小型深耕机发展浅析

许蓬勃，杨永发，崔 月，吕新宇

（西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650000）

0 引言

近几年在非标准大棚作业中，手扶式微耕机因其体积小、重量轻、转运方便、功能多样的特点在非标准大棚中得到了广泛的推广和普及。手扶式微耕机虽有上述一系列优点，价格也能被丘陵山地地区农民接受，但存在操控不便、操控者劳动强度大、危险系数高、耕深不足、不能打破犁底层等缺点。犁底层的出现会导致土壤上下通透性变差，阻碍水分渗入深层土壤，影响作物根部的生长使得作物的根系只能生长在浅层土壤中，影响植物对养分的吸收，不仅会导致作物减产还会增加水肥的施用量，增加非标准大棚的运营成本。在实际生产中的应用表明：采用深耕技术可以有效打破犁底层，改善土壤通透性，增加水肥的渗入，有利于作物根系的生长发育，实现作物的增产，提升非标准大棚内作物品质。

为此，结合非标准大棚的空间大小限制并结合耕深达到25 cm以上、机型轻巧、价格便宜、安全系数高、适用于西南山区非标准大棚内作物种植等要求，笔者研制出一种小型四驱深耕机。结合要求与实际情况，主要研究意义有以下两点：

1）小型四驱深耕机应用于非标准大棚内作物种植前的深耕工作，大棚内土壤经过深耕后能够减少农户水肥的施用量，有利于农作物根系的生长，提高农作物品质与产量，进而降低大棚运营成本，增加农户种植效益，解决了手扶式深耕机耕作过浅无法打破犁底层、使用不安全、使用者劳动量大等问题。

2）目前，国内市场上基本没有一种专门适用于非标准大棚的深耕机，此类深耕机的研制较为缓慢，知名大厂大多侧重适用标准大棚的大型深耕机的研制，而一些小厂家研制出的深耕机因为各种原因，没有得到大规模的推广。基于此种情况，笔者研制出适用于非标准大棚的小型四驱深耕机，可有力推进非标准大棚种植行业的发展。

1 深耕机发展现状

目前，国内和国外比较流行的翻耕机械主要有以下几种：深耕机、深松机、粉垄机等。此类机具均可实现对土地的耕整，并且都能有效打破犁底层，为农作物根系的生长起到了促进作用。由于不同国家和地区有着不同的农艺及地形特点，因此，各地设计的深耕机都有着不同的尺寸、所需动力平台的功率都各不相同，受制于不同地貌特征与农艺等限制，翻耕机械在适应不同地区、不同耕作深度的需求上还有很大的发展前景。

1.1 国外发展现状

国外对深耕机的研发始于20世纪30年代，其中深耕技术发展较快，在20世纪40年代英国的耕地就有近半数采用深耕的方式进行耕作。国外经过近90年的发展，深耕技术已经相当完善，并形成了一整套成熟的体系，有着一系列适应不同环境作业的机型。目前，国外比较流行的两种深翻机械分别采用挤压式深耕与震动式深耕，两种机具均与大型动力平台相配套使用，可自由调节耕作宽度和深度，并有着作业速度快、作业质量高、油耗小的特点。

2003年，Lee对比研究了带锯形齿的旋耕刀片与不带锯形齿的旋耕刀片，在转速、转向、整机前进速度相同的情况下，工作效果的对比。2007年，Fashola公司研制了一款适用于水田的微耕机。2009年，日本的SahaC研发了一种通过震动来实现耕作的微耕机，为其配备大功率发动机使其具有工作效率高、碎土效果好的特点。2011年，美国约翰迪尔公司，推出了一款深耕机，该深耕机的特点是，在深松犁两侧增加了侧向刀铲，增加了松土效率。2013年，Ryan对耕作部组与动力机械的间距在留有小麦茬的耕地上进行了研究，得出了两者连接的最小间距[1]。2014年，Yang等对耕作机械的作业宽度、速度、深度对耕作所需功率的影响进行了研究，分析了对整机功率影响最大的因素[2-3]。2015年，澳大利亚Matin对不同的深耕刀片消耗功率、所需扭矩，进行了分析与优化。2016年，Matin探究了旋耕刀片不同的刃角对农作物种子发芽率的影响，通过研究发现合适的刃角可以提高耕作时土壤的回流，改善种子生长环境，提高种子发芽率。在刀具的研究上国外也进行了一系列研究。S.K等，为了改善耕作刀具的耐磨性能，对同一款刀具喷涂了两种不同的表面材料，通过对比发现其中一种材料可以显著提高旋耕刀具的耐磨性能。Leek等，分析了不同刀具组合一起工作时的耕作效果。H Gholmai等，研究设计了一种新型旋耕刀具，改善了微耕机在作业时易缠草、操作人员易疲劳的缺点，并研究了不同土壤含水率、耕作速度、消耗功率，对新型旋耕刀片的影响，提高了微耕机的工作效果，降低了旋耕作业对功率的消耗。Shoutai等，采用sph模型对旋耕刀切土模型进行了模拟，仿真分析优化了旋耕刀的外形结构。通过实验测定表明旋耕刀优化后，降低了微耕机械在作业时功率损耗，减小了油耗。还有一些科研人员研究机器在耕作过程的震动。V G等，对小型农业机械的震动特性进行了医学方向的分析。Tiwari等，对比分析了手扶式旋耕机和乘坐式旋耕机操作者心率，在操作有座位的旋耕机时操作者的心率更低，据此对微耕机的操作舒适性提出了建议。Ragni等，通过对一款小型手扶微耕机使用者的调查发现，经常使用微耕机的人3年后，会有十分之一的人患白指病。Sam等，为了降低微耕机震动对操作人员的影响，提高了操作人员的舒适度。J.Retherton等，通过使用新型材料代替钢铁，有效减轻了微耕机的重量，减轻了微耕机的震动。Patal等，研究出了一整套对于小型农机耕作性能评价标准。Tarverdyan等，研制出了一种小型垂直旋耕机械，并通过建模仿真、田间试验等验证了其设计的合理性。

1.2 国内发展现状

我国旋耕机械研制的开始时间相较于欧美发达国家起步较晚，在20世纪70年代，我国研发了第一款微耕机。80—90年代我国微耕机得到快速发展，但这一时期是以仿制国外机器为主。20世纪90年代—20世纪末，我国的微耕机逐渐发展起来，并形成了一套完备的生产体系。进入21世纪以来,我国生产微耕机的企业已达到200多家。2007年，余泳昌等通过对深松铲的受力分析，优化设计了立式深松铲。2011年，徐月天、王景立等通过对深松铲的运动优化，提高了机器的工作效率。2013年，西南大学李卓设计了一种烟田深耕机，耕深达到30 cm，满足了烟田打破犁底层的需求。2014年，王耀文、叶进等运用TRIZ理论优化设计了烟田深耕机。2015年，李坤研究了撬翻式茶园深耕机，运用动力学软件Adams仿真分析了机器的各种工况，优化了机器工作参数。2017年，韩煜杰通过对不同深耕刀的仿真分析，优化了立式深耕刀的设计参数，提高了深耕刀的工作效率[4]。2019年，贵州大学孙效荷对螺旋深耕机的关键部件进行了静力学、动力学仿真和模态分析，降低了整机的损耗，提高了整机的工作效率。2020年，张富贵等针对丘陵山地地区土壤耕作层过浅和常年浅耕土壤病虫害增加等问题，设计了一款自走式螺旋深耕机，并测量出深耕刀的最大变形量为2.67 mm，满足了机器工作要求。

2 深耕机存在的问题

目前，深耕领域在刀具、深耕效果、增加操作者操作舒适性上有了长足的进步，但还存在大中型深耕机体积过大、不适宜在大棚内作业等问题。现有的小型耕作机械大多为手扶式微耕机，存在着安全性低、耕作深度不足、操控性差、振动大等一些不足之处，限制了其进一步发展。主要表现在以下3个方面：1）在安全性上，由于操作者操作不够熟练、疏忽大意、安全意识不强、在操作时对防护装置必要性认识不足等因素，在多种因素的影响下很容易造成安全事故，例如现有手扶式微耕机在启动时，没注意档位是否在空档，贸然启动机器，易出现机器的突然前进或后退，造成操作者被撞伤。2）微耕机耕深不足，耕深不足导致大棚内土壤情况恶化，形成犁底层，不能很好满足农艺要求。3）在操纵性上，操纵手扶式微耕机需要操作者有一定的力量来控制手扶式微耕机，长期工作会极大消耗操作者的体力，并且手扶式微耕机在工作时由于发动机工作和旋耕刀的工作会产生不同程度的震动，易使操作者产生不适感，常年使用可能会影响操作者健康，严重影响操作者健康和工作效率。

3 四驱深耕机的优势

近年来，适用于平原大地块的大型深耕机，在我国得到了快速发展，并在深耕刀具与节能上有一定的建树，但在小型深耕机的研究上，存在着诸多问题，特别是针对西南丘陵山地地区仍大量存在的非标准大棚，市场上几乎没有与之配套的小型深耕机具。现有的并被农民大量使用的手扶式微耕机，存在着耕深不足、安全性能差、作业效率低、操作不便、田间转运困难等问题，针对上述问题，亟需针对非标准大棚研制一种耕深足够、安全高效、操作便捷、方便转运的小型深耕机，满足非标准大棚农户的迫切需求。

笔者根据四驱深耕机作业环境特点，设计了一种强度尺寸合适的机架。根据设计经验大体设计出整机的布置方案，确定发动机、变速箱等关键部件的大体位置。根据深耕机的牵引特性和各作业工况对牵引力、作业速度及牵引功率的要求，对动力系统的发动机进行选型和参数确定，并对变速箱进行设计。根据非标准大棚地形和土壤特点，测出非标准大棚土壤黏度、坡度等实地情况，通过计算分析整机稳定性，选择合适的深耕刀能够打破犁底层，确定深耕刀的旋转方向和深耕刀长度。根据非标准大棚土壤特点选择合适的深耕刀，并通过实验选择出深耕刀合适的转向和深耕刀长度。

4 小结

综上所述，本研究分析了目前云南地区非标准大棚深耕作业面临的问题，探讨了国内外现有旋耕和深耕机具的问题和各自的优劣势，同时介绍了四驱深耕机的研究对解决问题的帮助和现实意义。