大功率拖拉机配套犁具减租降耗机理分析

张鲁云，孟祥金，郑 炫，杨怀君

（新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000）

犁耕作业是农业机械化生产过程中最繁重的工作，同时也是能量消耗最大的工作。在农业生产投入成本中，犁耕所消耗的能量占田间作业所消耗总能量的40%～60%，因此，针对如何减少犁体的牵引阻力，国内外都进行了大量的研究工作。2 000多年前的古罗马人已经对土壤的适耕性进行过实地测试，20世纪20年代土壤动力学理论已经形成，但还未将其应用于犁耕阻力的研究中。20世纪30年代，前苏联科学家郭略奇金创造性地把犁耕阻力与土壤特性联系起来。1961年，在意大利都灵召开的农业国际学术会议上，“土壤—机器系统力学”正式运用于农业工程领域［1］。20世纪50年代初，中国农业科学工作者就已经把土壤和农机具作为一个整体系统来进行研究［2］。对中国南方地区水田土壤机械性质、犁体曲面进行了分析，对犁的牵引阻力和翻垡、碎土等机械性能，拖拉机行走机构在水田中的作业性能等方面进行了大量试验研究工作。铧式犁减阻降耗的研究对于中国农业生产节约能源、提高功效、降低成本具有重要意义。

1 铧式高速犁国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外大功率拖拉机使用比较普遍［3］，有关与大功率拖拉机相配套高速犁的研究已经非常深入和成熟。德国高速犁中的通用犁主要用于较松软的土壤，耕速可达8 km/h，而翻土型高速犁适用于在较黏重的土壤中耕作，耕速可达10 km/h。美国约翰·迪尔公司通用高速犁耕宽为0.45 m，耕深为0.24 m，可在6～11 km/h范围内正常作业。耕速为10 km/h时，其植被覆盖率为97%，碎土率为76.1%，土壤比阻为0.43 kN/cm2，各项性能指标均处于世界前列。世界上速度最快的高速犁作业速度已达12 km/h，在农业发达国家已经开始逐渐使用。国外有关高速犁的研究侧重于水平元线角度等结构参数的优化，提高犁的适应性，扩大与拖拉机的配套范围。农机市场最新推出的高速铧式犁产品正向着超耕深［4］，高速、宽幅和智能化的方向上发展。

1.2 国内研究现状

由于受到地域环境差异的影响，中国的铧式翻耕犁已经基本形成了南方地区水田犁和北方地区旱地犁两大系列［5］。南方地区水田犁系列，采用了中国自行研制的通用型犁体；北方地区旱地犁系列，则较多吸收了国外的新技术和新结构。目前，中国与小功率拖拉机相配套的单铧、双铧犁较多，而与大、中功率拖拉机配套的大型犁具较少。由于中国大多数土地面积小、耕幅窄，较难完全发挥大型耕作机具的能力。在农业生产中广泛使用的是垂直翻转式双向犁和水平摆动式双向犁两大类。近年来，大功率拖拉机数量的快速增加，与之相配套的大型高速犁研发工作与应用也随之展开。

2 犁耕阻力的测定

2.1 田间试验实地测定

在拖拉机和牵引犁之间加装测力仪器，记录犁耕阻力的大小和变化情况。由于犁耕阻力在最大值Pmax和最小值Pmin之间不断变化，因此犁耕阻力取其平均值Pcp。同时也可用不均匀系数表示其变化波动情况该方法也称为线性测力法。这种方法简便易行，但由于影响犁耕阻力的各种因素很多，因此误差较大，在研究工作初期被广泛采用。

随着电子技术在农机领域的大量应用［6，7］，犁耕阻力采用了三点悬挂测力法，即在拖拉机悬挂机构中加装拉力传感器和数据采集器作为测力元件，以原有尺寸代替拖拉机的三根悬挂杆，可直接测出悬挂杆所受拉力。再根据悬挂架测量的实际几何尺寸和拉杆在纵垂面、水平面内的夹角，最后求出水平分力（即犁耕阻力）大小。该方法的测定结果比较接近于实际值，电子测量元件通用性较强，可适用于不同型号的拖拉机和农机具。

2.2 耕作阻力公式

在田间试验实地测量的基础上，利用阻力公式，用于估计出犁耕阻力的近似值，即：

式中，Pcp—犁耕中的平均阻力，N；acp—平均耕深，cm；bcp—平均作业幅宽，cm；K—土壤比阻，N/cm2。

根据Pcp、acp、bcp3项平均值，可求得土壤的比阻K（N/cm2）：

由于决定犁耕阻力和土壤比阻的主要因素是土壤的物理结构性质，因此使用测力仪在不同性质土壤中进行试验，以决定各种土壤的K值，然后即可用来计算相类似土壤条件下的犁耕阻力大小。在传统铧式犁的设计中，经常使用上述公式预先估算犁耕阻力的大小，作为工作部件进行强度计算和牵引平衡力的理论依据，但未能全面考虑影响犁耕阻力的其他因素，如犁体自重、工作部件形状大小、犁耕速度等。郭略奇金在20世纪20年代，以严密的科学理论分析为基础，阐明了影响犁耕阻力大小的各种因素之间相互关系的本质［8］。

3 降低犁耕阻力的途径

田间测试研究表明，牵引犁的摩擦阻力占总牵引阻力的26%，土垡变形阻力占60%，翻垡阻力占14%。随着翻耕犁具向着大型和高速的方向上发展，土垡变形阻力和翻垡阻力也随之增加。

3.1 降低摩擦阻力的途径

3.1.1 转变摩擦方式 利用拖拉机自身的悬挂装置取代犁体笨重的牵引部件，以减轻犁体自身的重量。采用优质材料和科学合理的构件截面结构［9］，在保证犁体强度和刚度的同时又减轻了犁体自重。采用转子犁床，将滑动摩擦变为滚动摩擦，利用尾轮分担犁床的部分侧压力，以减小犁床与土壤沟壁间的摩擦力。

采用受弹簧压力作用的滚动犁后踵装置，如图1所示。犁后踵是一个装在摆臂上的滚轮，摆臂受压力弹簧控制。当弹簧不受土壤支撑力作用时，犁后踵被压至犁体支撑面的下方。当犁体进行犁耕作业时，犁后踵就被向上压到犁体支撑面的上方。悬挂犁体时，由于弹簧压力的作用，犁后踵又向下移动。犁后踵装置不仅能保护犁柱不致侧向折弯损坏，而且将犁后踵的摩擦力由滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减小了牵引阻力。

图1 犁后踵减阻装置

3.1.2 采用低阻材质 使用低摩擦材质（如四氟乙烯、聚乙烯等）覆盖犁侧板和犁后踵，能使土壤摩擦阻力降低6%～8%。使用充气轮胎替代钢轮，以减小犁轮的滚动阻力和犁耕震动。采用带有防尘盖的滚珠轴承，并保证轴承润滑良好，以减小犁轮轴与轴承间的摩擦力。采用转子犁壁，使土壤与犁壁之间的摩擦力由滑动摩擦变为滚动摩擦而降低。采用符合切削土壤力学原理的犁壁曲面，以减轻土壤聚集黏附力，改善犁壁脱土性能。

3.1.3 增加犁壁光洁度 提高犁壁表面的光洁度和硬度，以减小土垡和犁壁之间的摩擦力。用低摩擦材料（如玻璃、陶瓷、硅化物、聚四氟乙烯、聚乙烯等）覆盖犁壁，可以减小土壤在犁壁上的黏附力。根据美国耕耘机械试验测试结果表明，可使犁耕阻力降低6%～38%。而前苏联的测试数据表明，可降低犁耕阻力的17%～19%，降低燃油消耗比为6.4%。犁耕阻力降低的幅度与土壤的物理结构性质及含水量有直接的关系。但是由于土壤和犁壁之间的摩擦剧烈，犁壁复层材料往往磨损较快，因此这种方法的局限性较大。田间试验表明，5 mm厚的聚四氟乙烯涂层，犁耕20 hm2后就需要再次进行覆层处理。

3.1.4 喷洒润滑液 向犁壁表面喷洒水、液态肥、聚水物质等液体溶液，对犁壁表面进行润滑以减小摩擦力。在利用平铲翻耕试验中，翻耕每公顷土地的液体消耗量为600 L，能使犁耕阻力降低10%～20%。如果采用液态肥润滑，则既降低了犁耕阻力又进行了覆土施肥作业，提高了工作效率。

3.1.5 使用电渗降阻法 利用电渗原理，使犁壁表面析附水膜，以进行润滑减小摩擦力。该方法就是将犁铧、犁壁连接阴极，与犁架有绝缘层的犁刀上装上阳极。通上75～500 V的电压，电流强度为0.000 4～0.001 A/cm2的直流电。土壤中的水分便向阴极（犁壁）上汇聚，形成润滑水膜层，试验测试表明可降低摩擦阻力80%左右。该方法克服了加水润滑需要携带大量水的困难，适合于南方地区水田翻耕，但是对于含水量较低的北方地区旱地，效果不是很理想。而且随着耕耘作业速度的加大，所需电压也随之增加。当犁耕速度达到8 km/h时，所需电压已经高达千伏以上。费效比的经济问题，一直未得到很好的解决，目前电渗降阻法还处于试验阶段。

3.1.6 加装反推力装置 采用反作用自走式犁耕机械，以消除机具对行走拉力的需求，如图2所示。该机具以电动机作为动力，机具有两个主工作组件，每个工作组件都固定连接在底盘框架结构上。牵引链条带动左犁体和右犁体，沿导向装置移动工作。采用电动机通过减速器，带动主动链轮和从动链轮转动作业。该型机具也带有行走装置，以便快速转移地段和牵引运输。同时还装有辅助装置和限深地轮，以用来升降犁体和调节耕深。当电机驱动犁体进行犁耕作业时，犁体作业面受到土壤的反作用力，推动机具向前行驶。使用普通翻耕犁进行犁耕作业时，犁壁与土壤之间产生的剪切摩擦力，约占全部犁耕阻力30%［10］。而新式的反作用式耕耘机械，则利用力推动机具向前行进。在犁耕速度、翻耕深度、生产效率等作业指标相同的情况下，反作用自走式耕耘机械的犁体数量、机具自重都将减小，也会进一步降低犁耕阻力。

图2 反作用自走式翻耕犁

3.2 降低土垡变形阻力的途径

1）犁体上加装水平割刀，进行犁耕作业之前，水平割刀先把土垡从底层土壤上切下来，以减小土垡变形阻力。采用自磨刃犁铲，保持全部切割刃口锋利，并在刃口部位喷镀耐磨金属涂层以加强犁铲耐磨性。

2）采用符合切割土壤力学原理曲面的犁壁总成，以减小土壤变形和破碎阻力。

3）使用振动式翻耕犁，进行犁耕作业的同时对土壤施加振动能量，使土壤疏松，从而降低了土壤的剪切力和破碎阻力。

4）科学合理的耕幅—耕深比，有利于耕作土壤的稳定性流动，减小犁具的牵引变形阻力。

3.3 降低翻垡阻力的途径

进行翻耕作业时，使犁的犁耕运行速度稳定一致，可以减小或消除土垡因为翻抛速度变化所需的额外能耗［11］。调节犁的运行速度，与犁壁曲面正确匹配，以便使土垡的翻抛距离在适当的范围内。采用菱形犁片代替普通犁片，可以减小翻垡阻力。普通犁片切下的矩形土垡块，处于直立位置时往往不能依靠惯性和自重翻倒，翻扣过去时经常与相邻垡块相互干扰。而菱形垡块相互之间互不干扰，在直立位置时能顺利地自行翻扣，节省了因为翻垡所需的额外推力。

现代农业生产中使用的各种类型的铧式犁，尽管外形尺寸各异，参数大小各不相同，但其工作方式是一致的［12］，都是将土垡切下并全部翻入前一铧所开的犁沟内。在这个过程中，土垡表现出两个特征：横向翻垡和土垡全部翻转。这种工作方式存在着相当一部分无用功消耗。降低犁耕比阻并使其能适应大功率拖拉机的高速耕作，是翻耕犁具今后研究的主要方向。

4 小结

中国作为农业大国，每年都要消耗大量能源用于犁耕作业。提高犁具的工作效率、降低生产成本、改进犁体结构、改善作业性能，具有十分重要的意义。随着经济全球一体化发展，能否应对市场需求，生产出高质量低成本的产品，已经成为企业竞争的焦点和生存发展的重要条件。当前普通铧式犁的研究技术已经基本完善，与大功率拖拉机相配套的高效低阻铧式犁的研发，将是中国农业机械化发展的主要方向。