中耕培土机械装备研究进展

何激光，张　晟，邓志强，张文军，熊橙梁，张庆富，杨　柳，姚未远，罗海峰，陈　熵

中耕培土机械装备研究进展

何激光1，张晟2，邓志强1，张文军1，熊橙梁1，张庆富1，杨柳1，姚未远1，罗海峰2，陈熵2

(1.湖南省烟草公司长沙市公司宁乡市分公司，湖南 长沙 410600； 2.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128)

中耕培土是田间管理的关键环节，可以为作物生长提供良好的外围环境。通过系统阐述国内外中耕机械装备与关键部件的研究进展和应用现状，针对目前我国中耕培土机械装备的优缺点进行了深入分析和探讨，从加强农机农艺融合、加快智能化培土机具研发等方面提出了具体改进建议。

中耕培土；机械；研究进展；发展建议；研究趋势

中耕培土作为田间管理中一项重要的耕作技术，是我国传统农业生产精耕细作的重要组成部分，也是农民增产增收的一个必要因素[1]。

中耕培土作为农业生产的关键环节，对于作物生长具有不可或缺的积极作用[2-4]。在中耕培土作业过程中，利用开沟培土装置将沟底的土壤进行铣削加工，完成碎土、除草、开沟作业，并将打碎的土壤抛送至作物根部附近，实现培土功能。通过中耕培土后可以松碎土壤，还可以增强土壤通气、透气性，有利于保持地温，提升作物的防风抗倒伏性，使土壤具有较好的蓄水保墒保肥性[5-7]，可以在一定程度上改善土壤的板结现象，还可以将作物生长在土壤浅层中的部分杂根切断,促进根系向纵深方向的生长[8-11]。

中耕培土有人工、畜力与机械3种方式[12]。人工、畜力培土作业的质量极其不稳定，强度大，成本高，生产效率低，因此大力发展和推广中耕培土机械装备对促进农业生产发展有着积极作用。

1　国外中耕培土机械装备研究现状

中耕培土机械是指在作物生长过程中进行松散土层、去除杂草、培土等土壤作业的装备[13]。欧美等发达国家在中耕培土机械方面的研究起步较早，多以大型机械为主，大多是采用液压控制系统，自动化程度高，因此国外农业生产的中耕作业幅宽较大，适合大平原地区作业。

德国研发的VERBEEK高地隙农机（如图1a所示）[14]，采用下挂培土器具的方式完成大田的开沟、除草、培土、深松等作业。其搭载的车载计算机不仅能控制液压系统实现作业臂的运动，还能对整个作业区域进行实时监控并输出相关的田间数据。该机自动化程度高，田间通过性好，复合型功能强，作业效率高。

美国吉尔森公司[15]研制的一款自走式旋耕机，在需要培土作业时，可换装中耕铲完成培土作业。该型机具也可实际作业需求装配如铧式犁、除草器、喷雾器等部件，一次性完成综合作业。

丹麦康斯基德公司研发的VRC系列悬挂式中耕机[16]，配有四杆仿形及无压实橡胶镇压轮，作业可靠性强。该系列机型在保证培土作业一致性的同时，还可确保垄堆形状的稳定性，作业幅宽可达9.5m。

荷兰STRUIK公司生产了两款代表性的中耕机（如图1b所示），分别是驱动型中耕培土机和动力型中耕培土机[17]。两款机型均能调节作业幅宽来完成多项作业，可满足不同作物的耕作农艺要求。驱动式中耕培土机是由拖拉机输出动力，其培土部件为并联独立的单元，能在一定程度上减少对作物根部的损伤，并且在培土部件发生故障时便于处理。动力型中耕培土机的作业单元由单独的液压马达驱动，拖拉机只负责悬挂牵引。亚洲具代表性的中耕培土机械有日本生产的SYR1101田间管理机、MK5管理机[18]、RK20型系列中耕机以及K652NH-D培土机(如图1c所示)等，韩国生产的圣地亚3TG-4Q系列培土机(如图1d所示)。这类中耕培土机械大都是利用田间管理机通用底盘上动力输出轴等机械结构输出动力，然后再根据需要装配各种机具完成作业，适应性较强。

(a)(b) (c)(d)

2　国内中耕培土机械装备研究现状

我国幅员辽阔，南北方地理条件、气候环境的差异巨大，南北方对农作物耕种的农艺要求也有所不同。我国的农机生产企业和科研机构在研发中耕培土机械时要因地制宜，在借鉴国外培土机械结构的基础上，结合当地的实际地理、气候环境，研发出适合我国农业生产需求的培土机械。目前，代表性机具有希森天成3ZMP-360中耕培土施肥机(如图2a所示)、三山机械的ST609X田园管理机(如图2b所示)、金禾3ZP-0.6型培土机、洪珠3MZ-4马铃薯中耕培土机等。

(a)(b)

在我国南方传统水稻种植区域轮作烟叶时，因稻田土壤的含水率高且粘重，培土机械在作业时行驶装置容易打滑或下陷，导致培土质量达不到烟叶种植的农艺要求。针对这问题，肖名涛等[19]提出了采用履带底盘螺旋培土机的设计方案，履带底盘螺旋培土机由行驶机构、变速器及螺旋刀盘培土器等组成。通过调整培土器的尺寸，改型培土机还能完成甘蔗、大葱、香芋等垄行栽种且需要培土的农作物的中耕作业，适合在多种农作物生产中推广应用。

刘志峰等[20]设计了一款适用于东北地区粘重、板结土壤条件下的中耕培土机，可一次性完成深松碎土、铲除杂草、培土起垄的复合性作业。试验证明，该机的碎土率、除草率、伤苗率、土壤蓬松度、培土高度、油耗等均符合国家标准。

培土装置的结构设计是否合理直接影响着作业质量、作物产量[21]。常见的开沟培土装置主要有犁铧式、圆盘式、螺旋式、弹齿式、链式、旋转刀片式。

(1)犁铧式培土器(如图3a所示)左右对称的曲面双犁壁具有分流作用，作业时可将土壤推向垄腹并向垄顶推挤抛送，由于对原土的翻动较少，对土壤的保肥能力高，作业时不易缠草[22]，但其碎土能力差，培土高度低，消耗功率大，一般只适合小微型田地培土。

(2)圆盘式培土器(如图3b所示)有较好的入土和翻土能力，可破坏表土板结层，疏松下层土壤，切断杂草，通过适当调节圆盘培土器的偏转角和两组圆盘间的距离,可实现其仿形功能。使用圆盘式培土器作业后的垄形饱满稳定、土壤细碎疏松[23-25]。圆盘式培土器多用于播种施肥时的培土作业，其尺寸结构大小直接影响到作业后土垄的高度与宽度以及沟壑大小。

(3)螺旋式培土器(如图3c所示)左右两侧具有螺旋旋向相反并相互错开90°的叶片[26]，其作用是切除杂草，翻动土壤，将土壤向垄沟两侧推移输送实现培土作业。该器具结构新颖，具备复合型功能，但在粘重土壤的田块中作业，切削下的土壤在推送时会造成轴向阻塞，影响培土质量。

(4)弹齿式培土器(如图3d所示)的触土部分小，作业时如果碰撞硬物可弹起越过，对机具与作物具有一定保护作用，针对不同的垄宽培土可以通过拆卸或加装弹齿满足作业要求。弹齿式培土器具有拆装方便、适应性强等优点，但由于其尺寸较小，为达到较好的作业效果，一般都会装配较多弹齿或与其他部件组合，导致整机较重。

(5)链式培土器(如图3e所示)一般为大型机具，有着与挖掘机相似的功能，主要用于土方施工、工程开沟、管路线路铺设等[28,29]。链式培土器可以完成入土、碎土、取土作业，即便是在石块或硬质土地上也能开挖形状较为规则的沟槽。链式培土器具有对地表的破坏较小、可连续作业、工作效率高等优势，但也存在培土部件较复杂，拆装维修不便等缺点。多年来，在各科研机构和企事业单位的大力研发下，小型手扶式的链式中耕机也逐渐在农业生产中普及开来[30]。

(6)旋转刀片式培土器(如图3f所示)又称为旋耕式培土器，其作业原理和旋耕机类似，多用于粘重板结、杂草较多的农田作业[31]，具有重量轻、易灭茬、不缠草、易滑切入土且抛土性好等优点[32,33]，在保证培土稳定性的同时还能降低作业成本，但土壤切削后易喷溅，落点位置难以控制，增加了损伤作物的概率。

3　中耕培土机械未来发展趋势

3.1　中耕培土部件仿生设计

现代仿生学研究表明，许多生物经历了漫长的进化演变，为适应环境变化，其组织结构、个别器官、体表特征都已和所处的生存环境极其契合[34]。根据仿生学的相关研究理论,张鹏等[35]基于培土节能减阻、降低功耗，用Creo软件对马铃薯中耕培土装置进行了仿生优化，将培土装置用三维建模导入Creo软件再拟合导曲线，添加必要的仿生凸包。通过仿真模拟测试可知，该款优化后的培土装置不仅减少了触土部件的土壤粘附，并且减少了450 N的作业阻力，减阻效果达37.5%，符合马铃薯中耕标准，适用于60～75cm 的垄距作业。

杨玉婉等[36,37]以鼹鼠前足的仿真分析为基础，填补了刀片在切土过程中土壤失效和阻力形成研究成果较少的空白。对鼹鼠前足爪趾进行系统分析后，以骨骼结构为几何特征设计了一种仿生旋耕刀片，在保证其基本旋耕效果的前提下，可大幅降低旋耕时的扭矩，减少功耗、提高土壤破碎率、降低沟底因被涂抹而造成排水和板结的风险。此研究对中耕机具的刀片在理论设计上具有很大的借鉴意义。

3.2　中耕培土机械化技术新能源研究

为响应国家轻简化号召，以环境保护为宗旨，新能源的应用将是我国农机行业未来发展的趋势。

毛鹏军等[38]研制了一种适用于烟田、温室等特殊环境作业的电动旋耕培土机，其安全性能、耕宽耕深、耗电量等均满足国家标准。该机具以蓄电池为动力源，由直流电机驱动，作业效率可达0.121 hm2/h，耗电量约为30.71 kWh/hm2，折合电价18.43元/hm2。田间试验表明，与同功率传统汽油培土机械相比，该型电动旋耕培土机作业效率与经济性优势明显。

彭安校等[39]研制了一款电动韭薹类中耕培土机，其整机的传动比较大(18:1)，采用了行星齿轮串联一组圆柱齿轮进行降速，通过电动推杆控制作业臂，作业角度和深度均可调节，具备结构简单，可靠性高等优点。田间试验表明，其作业时噪声小，对作物环境污染少，田间通过性好，爬坡能力强，作业效果良好，能一机多用。

3.3　中耕培土技术联合作业研究

联合作业可以在一定程度上减少机具对田间土壤的破坏，并能节省时间与燃料成本。董学虎等[40]借鉴国内外甘蔗施肥机的结构参数，设计了一种配备在小型拖拉机上的3ZSP-2型多功能甘蔗施肥培土机。该机按照结构组合、功能联合、性能综合的技术思路进行设计，适用于甘蔗各生长周期的中耕培土。田间试验表明,该机型碎土培土质量稳定,施肥位置较合理，联合作业性较强，还能一次性完成除草、破垄、施肥、开沟等作业，工作效率约为畜力作业的3倍。

刘超等[41]于2019年研制了一款适用于烟叶种植的新型中耕培土复式作业机。该机型的培土质量、培土高度、埋苗率、作业效果等各项指标均优于传统的铧犁式培土机，可满足烟叶种植培土作业的农艺要求。

4　问题与建议

4.1　问题

目前我国的中耕培土机械装备普遍存在农机农艺融合度不紧密、田间作业适应性较差、作业部件缠草、触土部件易磨损、功耗较大、通用性不高等问题，且在自动化、智能化方面还存在较大的提升空间。

4.2　建议

4.2.1提高机具的通用性

提高中耕培土机的通用性是实现我国中耕培土技术全面应用的关键。我国的农机生产企业众多，机具产品种类繁杂，各企业的生产工艺、标准、规格都不同，大大增加了农民的使用和维修成本。农机管理部门应为农机生产企业制定相应的产品规范、标准，使不同企业的同类产品可以实现部分零部件通用，以提高机具的通用性，降低使用成本。

4.2.2加强农机农艺融合研究

由于我国幅员辽阔，不同地区的地质条件、气候环境、农作物种植传统都有着很大的差别，导致很难将中耕农艺要求在全国范围内进行规范和统一。各地农机管理部门需要与农业科研单位联动协调，紧密合作，加强农机与农艺的融合，制定出适合于大范围农机作业的农艺标准，并完善相应的服务体系。

4.2.3加快智能培土机具研发

智慧农业是我国农业未来发展的目标，而智能化的农机设备是发展智慧农业的硬件基础。农机管理职能部门应出台适宜的规章、政策，引导农机生产企业将自动化、智能化技术应用在已经十分成熟的中耕培土机具上，推动中耕培土机械化技术的发展。

5　结语

中耕培土是田间管理的关键环节，可以为作物生长提供良好的外围环境。现阶段，我国的中耕培土机械的研究取得了丰硕的成果，农机从业人员应该将提高中耕机具的通用性、加强农机农艺融合、加快智能培土机具研发等工作落到实处，助力我国农业生产向现代化、智能化快速转型。

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Research progress of the cultivation and banking machine and equipment

HE Jiguang1, ZHANG Sheng2, DENG Zhiqiang1, ZHANG Wenjun1, XIONG Chengliang1, ZHANG Qingfu1, YANG Liu1, YAO Weiyuan1, LUO Haifeng2, CHEN Shang2

(1.Ningxiang Branch Company of Hunan Changsha Tobacco Company, Changsha,Hunan 410600, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128, China)

Soil cultivation is the key link of field management, which can provide a good peripheral environment for crop growth. This paper systematically expounds the research progress and application status of the key components and the advantages and disadvantages of the cultivated soil machinery equipment, and puts forward some concrete improvement suggestions on strengthening the integration of agricultural machinery and technology, speeding up the research and development of intelligent soil equipment. Cultivation and banking is a critical part of agricultural management technology, which is capable of providing excellent and favorable conditions for crops growth. This paper systematically expounded the research progresses and application status of cultivation and banking’s machine and its key components at home and abroad and analyzed existing problems of this mechanization of technology. It stated the specific suggestions for cultivation and banking’s mechanization technology, including strengthening integration of agricultural machinery and agronomy, to accelerate the research and development of intelligent for cultivator.

cultivation and banking; machine; research progresses; development suggestions; research trends

S222

A

2096–8736(2022)05–0001–05

长沙市烟草公司专项—烟草专用中耕培土机关键部件与整机轻量化设计(2021430124200045)；湖南省教育厅一般项目(19C0915)。

何激光(1985—)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，农艺师，主要研究方向为作物栽培。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立