河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 張闖闖 曹麗芳河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 楊果果

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農(nóng)業(yè)縱橫

立式旋耕機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 張闖闖 曹麗芳
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 楊果果

目前，旋耕機(jī)在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，它能夠充分利用拖拉機(jī)的功耗，具有良好的切土、碎土能力，耕作后土壤表面平整，機(jī)組下地次數(shù)少，兼有耕翻的功能。在國(guó)內(nèi)，旋耕機(jī)已經(jīng)大范圍地應(yīng)用于旱地作物的滅茬和水稻的種植作業(yè)中。在旋耕機(jī)的使用中，臥式旋耕機(jī)占據(jù)了主流，該種旋耕機(jī)能夠適應(yīng)多種類(lèi)型土壤的耕作，翻土、碎土和平整地表在一次性機(jī)械作業(yè)中即可完成，但也有漏耕、耕作深度較淺、刀具容易被草纏繞和泥土堵塞等缺點(diǎn)。立式旋耕機(jī)具有碎土效果好、耕作深度較深、能實(shí)現(xiàn)免耕等優(yōu)點(diǎn)。近些年來(lái)，該種機(jī)械獲得了快速發(fā)展，本文簡(jiǎn)要概述了該種機(jī)械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

一、立式旋耕機(jī)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

（一）立式旋耕機(jī)的工作特點(diǎn)

立式旋耕機(jī)一般都通過(guò)三點(diǎn)懸掛的機(jī)架與拖拉機(jī)的液壓懸掛臂相連接，通過(guò)拖拉機(jī)的液壓升降系統(tǒng)來(lái)完成立式旋耕機(jī)的起落，動(dòng)力從拖拉機(jī)的輸出軸經(jīng)雙頭萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸與立式旋耕機(jī)的減速器輸入軸相連接，再通過(guò)變速箱輸出軸傳遞給垂直傳動(dòng)軸，垂直傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固定刀片的工作部件旋轉(zhuǎn)，立式旋耕刀具在機(jī)架的牽引和自身的圓周運(yùn)動(dòng)下做復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)切割土壤并使土壤破碎。由于單個(gè)旋耕刀具的切削厚度是周期性變化的，所以其所受到的切削阻力也是周期性變化的，多把刀具同時(shí)參與切削土壤時(shí)，切土?xí)r受到切削阻力并不是單個(gè)刀具切削土壤時(shí)受到切向阻力的代數(shù)之和，而與刀具的排列和布置有關(guān)。

立式旋耕機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是減速器和聯(lián)軸器來(lái)傳動(dòng)，也可以采用一排相互銜接的直齒輪機(jī)來(lái)傳動(dòng)，精確比高且結(jié)構(gòu)會(huì)減小。每相鄰的立式旋耕刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以根據(jù)農(nóng)藝的要求相互重疊或者有間隔區(qū)域，從而提高了立式旋耕機(jī)的適用范圍，該種旋耕機(jī)可在秸稈粉碎、根茬粉碎后使用，也可與播種復(fù)合作業(yè)。立式旋耕機(jī)由于相鄰旋耕刀的轉(zhuǎn)向相反，抵消了整體機(jī)械的工作側(cè)力，消除了臥式旋耕機(jī)傳動(dòng)剛性差的不足，工作更加平穩(wěn)。

（二）立式旋耕機(jī)的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的旋耕機(jī)類(lèi)型為臥式旋耕機(jī)，而立式旋耕機(jī)的使用并不是很多。隨著水稻種植在我國(guó)北方的迅速增加以及現(xiàn)代化的種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展，立式旋耕機(jī)有了廣闊的應(yīng)用前景。立式旋耕機(jī)因進(jìn)給量只影響到碎土質(zhì)量，而不影響到溝底的平整度，有較強(qiáng)的碎土、起漿作用等優(yōu)點(diǎn)，在稻田的水耕中得到了廣泛的使用。

近些年來(lái)，在立式旋耕機(jī)的研制方面，張敏、吳崇友、陳長(zhǎng)林通過(guò)對(duì)立式旋耕機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并分析了旋耕刀的運(yùn)動(dòng)，得出旋耕機(jī)前進(jìn)的速度只影響旋耕刀碎土質(zhì)量和旋耕刀具存在重復(fù)切削土壤的現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致耕作帶土壤細(xì)碎不一致；并且解決了常用耕作部件易漏耕和不能適應(yīng)高速作業(yè)的問(wèn)題。由郭軍義所發(fā)明的一種立式旋耕機(jī)，能夠兼具開(kāi)溝和深耕的作用，工作時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行垂直旋耕，克服了現(xiàn)有旋耕機(jī)存在耗能大、耕深淺的不足。在立式旋耕機(jī)的理論分析方面，王敏、李萍萍、王紀(jì)章等人通過(guò)運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA971對(duì)茶園立式旋耕刀具切削土壤的過(guò)程進(jìn)行模擬，得出了刀具切削土壤時(shí)的等效應(yīng)力和耗能大小的變化規(guī)律。

（三）立式旋耕機(jī)存在的問(wèn)題

我國(guó)立式旋耕機(jī)存在的主要問(wèn)題有：

1.立式旋耕機(jī)在工作時(shí)，需要提供較大的功率去切削土壤，由此所需的耗能也就很多。

2.由于土壤是一個(gè)不穩(wěn)定的三相系統(tǒng)，力學(xué)性能變化很大，當(dāng)機(jī)具的耕深較大時(shí)，會(huì)對(duì)旋耕刀具的強(qiáng)度和韌性提出很高的要求，旋耕刀易出現(xiàn)折斷和彎曲現(xiàn)象。

3.在動(dòng)力傳輸過(guò)程中，萬(wàn)向傳動(dòng)軸易發(fā)生損壞，使用壽命不長(zhǎng)。

4.立式旋耕機(jī)多與大功率拖拉機(jī)配套使用，與小功率拖拉機(jī)配套使用的體積小、中耕型的立式旋耕機(jī)還不多。

近年來(lái)，看報(bào)道稱(chēng)，適用于南方的粉壟耕作栽培制度，可大幅度增產(chǎn)，在壟的底部形成U型槽溝，有效聚集天然雨水，提高保水防旱的能力，其原理是深耕、深松。當(dāng)前，在我國(guó)達(dá)到深松、深耕的深旋耕機(jī)還相對(duì)比較少，有關(guān)這方面的理論和研發(fā)還需要進(jìn)一步的深入。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程加快和對(duì)耕作要求的進(jìn)一步提高，具有深耕、深松功能的立式旋耕機(jī)將會(huì)得到迅猛發(fā)展，成為重要的耕整機(jī)械。

二、立式旋耕機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合當(dāng)前立式旋耕機(jī)出現(xiàn)的耗能大、刀具易損壞和品種單一等問(wèn)題，以及為了適應(yīng)水稻在北方的種植和現(xiàn)代種植產(chǎn)業(yè)的調(diào)整，立式旋耕機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面。

（一）立式旋耕機(jī)的耕刀轉(zhuǎn)速得到進(jìn)一步提高，機(jī)具作業(yè)的幅寬進(jìn)一步加大

耕刀轉(zhuǎn)速的提高能夠提高碎土質(zhì)量，改善刀具的受力狀況；高速的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸，可以配合多種刀具，完成滅茬和整地等多項(xiàng)功能；機(jī)具作業(yè)幅寬的加大可以提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，有利于農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的集約化生產(chǎn)。

（二）立式旋耕機(jī)與具有其他作業(yè)功能的機(jī)具配套使用

以立式旋耕機(jī)作為主要工作部件，當(dāng)與播種機(jī)械相組合時(shí)，就可以完成整地、播種的復(fù)合功能；當(dāng)與施肥機(jī)械相結(jié)合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)整地、施肥等功能，一次性作業(yè)即可完成多種作業(yè)用途，減少了機(jī)械的進(jìn)地次數(shù)，降低了作業(yè)成本，從而提高了生產(chǎn)效率。

（三）立式旋耕機(jī)向深松、深耕發(fā)展

深層耕作改善了種植土壤的通透性，打破了常年耕作留下的犁底層，保水保墑。經(jīng)濟(jì)類(lèi)作物常需要耕作深度在20cm以下，這就為立式旋耕機(jī)的耕深提出了進(jìn)一步的要求，耕深的增加需要解決的難點(diǎn)是功率和機(jī)組不平衡的問(wèn)題。目前，耕深分別在 90～120cm 和 30～60cm的間隔窄幅深耕機(jī)和全幅深耕機(jī)已經(jīng)在有些國(guó)家研制出來(lái)了。

（四）立式旋耕機(jī)的使用將更加注重環(huán)境保護(hù)

立式旋耕機(jī)在耕作時(shí)會(huì)產(chǎn)生油污和噪音污染，未來(lái)，這方面將得到改善。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，將會(huì)更加注重綠色環(huán)保概念，無(wú)噪音和無(wú)油污的立式旋耕機(jī)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

（五）立式旋耕機(jī)將會(huì)智能化、液壓化

隨著電子感應(yīng)元器件在立式旋耕機(jī)上的應(yīng)用，該設(shè)備將更加穩(wěn)定、高效率，同時(shí)減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度；液壓驅(qū)動(dòng)性能良好，可以方便實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，未來(lái)，用液壓驅(qū)動(dòng)替換拖拉機(jī)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)立式旋耕機(jī)，這將會(huì)大大簡(jiǎn)化機(jī)組結(jié)構(gòu)，節(jié)約能耗，提高生產(chǎn)效率。

三、總結(jié)

隨著水稻在北方的種植和現(xiàn)代種植產(chǎn)業(yè)的調(diào)整，立式旋耕機(jī)因其工作平穩(wěn)、碎土效果好、耕作深度較深、能實(shí)現(xiàn)免耕等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到迅速發(fā)展。結(jié)合當(dāng)前立式旋耕機(jī)出現(xiàn)的耗能大、刀具易損壞和品種單一等問(wèn)題，立式旋耕機(jī)將向?qū)挿?、高速型、多功能?lián)合作業(yè)，以及向深耕、環(huán)保和智能化、液壓化方向發(fā)展。