旋耕减阻降耗技术研究进展*

孙志全，段洁利，杨洲, 3

(1. 华南农业大学工程基础教学与训练中心，广州市，510642； 2. 华南农业大学工程学院，广州市，510642； 3. 广东省山区特色农业资源保护与精准利用重点实验室，广东梅州，514000)

0 引言

土壤耕作就是以机械作用力进行土壤处理，使其产生破碎、切削、翻转或转移，最终达到理想状态，以适宜作物生长[1]。2019年，我国共有耕地面积1.33亿hm2[2]，耕作动力费按500元/hm2计算，若通过优化耕作机具实现降耗1%，则每年可节省动力费用6.65亿元。因此，开展耕作减阻降耗技术研究是推动我国农业机械化高质高效发展的有效手段，对我国农业可持续发展有着重要的现实价值和意义。

旋耕可一次完成耕耙联合作业，有效避免耕作机械多次进地，减少对土壤的压实，在南方水稻生产机械化和北方的水稻生产、蔬菜种植和旱地灭茬整地作业中应用广泛[3-4]。由于旋耕在农业生产中的重要地位，旋耕减阻降耗研究成为相关学者关注的热点[5]。为此，本文简述了旋耕减阻降耗技术研究要点，重点介绍了目前国内外此方面的研究现状，并在此基础上展望了我国旋耕减阻降耗技术的发展方向，旨在为我国高效节能旋耕机械进一步研究提供参考。

1 旋耕减阻降耗技术研究要点

1.1 旋耕刀具—土壤相互作用

刀具—土壤相互作用包括土壤对刀具的摩擦、粘附和抗剪作用，是产生耕作耗能的根本原因[1]。刀具的几何结构是影响土壤对旋耕刀具的抗剪作用的决定性因素，因此，旋耕刀几何结构的优化研究成为旋耕减阻降耗研究的重点方向[6-7]。土壤对刀具的摩擦和粘附作用与刀具表面和土壤性质有关，显著影响着耕作部件的作业阻力、功耗和质量，是另一个研究重点[8-10]。

1.2 旋耕功耗的影响因素

旋耕是使用旋耕刀将土壤切碎后抛起，高速运行的土壤撞击到覆土板后破碎，因此旋耕能耗主要有切土能耗和抛土能耗[11]，另外，土壤粘附堵塞在覆土板上时，会产生重复切土功耗[12-13]。相关研究表明，旋耕功耗的主要影响因素有旋耕刀辊几何结构、旋耕刀辊工作方式、旋耕刀辊工作参数和土壤性质参数[14]。其中，旋耕刀辊几何参数包括旋耕刀几何结构、旋耕辊子几何结构和旋耕刀排列方式；旋耕刀辊工作方式包括正切、反切和振动旋切；旋耕刀辊工作参数包括刀辊转速、耕深和前进速度；土壤性质参数包括土壤含水率、土壤坚实度、土质等[15]。目前，旋耕刀辊工作参数优化研究已较为成熟，其选取范围已基本确定，而土壤在不同地域有不同的性质，无法统一参数，因此，现阶段旋耕减阻降耗技术研究主要集中在旋耕刀辊设计、旋耕工作方式改进和农机农艺融合这几个方面[16]。

2 旋耕减阻降耗技术研究现状

2.1 旋耕刀辊设计

2.1.1 旋耕刀优化

1912年旋耕机雏形在澳大利亚出现，20世纪20年代，美国开始研究动力旋转机具，50年代末，ADAMS等人研究了几种不同宏观外形的旋耕刀齿(如图1)，确定了后来旋耕刀几何外形的发展框架，但ADAMS采用的是绘图表达的方式，没有建立刀具几何外形的数学表达式，发展至70年代初Hendrick和Gill对旋耕刀的设计参数和工作参数进行了一系列研究，为旋耕刀优化研究奠定了理论基础[17-18]。20世纪20年代日本从欧美引进旋耕机应用于水田，并根据日本本土田间工况研制出一种切削性能和排草性能兼备的弯形旋耕刀，结合长期的理论研究和试验研究，建立了相应的旋耕刀设计系统理论，使得日本旋耕减阻技术得到快速发展和应用，其研制的旋耕刀具有优越的减阻性能，得到了国际认可[19-20]。同一时期，苏联、欧洲等国家也针对旋耕减阻技术开展了较深入系统的研究，取得了较丰富的研究成果[21]。国内自20世纪50年代引进旋耕机，并开展旋耕技术相关研究，顧乾安、丁为民等对旋耕弯刀设计理论进行了系统深入地研究，为我国旋耕刀切削和减阻性能优化设计做出了巨大贡献[22-23]。

(a) 锄形刀齿

旋耕减阻技术发展至今，旋耕刀主体外形已基本确定为凿型、L型和弯型旋耕刀(如图2)，直条型旋耕刀也偶尔被采用。国内应用较普遍的是弯型旋耕刀，该类型刀体侧切刃为阿基米德螺旋线，正切刃为空间曲线，两段刃口间以圆弧线连接[24]，详细结构如图3所示。

(a) L型

图3 旋耕弯刀结构简图

基于旋耕刀主体外形基础，相关学者开展了旋耕刀减阻优化研究，如郝建军等[25]基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形切削刃的减阻旋耕刀，田间试验结果表明，在保证刀身强度的前提下，楔形旋耕刀与国标旋耕刀相比，切削阻力下降10.65%、平均功耗下降9.29%。水田旋耕埋草作业是水稻种植中的一个重要程序，夏俊芳等[26]突破传统的旋耕刀设计理念，研制了一种螺旋横刀(如图4)，并对该刀辊进行优化，使其工作能耗降低了17.01%。Selvi等[27]设计了一种Y型旋耕刀(如图5)，并采用ANSYS软件对该刀片的三种材料(结构钢、不锈钢和低碳钢)的模型进行静力分析，结果显示三种材料的模型均小于其对应应力极限值，表明该设计可作为旋耕减阻技术的一个研究思路。

图4 螺旋横刀模型

图5 Y型旋耕刀

2.1.2 旋耕刀排列方式优化

旋耕刀的排列方式不仅决定旋耕机的切土和抛土性能，也影响旋耕机的功耗[28]，其方式常见有单螺旋线、双螺旋线、星形及对称排列等，同一旋转平面的刀盘一般为单排设计[29]。在常见旋耕刀排列设计的基础上，一些研究学者基于不漏耕、不重耕，功耗最小，生产成本最低的设计原则对旋耕刀排列方式进行改进。徐红光等[30]参考发动机气缸点火顺序，基于1GF-170型灭茬旋耕机设计了新型旋耕刀的排列方式(图6)，较优化前降低了旋耕功耗。鄂智[31]针对反转旋耕刀双螺旋排列方式进行优化，确定了旋耕刀最优安装参数为50°的安装相位角和155 mm的旋耕刀旋转面间距(图7)。

图6 仿发动机气缸点火顺序排列方式

图7 优化的双螺旋排列方式

EDEM仿真结果表明，优化后的旋耕刀辊作业功耗平均降低了13%。Srivastava等[32]开展了旋耕刀宽度、作业深度和旋耕刀安装角对旋耕工作性能影响试验，结果表明，旋耕刀辊直径为15 cm，耕作深度为8.5 cm，安装角度为30°时，旋耕刀所受的水平力、垂直力和作业比能耗最小。Ivanov等[33]设计了一种双列直刀式旋耕刀盘(如图8)，土槽试验结果表明，所设计的刀盘在满足沟底稳定性的条件下，比能耗降低了20%～30%。

图8 双列式旋耕刀盘

2.2 仿生减阻

仿生可追溯的年代久远，如战国时代鲁班模仿茅草叶发明了我国第一个人类史上第一把木工锯。但直至1966年仿生才作为一种系统科学在国内提出[34]，1990年陈秉聪院士和任露泉院士等[35]首次将仿生学应用于触土耕作部件表面减粘脱土研究，为耕作部件减阻降耗研究注入了新的活力，2003年朱凤武、郭志军等[36-37]开启了对洞穴动物足趾结构和力学性能的静态触土耕作部件仿生减阻研究，拓展了耕作部件仿生研究仿生原型选择范围，2009年文立阁[38]以蝼蛄开掘爪趾为仿生原型，设计了一种仿生灭茬刀，开启了动态耕作部件几何结构仿生优化研究的序幕。随后的十余年，在旋耕刀几何结构仿生设计方面取得了较大进展，如汲文峰等[39]仿鼹鼠爪趾指甲的几何外形，郭俊和杨玉婉[40-41]仿鼹鼠前足五个爪趾排列方式，李默[42]仿螳螂前足结构，俞杰[43]仿家兔爪趾几何外形，齐慧[44]仿螃蟹鳖前足几何结构等设计了旋转耕作刀具，并通过试验验证了仿生刀具的减阻性能。仿生旋耕刀相关研究的仿生原型、仿生刀具实物及减阻性能如表1所示[45]。

我国触土耕作部件仿生减阻降耗研究从仿生表面减粘脱土到仿生几何结构，已相继开展了30余年，取得了部分可转化成果。近年来开展的旋耕仿生减阻研究，证明了该理论的可行性，为旋耕减阻优化指出了突破当前研究瓶颈的一条路径。与旋耕刀仿生几何结构相比，在旋耕刀表面减粘脱土方面的仿生研究进展较为缓慢，虽然仿生起初研究对象是触土耕作部件表面减粘脱土，但目前针对旋耕刀表面脱土的研究及应用则极为少见[46]。与国内相比，国外针对耕作部件仿生减阻的研究成果则少见报端，加拿大Chen Ying与我国学者合作开展了熊爪与土壤间的相互作用研究[47]，此外未见国外其他学者开展耕作部件仿生减阻方面的研究。

表1 仿生减阻旋耕刀实例

2.3 振动减阻

日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授最早对振动切削进行研究，最先提出了一套系统完整的振动切削理论，为推动各国机械制造领域的发展做出巨大贡献[47-49]。随后，国内外相当多的研究学者开展了振动深松技术相关的研究，取得了丰硕的研究成果，并有较好的市场应用[50-51]。

伴随着振动深松技术的发展，一些学者将振动作用应用于旋耕机械，如张宪等[52]经过研究发现振动为正弦波形，频率为12～20 Hz，振幅为6～12 mm时，平均旋耕扭矩减少超过10%。蒋建东等[53]设计了一种旋耕刀振动产生机构，建立了振动旋耕刀尖的运动方程，结合人机工程学，确定了振动频率范围为20～50 Hz，仿真试验研究表明，振动旋耕切削降耗最高达30%。在振动旋耕机专利成果方面，高建民等[54]设计一种混沌振动摆件，将其对称安装在导辊轴两端，当旋耕刀辊转动时，混沌摆件作无规则旋转运动，在摆件离心力作用下，旋耕刀辊作无规则振动旋切。其他专利成果如“一种振动式茶园松土机”“一种土壤旋耕刀片自激振动产生装置及土壤旋耕刀辊”[55-56]。

振动旋耕减阻的另一个应用是将振动作用于旋耕机挡土板上，以减少土壤对挡土板的粘附，避免刀具重复切削。日本对旋耕机振动挡土板的减粘脱附效果开展了一系列研究，证明了该理论的可行性[57-58]，国内也有此技术相关的专利成果[59]。

经过分析发现，1970年苏联就已开展振动旋耕机相关的研究，但截至目前，此方面的研究成果并不丰富，可见振动旋耕减阻降耗技术的发展非常缓慢，国内的研究仍处于仿真试验研究和概念设计阶段，还未出现实际试验的振动旋耕样机。

2.4 农机农艺融合减阻

随着免耕、少耕、秸秆还田等现代农艺技术的发展，旋耕减阻降耗技术也逐渐在旋耕碎茬、播种开沟、深松等农业生产中得到应用，其减阻降耗原理是在耕整土壤满足农业生产的条件下，减少机器进地次数以降低多次作业总功耗和尽可能减少土壤扰动。在避免机器多次进地的联合作业方面，旋耕常和其他耕作方式相结合，如犁翻—旋耕、深松—旋耕、灭茬—旋耕、旋耕—播种(或施肥)等，其结构通常是将两种或以上耕作部件按照一定次序布置合为一体，如1SZL-230GD型镐式深松灭茬整地联合作业机，主要有灭茬机构、深松机构和旋耕机构组成(如图9)。此外，一些学者为简化联合作业机械结构，降低作业功耗，研制了多功能耕作部件，如贾洪雷等[60]设计了一种可同时完成旋耕和碎茬两种作业的旋耕—碎茬通用刀片，分析了该刀体的回转半径、弯折角、正切面刃角、滑切角、弯曲半径、单刀切削幅宽和刃厚，结合土槽试验结果确定了刀片最优设计参数，试验结果表明，所设计的通用刀片单位幅宽功耗小于国际旋耕刀。

图9 1SZL-230GD灭茬深松旋耕联合整地机

在减少土壤扰动方面，Yang等[61]结合小麦播种农艺要求，研究了一种用于条耕播种的组合旋耕刀刀盘，在满足播种沟沟形参数和种床土壤状态要求的条件下，避免全耕土壤，减少土壤扰动，降低了耕种作业能耗。同Yang，Matin等[62]提出了一种以条耕代替全耕的作业方式，设计了相适配的直型旋耕刀，土槽试验结果表明，转速在375～500 r/min时，直型旋耕刀比能耗小于通用旋耕刀和半宽旋耕刀，节能率最高达25%。旋耕也可应用于林业生产领域，Harrison[63]为清除林地有机垃圾，研制了一种立式半椭圆形立式旋耕刀(如图10)，该刀具能以最小的土壤扰动量清除土壤中的有机物垃圾和腐殖质，漏出矿质土壤层，为新林木种植提供良好条件。

图10 半椭圆形立式旋耕刀

不漏耕是耕作农艺中的一个基本要求，但常用的中间传动旋耕机作业时却无法避免产生漏耕现象，常用的解决方式是在中间传动箱下方安装锄铲来消除漏耕带，但锄铲工作阻力大、磨损严重、漏耕带消除不彻底。相关学者尝试了不同设计方案，以解决漏耕问题，如高建民等[64]设计了一种斜置潜土旋耕机(如图11)，旋耕刀旋转面与机组前进方向有一定夹角，再通过合理的排列旋耕刀从而避免漏耕，田间试验表明，该旋耕机能够满足耕作农艺要求，且与传统旋耕机相比降低了耕作能耗。

图11 斜置潜土旋耕机

农机农艺融合的理念已经提出多年，但从目前研究现状来看，我国农机农艺融合并未取得较大进展。分析其原因可能是以下三个方面：(1)农艺和农机分属不同学科，学科交叉融合对研究人员学术背景、经历要求较高；(2)长期以来，农民是农业生产的一线人员，农艺技术往往是广大农民群众不断实践积累起来的，由于各种条件限制，这些技术未形成可保存和传递的系统理论文献；(3)是农机要依据农艺要求来设计，还是农艺生产技术要根据农机来制定，或是两学科研究人员合作制定统一农业生产标准，目前尚未形成共识。

3 旋耕减阻降耗技术研究展望

旋耕刀辊工作参数对功耗影响的理论和研究方法较为成熟，已达到瓶颈阶段，若要取得旋耕减阻技术研究的突破性进展，需深入到微观层面，探索刀具与土壤的微观作用规律，并进行多学科交叉融合，突破旋耕刀设计思路局限，结合数值模拟研究和实际试验研究，借助现代检测技术，揭示旋切时刀具—土壤的相互作用机理，建立适于我国不同地域和作物的旋耕刀设计理论体系，从而促进我国旋耕减阻技术快速发展。

3.1 完善我国旋耕刀具设计的系统理论

我国地域辽阔，不同地域的土质、田间环境不同，而一种旋耕刀不可能在各种作业条件下都具有较好的性能，因此，需要建立旋耕刀设计的系统理论，以避免旋耕刀设计与选型无据可依或依据太少。为突破旋耕刀的设计局限，丰富旋耕刀设计理论体系，可关注仿生、振动和农机农艺结合的相关技术应用，具体为：(1)在仿生方面，不仅要仿生动物趾爪的几何结构，也要仿生这些动物挖掘土壤时足趾的运动规律，另外，在减粘脱附减阻方面，仿生善于在泥土中运动的生物表皮层几何、化学、电学等性质；(2)在振动减阻方面，需将概念转化为实物，研制振动旋耕机械样机，获取有效的试验数据；(3)在农机农艺结合方面，需考虑不同地域和作物农艺要求，有针对性的设计旋耕部件，降低研究成本。

3.2 增强模拟试验和实际试验的相互印证

在旋耕减阻降耗技术研究中应用数值模拟技术，其优势在于节省时间、资金、人工等成本，能够对刀具切削过程中的动力学和运动学进行精细化、可视化分析。但仿真模型不等同于实物，仅仅依靠数值模拟的研究成果，无法满足实际生产需求。因此，数值模拟和实际试验要互相印证，仿真数据为旋耕刀设计提供参考，实际试验结果为仿真模型的修正提供依据，不断提高数值模拟结果的准确性和实物模型设计的有效性与实用性，两者相互促进，相得益彰。

3.3 开发应用于旋耕刀微观受力及变形检测的仪器和测试平台

刀具所受的微观力及变形则是反映土壤对旋耕刀具作用的直接表现，宏观力研究可为旋耕刀辊工作参数优化和旋耕刀辊结构设计提供依据，微观作用的研究可用于优化旋耕刀微小局部结构，探索高效节能的切土破碎方式，以降低旋耕刀单位工作长度的切土阻力。基于工业领域中较为成熟的检测技术，开发旋耕刀微观受力与变形研究的专用传感器和测试平台，探索在土壤摩擦、粘附和抗剪作用下动态旋切刀具局部的应力应变表现，揭示旋切刀具—土壤相互作用机理，为设计高效减阻降耗旋耕刀和开发减粘脱附表面工程的新理论、新技术、新材料提供基础条件。

4 结论

国内外相关学者经过长期的研究探索，部分揭示了旋耕刀具—土壤相互作用机理，确定了旋耕功耗主要影响因素，并对这些因素的参数优化开展了大量研究，推动了旋耕减阻降耗技术的快速发展。经过分析发现该技术研究目前存在一些问题，即大多数研究是针对旋耕刀辊结构的优化，而在仿生减阻和振动减阻方面的研究却很少且不深入，此外，农机农艺结合减阻的理念在理论研究和实际应用中并未得到广泛实施。为突破旋耕减阻降耗技术的研究瓶颈，研制适用于我国国情的旋耕机械，本文建议进一步完善我国旋耕刀具设计的理论体系，加强现代计算机技术和测试技术在数值模拟和旋耕切削微观力学研究方面的应用，从而为我国旋耕机械高质高效的发展奠定一定的条件。