立式旋耕机的研究现状及发展趋势

河南农业大学机电工程学院 张闯闯 曹丽芳河南农业大学林学院 杨果果



农业纵横

立式旋耕机的研究现状及发展趋势

河南农业大学机电工程学院 张闯闯 曹丽芳
河南农业大学林学院 杨果果

目前，旋耕机在我国的农业生产中得到了广泛的应用，它能够充分利用拖拉机的功耗，具有良好的切土、碎土能力，耕作后土壤表面平整，机组下地次数少，兼有耕翻的功能。在国内，旋耕机已经大范围地应用于旱地作物的灭茬和水稻的种植作业中。在旋耕机的使用中，卧式旋耕机占据了主流，该种旋耕机能够适应多种类型土壤的耕作，翻土、碎土和平整地表在一次性机械作业中即可完成，但也有漏耕、耕作深度较浅、刀具容易被草缠绕和泥土堵塞等缺点。立式旋耕机具有碎土效果好、耕作深度较深、能实现免耕等优点。近些年来，该种机械获得了快速发展，本文简要概述了该种机械的研究现状及发展趋势。

一、立式旋耕机的现状及存在问题

（一）立式旋耕机的工作特点

立式旋耕机一般都通过三点悬挂的机架与拖拉机的液压悬挂臂相连接，通过拖拉机的液压升降系统来完成立式旋耕机的起落，动力从拖拉机的输出轴经双头万向节传动轴与立式旋耕机的减速器输入轴相连接，再通过变速箱输出轴传递给垂直传动轴，垂直传动轴转动带动固定刀片的工作部件旋转，立式旋耕刀具在机架的牵引和自身的圆周运动下做复合运动来切割土壤并使土壤破碎。由于单个旋耕刀具的切削厚度是周期性变化的，所以其所受到的切削阻力也是周期性变化的，多把刀具同时参与切削土壤时，切土时受到切削阻力并不是单个刀具切削土壤时受到切向阻力的代数之和，而与刀具的排列和布置有关。

立式旋耕机的传动系统采用的是减速器和联轴器来传动，也可以采用一排相互衔接的直齿轮机来传动，精确比高且结构会减小。每相邻的立式旋耕刀具的运动轨迹，可以根据农艺的要求相互重叠或者有间隔区域，从而提高了立式旋耕机的适用范围，该种旋耕机可在秸秆粉碎、根茬粉碎后使用，也可与播种复合作业。立式旋耕机由于相邻旋耕刀的转向相反，抵消了整体机械的工作侧力，消除了卧式旋耕机传动刚性差的不足，工作更加平稳。

（二）立式旋耕机的研究现状

当前，我国应用较为广泛的旋耕机类型为卧式旋耕机，而立式旋耕机的使用并不是很多。随着水稻种植在我国北方的迅速增加以及现代化的种植产业发展，立式旋耕机有了广阔的应用前景。立式旋耕机因进给量只影响到碎土质量，而不影响到沟底的平整度，有较强的碎土、起浆作用等优点，在稻田的水耕中得到了广泛的使用。

近些年来，在立式旋耕机的研制方面，张敏、吴崇友、陈长林通过对立式旋耕机传动系统进行了设计并分析了旋耕刀的运动，得出旋耕机前进的速度只影响旋耕刀碎土质量和旋耕刀具存在重复切削土壤的现象，该现象导致耕作带土壤细碎不一致；并且解决了常用耕作部件易漏耕和不能适应高速作业的问题。由郭军义所发明的一种立式旋耕机，能够兼具开沟和深耕的作用，工作时对土壤进行垂直旋耕，克服了现有旋耕机存在耗能大、耕深浅的不足。在立式旋耕机的理论分析方面，王敏、李萍萍、王纪章等人通过运用ANSYS/LS-DYNA971对茶园立式旋耕刀具切削土壤的过程进行模拟，得出了刀具切削土壤时的等效应力和耗能大小的变化规律。

（三）立式旋耕机存在的问题

我国立式旋耕机存在的主要问题有：

1.立式旋耕机在工作时，需要提供较大的功率去切削土壤，由此所需的耗能也就很多。

2.由于土壤是一个不稳定的三相系统，力学性能变化很大，当机具的耕深较大时，会对旋耕刀具的强度和韧性提出很高的要求，旋耕刀易出现折断和弯曲现象。

3.在动力传输过程中，万向传动轴易发生损坏，使用寿命不长。

4.立式旋耕机多与大功率拖拉机配套使用，与小功率拖拉机配套使用的体积小、中耕型的立式旋耕机还不多。

近年来，看报道称，适用于南方的粉垄耕作栽培制度，可大幅度增产，在垄的底部形成U型槽沟，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。当前，在我国达到深松、深耕的深旋耕机还相对比较少，有关这方面的理论和研发还需要进一步的深入。随着农业产业化的进程加快和对耕作要求的进一步提高，具有深耕、深松功能的立式旋耕机将会得到迅猛发展，成为重要的耕整机械。

二、立式旋耕机的发展趋势

结合当前立式旋耕机出现的耗能大、刀具易损坏和品种单一等问题，以及为了适应水稻在北方的种植和现代种植产业的调整，立式旋耕机的发展趋势有以下几个方面。

（一）立式旋耕机的耕刀转速得到进一步提高，机具作业的幅宽进一步加大

耕刀转速的提高能够提高碎土质量，改善刀具的受力状况；高速的旋转传动轴，可以配合多种刀具，完成灭茬和整地等多项功能；机具作业幅宽的加大可以提高生产率，降低生产成本，有利于农作物产业的集约化生产。

（二）立式旋耕机与具有其他作业功能的机具配套使用

以立式旋耕机作为主要工作部件，当与播种机械相组合时，就可以完成整地、播种的复合功能；当与施肥机械相结合时，可以实现整地、施肥等功能，一次性作业即可完成多种作业用途，减少了机械的进地次数，降低了作业成本，从而提高了生产效率。

（三）立式旋耕机向深松、深耕发展

深层耕作改善了种植土壤的通透性，打破了常年耕作留下的犁底层，保水保墒。经济类作物常需要耕作深度在20cm以下，这就为立式旋耕机的耕深提出了进一步的要求，耕深的增加需要解决的难点是功率和机组不平衡的问题。目前，耕深分别在 90～120cm 和 30～60cm的间隔窄幅深耕机和全幅深耕机已经在有些国家研制出来了。

（四）立式旋耕机的使用将更加注重环境保护

立式旋耕机在耕作时会产生油污和噪音污染，未来，这方面将得到改善。随着人们对环境保护意识的增强，将会更加注重绿色环保概念，无噪音和无油污的立式旋耕机将会有广阔的应用前景。

（五）立式旋耕机将会智能化、液压化

随着电子感应元器件在立式旋耕机上的应用，该设备将更加稳定、高效率，同时减轻了操作者的劳动强度；液压驱动性能良好，可以方便实现无级变速，未来，用液压驱动替换拖拉机传动轴驱动立式旋耕机，这将会大大简化机组结构，节约能耗，提高生产效率。

三、总结

随着水稻在北方的种植和现代种植产业的调整，立式旋耕机因其工作平稳、碎土效果好、耕作深度较深、能实现免耕等优点，将会在未来的农业生产中得到迅速发展。结合当前立式旋耕机出现的耗能大、刀具易损坏和品种单一等问题，立式旋耕机将向宽幅、高速型、多功能联合作业，以及向深耕、环保和智能化、液压化方向发展。