铧式犁犁体曲面研究现状与展望*

刘进宝，郑炫，孟祥金，汤智辉，杨怀君，张鲁云

(新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子，832000)

0 引言

耕地是农业种植中最基本的作业环节，耕地是为了翻转和疏松农田土壤，使土壤达到适宜播种的条件，其中铧式犁具有较好的土壤翻垡和覆盖性能，是耕作机械中应用最悠久和最广泛的机型。铧式犁的作业方式为翻耕，是将农田中的表层土壤，包括杂草、残茬、肥料等翻埋到犁沟底，并将深层的土壤疏松并翻至上层，作业过程主要依靠犁体曲面实现。据相关资料统计，耕地能耗占农机总能耗的50%左右，为提高耕地效率与质量，减少能耗，因此科学合理的犁体曲面设计及优化方法是急需发展和完善的[1-2]。中外学者从犁体曲面的几何形成、土壤翻垡过程、犁体工作阻力等方面对犁体曲面进行了大量的研究。本文从犁体曲面的性能特点、犁体曲面的设计方法、犁体曲面和土垡受力等方面加以综合评述，系统总结了国内外犁体曲面技术研究进展，为提高犁体曲面的参数化科学设计提供参考。

1 犁体曲面特点及性能

犁体曲面按几何形状分为可展曲面和非展曲面。可展曲面是一种特殊的直纹面，包括柱面、锥面、曲线的切线曲面等，可展曲面的特点是可以和平面贴合，曲面连续弯曲而不改变曲面上所有曲线的弧长。前苏联Л.B.Гяцев对可展犁体曲面做了大量研究，由于当时犁体的加工条件有限，认为可展曲面对于犁体是有利的，分别设计了圆柱型、柱面锥面组合型、扭柱型等犁体曲面[3-4]。随着犁体加工能力的提升，犁体曲面目前有冲压、数控铣削、3D打印等加工工艺技术，因此犁体曲面是否能与平面贴合，对当前犁体制造影响不大，后来许多学者对非展犁体曲面进行了大量研究，非展犁体曲面常用的有单叶双曲面、正螺斜面和斜螺旋面等。其中杜家瑶等人研究表明，由双曲点构成的非展曲面两个方向的主曲率为一正一负，使得主曲率为正的方向上正压力是会聚的，而在主曲率为负的方向上正压力是发散的，因此有利于破坏土垡沿犁面运动时产生的“半真空吸附现象”，提高犁体曲面的脱土性能，并且具有较强的碎土能力，根据理论分析和大量的犁体试验表明非展曲面对于犁体更为有利[5]。

随着制造能力的提升，犁体曲面几何形状对于实际加工的限制越来越小，因此最佳的犁体曲面几何形状应充分结合土壤条件、耕作过程、配套动力等，在满足实际作业要求的情况下，在耕深、覆盖和碎土性能方面，因具体要求有相应的侧重。

2 犁耕作业土垡动力学理论

2.1 土垡翻转运动及土迹线理论

犁体翻耕作业使得土垡产生运动，早在1832年，意大利学者Lambruschini和Ridolphi提出了用矩形断面土垡的翻转来描述土垡运动过程，可以看作为土垡一面向犁体后方移动，一面进行旋转，并推导出土垡断面宽深比的临界值应大于1.27，而且土垡在每次翻转后均按稳定状态排列，这种犁体翻垡理论至今仍被大量学者研究应用，具有一定的参考价值[6]。曾德超[7]对矩形土垡翻转排列进行了研究，结果表明矩形土垡受到外界干扰时，最后均呈稳态排列。李振安[8]研究发现旋转犁切出的异形垡片也具有自动向稳态排列恢复的特征。郝培业[9]从理论上探讨了刚性土垡的非稳态排列是一个迭代排列过程，得出某种图形被采用为土垡剖面的先决条件是其排列特征方程迭代格式收敛，而特征方程的根就是稳态特征。

土垡运动又可分为滚垡、窜垡和滚窜三种类型，但是在实际犁耕作业中，由于土壤性质、犁耕速度等因素的影响，导致土垡变形，使用矩形土垡翻转理论与实际情况存在差异，因此进而对土垡运动轨迹进行研究，得到土垡运动轨迹曲线与犁体曲面的参数关系，为犁体曲面设计提供更好的依据[10]。Л.B.Гяцев提出了土垡中点轨迹曲线的定性微分方程，并分析了土垡相对犁体曲面的运动。W.Söhne利用涂层法和光切摄影法测得真实土迹线，土粒运动轨迹在犁体曲面上清晰可见，假设土粒在犁体曲面上相对运动速度等于犁体前进速度，求出了土粒在三个方向上的速度分量[2]。Suministrado等[11]推导了土粒运动轨迹的数学模型，并进行了试验比较分析。凌文兴[12]对实测土迹线用三次样条函数进行曲线拟合，在T-25A和GT2-30两种犁体曲面上求出了拟合结果。马廷玺等[13]建立了土垡运动下极限轨迹的数学模型，计算并绘出了BT30犁体曲面相对轨迹图形。

目前来看，用矩形断面土垡翻转理论分析犁耕作业过程，有较多的前提假设，在实际作业中，土垡变化较为复杂，因此利用土垡运动迹线更能接近真实作业情况，对于土垡迹线的理论分析、实际测量以及后续的定量拟合分析还有待于深入研究。

2.2 土垡破碎理论

犁体在翻转土垡的同时会对土垡产生破碎作用，对于旱田犁耕作业碎土作用主要有三种理论[6，14]。

1)土垡的两个剪断面理论，M.LNichols和I.F.Reed研究发现土垡破碎主要依靠两次剪断作用，第一次剪断产生在犁体纵剖断面上，与犁耕作业方向呈45°夹角；第二次剪断产生在于第一次剪断面垂直的横剖断面上。

2)土垡毁于撕裂理论，Г.H.Cинеоков研究发现土垡的破坏在很多情况下是由撕裂作用产生的，土垡的剪切和撕裂破碎形式主要取决于土垡摩擦角，当切土角大于土垡摩擦角的余角时，破碎形式为剪切；当切土角小于土垡摩擦角的余角时，破碎形式为撕裂。这一理论被丁汉哲室内试验所证实。

3)土垡毁于空气膨胀理论，B.A.Желиговский研究认为碎土过程分为四个阶段，首先犁体对土垡进行塑型压实，空气形成封闭状态，其次土垡与封闭的空气进一步被压实，空气积蓄势能，再次土垡因压实而产生剪切，土垡外侧压力下降，最后封闭的空气膨胀，使积蓄的势能转换为破碎土垡的动能，从而使土垡破碎。但是室内试验表明在有侧限的条件下，不论是静压或高速撞击作用并无明显的碎土效果。

在实际犁耕作业时，土垡破碎是复合应力作用效果，土垡在翻起进入犁体曲面之前和之后都存在碎土现象，而且碎土与犁体曲面几何形状、犁耕作业速度等因素之间的关系不明确，目前还未形成完整的土垡破碎理论体系。

2.3 土壤—机具系统力学

土壤是一种复杂的多孔材料，受力变形情况较为复杂，土垡变形具有非线性、剪切应力和球应力作用会产生塑性变形、明显的流变特性、各向异性、受剪后软化、应力的路径对土垡变形有明显的影响、剪胀性等特性。目前不考虑时间因素的土壤力学模型主要有线弹性模型、非线弹性模型、弹塑性模型等，考虑时间因素的有流变模型等。线弹性模型假设土垡的应力与应变成正比；非线弹性模型中土垡的变形与载荷大小和路径有关，应力与应变是非线性的，土垡既有弹性变形还有塑性变形；弹塑性模型中土垡在较大的应力作用下，既产生弹性变形又产生塑性变形；流变模型将土垡的刚性、弹性、塑性和粘滞流性综合考虑，可以较好的模拟土壤实际流变现象[15-16]。

2.4 耕作土壤的有限元法与离散元法

利用有限元建立土壤—耕作部件的接触模型，可以对材料的属性、接触、边界条件、位移约束等参数进行定义，可以计算到模型的位移、应力等分析结果。在耕作过程中土壤是以颗粒群的形式进行运动的，由于土壤内部可能存在不连续性，而有限元是基于均匀连续的模型，因此土壤的有限元模型存在不确定性[17-18]。

离散元法(DEM)中，把土壤简化成具有一定几何形状和质量的颗粒集合，在颗粒与颗粒之间赋予某种接触力学模型，以便计算颗粒之间以及颗粒与边界间的接触作用，采用牛顿第二定律、动态松弛法和时步迭代求解颗粒的运动过程，离散元模型特别适合用于求解非线性模型。因此土壤的离散单元模型更接近于实际情况[19-22]。

耕作土壤动力学分析涉及面较广，过程较为复杂，如果将耕作土壤模型看做单一的，将不能全面掌握和分析耕作过程。随着计算机技术与仿真技术的发展，动力学由宏观转变为微观分析，进行多种方法的动力学耦合分析更能接近实际。

3 犁体曲面设计方法及研究现状

犁体曲面的设计主要分为经验设计、半经验设计和理论创新设计三个阶段，经验设计是依据已有的犁体曲面，进行试验和改进，经验设计耗时耗力，需要前期大量的经验积累数据。半经验设计是人们在长期经验设计实践过程中总结出犁体曲面的几何形成规律，包括几何形成线图解法和几何形成线解析法。理论创新设计是将犁体曲面设计与犁耕作业工艺过程相结合，研究土垡在犁体曲面的动力学模型，将土壤耕作动力学、土壤参数与犁体曲面参数相结合的设计过程。

3.1 经验设计

试修法是经典的犁体曲面经验设计方法，设计过程是先将已有的犁体曲面进行反复试验，根据试验效果对犁体反复修改，最后测绘定型的犁体曲面的样板曲线，用样板曲线作为设计制造及检验犁体曲面的依据。设计时试验重复次数多，耗时长，成本高。我国南方性能优良的通-20型、通-25型、窜-20型等都是试修法设计出来的[23]。试修法常用的犁体曲面测绘方法有机械接触法、三坐标系统测量法、光学扫描仪法和基于机器视觉和图像处理技术的测量方法[274]。机械接触法是利用样板曲线直接测量和检验犁体曲面的截面曲线，此类方法设备简单，但精度和工效低[25]。三坐标测量法实现了自动测量取数，测量精度和效率都有所提高[26]。光学扫描仪法可在人机交互模式下进行多视点云数据统一方法的测量，此方法可利用计算机技术提高测量精度与效率，并且可利用Imagewar等逆向工程造型软件自动生成犁体曲面[27]。基于机器视觉和图像处理技术的测量方法是利用立体视觉和图像处理方法，利用MATLAB等软件平台建立测量系统，可实现犁体曲面轮廓的边缘提取、边缘重构、边缘拟合和数学描述，可提高犁体曲面设计、制造及检验的效率[28-30]。

利用试修法在犁体样板曲线的优化研究上，曹沅等[31]以CBF-25型犁体曲面为依据，提出用B样条曲线构造连续的犁体曲面方法，保证了犁体曲面的光滑性。陈翠英等[32]提出一种基于MDT的犁壁曲面双样板曲线近似展开法，可在MDT平台上直接用直线投影法求样板曲线，大大减少了工作量。王侃昌等[33]利用B样条曲线的性质建立了线性方程组目标函数，对犁体曲面进行光顺处理。王国栋等[34]建立了通用A型犁体的样板曲线的表达式及绘制程序。张萃明等[35]用回归方程拟合了通-25型、碎-20型和窜-20型的犁体曲面。

经验设计基本依靠长期积累的大量经验数据，设计过程耗时耗力，效率较低，只能在已有技术基础上进行改进优化，对于技术的突破还有很大的局限性，因此经验设计方法可以用在已定型、成熟犁体曲面技术的优化和改进方面。

3.2 半经验半理论设计

在长期的经验设计过程中，研究者总结出犁体曲面的几何形成规律，根据矩形土垡翻转理论，依据已经确定的犁体曲面几何参数，通过几何作图法绘制犁体曲面。在几何作图法不断改进的基础上，研究者们提出将犁体曲面的几何形状利用数学解析式来表达，再将犁耕作业中土垡运动过程的一些因素加入到数学解析表达式中，从而把犁体曲面的设计提高到了半经验半理论的定量设计阶段。

3.2.1 几何形成线法

几何形成线法包括图解法和解析法。

1)图解法。图解法是在犁体曲面上建立三维坐标系，通过元线在准线上按照一定的规律运动形成犁体曲面，根据元线和准线类型分为水平直元线、倾斜直元线、曲元线法、翻土曲线法等[1]。

水平直元线法形成原理是利用元线为水平状态的直线沿着准线运动，并且元线在水平面按照一定的规律转动，自下而上的运动构成了连续的犁体曲面。水平直元线法被研究者广泛应用，前苏联郭略契金等人提出了水平直元线的设计方法，并将此方法设计的犁体进行了试验验证。在我国利用水平直元线设计的BT-25型和BT-30型犁体在北方被广泛应用[36]。

斜直元线法形成原理是利用一条与水平面呈一定夹角的直元线，根据元线在三维坐标系中三个投影面上按照一定规律变化方位所产生的曲面，其中准线可以是直线或曲线[37]。A.Д.Xopoшилов利用8种倾斜直元线法测绘犁体曲面。W.Koniger提出了三种斜直元线形成方法。前苏联研究者利用斜直元线法设计了一种KC3-01型组合高速犁体[3]。

曲元线法形成原理是在犁体横向垂直面内，利用一条曲线形式的元线沿着准线运动构成了犁体曲面，元线可以是抛物线、圆弧等曲线。准线为两条直线，一条位于水平面内，一条位于犁体横向垂直面内。钱简可等[38]提出采用等轴双曲线作为水平元线，包络抛物线作为导曲线形成犁体曲面。

翻土曲线法形成原理是利用平行于犁体横向垂直面的一组平面剖切犁体曲面，剖切面与犁体曲面的交线为翻土曲线组，通过控制翻土曲线的形状参数来设计犁体曲面。此种方法将翻土曲线引入犁体曲面设计，与犁耕作业建立了一定关系[39]，但是翻土曲线没能有效的描述实际的翻土作业过程，只是人为给定翻土曲线参数，后来随着人们对土迹线的研究，将此方法提升到土迹线法。

2)解析法。几何形成解析法是通过对犁体曲面进行数学解析描述，寻求参数之间的关系，建立曲面数学解析式。20世纪初，White E A用一个单叶双曲面方程描述了一种犁体曲面[40]，至此人们开始了对犁体曲面数学解析法的研究。丛明墉[41]指出实际水平直元线犁体曲面的导曲线有抛物线、圆弧、椭圆和对数螺线等，并对水平直元线形成的犁体曲面建立了简化标准双曲线方程。周兰峰等根据水平直元线法推导出曲导线及犁体曲面的一般方程式，从而计算出样板曲线的形状尺寸、各边界点的坐标值以及展开图的尺寸。胡中[42]应用了二次曲线的一般方程推导出抛物线型导曲线的方程，并且在实际计算中发现得出计算结果精确度较高。袁业峻[43]提出由水平直元线法形成的犁体曲面的性能，主要决定因素是曲导线和动线与沟壁夹角的控制曲线，并且建立了犁体曲面及有关曲线的方程。杜家瑶等[44]分析了由倾斜直元线法形成的犁体曲面，可以看做由犁翼、犁胸、犁铧组合形成的直纹面，推导了螺旋面设计参数。

3.2.2 土迹线模拟法

研究者提出随着犁耕作业速度和土垡凝聚性的增大，土迹线会逐渐趋于稳定，此时土迹线与犁体曲面几何形状有关，而与土壤性质，犁耕作业速度无关，研究者主要从不同耕作速度下进行模拟计算研究。J.R.奥柯拉汉测量了同一曲面在不同土壤中以不同速度耕作时的土迹线，表明耕作速度较高时，土迹线趋于直线。格亚捷夫建立了土垡中点相对可展曲面的运动微分方程，并提出当土垡的刚度和耕作速度趋于无穷大时，土垡中点的上极限轨迹是曲面的测地线之一[4]。O’Callaghan[45]根据犁体曲面方程、土粒运动的速度及加速度，推导出犁耕作业能耗的计算解析式。牧谷收根据修正最短土迹线，推导了用常速犁体曲面楔角计算高速犁体曲面楔角的解析式[46]。

半经验设计从图解法发展到解析法，在耕作过程中设立一定的假设条件，通过建立假定条件下的计算模型，加入相应的计算参数，能有效进行局部过程的定性定量分析。但是这些假设条件忽略了某些因素，表面上看可能对分析过程影响不大，实际过程有待于深入研究。随着测量工具、计算方法等相关技术的发展，对这些假设条件进一步分析成为可能，假设条件更接近实际，设计方法才会更有效。

3.3 基于犁耕工艺过程的曲面设计

Л.B.Гяцев研究了土垡在进入犁体曲面时、在犁体曲面上时和离开曲面后的运动，推导了单元土垡在犁体曲面上的和离开曲面后运动微分方程，并利用解析法设计了高速犁体和覆盖型犁体曲面。Ernest.C等求得土迹线的多项式表达式，求出土粒相对犁体曲面的运动速度和加速度。W.Kongiger主张由直线产生规则曲面，用数学表达式描述了典型犁体曲面。川村登为了确定土垡遵循最佳的运动轨迹，把土壤强度参数引入犁体受力分析中。O’Callaghan通过试验研究了单元土体的运动，把测得的运动轨迹拟合为多项式，试图把几何参数、土壤参数、犁耕作业速度、及能量消耗建立统一方程[4]。

W.R.Gill和G.E.Vvanden Berg明确提出了影响犁耕作业过程的五个影响因素：最初土壤状态、最终土壤状态、犁体运动工况、犁体曲面几何形状、实现土壤最终状态所需能量，并用对五个因素之间建立了方程组[47]

(1)

式中：F——实现最终土壤状态所需的牵引力；

Ts——犁体曲面几何形状；

Tm——犁耕运动方式；

Si——初始土壤状态；

Sf——最终土壤状态。

后之明[6]提出以土垡抛置、残茬覆盖、土垡破碎为约束条件，以最小能量消耗为目标函数，建立犁体曲面统一设计方程的一般形式

(2)

式中：P——犁耕必须的能量消耗；

F1——翻垡和覆盖指标；

B——土垡破碎指标；

ε——农艺覆盖指标；

η——农艺碎土指标；

s——土壤与土壤部件的参数；

w——给定的犁耕作业工况；

g——犁体曲面的几何参数。

由于土壤物理模型不确定，无法确定公式中的每一个参数值，但是这一设想给后来的研究者们提供了有效思路。

我国的“倾斜动线形成犁体曲面研究”课题组对犁体曲面的几何参数、数学模型进行了分析和试验，建立了通用(A)型犁体曲面的统一参数方程[48-50]

(3)

式中：x、y、z——犁体曲面上任一坐标；

v——参数；

xn——水平迹线的位标(zn=0)；

φn、δn——直元线在xoz和yoz面的投影与x轴、y轴的负向夹角。

并且利用此方法设计制作了样机，试验表明该方法设计的犁体综合性能良好，符合农艺作业要求。

曾德超等[51]提出将土壤特性、土壤最终状态以及犁耕阻力等工况与犁体曲面几何参数联系起来的设计方法，建立了犁体曲面泛函数解析式

φ(x，y，z)=f1(x)y2+f2(x)y+

f3(x)z+f4(x)=0

(4)

并建立了土粒运动轨迹方程，通过对土粒运动迹线微分几何分析，建立了不同土壤在不同犁耕作业速度下土垡翻转合理、阻力最小的参数选择判断式，规范了犁体曲面参数设计的具体步骤。

吴成武等[52]通过变形土垡的翻滚运动，利用Hermite插值公式建立了犁体曲面解析表达式，初步把犁体设计的五种因素联系起来，并明确和规范了犁体曲面参数设计的步骤。

Z(x，y)=F1(x)y3+F2(x)y2+

F3(x)y+F4(x)

(5)

蒲松元等[53]依据式(3)的基本形式，推导出由一直元线沿着水平迹线移动，既绕前进方向转动又改变与前进方向的空间夹角所形成的连续犁体曲面的解析式，并用此方法设计了1LD-230悬挂重型二铧犁，试验结果表明犁体曲面性能良好。杜家瑶等也依据式(3)的基本形式，建立了斜螺旋面和单叶双曲面组成的犁体曲面数学模型，模型包含犁体曲面几何参数、土壤参数和动力学参数[5]。陈晓光等对犁体曲面轮廓线形成原理进行研究，得出土迹线计算方法，给出了曲面轮廓线的计算公式，经过试验验证表明该方法是可行的[54]。研究者们通过分析犁耕作业过程，分别从不同角度建立了犁体曲面的数学设计模型，从而丰富了犁体曲面的设计方法[55-61]。

犁体曲面设计与犁耕作业工艺过程相结合，是深入研究犁耕作业的趋势，将土壤耕作动力学、土壤参数与犁体曲面参数相结合的方法能充分考虑到耕作过程的每一个要素，能更好的从犁耕作业全过程来进行分析，包含的参数比较全面，所以在设计过程中建立合理的计算模型至关重要。目前来看，现有的研究方法大都还停留在理论模型上，缺乏大量的试验验证，当前还没有成熟的设计模型。基于犁耕作业工艺过程的设计方法涉及的因素较多，系统比较庞大而复杂，因此还有很长的路要走。

3.4 计算机辅助设计

随着计算机技术的发展与犁耕作业过程理论的完善，借助计算机的犁体曲面设计越来越丰富，从犁体曲面的计算机二维图纸绘制，逐渐发展到3D建模、计算机程序化、可视化、数字化设计等，实现了3D模型的数字化模拟、仿真等，丰富犁体曲面设计的途径，提高设计效率。

王重光等[62]用FORTRAN语言编制了一套犁体曲面绘图程序。石林等[63]研究了犁体曲面导曲线的计算机绘制及计算程序。吴成武等提出了基于犁耕作业速度的十二参数设计法，建立了犁体曲面数学计算模型，并研制了此方法的计算机辅助设计系统[684-65]。金昊等建立犁体曲面样板曲线的数学模型及参数造型，开发了直观的犁体曲面设计及优化的CAD系统，提高了曲面设计的质量和效率[66-67]。袁中文等利用MDT平台设计了双翼翻土防漏犁体曲面，建立了犁体三维模型[68]。张士国等[69]研究出一种基于Pro/E软件二次开发平台的犁体曲面辅助设计方法，通过输入的犁体曲面参数能够快速生成犁体三维模型。戴有华等[70]提出了基于UG软件的犁体曲面设计制造的办法。蒋建强应用Mastercam X2软件建立犁体曲面实体造型，并利用软件平台对犁体进行数控洗削加工。庞明勇等[71]将CAD、有限元计算和动态仿真系统相结合，借助三角形控制网格的Loop细分方法，开发了犁体曲面造型细分方案。翟力欣[17-18]将土壤视为Burgers模型，利用ANSYS有限元软件对犁体—土壤系统进行了动力学模拟，模拟结果接近试验结果。

计算机辅助设计解决了复杂的数学计算过程，从而减轻了研究人员的计算量，使得研究效率更高，计算结果更为精确。计算机辅助设计的前提是要搭建具体的模型，因此模型的合理与否直接影响设计结果。

3.5 高速犁体曲面设计

20世纪80年代以前由于技术条件的限制，犁耕作业速度一般为小于7 km/h的常速犁，随着拖拉机技术的迅猛发展，拖拉机功率也在不断增大，使得犁耕作业朝着宽幅、高速的方向发展，本着高效、节约的农业发展要求，人们逐渐开始研究犁体高速作业情况。在最初的高速犁体研究过程中，研究人员利用常速犁进行高速作业，筛选出适合高速作业的犁体，研究表明当常速犁体在高速作业下，土垡的惯性增大，使土垡侧抛过远、破碎过烈，并且存在犁沟变宽、漏土等现象，使得耕作阻力大大增加，燃油消耗过大，结果表明犁体高速作业和常速作业存在明显的差异性，不可简单的将常速犁进行高速化作业。

高速犁体曲面的研究也可利用上述的各类常速犁体的设计方法，但是在参数选择设置方面还存在一定的差异性，高速犁体曲面除了满足作业要求以外，还要满足牵引阻力不能增加太大，犁沟形状要正确，土壤的侧抛距离不应过远，因此高速犁体曲面参数也有所不同，犁体比较长，铧刃角较小，横向和纵向曲线族比较平坦，犁翼部分扭曲比较大，犁体高度也比较高。高速犁体曲面参数中，犁翼侧向角对高速作业比较敏感，并且犁翼侧向角会影响土垡耕作的侧向分速，相关试验表明，随着犁翼侧向角的减小，侧向分速也会随之减小，相应的耕作阻力也随之下降。侧向分速不宜过大也不宜过小，过小时土垡在犁体前部下落过早，产生堆积，过大则土垡抛至过远。

随着新的犁体耕作理论的研究，高速犁体曲面的设计逐步从常速犁体筛选优化过渡到理论研究设计，逐渐将高速犁体曲面与犁耕作业过程结合起来。目前主要以研究高速犁体曲面和土垡迹线的关系为主，通过优化犁体曲线和曲面参数，得到高速犁体曲面参数。Гяцев利用球面映象法设计试验了二种高速犁体。Шейнин提出改变导曲线的开度，使高速和低速时的法向力的水平分量相同的原则来设计高速犁[3]。孙一源[72]提出增大样板曲线的开度和高度，适当增加犁体长度，进行了土垡沿犁体曲面运动的一维动力学模型计算，求得为土垡沿犁面运动的速度场、加速度场、压力场、及流线图象等。

犁体在高速作业时，基于土迹线的研究是目前主要研究方向之一，但是土迹线的测量与分析还缺乏先进的方法手段。随着计算机技术、新的力学理论以及土壤耕作力学的发展完善，这就要结合理论计算和试验测量，深入研究土壤被高速翻耕情况下的各类参数及其内部之间的关系，逐步将高速犁体设计与犁耕作业工艺过程相结合，从而更为科学合理的研究出高效低阻的高速犁体。

4 存在问题

在犁体设计理论方面，犁耕过程分析目前还是依靠传统的土垡翻转理论，但是农田耕作土壤类型众多，实际耕作条件复杂多变，土壤形态各异，并且土壤容重、含水率、坚实度等参数对摩擦力、黏附、耕作阻力等的关系有较大的影响，不同类型的土壤在实际耕作过程与理论分析有较大的差异，导致设计理论与实际结合不够紧密。

在犁体数学描述方面，主要从土垡翻转和土迹线出发，利用各类数学解析的方法，对犁体曲面进行数学模型的表达，但是犁体曲面的数学模型至今未有一致性、通用性的表达，犁体曲面参数的选取也大多是经验选择，缺少准确的理论计算方法。

在犁体设计与耕地农艺结合方面，相关研究和理论支撑较为缺乏，比如不同种类的作物秸秆还田深翻覆盖技术，最佳的秸秆尺寸、覆盖深度及分布情况是最有利于土壤的；比如耕作深度对作物生长的影响，不同土壤翻垡交换的形式与深度对土壤保护改良的促进作用等，不同地区土壤条件的差异对耕作农艺有不同的要求，因此在这方面还需要加大研究力度。

在犁体的减阻、减粘、耐磨、降耗等技术方面研究积累不够，犁体不仅受到结构、材料、工艺等方面的影响制约，而且在不同类型的土壤中作业差异较大，犁体结构参数、工作参数和土壤参数等相互影响的规律，以及在磨损、粘附等方面的技术理论研究不深，相关技术还不成熟完善。

5 结论

通过长期经验设计的方法，关于犁体曲面的设计参数积累了很多经验数据，使犁体曲面技术达到一定的成熟度，当前犁耕效果已经相对稳定，导致人们忽略了继续对犁耕过程基础理论技术的深入研究，近期在基础理论技术研究方面投入非常少，使得当前理论技术停滞不前，导致犁耕工艺过程理论技术还未形成系统性的成果。影响犁耕作业的因素除了犁体曲面、土壤条件、作业工况等以外，还与铧式犁整机结构密切相关，整机结构的配置、配套拖拉机的结构尺寸、动力大小、悬挂方式、限深方法、犁体的安装角度、高度与间距等因素都会对作业过程产生影响，因此在研究过程中要立足于整机作业过程，才能更科学合理的展开深入研究。

通过总结国内外的研究现状，本文从犁体曲面的特点、犁耕作业土垡动力学理论、犁体曲面设计方法等方面分析总结了犁体曲面技术研究进展。

1)犁体曲面设计是一项复杂的、多因素混合的系统设计，科学合理的犁体曲面设计要综合考虑犁耕作业前土壤状态、犁耕作业后最终土壤状态、犁体实际运动工况、犁体曲面几何形状、实现土壤最终状态所需能量等五个方面的因素，明确能合理表达各因素的参数，建立科学合理的模型和参数方程。

2)对犁耕作业过程中的动力学由宏观分析转变为微观分析，从而更为科学合理的分析土壤颗粒与犁体曲面之间及土壤颗粒之间产生的应力应变，对于土壤模型及其参数还需进行深入的论证和试验。

3)通过计算机辅助设计技术，搭建合理的犁体曲面—土壤耕作模型，对复杂的多元性参数采用耦合建模分析，建立智能化、数字化、可视化的犁体曲面设计平台。