張晉，陳偉，朱繼平，袁棟，夏敏，丁艷

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

旋耕機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)耕作機(jī)械(鏵式犁、圓盤(pán)耙等)，作業(yè)質(zhì)量好、對(duì)拖拉機(jī)牽引力需求小、功率發(fā)揮好、工作效率高、便于與其他機(jī)具結(jié)合組成復(fù)試作業(yè)機(jī)具、對(duì)土壤適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，這也為旋耕機(jī)在我國(guó)的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)[1]。受整機(jī)結(jié)構(gòu)影響，旋耕機(jī)存在總功耗較大，耕深較淺等問(wèn)題。

旋耕機(jī)按照工作部件的作業(yè)方式可以分為臥式旋耕機(jī)、立式旋耕機(jī)以及斜置式旋耕機(jī)[2]。受制造工藝、材料成本以及適用性等因素制約，我國(guó)立式旋耕機(jī)及斜置式旋耕機(jī)普及較慢，臥式旋耕機(jī)以其良好的耕作實(shí)用性及相對(duì)低廉的成本受到農(nóng)戶的青睞。我國(guó)機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中約60%的功耗用于耕作作業(yè)和苗床準(zhǔn)備。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)但并不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，截至2019年底，糧食、油料作物機(jī)耕率基本保持在90%以上，但是我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體功耗較大，同等耕作深度下單位功耗高出國(guó)外平均水平約30%，這不符合我國(guó)節(jié)能減排工作的要求，同時(shí)極大的阻礙了我國(guó)碳中和的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。因此，對(duì)于旋耕節(jié)能技術(shù)的理論研究是十分迫切的。我國(guó)耕作深度淺，耕作深度低于15 cm，長(zhǎng)期淺旋導(dǎo)致土壤耕層薄弱，有效耕作層肥力降低，因此，研發(fā)耕深20 cm以上的旋耕機(jī)對(duì)于保持土壤肥力、減少勞動(dòng)強(qiáng)度，增加耕作效益有重要意義。如無(wú)特殊說(shuō)明，本文提到的旋耕機(jī)均為臥式旋耕機(jī)。

1 旋耕機(jī)構(gòu)造及其工作原理

常見(jiàn)的旋耕機(jī)主要由工作部件、傳動(dòng)系統(tǒng)及輔助部件等構(gòu)成。旋耕刀是主要工作部件，機(jī)器通過(guò)機(jī)架與拖拉機(jī)進(jìn)行掛接，動(dòng)力由萬(wàn)向節(jié)傳到齒輪箱再傳至刀軸，從而實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)。其主要構(gòu)成如圖1所示。

作業(yè)時(shí)，旋耕機(jī)刀片在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下一邊旋轉(zhuǎn)，一邊隨機(jī)組直線前進(jìn)，做擺線運(yùn)動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)中切入土壤，并將切下的土塊向后拋擲，與擋土板撞擊后進(jìn)一步破碎并落向地表，然后被拖板拖平。工作原理如圖2所示。

(a) 正視圖

(b) 傾視圖圖1 臥式旋耕機(jī)構(gòu)造Fig. 1 Horizontal rotary tiller structure1.犁體 2.旋耕刀 3.刀軸 4.懸掛架5.萬(wàn)向軸 6.拖板 7.側(cè)板 8.齒輪箱

圖2 旋耕機(jī)工作原理Fig. 2 Working principle of rotary tiller

2 旋耕機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較高，旋耕機(jī)械發(fā)展也有較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)于節(jié)能技術(shù)研究的也領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)研究。我國(guó)對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)八十年代，在旋耕機(jī)得到較大規(guī)模推廣，動(dòng)力輸出較為充足的情況下，研究人員開(kāi)始著手解決功耗大，旋耕深度不夠等問(wèn)題。

1969年，Hendrick對(duì)旋耕機(jī)技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)專(zhuān)家的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理與總結(jié)，為旋耕機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究提供了重要理論參考[3]。1993年，Gupta與Visvanathan研究顯示，旋耕刀工作功耗占比，切土耗能占0.34%～0.59%，拋土占30.5%～72.4%。土壤與旋耕刀摩擦占0.96%～2.45%，土壤與土壤摩擦占0.62%～0.99%。無(wú)效功占23.1%～64.6%。數(shù)據(jù)顯示，刀片拋土和克服摩擦力做功是旋耕作業(yè)功耗的主要組成部分[4]。受試驗(yàn)方法、條件，檢測(cè)手段等限制，Gupta等人做出的研究存在一定的局限性，基于此，2012年，章慧全等經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合分析得出臥式旋耕機(jī)的切土和拋土功耗占總功耗的80%左右，主要功耗構(gòu)成如表1所示[5]。這也為后來(lái)的研究者提供了重要的研究方向。基于對(duì)旋耕機(jī)功耗構(gòu)成的研究結(jié)果，專(zhuān)家學(xué)者在正反轉(zhuǎn)耕作模式、旋耕刀片形式與參數(shù)、以及旋耕刀的排列方式等方面展開(kāi)了相關(guān)研究。

表1 旋耕機(jī)功耗構(gòu)成Tab. 1 Power consumption of rotary tiller

2.1 正反轉(zhuǎn)耕作模式的研究

對(duì)于臥式旋耕機(jī)，有正反轉(zhuǎn)兩種耕作模式，通過(guò)對(duì)這兩種不同耕作模式進(jìn)行試驗(yàn)分析，可以得到其與功耗之間的關(guān)系。國(guó)外專(zhuān)家在2002年，V. M. Salokhe 和 N. Ramalingam在曼谷的一個(gè)粘土土槽進(jìn)行了試驗(yàn)，分別用兩種不同的刀片(正轉(zhuǎn)采用C型刀片，反轉(zhuǎn)采用鏟式新型刀片)測(cè)試正反轉(zhuǎn)刀片的旋轉(zhuǎn)式耕作機(jī)的性能，刀片形式如圖3所示[6]。試驗(yàn)分別在旱地和水田進(jìn)行，旋耕機(jī)前進(jìn)速度為1.0、1.5和2.0 km/h。結(jié)果表明，采用新型刀片的反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)的動(dòng)力輸出軸功率在上述作業(yè)條件下都比正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)的功率小。兩種旋耕機(jī)的功耗均隨作業(yè)次數(shù)的增加而降低，而隨前進(jìn)速度的增加而增加。在不同的前進(jìn)速度下，功耗在第一次最高，在第三次最低。機(jī)具以1.0 km/h的前進(jìn)速度第一次耕作后，動(dòng)力輸出軸功率相差最大，反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)的動(dòng)力輸出軸功率比正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)功率低34%左右。主要參數(shù)對(duì)比如表2所示[6]。由于本研究方法中并未控制單一變量，因此本研究?jī)H能說(shuō)明使用鏟式新型刀片的反轉(zhuǎn)功耗比采用C型刀片的功耗小，無(wú)法驗(yàn)證同一種旋耕刀下正反轉(zhuǎn)功耗的大小。

(a) C型刀片(正轉(zhuǎn))

(b) 鏟式新型刀片(反轉(zhuǎn))圖3 C型刀片以及鏟式新型刀片F(xiàn)ig. 3 C-type blade and scoopl-type new blade

為解決國(guó)外研究工作的存在的問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者也對(duì)正反轉(zhuǎn)耕作模式展開(kāi)了大量的研究。首先是針對(duì)變量唯一的研究，2001年，丁為民等又對(duì)反轉(zhuǎn)旋耕刀滑切角進(jìn)行分析與計(jì)算，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析和理論計(jì)算，得出其滑切角的計(jì)算方法與正轉(zhuǎn)旋耕刀的相同，可以使用統(tǒng)一的方法對(duì)反轉(zhuǎn)旋耕刀的滑切角特性進(jìn)行研究分析，但反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)的纏草壅土問(wèn)題十分嚴(yán)重，功耗也明顯高于正轉(zhuǎn)，因此，其作業(yè)能力有待進(jìn)一步研究[7-9]。2003年，丁為民為了研究和分析不同旋耕機(jī)的耕作性能，采用正反轉(zhuǎn)兩種旋耕機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。利用計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)對(duì)耕作后的土壤進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，旋耕機(jī)后端裝有碎土擋草柵欄的正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)在碎土覆土、田間平整等方面均優(yōu)于反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)[10]。鄂智等人對(duì)IT245旋耕刀的正反轉(zhuǎn)功耗進(jìn)行了仿真分析，研究指出反轉(zhuǎn)功耗明顯高于正轉(zhuǎn)，因此，國(guó)內(nèi)大多采用正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。正反轉(zhuǎn)耕作模式下功耗對(duì)比如表3[11]所示。

通過(guò)國(guó)內(nèi)的研究顯示，旋耕機(jī)反轉(zhuǎn)耕作模式的功耗要大于正轉(zhuǎn)耕作模式，但是反轉(zhuǎn)耕作模式也擁有比正轉(zhuǎn)耕作模式更優(yōu)良的碎土性能以及殘茬覆蓋能力。同時(shí)，我們還應(yīng)注意到Salokhe等采用的鏟式新型刀片反轉(zhuǎn)功耗要低于采用C型刀片的正轉(zhuǎn)功耗，因此，不僅要對(duì)正反轉(zhuǎn)耕作模式進(jìn)行研究，更要對(duì)旋耕刀片的結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)進(jìn)行研究與分析。

表2 正反轉(zhuǎn)功耗對(duì)比Tab. 2 Comparison of power requirements forforward and reverse rotating blades

表3 正反轉(zhuǎn)耕作模式功耗對(duì)比Tab. 3 Comparison of power consumption in forward and reverse farming modes

2.2 旋耕刀片形式與參數(shù)研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于旋耕刀的研究最為廣泛和深入，一方面是由于旋耕機(jī)功耗大部分是在切土、拋土中消耗的，另一方面旋耕刀的各項(xiàng)參數(shù)也決定了耕作性能。圖4是旋耕刀主要技術(shù)參數(shù)[13]。諸多學(xué)術(shù)研究都圍繞著正切刃、側(cè)切刃等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

圖4 旋耕刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 4 Schematic diagram of the structure of the rotary tiller

1977年，Sohne在室內(nèi)土槽中進(jìn)行試驗(yàn)，研究旋耕刀片各種幾何因素(刀片寬度、切削角度、曲率半徑)、前進(jìn)速度、正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速對(duì)作業(yè)效果的影響。此外，還將切削土閥的幾何形狀、每個(gè)刀盤(pán)刀片數(shù)、耕后土壤表面狀況、旋耕刀寬度和速度等參數(shù)引入到旋耕刀設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)體系中[12]。Tsuchiya和Honami對(duì)降低旋耕機(jī)功耗的進(jìn)行了相關(guān)研究，主要對(duì)旋耕刀刃口厚度、特定刀片形狀的切削特性以及刀片在刀軸上的排列等進(jìn)行了分析[13]。2009年，Jafar Habibi Asl與Surendra singh通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)L型、C型和RC型(reduced chord-type缺口彎型刀)旋耕刀進(jìn)行了功耗以及切土拋土性能研究，旋耕刀形式見(jiàn)圖5[14]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，RC型刀切土和拋土性能均高于另外兩種形式的刀片，并且功耗明顯低于其他刀片[14]。

(a) L型

(b) C型

(c) RC型圖5 不同型號(hào)旋耕刀Fig. 5 Different type rotary tillers

2010年，Yasuo Shibata 和 Jun Sakai選取日本C形刀片為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)的角度對(duì)其扭矩特性進(jìn)行了研究。其研究結(jié)果顯示，C形刀片的扭矩特性與其邊界條件有極高的相關(guān)性，邊界條件就是指被切割土垡上表面的曲面形狀，由相鄰旋耕刀片的相對(duì)位置決定[15]。在河南洛陽(yáng)舉辦的高級(jí)機(jī)電一體化系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議上，Shi-Tong Jia分析了旋耕機(jī)機(jī)的基本工作原理?；赟olidworks建立了旋耕刀的三維模型，使用COSMOS子函數(shù)對(duì)旋耕刀模型進(jìn)行有限元分析，得到了工作應(yīng)力、形變和應(yīng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，他指出裝配孔附近的零件應(yīng)力最大，旋耕刀刀尖附近變形最大。其研究成果對(duì)后續(xù)研究旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)方面提供了重要參考[16]。為了優(yōu)化刀片幾何形狀和參數(shù)，Matin等研究了四種轉(zhuǎn)速(125、250、375和500 r/min)下的三種刀片幾何形狀(常規(guī)刀、半寬刀-常規(guī)刀片正切刃一半、直刀)對(duì)扭矩、功率和功耗的影響，刀片形狀見(jiàn)圖6[17]。

(a) 常規(guī)刀

(b) 半寬刀

(c) 直刀

(d) 側(cè)視圖圖6 旋耕刀及側(cè)視圖Fig. 6 Rotary tiller and side view

一組旋耕刀的切削寬度為50 mm，耕作深度50 mm。試驗(yàn)在土槽(砂壤土)中進(jìn)行。通過(guò)分析高速視頻和相應(yīng)的刀片運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)現(xiàn)，刀片扭矩峰值出現(xiàn)在入土最深的位置，且隨著速度的增加而增加。最終數(shù)據(jù)顯示，直刀片的設(shè)計(jì)要求扭矩最小，平均功率最小，峰值功率最小，比能最小，有效比能最小。與常規(guī)和半寬刀片相比，直刀片在500 r/min時(shí)節(jié)省了20%～25%的功率[18]。

丁為民等詳細(xì)介紹了旋轉(zhuǎn)刀的滑切角及其與滑切角方程。推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)刀正切刃滑切角的計(jì)算公式。該方程整合了滑切角的所有參數(shù)，通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行不同的變換，可以推導(dǎo)出與之相關(guān)的其他方程。根據(jù)制造過(guò)程，將旋轉(zhuǎn)刀的正切刃在縱向部分平面上彎曲變形圖，形成旋轉(zhuǎn)刀的側(cè)向部分。推導(dǎo)了彎曲后的斜邊方程，并對(duì)斜邊滑切角的計(jì)算進(jìn)行了討論。計(jì)算結(jié)果表明，由于彎折部分的滑切角最小，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)刀極其容易纏草[7-8]。陳鈞等在滑切角的研究基礎(chǔ)之上，又對(duì)出土角和偏切角進(jìn)行了理論分析，對(duì)日本兩種典型旋耕刀FT803、Y151和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀IT245的三個(gè)角度進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，見(jiàn)圖7[19]。并闡述了形狀特征對(duì)耕作性能和耕作能耗的影響。

高建民等在對(duì)斜置旋耕作業(yè)過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出了斜置旋耕刀側(cè)切刃動(dòng)態(tài)滑動(dòng)切削角的定義，確定了動(dòng)態(tài)滑動(dòng)切削的條件，推導(dǎo)了斜置旋耕刀側(cè)切刃動(dòng)態(tài)滑動(dòng)切削角的計(jì)算公式。計(jì)算實(shí)例包括動(dòng)態(tài)滑動(dòng)切削角和靜態(tài)滑動(dòng)切削角對(duì)旋轉(zhuǎn)耕作過(guò)程和斜置旋轉(zhuǎn)耕作過(guò)程的影響。推導(dǎo)了斜置旋耕刀側(cè)切刃動(dòng)態(tài)滑動(dòng)切削角與側(cè)切刃相結(jié)合的黎卡蒂微分方程。該方程在斜置旋耕刀計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用[20]。2009年，賈洪雷等基于L型碎茬刀及寬型旋耕刀，設(shè)計(jì)了旋耕—碎茬通用刀片，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在相同條件下，通用刀片的功耗明顯低于旋耕刀及碎茬刀[21]。2010年，汲文峰運(yùn)用仿生技術(shù)對(duì)旋耕—碎茬刀進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選取鼴鼠爪趾作為仿生模型，提取了爪趾的生物曲線，利用matlab對(duì)曲線進(jìn)行了擬合，將其應(yīng)用到旋耕刀片上，如圖8[22]所示。結(jié)果顯示，使用該曲線的旋耕刀片其入土性能和機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量明顯提高，功耗也顯著降低，受材料的限制，刀片的耐磨性有待進(jìn)一步解決[22]。

2011年，斯瑞斯克·切克凱特等人對(duì)三種不同的旋耕刀(日式C型刀片、歐式C型刀片及歐式L型刀片)進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩和耕作性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，刀片的形狀對(duì)轉(zhuǎn)矩和耕作性能的影響顯著，日式C型刀的耕作性能最為良好。為了降低旋耕機(jī)作業(yè)的阻力以及功耗，郝建軍等人研制出楔形減阻旋耕刀，有效解絕了阻力大功耗高等問(wèn)題[23]。2013年，張靈芝等運(yùn)用AutoLISP編程方法得到不同刀型的阿基米德螺旋線，通過(guò)有限元分析得出結(jié)論，旋耕刀與刀輥連接處刀具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，此處受到的應(yīng)力較為集中，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中應(yīng)盡量避免或者減小此現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，斜置旋耕刀的強(qiáng)度要高于標(biāo)準(zhǔn)刀。2015年，陶景青等對(duì)旋耕刀進(jìn)行了摩擦磨損性能試驗(yàn)，為旋耕刀的耐磨研究提供了重要的參考[24]。2015年，王榮等對(duì)大耕深旋耕刀進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于仿真結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)刀柄進(jìn)行了機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明，在達(dá)到耕深20～22 cm時(shí)，旋耕刀在極限載荷下仍不會(huì)失效，為設(shè)計(jì)大耕深旋耕刀提供了參考。2015年，趙亞祥對(duì)旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能的影響進(jìn)行了研究，建立了旋耕機(jī)總功耗的數(shù)學(xué)模型，提出了很多建設(shè)性意見(jiàn)，他指出，旋耕機(jī)在田間試驗(yàn)之前應(yīng)該使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬，以確定主要技術(shù)參數(shù)，為樣機(jī)的改進(jìn)和性能的提高提供必要的參考[25]。2016年，方會(huì)敏等使用離散元法對(duì)旋耕刀的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，得出旋耕刀轉(zhuǎn)速對(duì)其除側(cè)向力之外的力最大值與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，側(cè)向力隨轉(zhuǎn)速并無(wú)明顯的變化規(guī)律。同時(shí)，對(duì)旋耕機(jī)的拋土性能進(jìn)行了分析，得出隨著土壤深度的增加，被拋土壤的運(yùn)動(dòng)位移隨之減小的結(jié)論[26-27]。1986年，Desa Ahmad通過(guò)進(jìn)行土槽試驗(yàn)研究旋耕刀寬度對(duì)旋耕機(jī)性能影響，將不同參數(shù)的幾組旋耕刀固定在法蘭盤(pán)上。試驗(yàn)結(jié)果顯示，旋耕機(jī)功耗隨著刀軸轉(zhuǎn)速的提高而增加[28]。熊平原等研究發(fā)現(xiàn)，彎折角、刀具幅寬、耕深、相位角、作業(yè)速度等對(duì)能耗都有不同程度的影響，為降低作業(yè)能耗、減少刀具磨損以及增強(qiáng)作業(yè)機(jī)具的穩(wěn)定性提供了有力的理論支撐[29-30]。

(a) 旋耕刀FT803

(b) 旋耕刀Y151

(c) 旋耕刀ⅠT245圖7 三種典型旋耕刀Fig. 7 Three typical rotary tillers

(a) 鼴鼠爪趾

(b) 仿生旋耕—碎茬通用刀片圖8 鼴鼠爪趾及仿生旋耕—碎茬通用刀片F(xiàn)ig. 8 Mole claws and bionic rotary tillage-stubbleuniversal blade

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于旋耕刀形式與參數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，不同形式、參數(shù)的旋耕刀對(duì)功耗及耕作性能均能產(chǎn)生一定影響，對(duì)于不同的耕作模式相同的刀片參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)，這也為設(shè)計(jì)者提供了更多的設(shè)計(jì)思路。上述研究大多數(shù)基于1～2的回轉(zhuǎn)平面，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，各旋耕刀依次入土，相互作用，因此研究旋耕刀在刀軸上的排列方式對(duì)于功耗分析也是重要的參考。

2.3 刀片排列方式的研究

旋耕刀的排列直接影響著作業(yè)功耗，旋耕刀的排列根據(jù)不同的耕作要求，排列方式也有所差異。1985年，馮培忠對(duì)旋耕機(jī)刀片的排列形式進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)刀片排列方式對(duì)旋耕機(jī)的耕作性能以及功耗有較為明顯的影響作用。該研究系統(tǒng)闡述了國(guó)內(nèi)外旋耕機(jī)刀片不同排列方式的特性。在此基礎(chǔ)上提出了最優(yōu)數(shù)列排列方式，并詳細(xì)描述了最優(yōu)數(shù)列排列的方式方法，為以后的研究工作奠定了基礎(chǔ)[31]。2019年，陳偉等研究發(fā)現(xiàn)，在功耗方面，刀輥排列方式影響比較明顯，在耕深穩(wěn)定性、碎土率、植被覆蓋率方面，刀輥排列方式影響并不明顯。圖7為三種常見(jiàn)的旋耕刀排列方式展開(kāi)圖。

(a) 人字排列

(b) 螺旋排列

(c) 雙人字排列圖9 三種常見(jiàn)的旋耕刀排列方式Fig. 9 Three common arrangements of rotary tillers

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比不同的排列方式，旋耕機(jī)的功耗如圖10所示，可知，采用螺旋排列方式功耗最大，最大值為35.02 kW，采用雙人字、人字和正人字排列方式的旋耕機(jī)功耗依次降低，功耗降低15%～21%。

圖10 不同排列方式對(duì)旋耕機(jī)功耗的影響Fig. 10 Effect of arrangement style on power consumption

為使旋耕機(jī)在作業(yè)時(shí)，避免漏耕和堵塞，刀軸受力均勻，刀片在刀軸上的排列配置，應(yīng)滿足以下要求。

1) 置兩把以上的刀片，應(yīng)保證切土量相等，以達(dá)到碎土質(zhì)量好，耕后溝底平整。

2) 在刀軸回轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，在同一相位角，必須是一把刀入土，以保證工作穩(wěn)定性和刀軸負(fù)荷均勻。

3) 相繼入土的刀片，在刀軸上的軸向距離越大越好，以免發(fā)生堵塞。

4) 左彎和右彎刀片應(yīng)盡量交錯(cuò)排列，以使刀軸兩端軸承受力平衡。一般刀片按螺旋線規(guī)則排列。

3 我國(guó)旋耕節(jié)能技術(shù)存在的問(wèn)題

盡管學(xué)者們已通過(guò)大量試驗(yàn)和數(shù)值模擬等不同的方法來(lái)開(kāi)展對(duì)旋耕節(jié)能技術(shù)的研究，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中仍存在大量難題，從而導(dǎo)致產(chǎn)品與預(yù)期設(shè)計(jì)差別較大，出現(xiàn)無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求等情況。影響旋耕機(jī)功耗和作業(yè)質(zhì)量的因素是多方面的，不僅包括土壤性質(zhì)和作業(yè)要求等因素，還有旋耕刀的形狀及參數(shù)等。提高旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量、降低旋耕機(jī)功耗，已成為設(shè)計(jì)者、制造者和使用者共同注意的話題[32-33]。

3.1 缺少對(duì)大耕深節(jié)能技術(shù)的研究

通過(guò)大量的文獻(xiàn)檢索及實(shí)地調(diào)研，目前我國(guó)旋耕機(jī)的“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象仍然存在，機(jī)具保有量和作業(yè)能耗逐年增加。旋耕機(jī)節(jié)能技術(shù)主要針對(duì)耕深15 cm 以下的機(jī)具開(kāi)展研究，缺少對(duì)15 cm甚至20 cm以上的設(shè)計(jì)研究與理論分析。我國(guó)使用的旋耕機(jī)耕深普遍在12 cm左右，耕作深度淺，埋茬效果差，長(zhǎng)期淺旋導(dǎo)致土壤耕層薄弱，有效耕作層肥力降低。同時(shí)，我國(guó)旋耕機(jī)機(jī)型較為單一，多與中小型拖拉機(jī)配套，這在一定程度上限制了大耕深旋耕機(jī)的研究。缺少大耕深研究導(dǎo)致缺少配套農(nóng)藝適用的機(jī)具，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。缺少節(jié)能技術(shù)的研究阻礙了國(guó)家節(jié)能減排工作的有序開(kāi)展，減緩了我國(guó)2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的發(fā)展目標(biāo)。

3.2 缺少對(duì)新材料的研究

縱觀國(guó)內(nèi)在旋耕領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于新材料新工藝的研究尚少，基礎(chǔ)研究成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化存在矛盾，時(shí)常是基礎(chǔ)研究成果無(wú)法緊跟市場(chǎng)需求，新材料研發(fā)投入大，難度高，研究周期漫長(zhǎng)，這在很大程度上制約了節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。目前研究者的成果大多集中于刀片形式，與之相配套的減阻耐磨材料鮮有研究。

3.3 缺少跨學(xué)科跨領(lǐng)域交叉研究

21世紀(jì)是各學(xué)科高度交叉融合的世紀(jì)，計(jì)算機(jī)科學(xué)已經(jīng)被大規(guī)模運(yùn)用到航空、醫(yī)療器械領(lǐng)域的仿真分析當(dāng)中，在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域也涌現(xiàn)出大量的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，這為研究土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及旋耕刀受力情況提供了高效的研究方法。近年來(lái)，仿生技術(shù)的興起為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展方向，仿生科學(xué)已經(jīng)應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，在研究中也取得了非常出色的成果，但是受到制造工藝落后以及制造加工成本過(guò)高等因素的制約，很難大范圍推廣。

4 結(jié)論與展望

對(duì)于旋耕節(jié)能技術(shù)的理論研究是十分緊迫的，要結(jié)合新的制造工藝，利用各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)理念，使用多學(xué)科交叉融合的方法。同時(shí)，也應(yīng)該注重降低整機(jī)作業(yè)功耗，這也是將來(lái)研究的熱點(diǎn)。低能耗高效率以及深耕是未來(lái)旋耕機(jī)的發(fā)展方向，大力發(fā)展旋耕技術(shù)，對(duì)提高我國(guó)耕地質(zhì)量、增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。提升作業(yè)速度，保證作業(yè)效果，是旋耕機(jī)研究人員亟待解決的問(wèn)題。進(jìn)行旋耕技術(shù)的理論研究對(duì)提高作業(yè)質(zhì)量、降低功耗具有重要意義，這方面的理論研究還有所欠缺，需要加大力度研究。

綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于旋耕機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，旋耕刀的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。刀片的排列組合、刀軸和罩殼的設(shè)計(jì)也是重要環(huán)節(jié)。將新技術(shù)新領(lǐng)域的先進(jìn)理念應(yīng)用到旋耕機(jī)節(jié)能技術(shù)中，是解決節(jié)能問(wèn)題的有力工具，降低制造成本是實(shí)現(xiàn)旋耕節(jié)能技術(shù)的必要保證。