旋耕机的发展应用状况与趋势展望
摘要：旋耕机作为一种耕整地作业中应用广泛的农业机械，一次作业可完成耕耘、碎土、整地等多项作业，作为一种土壤耕作机械具有实用性强、应用范围广、易操作、调整简单等特点。本文在介绍旋耕机种类及特点的基础上，分析了其构架组成，介绍旋耕机的国内外发展历程及现状，并展望今后的发展趋势，为未来旋耕机更加全方面的发展提供一定的理论参考。
旋耕机是一种工作部件主动旋转，以铣切原理加工土壤的耕整机械，具有切土效果好、碎土能力强、耕作后地表平整、机组下地次数少、作业效率高等特点，一次作业可达到待播状态，基本可以满足农业精耕细作的农艺要求。旋耕机在我国的农业生产中应用十分广泛，在南方水稻生产机械化中已占8 0%，在北方水稻生产、蔬菜种植和旱地灭茬整地中也被广泛采用。因其能够适应多种类型土壤耕作，翻土、碎土和平整地表在一次性机械作业中即可完成，大大缩短了耕整地时间，有利于抢工时和提高生产率，从而节省劳动成本。特别是近些年来，随着农业科学技术的不断发展，各地种植业结构的不断调整，国家免耕少耕技术的大力推广，更进一步促进了旋耕机械的应用与发展。
1 旋耕机的分类与构架。
1.1 旋耕机的种类及特点。
如今旋耕机的种类多样，有多种不同的分类方法，按刀轴的位置可分为卧式、立式和斜置式[2]。目前，卧式旋耕机的使用比较普遍，旋耕机的主要类型及特点见表1。
1.2 旋耕机的构架与工作原理。
旋耕机主要由传动部件、工作部件和辅助部件三大部分构成。具体包括：万向节总成、变速箱总成、侧边传动箱总成、刀轴焊合（刀轴刀座）、刀片、机架、悬挂架、防磨板、罩壳托板、撑脚等[3]。
旋耕机的工作原理与其他土壤耕作机械工作原理主要不同之处在于它的工作部件是由拖拉机动力输出轴驱动旋转运动的。工作时，刀片一面做高速回转运动，一面随机组前进，完成对土壤的切削加工。刀片在切削土壤的过程中，起先是将土块切下，随机向后方抛出，抛出的土块撞击到罩壳或托板上，变成更细碎的土块再落到地表上，完成整个切土、抛土、碎土、再前进的过程。由于机具连续不断地向前运动，刀片也就连续不断地对未耕土地进行切削作业。
旋耕机通常与拖拉机挂接，挂接方式有三点悬挂、直接联接和牵引3种形式。目前，我国主要使用前两种形式。三点悬挂式旋耕机的悬挂及升降方式与铧式犁相同，由拖拉机动力输出轴驱动，通过万向节传动轴经传动箱减速后带动刀轴进行工作。直接联接式旋耕机主要是与手扶拖拉机配套，一般是将旋耕机减速箱和拖拉机变速箱联接在一起，动力由拖拉机变速箱里的齿轮直接传给旋耕机的齿轮，以驱动旋耕机运转。
卧式旋耕机刀辊的转向有正转和反转2种，目前，使用较多的是正转旋耕机。正转旋耕机作业时，刀片强制切削土块，将土块向后抛掷，使土块与机罩及拖板相撞，碎土充分，但功耗较大。反转旋耕机，碎土效果较好、切土能耗较低、覆盖能力较强，但易导致己耕地土块堆积，造成刀辊的重复切削，增大了负荷和功耗。反转旋耕机在土壤湿度较大的情况下作业时，罩壳沾土比较严重。经过实践我们得出，转速对旋耕机组的功耗影响较大，较理想的配置是较低的刀辊转速和较高的前进速度。目前，刀辊转速为180~260 r/min．但是随着农业机械技术的不断提高，刀辊转速有降低的趋势。
旋耕机的刀片有凿型刀、直角型刀和弯刀3种形式，凿型刀正面有凿型刃口，入土能力强，但易缠草，一般适用于垦荒和土质较为疏松的田地。直角型刀的刃口由正切刃和侧切刃组成，也易缠草，但刀身宽、刚性好，一般适用于土质较硬的北方旱地。弯刀的刃口由曲线构成，也是由侧切刀和正切刀2个部分组成，可轻松地将草茎与秸秆切断，且不易缠草，适合在各种地况的田间作业，是一种水旱通用的刀型。其中，弯刀的安装方法有3种，内装法、外装法和交错法，可根据不同的农艺要求进行安装[4|。另外，切土节距、机组的前进速度都对碎土效果有较大的影响。目前，在北方中等黏度的田地中，切土节距为1 0 cm。一般情况下，机组前进速度为2~5 km／h。
旋耕机发展至今已有1 6 0多年的历史，最早出现在英、美等国家，由小功率的内燃机驱动，主要用于庭院作业，直到L型旋耕刀出现后，旋耕机才得以在大田中作业。2 0世纪初，日本引进欧美的旱田旋耕机，经过不断研究和改造，研制出适合在水田中耕作的旋耕机，并研制出弯刀，解决了刀轴和刀齿的缠草问题，使得旋耕机得以迅速发展。
国外对旋耕机的研究较早，研究的重点在旋耕机刀的种类和刀具的排列方式上，并逐渐开始细化分析旋耕刀表面材料的化学和物理参数性能。同时，也在研究整个旋耕机具的抗破坏、抗损坏的能力，以延长旋耕机使用寿命。
印度学者JafarH abibiA sl和Surendra Singh[5]对旋耕刀进行了研究，在不同规格刀具的情况下，对不同旋转速度、前进速度、切土节距、速度比的反馈关系等方面进行试验，试验结果表明．RC形刀较L形和C形具有更好地作业性能和更低的功耗。
日本农业机械化协会的研究员对旋耕刀的排列方式做了深入研究，根据侧切刃口曲线为阿基米德螺线，运用分区段组合的方式，初步解决了刀具缠草、刀轴两端受力不平衡等问题[6]。
泰国学者Satit K aroonboon— yanan等[7]对旋耕刀进行加工处理，运用HVOF超音速火焰喷涂技术，对刀片表面进行W C/Co的涂层处理，或者对其进行等离子喷涂处理，可使旋耕刀具抗破坏性能增强。试验结果表明，初期效果较好，随着耕作时间的增多，涂层被打破后，刀的磨损速度会加快，导致旋耕机的工作寿命和耕作质量降低。
德国D u tzi公司研发了一种分层耕作的KR旋耕机，主要创新点在于采用了新型的齿状旋耕刀，大大提高了旋耕作业后的碎土率，不仅降低了能耗，而且还可以节约能源，减少拖拉机废气的排放[8]。
美国的吉尔森公司研发了一种自走式微型旋耕机，适用于温室大棚等作业环境较小的情况下使用，主要特点是旋耕刀可以拆卸，取下旋耕刀换上行走装备与除草、施肥机械及喷雾器等配合使用，可实现多功能作业[9]。
我国对旋耕机的研究始于2 0世纪5 0年代末，初期主要研制与手扶拖拉机配套使用的旋耕机，后来逐步研制基于中型轮式拖拉机配套的旋耕机。于2 0世纪7 0年代研制出了与当时国产拖拉机相匹配的各类型旋耕机，并在北方旱田进行大规模的推广应用。2 0世纪8 0年代将专用于手扶拖拉机相配套的旋耕机发展到与轮式与履带式拖拉机配套兼用型的旋耕机。2 0世纪9 0年代以来，为了适应生产需要，国内研制出了一批具有旋耕复式或联合作业机具，目前使用的机型有1GHL — 280型松旋起垄机、1GSZ — 210/280型组合式旋耕多用机等。旋耕机在我国的发展经历了单机研制、发展系类产品、新型产品的开发和换代3个阶段，随着国家提倡新的种植模式和耕作方式的发展和推动下，多种用途的新型联合复式作业机可满足不同的用途和农艺要求，即将成为土壤耕作中的中坚力量。目前，随着我国旋耕机的适用范围不断扩大，整机及零部件生产企业已有3 0 0多家，与各类拖拉机配套的旋耕机型有3 0 0多种，保有量4 0 0万台，秸秆还田机8 0多万台。从南方水田到北方旱地及牧场、林果业基地、荒地等都在广泛使用旋耕机进行耕耘作业。李理、霍春明等[10]通过对波兰、荷兰、德国、日本等国旋耕机基本技术参数的研究，得出改进部件的几何参数选用符合旋耕工作部件作业的运动参数来进行优化设计，以达到降低能耗的目的。杨玉栋、徐浩等[11]通过对旋耕刀的排列方式和不同的安装方法进行研究，除了大多采用的阿基米德曲线、等角对数曲线、正弦指数曲线等应用，提出了多种刃口曲线，如节能型刃口曲线的设计，放射螺线作为生成过渡面的导线设计等，此举大大降低了机具能耗，提高了作业效率。西南农业大学李庆东等[12]对单履带式旋耕机的作业未定型及底盘动力性进行受力分析，指出了单履带行走功能差，机手劳动强度大等缺陷。此后经多人研究，通过人机分离遥控操作液压升降，大大降低了操作人员的劳动强度。河南科技大学周志立等[13]较深入的研究拖拉机与旋耕机组的配备问题，将计算机辅助分析与运动特性的计算机仿真相结合，并将计算机软件开发引入到机组性能分析中来，开创了新的研究方向。农业部南京机械化研究所和安徽农业大学联合研制出适合在温室大棚的设施栽培旋耕机，主要通过建立系统的数学模型，基于模糊综合评判法把各种旋耕机具的综合指标进行优化和改进，为以后旋耕机的精度选型提供了技术参考[14]。另外，广西柳州生产的蓝天牌ID N多功能微型旋耕机，以传统的柴油机为动力，特点是可更换不同旋耕刀具，还可与喷雾机具进行联合作业，效果良好，机具质量轻，应用范围广。沈阳农业大学研制的绿色环保IGD — 900型电动旋耕机，特点是刀具数量较多，耕幅宽且耕深可调，可用380 V与220 V两种工业电源，机具轻便易操控[15]。
近年来，随着我国农业科技的不断发展，出现了许多新的旋耕机具，如：适用在水田作业的水田旋耕埋草机，与大马力拖拉机相配套的宽幅、高速旋耕机，适合于根系发达经济作物的深耕旋耕机等新型旋耕机。虽然研制出了这些新型旋耕机，但是有些概念还只能在理论上得以实现，实际上由于在设计、材质及生产工艺等方面的原因，现在的旋耕作业性能还不能达到理想状态，满足不了当今现实中的农艺要求。
随着现代种植和耕作农艺的发展，针对旋耕机设计结构的不合理、机具状态异常、刀切土不够深等不利因素，广大研究学者和从事农业的人民群众对于设计出高质量、功能全、低能耗的旋耕机有很大的愿景。综上所述，旋耕机技术还需要从以下几个方面发展：(1)向更宽耕幅、较深耕深、高速、可持续等角度发展。因为南方水田土壤含水率高，抗剪切抗压强度低，附着力和摩擦力也很小，需要工作宽幅3 m以上的高速、高效旋耕机，满足水稻集约化生产的需求。为满足薯类、中药材等根茎类作物的耕深需要，耕深在20 cm以上的深耕旋耕机也将成为今后的研究热点。(2)向一机多用联合作业的方向发展。由于普通旋耕机机械利用率较低，因此通过在旋耕机上更换或附加其他工作部件，形成可以完成灭茬、碎土、深松、起垄、开沟、精量播种、施肥、铺膜、镇压及喷药等联合作业，可大幅度提高生产效率、减少功耗、降低作业成本[16]。(3)小型旋耕机的需求量逐渐增大。随着我国温室大棚技术及林果业的不断发展及面积日益增大，适合于棚室等小空间范围作业的微型、环保型的旋耕机具的研究必将成为研究热点。近年来，耕整机和田园管理机等产品发展势头迅猛，该系列产品正处于高速发展时期。(4)电气化、智能化的旋耕机是未来的主流。随着GPS、GIS、RS等现代卫星技术的发展[17]，精细农业以生态环保、集约化、可持续为发展特点，作为国家提倡的一种新型农业发展方式，将电气化、智能化的技术（数显技术、远红外技术、信息技术等）应用到旋耕机上，可实现自动调节幅宽、耕深、耕作时间、行走方式等无人操作的旋耕机具将是未来发展的趋势。
4 结语。
随着国家对三农的重视和农业科技的不断发展，农业产业结构和种植方式也发生了巨大的变化，传统拖拉机耕作机组已经无法满足现代农田作业的需要。因此，研究设计适应各种地块作业、功能丰富的旋耕机具是填补农业用工短缺、促进农业增产增收、丰富农业装备结构、提高农业机械化水平、降低农民劳动强度、提高农业劳动效率及降低作业成本的主要途径，不仅积极响应了国家发展生态农业的可持续发展战略，而且具有广阔的市场应用前景及巨大的社会经济效益。
参考文献[1]周建来，李源知，焦巧凤．国内外旋耕机的技术状况[J]农机化研究，2000(2 ):49— 51.
[2]牟楠．旋耕机发展心用状况研究[J].农业科技与装备，2 01 4(2 ):37— 38.
[3]巾国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册[M]．北京：巾国农业科学技术出版社,2007。
[4]高丽红．旋耕刀的设计及排列浅析[J]机械管理开发，2 0 0 7(2):16— 18.
[5]lafar H abibi A sl ,Su rend ra Sin gh.O ptim ization and evalu ationof rotary tiller blades Com puter solu tion of m ath em atical relations[J].Soil Tillage Research ,2009,1 06:1 —7.
[6]肩新，倍增．日本的果园生产机械[J].山西农机，1997 (2):52— 56.
[7]SatitK aroonb oonvanan,V ilasM .Salokh e ,Panadda N ieanatlumpong.W earresistane of therm ally sprayed rotary tiller bladesW ear,2007,263:604— 608.
[8]V ladislav Zekic,V esn a Rodic,M ilenko Jovan ovic. Potentialsand economic viability of small grain residue use as a source ofenergy in Serbia. Biom ass and Bioen ergy[J], 201 0 (10):1 0—16.
[9]D U Mamansari.V M Salokhe.The need for ergonomicsconsiderations for the design and development of agriculturalmachinery in Thailand. Journal of human ergology[J].1995,24(1):61— 72．。
[10]李理，霍春明．我国旋耕机研究现状及发展方向[J]现代化农业，2004 (10):37— 38．。
[11]杨玉栋，徐浩．旋耕机的旋耕刀怎样排列和安装[J]农业技术与装备，2008(8 ):48．。
[12]李庆东，杨明金．单履带微型耕作机的口J—行性研究[J]农业工程学报，1999(1):29— 31．。
[13]高蕾．棚室电动旋耕机自动控制系统设计[D]．东北农业大学硕士论文．2 01 3．。
[14]高庆生，曹光乔．基于模糊综合评判的设施栽培旋耕机选型研究[J]中国农机化学报，2013(6):148—153．。
[15]戴志中．我国设施农业机械的现状及发展趋势分析fJ]中国农机化，2000(4 ):42— 43．。
[16]毕晓伟．影响旋耕机作业质量和功耗的主要因素[J]农业机械，2009(1):109—110． [版权归原杂志和作者所有，摘录自《新疆农垦科技》杂志,转载请注明出处和作者，仅供学习参考 ]。