠草问题开展了大量研究，并取得了一定突破。一方面，一些学者针对旋耕机存在缠草问题的产生机理进行了研究，相关人员借助离散元法对旋耕机处于无秸秆覆盖和有秸秆覆盖的状态的受力以及力矩的分布情况进行了科学分析，并将通过仿真实验得到的理论数据和实验数据进行对比分析，得出横式旋耕机的受力大小与旋耕机的转速之间存在正比关系，且在旋刀完全没入土壤的情况下，在秸秆存在的情况下，在有无秸秆覆盖的受力实验中发现，即使刀片已完全进入土壤，在有秸秆覆盖的土壤中旋耕机的受力大小仍然超过了没有秸秆存在的情况。

另一方面，部分学者针对如何减少横式旋耕机缠草情况的发生展开了研究。相关人员通过将横式旋耕机的作业方式改装为双轴刀辊旋耕作业，降低了缠草问题的发生频率。在运行过程中位于前轴的刀辊能够将草切碎，而位于后轴的刀辊可以把切碎的杂草翻到土层里。

2.2.2 立式旋耕机的现阶段研究成果

使用寿命短、运行过程中稳定性较差是立式旋耕机的主要缺陷，近年来，相关研究人员针对立式旋耕机的使用寿命延长以及作业平稳性的提升开展了一定研究，并取得了一定成果。

首先是围绕立式旋耕机使用寿命开展的研究，相关研究人员借助对旋刀的运动学分析，认为立式旋耕机的运行速度只会对土壤的破碎效果产生影响而不会造成旋耕机耕深的变化。在此基础上，相关研究人员针对旋刀的不同安装方式对其作业状态下的影响进行了仿真模拟。实验发现，使用一正一反平衡安装能够使得其工作状态更加平稳，可以起到延长机械使用寿命的效果[4]。

其次是围绕立式旋耕机作业状态下的平稳性展开研究。相关研究人员发现立式旋耕机刀片的排列和刀片的内折弯角与旋耕机的平稳性关系密切，因而通过反复调整排列方式与内折弯角，提高了立式旋耕机作业状态下的平稳性。如果内折弯角较小，旋刀在进行土壤切削时会因为受到来自刀片与刀轴的阻力，导致旋耕机平稳性降低；如果弯角过大，受到的土壤阻力将会增大，也会使得旋耕机无法平稳运行。

2.2.3 斜置式旋耕机的现阶段研究成果

自斜置旋耕的概念是在我国首次出现的，20世纪末期，我国苏州大学与苏州理工大学的一些学者针对斜置式旋耕机的相关理论与机械设计进行了研究，并获得了一些专利。但是近年来我国对斜置式旋耕机的研究并无明显进展，几乎处于停滞状态。

2000年左右我国一些学者研究出了一种斜置旋耕的试验装置，并开展了相关试验研究。该试验针对旋耕机在5°、10°、15°、20°、25°等斜置角下的耕作状态进行了受力情况的分析，以及设备的工作功率受设备的前行速率、刀辊转动速率等条件的影响的分析[5]。斜置式旋耕机的相关问题还有待进一步研究，较低的工作功率符合我国绿色农业的发展要求，因此斜置式旋耕机具有良好的发展前景以及较高的研究价值。

3 旋耕机发展趋势

3.1 节能化

绿色农业一直是我国农业的重要发展方向，随着我国农业生产效率的提升，很多研究人员投向了对旋耕机节能技术的研究。经研究发现，旋耕机的节能性与旋刀存在较大联系，优化旋刀设计，调整刀片的排列方式能够提升旋耕机的节能性能。但是，在旋刀与刀片的优化研究过程中，也遭遇了一定阻力。一方面，我国对新材料的研究尚且不足，在旋耕材料领域呈现出了新材料、新工艺研发不足等主要问题，使得研究者找到适合用于旋刀刀片制作的耐磨性材料具有一定难度，制约了节能技术的发展。另一方面，我国现阶段对耕深节能技术的研究尚且不足，我国针对耕深的研究尚且集中在15 cm以内的耕深研究，而缺少对15 cm甚至20 cm以上的耕深研究，不但造成了水土流失、农作物产量下降等一系列问题，而且还阻碍了对大耕深型旋耕机的研发，导致农业机械的损坏率与更换率较高，不利于节能减排和碳中和目标的实现[6-7]。

3.2 联合作业

应用农业生产的旋耕机的机械更换频率较高，机械在作业过程中损坏较为频繁，为降低设备成本，现阶段研究人员正在针对旋耕机的结构改良以及以零部件更换代替整机替换进行研究，旋耕机正在向灭茬、深松、碎土、起垄等一系列耕种操作的一体化方向发展。山东奥龙研发出的一款免耕施肥播种机目前已经同时具备了耕地、播种、覆盖、填压等功能，该机械的研发成功使得一机多用、联合作业的实现成为可能[8]。

3.3 高精细度

目前，在我国农业生产过程中应用范围最为广泛的横式旋耕机存在耕深较浅、工作效率较低、运行功率较大等问题，大规模应用横式旋耕机在一定程度上造成了土壤耕深变浅，土壤所具备的保墒能力有所下降，根系无法充分生长，不但会引发水土流失等生态问题，而且还会使得农作物的产量减少。因此，增加横式旋耕机的耕深、提高工作效率，提升运行功率已经成为旋耕机的一个发展方向，宽幅、高速、深耕的旋耕机能够完成高精细度的农业耕种，必将成为旋耕机的发展趋势。

3.4 适用范围广

我国并非所有的耕地都位于方便机械耕种的平原地区，在我国山地、丘陵地区还存在大量耕地。无法在山地、丘陵地区进行机械耕种已经成为阻碍我国农业进一步发展的一大阻力。由于山地、丘陵地区的耕地单块面积小、分布不集中，且相较于平原地区的耕地耕作环境更为复杂，导致旋耕机尚且无法发挥作用。目前我国一些研究所正在针对能够适应山地环境的灵活性旋耕机进行研发，1GZ-120旋耕机能够适应耕地面积较小的山地、丘陵区域，但该旋耕机尚未进行大规模生产与应用，相关人员还在针对该设备的生产与应用进行进一步完善[9]。使用范围广已然成为旋耕机众多发展趋势中的一个。

3.5 智能化与自动化

随着我国科学技术水平的不断提升，已经有很多行业借助互联网技术、计算机技术等现代化技术实现了智能化与自动化生产。智能化与自动化生产作为农业发展方向的实现需要旋耕机等农业生产设备的推动。目前一些学者已经开始尝试在现代化技术的加持下，将电子设备与传感器安装在旋耕机上，以实现智能化与自动化生产。将PLC控制系统用于农业生产能够有效检测到旋耕机的耕深，一旦旋耕机作业过程中的实际耕深没有达到预设值，上位机会立刻发出相关信号，并实现作业速度与耕种深度的自动化调节[10]。

4 结语

综上所述，旋耕机还存在生产效率较低、运行功率较大、极易发生故障和破损、缠草频率高、耕深较浅等主要问题。虽然相关人员围绕这些问题已经开展了研究，但是还未取得明显的技术突破。研究工作者还需进一步加强对旋耕机旋刀等重要构件的研究，并加强电子设备与传感器等智能化设备的应用，提高自动化程度，推动我国农业发展。