铧式犁结构的研究现状及发展趋势

吉林农业科技学院机械工程学院 邓涛 常影 陈成展 安超杰 郑旭强 赵玉山

铧式犁结构的研究现状及发展趋势

吉林农业科技学院机械工程学院 邓涛 常影 陈成展 安超杰 郑旭强 赵玉山

铧式犁是一种耕地用的犁，主要作用是将种植后的土壤进行翻耕并且碎土，消灭杂草和病虫害、疏松土壤，为下一次的种植提供保障。铧式犁的结构直接影响土壤的质量、耕种的成本以及生态环境，所以如何选择更优的铧式犁结构成为研究的重点。本文对铧式犁的结构以及发展现状进行了阐述，并对铧式犁结构的发展趋势进行了研究和总结。大量的试验研究表明，有些动物的体表结构能够降低在土壤中的行驶阻力，因此仿生犁壁成为发展趋势。

铧式犁；仿生犁壁；耕作阻力

1 引言

如何实现农业生产自动化，并且节约能源且提高效率的农业技术成为目前发展的趋势。随着机械化和自动化的发展，农业的相关工具结构也成为重要的研究方向。铧式犁是进行翻耕的重要农具，它的结构性能直接影响土壤的质量。且土壤作用在铧式犁犁壁上的阻力很大，因此如何减少铧式犁的耕作阻力成为主要的研究内容。对铧式犁结构进行研究不仅可以减少阻力，减少拖拉机的负荷和磨损，降低油耗，节省耕种成本，同时还能减少排放量，在一定程度上改善环境。所以对铧式犁的结构改进研究是有一定的实际意义的。本文拟对现在的铧式犁结构进行分析，阐述铧式犁结构的研究现状，结合先进的仿生技术研究，总结了仿生犁壁在铧式犁结构中应用的发展趋势。

2 铧式犁的结构特点

铧氏犁作为一种重要的耕地农具，横梁顶端的犁刃是其主要组成部分。传统的铧式犁就是通过牲畜或机车进行牵引耕种。传统的铧氏犁材料主要是木制，根据连接的方式不同，铧式犁分为牵引犁、悬挂犁、半悬挂犁三类。每一种铧式犁都有其特点，因此选择最优的铧式犁也是保证耕种质量的重要因素。牵引犁的结构相对较复杂，并且所需的牵引力较大，只能选择大功率的机车进行牵引，但是牵引犁具有稳定的耕深度和宽度，也就是耕种质量好；悬挂犁的结构相对较简单，且具有重量小、成本低和所需牵引力小的优点，但是机组的纵向稳定性差，不能够很好地应用在大面积的耕种中，但是在各家各户小面积的耕种方式上得到了广泛的应用；随着拖拉机的发展，半悬挂犁也随着大马力、重量轻的拖拉机发展起来，半悬挂犁的发展弥补了牵引犁和悬挂犁的缺点[1]。

3 铧式犁结构的发展现状

随着科学技术的发展，铧式犁的结构设计也在不断地更新。根据国家的专利申请数据，我国铧式犁的结构在1967年之前处于平稳期。1968年到1992年期间，在经历了免耕后耕种质量没有明显改善，西欧和美国很多国家的耕整方式又重新注重耕地，铧式犁的结构也因此在这段期间得到了快速的发展。1993年到2013年期间，我国的铧式犁结构研究进入飞快发展时期[2]。

由于铧式犁在使用的过程中，其犁壁与土壤接触处受力较大，因此人们主要针对铧式犁的表面进行研究改进。经过一段时间的改进研究，铧式犁壁的结构目前有很大的改善。随着人们对生物科学的研究，仿生结构的特殊性决定了其应用，仿生结构也逐渐应用于铧式犁结构设计中[3]。

吉林大学实验室的成员在研究土壤动物体表时，发现其在土壤中行进时能够减粘降阻，并因此开发了仿生非光滑犁壁[4]。吉林大学的李青提出了利用TRIZ理论冲突矩阵解决减粘脱土问题[5]。吉林大学金俊等人通过对犁壁进行设计参数的优化，得出了仿生凸起在犁壁上的分布。通过田间实验得出此仿生犁的降低阻力范围在15.9%～18.0%，在一定程度上使得生产率提高了20.5%[6]。李重涣等人以蜣螂为研究对象，建立数学模型后进行仿真研究，模拟出仿蜣螂体表非光滑表面[7]。

4 铧氏犁仿生结构特点

20世纪60年代人们开始研究仿生学，仿生犁也随着仿生学技术发展被人们广泛关注，生物的结构特点是适应环境的结果，为了适应生存具有了合理的结构。很多穿梭在土壤中的动物为了适应环境，在逐步的进化过程中其身体结构得到了改善，所受泥土的阻力有一定程度的减少。为了更好地研究仿生犁的结构，人们开始以土壤动物为研究对象，研究其结构和外壳等，并将其应用在仿生犁的结构上，用以减少仿生犁所受土壤的阻力，并能在一定程度上改善碎土的效果。

土壤生物中车蜣螂的体表为非光滑表面，仿造蜣螂体表的非光滑表面的凸起、凹陷、孔洞、裂缝等特征结构制作仿生犁，不仅能够达到减粘脱附的效果，还能够降低阻力，从而提高工作效率，减少耕种成本。但是仿生犁不单单是研究其结构，还可以对生物体表的分泌物、表面电位变化等进行深入研究，这也使得仿生变得更复杂。

很多研究学者通过实验证实了对水田犁壁进行仿生设计，在一定程度上降低了耕作阻力，减少了耕种的成本，提高了生产率。2004年吉林省舒兰市进行了仿生犁和普通犁的对比实验研究，通过对两种犁的耕深、覆盖和碎土效果进行作业质量的考察和分析后，得出了从生产率、耗油量、劳动消耗和成本等角度分析，仿生犁各方面均得到了改善，并且仿生犁的碎土和覆盖效果非常好。

5 总结

本文阐述了铧式犁的结构以及发展现状，研究和总结了铧式犁结构的发展趋势。经过分析大量的试验研究现状，得到了有些动物的体表结构能够降低在土壤中的行驶阻力，因此仿生犁壁成为发展趋势，且其犁体的结构是主要的研究内容之一。虽然仿生犁有着诸多优点，但是铧式犁的加工制造成本较高，也给它的推广和应用带来了一定的阻力。

[1]金桂香.铧式犁的分类简介[J].农机使用与维修,2014(2):43.

[2]韩树刚,董新蕊,喻江霞.铧式犁专利申请趋势分析[J].农业机械,2014(08):122-126.

[3]洪筠,崔占荣,任露泉.仿生犁与普通犁作业综合经济效益的对比分析[J].农业机械学报,2006,37(10):93-96.

[4]贾贤,任露泉,陈秉聪.土壤动物体表及仿生复合涂层的润湿性[J].材料研究学报,1996,10(5):556-560.

[5]李青.基于TRIZ理论和仿生原理的犁技术进化的研究[D].长春:吉林大学,2007.

[6]金俊,李建桥,张广权等.仿生非光滑水田犁壁的设计及田间应用试验[J].农机化研究,2015,(12):160-165.

[7]李建桥,李忠范,李重涣等.仿生非光滑犁壁规范化设计[J].农机化研究,2004,(6):119-121.

常影，1988出生，女，吉林省长春市人，硕士，助教，研究方向:农机设计、模具设计、数控加工及逆向建模等。

吉林农业科技学院大学生科技创新科研项目（吉农院合字[2016]第2016108号）。