袁洪印 李曉波

(長(zhǎng)春光華學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

中國(guó)東北黑土區(qū)，是世界玉米主產(chǎn)區(qū)之一，有東北糧倉(cāng)之稱。由于過(guò)去大量施用化肥、掠奪式經(jīng)營(yíng)等長(zhǎng)期不合理的耕作模式，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)減少到危險(xiǎn)邊緣，耕層變淺，犁底層硬。改變的思路是可持續(xù)發(fā)展。改變的方法就是近些年推廣的保護(hù)性耕作技術(shù)，包括免(少)耕播種、秸稈殘茬處理、雜草控制和機(jī)械深松4大主要保護(hù)性耕作技術(shù)。免(少)耕播種減少對(duì)土壤的擾動(dòng)和破壞，減少了土壤壓實(shí)；增加地表殘茬和秸稈的還田，通過(guò)秸稈腐化增加土壤有機(jī)質(zhì)含量；藥劑除草防蟲害；深松打破犁底層，增加土壤孔隙，保墑蓄水，達(dá)到保持水土資源和增加土壤有機(jī)質(zhì)的效果。

1 機(jī)械深松與深松鏟

1.1 機(jī)械深松

使用深松機(jī)具，為了疏松土壤、打破犁底層、蓄水保墑和促進(jìn)作物生長(zhǎng)，所進(jìn)行的耕作活動(dòng)，稱為機(jī)械深松。

機(jī)械深松按作業(yè)性質(zhì)分為局部深松和全面深松2種。全面深松完成整個(gè)作業(yè)面積深松，適合農(nóng)田全面改造；局部深松完成條帶形深松，適合只深松作物需要的有效部位，節(jié)能高效，應(yīng)用廣泛。

由于保護(hù)性耕作要求作業(yè)機(jī)具盡量減少進(jìn)地次數(shù)，如果不是單獨(dú)作業(yè)需要，深松機(jī)具常與其它作業(yè)機(jī)具組合成一套聯(lián)合作業(yè)機(jī)來(lái)一次完成多項(xiàng)作業(yè)。

1.2 深松鏟

國(guó)家機(jī)械工業(yè)局2000年1月1日實(shí)施了《深松鏟和深松鏟柄》機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，深松鏟尖分鑿形、箭形和雙翼形3種，如圖1～3所示；深松鏟柄分輕型和中型2種。

圖1 鑿形鏟

圖2 箭形鏟

圖3 雙翼形鏟

在進(jìn)行科學(xué)研究中，一般不分深松鏟柄和深松鏟，統(tǒng)稱深松鏟，而且對(duì)鏟柄形狀研究更多一些。深松技術(shù)不同，深松鏟的形狀也有很多變化。

實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還有曲面深松鏟和V型深松鏟。V型深松鏟應(yīng)用在全面深松改造土壤狀態(tài)作業(yè)；曲面深松鏟深松效果好，但耗能更多。

2 國(guó)內(nèi)深松鏟的研究進(jìn)展

隨著深松技術(shù)的研究深入，機(jī)理研究的熱潮已經(jīng)回落，先進(jìn)研究手段和方法的引入，使得對(duì)深松鏟的研究多呈現(xiàn)技術(shù)集成的運(yùn)用，研究的重點(diǎn)是減阻降耗。影響深松阻力的因素不同，呈現(xiàn)的研究方法也有不同。本文主要探討深松鏟結(jié)構(gòu)形狀、表面狀態(tài)和綜合3方面減阻研究。

2.1 深松鏟結(jié)構(gòu)形狀減阻研究

深松鏟結(jié)構(gòu)形狀減阻研究主要是深松鏟柄結(jié)構(gòu)形狀的減阻問(wèn)題，鏟尖的減阻研究較少。鏟尖形狀影響打破犁底層和底層松土效果。已有的3種標(biāo)準(zhǔn)鏟尖基本保證了松土對(duì)其要求的功能。標(biāo)準(zhǔn)鏟柄刃口結(jié)構(gòu)形狀要保證有足夠通過(guò)能力要求的強(qiáng)度和韌性的情況下，盡量減少通過(guò)阻力。所以，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鏟柄結(jié)構(gòu)形狀的改進(jìn)研究出現(xiàn)了很多研究方法和內(nèi)容。

2.1.1 仿生結(jié)構(gòu)形狀減阻研究

張金波[2]研究家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能源于其指數(shù)函數(shù)曲線形狀，將此形狀曲線用于減阻深松鏟柄破土刃口結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了現(xiàn)有深松鏟柄，見(jiàn)圖4。研制出的仿生減阻深松鏟與傳統(tǒng)深松鏟相比，耕作阻力降低了8.5%～39.5%，減阻效果明顯。

圖4 指數(shù)曲線型深松鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1.2 滑切結(jié)構(gòu)形狀減阻研究

楊超[3]將深松分前后鏟分層進(jìn)行，深松鏟柄形狀按滑切理論設(shè)計(jì)。依據(jù)土壤、玉米秸稈和根茬的空間分布差異性，將前鏟鏟柄分為4段曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用滑切減阻理論，得到不同深度范圍土壤、玉米秸稈與根茬的滑動(dòng)摩擦角，從而獲得了4段鏟柄滑切角，建立了四段鏟柄曲線方程，見(jiàn)圖5。前后鏟分工不同，按同樣方法設(shè)計(jì)后鏟柄形狀。

圖5 交互分層深松鏟

2.1.3 擬合曲線結(jié)構(gòu)形狀減阻研究

趙淑紅[4]運(yùn)用離散元(EDEM)軟件仿真分析鏟尖對(duì)土壤的作用為依據(jù)，獲得鏟尖上方土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合曲線和擬合方程，采用線元設(shè)計(jì)法對(duì)線形進(jìn)行優(yōu)化，獲得鏟柄外形曲線，得到了阻力小和擾動(dòng)小的深松鏟柄形狀。

2.1.4 曲線優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀減阻研究

陳坤[5]設(shè)計(jì)了一種新型圓弧型深松鏟。從圓弧曲線中得到靈感，圓弧上部滑切和壓土性能，下部起土性能。對(duì)不同半徑的圓弧曲線鏟柄進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明該深松鏟能有效改善松土效果、減少耕作阻力。

2.2 深松鏟表面狀態(tài)減阻研究

深松鏟表面狀態(tài)減阻研究主要考慮深松鏟表面形狀、表面與土壤接觸狀態(tài)等影響阻力的因素的改進(jìn)問(wèn)題。

2.2.1 仿生表面狀態(tài)減阻研究

邱兆美[6]分析蚯蚓的波紋體表和在土壤中穿行的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了深松鏟波紋形觸土表面，改變土塊和觸土曲面之間的滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，從而減少實(shí)際接觸時(shí)間、接觸面積和阻力，以提高土壤的蓬松度、透氣性和透水性，改善深松作業(yè)質(zhì)量。

2.2.2 氣動(dòng)表面狀態(tài)減阻研究

屈通等[7]探究了曲形鋼管布置在深松鏟柄刃口的氣動(dòng)深松鏟，結(jié)果表明，進(jìn)氣口壓強(qiáng)與出氣孔數(shù)量呈近似線性正相關(guān)。構(gòu)建了深松鏟的氣動(dòng)力學(xué)模型，并采用離散元法對(duì)氣動(dòng)深松鏟的受力進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

劉明財(cái)?shù)萚8]探究了氣壓噴槍布置在鏟尖上的劈裂式深松鏟，推導(dǎo)出在氣壓劈裂下的牽引阻力計(jì)算公式，對(duì)深松鏟整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析與動(dòng)力學(xué)分析，得出了氣動(dòng)減阻的結(jié)論。

2.2.3 液體潤(rùn)滑表面狀態(tài)減阻研究

辛振波[9]提出對(duì)曲面深松鏟進(jìn)行液體潤(rùn)滑的深松減阻方法。確定曲面深松鏟潤(rùn)滑面，并選擇具有潤(rùn)滑減阻和改良土壤作用的潤(rùn)滑液，應(yīng)用離散元方法進(jìn)行仿真分析，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，作業(yè)速度與潤(rùn)滑介質(zhì)流量對(duì)耕作阻力均有顯著影響。曲面深松鏟見(jiàn)圖6，與土壤的接觸面積大、深松效果明顯，但耗能也比較大，所以液體潤(rùn)滑也是較好的減阻方法。

圖6 曲面深松鏟

2.3 深松鏟綜合減阻研究

深松鏟綜合減阻研究主要是基本理論減阻研究和技術(shù)集成減阻研究。

2.3.1 深松鏟基本理論研究

周桂霞等[10]對(duì)鑿尖加小雙翼形深松鏟的關(guān)鍵參數(shù)翼張角α、刃角δ、翼傾角β進(jìn)行多因素多水平二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)，以牽引阻力為觀測(cè)指標(biāo)，分析α、δ、β與觀測(cè)指標(biāo)之間的關(guān)系，得出兩者之間的數(shù)學(xué)模型；得出牽引阻力較小的α、δ、β范圍；刃角對(duì)牽引阻力影響最大，翼張角和翼傾角的影響規(guī)律基本相同；最優(yōu)的α、δ、β參數(shù)組合。

周健等[11]為研究不同觸土曲面深松鏟的減阻效果及不同工作參數(shù)對(duì)深松鏟耕作阻力的影響，設(shè)計(jì)了5種典型準(zhǔn)線的深松鏟結(jié)構(gòu)，并通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)深松鏟切削土壤過(guò)程進(jìn)行了仿真，對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)深松鏟切削土壤時(shí)所受到的阻力，選擇出減阻性能最好的深松鏟結(jié)構(gòu)，以優(yōu)選的深松鏟作為研究對(duì)象,對(duì)入土角、工作速度及工作深度等因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究上述因素對(duì)耕作阻力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿生變曲率深松鏟的減阻性能最好；其耕作阻力最小(601N)；入土角為24°時(shí)，深松鏟耕作阻力最??；耕作阻力隨工作速度和工作深度的增加而增大。

果霖等[12]應(yīng)用有限元和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)建立了深松鏟破壞土壤的仿真分析模型。分析結(jié)果表明，在深松過(guò)程中，土壤受到的應(yīng)力較大，并短時(shí)間內(nèi)變小；能量守恒，外界牽引力提供的能量主要轉(zhuǎn)化為土壤粒子的內(nèi)能；深松過(guò)后，土壤粒子密度大大降低，土壤變得松軟。

陳偉等[13]分析了鑿型、鑿型帶翼、曲面和箭型深松鏟對(duì)深松作業(yè)的土壤堅(jiān)實(shí)度、膨松度和牽引阻力的影響。得出曲面鏟阻力大、單面松土效果好，其它次之。

2.3.2 深松鏟技術(shù)集成研究

楊超[3]設(shè)計(jì)了交互式分層深松鏟。依據(jù)土壤、玉米秸稈和根茬的空間分布差異性，通過(guò)滑切理論得到不同深度的滑動(dòng)摩擦角，從而設(shè)計(jì)前鏟鏟柄4段曲線。依據(jù)前鏟仿真過(guò)程中土壤顆粒回流規(guī)律及土壤和根茬的空間分布差異性，利用線元法和Matlab設(shè)計(jì)后鏟鏟柄3段曲線。前后鏟組合分層深松，產(chǎn)品見(jiàn)圖5。

周華等[14]設(shè)計(jì)了滑切自激振動(dòng)減阻深松裝置。運(yùn)用滑切原理，設(shè)計(jì)深松鏟柄結(jié)構(gòu)形狀，并組合自激振動(dòng)裝置。自激振動(dòng)連接方式滑切型深松鏟在各速度下相對(duì)于傳統(tǒng)弧形深松鏟減阻15.45%～20.05%。

羅斌等[15]設(shè)計(jì)了預(yù)破土組合振動(dòng)深松鏟。單獨(dú)設(shè)計(jì)圓弧預(yù)破土器與深松鏟柄組合，以降低深松鏟強(qiáng)度要求，降低土壤阻力，并與振動(dòng)裝置組合成新型深松鏟。優(yōu)化了破土器的位置，確定了振動(dòng)參數(shù)，取得了減阻的效果。

3 分析與建議

近年來(lái)，深松鏟的研究不斷深入和全面。對(duì)深松鏟的結(jié)構(gòu)形狀、表面狀態(tài)和綜合減阻研究都很多。有限元法、離散元法、Matlab、滑切理論、流體力學(xué)、振動(dòng)減阻等一系列方法或軟件都應(yīng)用到了研究中，并能綜合運(yùn)用。在眾多的研究中，減阻研究占相當(dāng)重要的比例。

在深度和廣度研究不斷推進(jìn)時(shí)，保護(hù)性耕作下的深松鏟和深松裝備，尤其適合東北黑土區(qū)，應(yīng)該加大力度研究和推廣。保證減阻效果的前提下，全面達(dá)到耕作模式要求的深松質(zhì)量的深松鏟，應(yīng)該得到廣大研究者的重視。