深松铲研究进展与分析

袁洪印 李晓波

(长春光华学院，吉林 长春 130033)

中国东北黑土区，是世界玉米主产区之一，有东北粮仓之称。由于过去大量施用化肥、掠夺式经营等长期不合理的耕作模式，导致土壤有机质减少到危险边缘，耕层变浅，犁底层硬。改变的思路是可持续发展。改变的方法就是近些年推广的保护性耕作技术，包括免(少)耕播种、秸秆残茬处理、杂草控制和机械深松4大主要保护性耕作技术。免(少)耕播种减少对土壤的扰动和破坏，减少了土壤压实；增加地表残茬和秸秆的还田，通过秸秆腐化增加土壤有机质含量；药剂除草防虫害；深松打破犁底层，增加土壤孔隙，保墒蓄水，达到保持水土资源和增加土壤有机质的效果。

1 机械深松与深松铲

1.1 机械深松

使用深松机具，为了疏松土壤、打破犁底层、蓄水保墒和促进作物生长，所进行的耕作活动，称为机械深松。

机械深松按作业性质分为局部深松和全面深松2种。全面深松完成整个作业面积深松，适合农田全面改造；局部深松完成条带形深松，适合只深松作物需要的有效部位，节能高效，应用广泛。

由于保护性耕作要求作业机具尽量减少进地次数，如果不是单独作业需要，深松机具常与其它作业机具组合成一套联合作业机来一次完成多项作业。

1.2 深松铲

国家机械工业局2000年1月1日实施了《深松铲和深松铲柄》机械行业标准[1]。该标准规定，深松铲尖分凿形、箭形和双翼形3种，如图1～3所示；深松铲柄分轻型和中型2种。

图1 凿形铲

图2 箭形铲

图3 双翼形铲

在进行科学研究中，一般不分深松铲柄和深松铲，统称深松铲，而且对铲柄形状研究更多一些。深松技术不同，深松铲的形状也有很多变化。

实际农业生产中，还有曲面深松铲和V型深松铲。V型深松铲应用在全面深松改造土壤状态作业；曲面深松铲深松效果好，但耗能更多。

2 国内深松铲的研究进展

随着深松技术的研究深入，机理研究的热潮已经回落，先进研究手段和方法的引入，使得对深松铲的研究多呈现技术集成的运用，研究的重点是减阻降耗。影响深松阻力的因素不同，呈现的研究方法也有不同。本文主要探讨深松铲结构形状、表面状态和综合3方面减阻研究。

2.1 深松铲结构形状减阻研究

深松铲结构形状减阻研究主要是深松铲柄结构形状的减阻问题，铲尖的减阻研究较少。铲尖形状影响打破犁底层和底层松土效果。已有的3种标准铲尖基本保证了松土对其要求的功能。标准铲柄刃口结构形状要保证有足够通过能力要求的强度和韧性的情况下，尽量减少通过阻力。所以，对标准铲柄结构形状的改进研究出现了很多研究方法和内容。

2.1.1 仿生结构形状减阻研究

张金波[2]研究家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能源于其指数函数曲线形状，将此形状曲线用于减阻深松铲柄破土刃口结构，改进了现有深松铲柄，见图4。研制出的仿生减阻深松铲与传统深松铲相比，耕作阻力降低了8.5%～39.5%，减阻效果明显。

图4 指数曲线型深松铲结构简图

2.1.2 滑切结构形状减阻研究

杨超[3]将深松分前后铲分层进行，深松铲柄形状按滑切理论设计。依据土壤、玉米秸秆和根茬的空间分布差异性，将前铲铲柄分为4段曲线进行设计。运用滑切减阻理论，得到不同深度范围土壤、玉米秸秆与根茬的滑动摩擦角，从而获得了4段铲柄滑切角，建立了四段铲柄曲线方程，见图5。前后铲分工不同，按同样方法设计后铲柄形状。

图5 交互分层深松铲

2.1.3 拟合曲线结构形状减阻研究

赵淑红[4]运用离散元(EDEM)软件仿真分析铲尖对土壤的作用为依据，获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程，采用线元设计法对线形进行优化，获得铲柄外形曲线，得到了阻力小和扰动小的深松铲柄形状。

2.1.4 曲线优化结构形状减阻研究

陈坤[5]设计了一种新型圆弧型深松铲。从圆弧曲线中得到灵感，圆弧上部滑切和压土性能，下部起土性能。对不同半径的圆弧曲线铲柄进行优化，并进行了田间试验，结果表明该深松铲能有效改善松土效果、减少耕作阻力。

2.2 深松铲表面状态减阻研究

深松铲表面状态减阻研究主要考虑深松铲表面形状、表面与土壤接触状态等影响阻力的因素的改进问题。

2.2.1 仿生表面状态减阻研究

邱兆美[6]分析蚯蚓的波纹体表和在土壤中穿行的状态，设计了深松铲波纹形触土表面，改变土块和触土曲面之间的滑动摩擦状态，从而减少实际接触时间、接触面积和阻力，以提高土壤的蓬松度、透气性和透水性，改善深松作业质量。

2.2.2 气动表面状态减阻研究

屈通等[7]探究了曲形钢管布置在深松铲柄刃口的气动深松铲，结果表明，进气口压强与出气孔数量呈近似线性正相关。构建了深松铲的气动力学模型，并采用离散元法对气动深松铲的受力进行仿真试验。

刘明财等[8]探究了气压喷枪布置在铲尖上的劈裂式深松铲，推导出在气压劈裂下的牵引阻力计算公式，对深松铲整体结构进行静力学分析与动力学分析，得出了气动减阻的结论。

2.2.3 液体润滑表面状态减阻研究

辛振波[9]提出对曲面深松铲进行液体润滑的深松减阻方法。确定曲面深松铲润滑面，并选择具有润滑减阻和改良土壤作用的润滑液，应用离散元方法进行仿真分析，通过试验验证表明，作业速度与润滑介质流量对耕作阻力均有显著影响。曲面深松铲见图6，与土壤的接触面积大、深松效果明显，但耗能也比较大，所以液体润滑也是较好的减阻方法。

图6 曲面深松铲

2.3 深松铲综合减阻研究

深松铲综合减阻研究主要是基本理论减阻研究和技术集成减阻研究。

2.3.1 深松铲基本理论研究

周桂霞等[10]对凿尖加小双翼形深松铲的关键参数翼张角α、刃角δ、翼倾角β进行多因素多水平二次正交旋转回归试验，以牵引阻力为观测指标，分析α、δ、β与观测指标之间的关系，得出两者之间的数学模型；得出牵引阻力较小的α、δ、β范围；刃角对牵引阻力影响最大，翼张角和翼倾角的影响规律基本相同；最优的α、δ、β参数组合。

周健等[11]为研究不同触土曲面深松铲的减阻效果及不同工作参数对深松铲耕作阻力的影响，设计了5种典型准线的深松铲结构，并通过ANSYS/LS-DYNA软件对深松铲切削土壤过程进行了仿真，对比分析了不同结构深松铲切削土壤时所受到的阻力，选择出减阻性能最好的深松铲结构，以优选的深松铲作为研究对象,对入土角、工作速度及工作深度等因素进行单因素试验，研究上述因素对耕作阻力的影响。试验结果表明，仿生变曲率深松铲的减阻性能最好；其耕作阻力最小(601N)；入土角为24°时，深松铲耕作阻力最小；耕作阻力随工作速度和工作深度的增加而增大。

果霖等[12]应用有限元和光滑粒子流体动力学建立了深松铲破坏土壤的仿真分析模型。分析结果表明，在深松过程中，土壤受到的应力较大，并短时间内变小；能量守恒，外界牵引力提供的能量主要转化为土壤粒子的内能；深松过后，土壤粒子密度大大降低，土壤变得松软。

陈伟等[13]分析了凿型、凿型带翼、曲面和箭型深松铲对深松作业的土壤坚实度、膨松度和牵引阻力的影响。得出曲面铲阻力大、单面松土效果好，其它次之。

2.3.2 深松铲技术集成研究

杨超[3]设计了交互式分层深松铲。依据土壤、玉米秸秆和根茬的空间分布差异性，通过滑切理论得到不同深度的滑动摩擦角，从而设计前铲铲柄4段曲线。依据前铲仿真过程中土壤颗粒回流规律及土壤和根茬的空间分布差异性，利用线元法和Matlab设计后铲铲柄3段曲线。前后铲组合分层深松，产品见图5。

周华等[14]设计了滑切自激振动减阻深松装置。运用滑切原理，设计深松铲柄结构形状，并组合自激振动装置。自激振动连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻15.45%～20.05%。

罗斌等[15]设计了预破土组合振动深松铲。单独设计圆弧预破土器与深松铲柄组合，以降低深松铲强度要求，降低土壤阻力，并与振动装置组合成新型深松铲。优化了破土器的位置，确定了振动参数，取得了减阻的效果。

3 分析与建议

近年来，深松铲的研究不断深入和全面。对深松铲的结构形状、表面状态和综合减阻研究都很多。有限元法、离散元法、Matlab、滑切理论、流体力学、振动减阻等一系列方法或软件都应用到了研究中，并能综合运用。在众多的研究中，减阻研究占相当重要的比例。

在深度和广度研究不断推进时，保护性耕作下的深松铲和深松装备，尤其适合东北黑土区，应该加大力度研究和推广。保证减阻效果的前提下，全面达到耕作模式要求的深松质量的深松铲，应该得到广大研究者的重视。