許蓬勃，楊永發(fā)，崔 月，呂新宇

（西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650000）

0 引言

近幾年在非標準大棚作業(yè)中，手扶式微耕機因其體積小、重量輕、轉運方便、功能多樣的特點在非標準大棚中得到了廣泛的推廣和普及。手扶式微耕機雖有上述一系列優(yōu)點，價格也能被丘陵山地地區(qū)農民接受，但存在操控不便、操控者勞動強度大、危險系數高、耕深不足、不能打破犁底層等缺點。犁底層的出現會導致土壤上下通透性變差，阻礙水分滲入深層土壤，影響作物根部的生長使得作物的根系只能生長在淺層土壤中，影響植物對養(yǎng)分的吸收，不僅會導致作物減產還會增加水肥的施用量，增加非標準大棚的運營成本。在實際生產中的應用表明：采用深耕技術可以有效打破犁底層，改善土壤通透性，增加水肥的滲入，有利于作物根系的生長發(fā)育，實現作物的增產，提升非標準大棚內作物品質。

為此，結合非標準大棚的空間大小限制并結合耕深達到25 cm以上、機型輕巧、價格便宜、安全系數高、適用于西南山區(qū)非標準大棚內作物種植等要求，筆者研制出一種小型四驅深耕機。結合要求與實際情況，主要研究意義有以下兩點：

1）小型四驅深耕機應用于非標準大棚內作物種植前的深耕工作，大棚內土壤經過深耕后能夠減少農戶水肥的施用量，有利于農作物根系的生長，提高農作物品質與產量，進而降低大棚運營成本，增加農戶種植效益，解決了手扶式深耕機耕作過淺無法打破犁底層、使用不安全、使用者勞動量大等問題。

2）目前，國內市場上基本沒有一種專門適用于非標準大棚的深耕機，此類深耕機的研制較為緩慢，知名大廠大多側重適用標準大棚的大型深耕機的研制，而一些小廠家研制出的深耕機因為各種原因，沒有得到大規(guī)模的推廣?；诖朔N情況，筆者研制出適用于非標準大棚的小型四驅深耕機，可有力推進非標準大棚種植行業(yè)的發(fā)展。

1 深耕機發(fā)展現狀

目前，國內和國外比較流行的翻耕機械主要有以下幾種：深耕機、深松機、粉壟機等。此類機具均可實現對土地的耕整，并且都能有效打破犁底層，為農作物根系的生長起到了促進作用。由于不同國家和地區(qū)有著不同的農藝及地形特點，因此，各地設計的深耕機都有著不同的尺寸、所需動力平臺的功率都各不相同，受制于不同地貌特征與農藝等限制，翻耕機械在適應不同地區(qū)、不同耕作深度的需求上還有很大的發(fā)展前景。

1.1 國外發(fā)展現狀

國外對深耕機的研發(fā)始于20世紀30年代，其中深耕技術發(fā)展較快，在20世紀40年代英國的耕地就有近半數采用深耕的方式進行耕作。國外經過近90年的發(fā)展，深耕技術已經相當完善，并形成了一整套成熟的體系，有著一系列適應不同環(huán)境作業(yè)的機型。目前，國外比較流行的兩種深翻機械分別采用擠壓式深耕與震動式深耕，兩種機具均與大型動力平臺相配套使用，可自由調節(jié)耕作寬度和深度，并有著作業(yè)速度快、作業(yè)質量高、油耗小的特點。

2003年，Lee對比研究了帶鋸形齒的旋耕刀片與不帶鋸形齒的旋耕刀片，在轉速、轉向、整機前進速度相同的情況下，工作效果的對比。2007年，Fashola公司研制了一款適用于水田的微耕機。2009年，日本的SahaC研發(fā)了一種通過震動來實現耕作的微耕機，為其配備大功率發(fā)動機使其具有工作效率高、碎土效果好的特點。2011年，美國約翰迪爾公司，推出了一款深耕機，該深耕機的特點是，在深松犁兩側增加了側向刀鏟，增加了松土效率。2013年，Ryan對耕作部組與動力機械的間距在留有小麥茬的耕地上進行了研究，得出了兩者連接的最小間距[1]。2014年，Yang等對耕作機械的作業(yè)寬度、速度、深度對耕作所需功率的影響進行了研究，分析了對整機功率影響最大的因素[2-3]。2015年，澳大利亞Matin對不同的深耕刀片消耗功率、所需扭矩，進行了分析與優(yōu)化。2016年，Matin探究了旋耕刀片不同的刃角對農作物種子發(fā)芽率的影響，通過研究發(fā)現合適的刃角可以提高耕作時土壤的回流，改善種子生長環(huán)境，提高種子發(fā)芽率。在刀具的研究上國外也進行了一系列研究。S.K等，為了改善耕作刀具的耐磨性能，對同一款刀具噴涂了兩種不同的表面材料，通過對比發(fā)現其中一種材料可以顯著提高旋耕刀具的耐磨性能。Leek等，分析了不同刀具組合一起工作時的耕作效果。H Gholmai等，研究設計了一種新型旋耕刀具，改善了微耕機在作業(yè)時易纏草、操作人員易疲勞的缺點，并研究了不同土壤含水率、耕作速度、消耗功率，對新型旋耕刀片的影響，提高了微耕機的工作效果，降低了旋耕作業(yè)對功率的消耗。Shoutai等，采用sph模型對旋耕刀切土模型進行了模擬，仿真分析優(yōu)化了旋耕刀的外形結構。通過實驗測定表明旋耕刀優(yōu)化后，降低了微耕機械在作業(yè)時功率損耗，減小了油耗。還有一些科研人員研究機器在耕作過程的震動。V G等，對小型農業(yè)機械的震動特性進行了醫(yī)學方向的分析。Tiwari等，對比分析了手扶式旋耕機和乘坐式旋耕機操作者心率，在操作有座位的旋耕機時操作者的心率更低，據此對微耕機的操作舒適性提出了建議。Ragni等，通過對一款小型手扶微耕機使用者的調查發(fā)現，經常使用微耕機的人3年后，會有十分之一的人患白指病。Sam等，為了降低微耕機震動對操作人員的影響，提高了操作人員的舒適度。J.Retherton等，通過使用新型材料代替鋼鐵，有效減輕了微耕機的重量，減輕了微耕機的震動。Patal等，研究出了一整套對于小型農機耕作性能評價標準。Tarverdyan等，研制出了一種小型垂直旋耕機械，并通過建模仿真、田間試驗等驗證了其設計的合理性。

1.2 國內發(fā)展現狀

我國旋耕機械研制的開始時間相較于歐美發(fā)達國家起步較晚，在20世紀70年代，我國研發(fā)了第一款微耕機。80—90年代我國微耕機得到快速發(fā)展，但這一時期是以仿制國外機器為主。20世紀90年代—20世紀末，我國的微耕機逐漸發(fā)展起來，并形成了一套完備的生產體系。進入21世紀以來,我國生產微耕機的企業(yè)已達到200多家。2007年，余泳昌等通過對深松鏟的受力分析，優(yōu)化設計了立式深松鏟。2011年，徐月天、王景立等通過對深松鏟的運動優(yōu)化，提高了機器的工作效率。2013年，西南大學李卓設計了一種煙田深耕機，耕深達到30 cm，滿足了煙田打破犁底層的需求。2014年，王耀文、葉進等運用TRIZ理論優(yōu)化設計了煙田深耕機。2015年，李坤研究了撬翻式茶園深耕機，運用動力學軟件Adams仿真分析了機器的各種工況，優(yōu)化了機器工作參數。2017年，韓煜杰通過對不同深耕刀的仿真分析，優(yōu)化了立式深耕刀的設計參數，提高了深耕刀的工作效率[4]。2019年，貴州大學孫效荷對螺旋深耕機的關鍵部件進行了靜力學、動力學仿真和模態(tài)分析，降低了整機的損耗，提高了整機的工作效率。2020年，張富貴等針對丘陵山地地區(qū)土壤耕作層過淺和常年淺耕土壤病蟲害增加等問題，設計了一款自走式螺旋深耕機，并測量出深耕刀的最大變形量為2.67 mm，滿足了機器工作要求。

2 深耕機存在的問題

目前，深耕領域在刀具、深耕效果、增加操作者操作舒適性上有了長足的進步，但還存在大中型深耕機體積過大、不適宜在大棚內作業(yè)等問題?，F有的小型耕作機械大多為手扶式微耕機，存在著安全性低、耕作深度不足、操控性差、振動大等一些不足之處，限制了其進一步發(fā)展。主要表現在以下3個方面：1）在安全性上，由于操作者操作不夠熟練、疏忽大意、安全意識不強、在操作時對防護裝置必要性認識不足等因素，在多種因素的影響下很容易造成安全事故，例如現有手扶式微耕機在啟動時，沒注意檔位是否在空檔，貿然啟動機器，易出現機器的突然前進或后退，造成操作者被撞傷。2）微耕機耕深不足，耕深不足導致大棚內土壤情況惡化，形成犁底層，不能很好滿足農藝要求。3）在操縱性上，操縱手扶式微耕機需要操作者有一定的力量來控制手扶式微耕機，長期工作會極大消耗操作者的體力，并且手扶式微耕機在工作時由于發(fā)動機工作和旋耕刀的工作會產生不同程度的震動，易使操作者產生不適感，常年使用可能會影響操作者健康，嚴重影響操作者健康和工作效率。

3 四驅深耕機的優(yōu)勢

近年來，適用于平原大地塊的大型深耕機，在我國得到了快速發(fā)展，并在深耕刀具與節(jié)能上有一定的建樹，但在小型深耕機的研究上，存在著諸多問題，特別是針對西南丘陵山地地區(qū)仍大量存在的非標準大棚，市場上幾乎沒有與之配套的小型深耕機具?，F有的并被農民大量使用的手扶式微耕機，存在著耕深不足、安全性能差、作業(yè)效率低、操作不便、田間轉運困難等問題，針對上述問題，亟需針對非標準大棚研制一種耕深足夠、安全高效、操作便捷、方便轉運的小型深耕機，滿足非標準大棚農戶的迫切需求。

筆者根據四驅深耕機作業(yè)環(huán)境特點，設計了一種強度尺寸合適的機架。根據設計經驗大體設計出整機的布置方案，確定發(fā)動機、變速箱等關鍵部件的大體位置。根據深耕機的牽引特性和各作業(yè)工況對牽引力、作業(yè)速度及牽引功率的要求，對動力系統(tǒng)的發(fā)動機進行選型和參數確定，并對變速箱進行設計。根據非標準大棚地形和土壤特點，測出非標準大棚土壤黏度、坡度等實地情況，通過計算分析整機穩(wěn)定性，選擇合適的深耕刀能夠打破犁底層，確定深耕刀的旋轉方向和深耕刀長度。根據非標準大棚土壤特點選擇合適的深耕刀，并通過實驗選擇出深耕刀合適的轉向和深耕刀長度。

4 小結

綜上所述，本研究分析了目前云南地區(qū)非標準大棚深耕作業(yè)面臨的問題，探討了國內外現有旋耕和深耕機具的問題和各自的優(yōu)劣勢，同時介紹了四驅深耕機的研究對解決問題的幫助和現實意義。