深松機具研究現狀與展望

鄭侃++陳婉芝

摘要：深松是提高作物產量的一項重要耕作方式，對于促進我國農業可持續發展和保障糧食安全具有重要意義。介紹近年深松面積和深松機數量的變化情況，根據深松鏟工作原理及結構特點將深松機分為鑿式深松機、全方位深松機，詳細描述這2類機具的工作原理、作業特點，并總結現有的典型機具；最后分析現有深松機存在的問題并提出解決方法，為深松機的研究提供參考依據。

關鍵詞：深松機具；鑿式深松機；全方位深松機；現狀；展望

中圖分類號： S224.9文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0016-05

深松是指使用專用深松機，在不打亂原有土壤耕層結構的前提下進行深度松土的一種機械化耕整地作業方式，是保護性耕作的重要組成部分[1]。傳統翻耕深度為16～30 cm，旋耕深度一般為14～16 cm[2]，翻耕、旋耕作業時犁鏵、旋耕刀會對土壤有擠壓、打擊作用，長期使用會使耕層以下形成堅硬的犁底層，影響作物根系生長，使作物產量下降；雖然免耕減少了土壤耕作，保護了土壤結構，但播種、收獲、植保時農機具作業造成的土壤壓實，再加上土壤的自然沉降，同樣會導致土壤的緊實度、容重增加，影響作物生長[3-4]。通過深松作業可打破堅硬的犁底層，同時疏松土壤，增加土壤的透水性和透氣性，改善土壤理化特性以及作物根系生長環境，是一項重要的作物增產技術[5-6]。

深松機是實現機械化深松作業的關鍵機具，深松鏟則是深松機的關鍵工作部件。歐美等地區在20世紀30年代初對深松耕作和深松機具開展研究，現已形成較完善的理論體系和系列化的深松機具。我國于20世紀60年代開始對深松技術進行研究，近些年深松部件和深松機具的研制開發越來越受到重視，并取得了豐碩的成果[7]，但與國外先進的深松機具相比，仍然存在材料質量差、阻力功耗大、配套動力不足、結構設計不合理、種類繁多以及無法進行標準化、系列化管理等問題[8-9]。因此，了解和掌握深松機具及其關鍵部件的主要類型和特點，探討存在的主要問題，對于我國深松技術的研究和推廣具有重要意義。

1近年來深松面積和深松機數量變化情況

自2009年國務院常務會議決定對深松作業進行補貼以后，深松作業在全國適宜省份迅速展開，深松補貼實施后5年內的深松實施面積與深松機擁有量變化趨勢如圖1所示[10]，可以看出，全國深松作業面積和深松機擁有量明顯增加，其中2013年全國深松面積為1 078.47萬hm2，比2008年多21149萬hm2；2013年全國深松機擁有量為23.36萬臺，比2008年多14.79萬臺。2011年農業部辦公廳印發的《全國農機深松整地作業實施規劃（2011—2015年》（農機發[2011]1號）[11]文件中指出：2013—2015年，在東北地區、黃淮海地區、南方蔗區、西北地區全面實施深松；2011—2015年，5年累計[CM（25]深松整地作業面積0.713億hm2。農業部在2015年2月[CM）]

2深松機主要結構類型及典型機具研究現狀

結合深松鏟的工作原理和結構將深松機分為鑿式深松機和全方位深松機。

2.1鑿式深松機

鑿式深松機的工作部件為鑿式鏟，主要由鏟尖、鏟柄構成。鏟尖有鑿形鏟尖、箭形或鵝掌形鏟尖、雙翼形鏟尖3種形式[15]，鑿形鏟尖寬度與鏟柱寬度相近，工作時阻力較小，并且加工簡單、強度高、易于更換；箭形或鵝掌形鏟尖與雙翼形鏟尖寬度較大，常用于旋耕后起壟或中耕時表土行間疏松。鏟柄分為彎弧式、直立式、傾斜式3種[16]，無論哪種鏟柄在運動方向的投影總是垂直的。彎弧式鏟柄和傾斜式鏟柄，鏟柄下部向前伸具有滑切作用，有一定的減阻效果，但加工較難，且結構突變處易受力變形；相反，直立式鏟柄結構簡單、制造容易，但破土時阻力相對較大。根據是否具有振動功能將鑿式深松機劃分為鑿型深松機和鑿式振動深松機兩大類。

2.1.1鑿型深松機鑿型深松機工作時在拖拉機的牽引下，通過鏟尖對土壤的擠壓、上抬作用以及鏟柄刃部對土壤的切割破壞作用使土壤松碎，深松深度一般為30～50 cm，深松鏟間距為40～80 mm[17]。常見的鑿型深松機有普通鑿型深松機和翼鏟式深松機2種。

普通鑿型深松機。普通鑿型深松機松土系數僅為0.2～0.3[18]，工作幅寬較小，適用于間隔深松；并且在稍深的土層處，鏟柄與鏟尖對兩側土壤產生強烈的擠壓，增加土壤的壓實，不利于土壤疏松；此外，深松后鏟柄會在土層中留下垂直縫隙，造成水分蒸發，尤其對于干旱地區而言不利于保墑[19]。國內典型的機具有山西河東雄風農機有限公司生產的1S-250A型深松機（圖2）[20]，該機采用鑿形鏟尖和彎弧式鏟柄，深松鏟之間的間距為50 cm，為了增大機具的通過性，前機架安裝2個深松鏟，后機架安裝3個深松鏟，所需動力66.2 kW以上，深松鏟工作深度為30～35 cm。國外典型的機具有德國雷肯公司生產的1S-225C型深松機（圖3）[21]，該機3個鑿形鏟安裝在機架主梁上，深松鏟間距為70 cm，深松鏟最大深松深度達65 cm，需要配套動力55～129 kW。

翼鏟式深松機。在普通鑿型深松機鏟柄兩側增加翼鏟形

成翼鏟式深松機，相比普通鑿型深松機有以下特點：（1）增加了深松工作幅寬，擴大了松土面積，提高了深松效率；（2）雙翼鏟入土后，翼板上傾角向上抬起土壤，使其發生斷裂，當雙翼鏟通過后，土壤重新回落進一步松碎，從而提高了松土系數[22]；（3）雙翼鏟消除了鏟柄對兩側土壤壓實；（4）雙翼鏟上方土壤全面疏松，雙翼鏟下方經鏟尖運動形成鼠道，有利于排澇，減少土壤水蝕；（5）雙翼鏟增加了工作能耗，尤其是作業達到一定深度時，能耗加劇[23]?，F有典型的翼鏟式深松機如豪豐1S-250型深松機（圖4）[24]，其深松鏟按“前3后2”方式安裝在機架上，采用直立式鏟柄和鑿形鏟，并將翼鏟安裝在鏟柄中部以減少能耗，深松鏟間距為40 cm，工作深度為25～30 cm，需要配套動力66.2～88.2 kW。國外有馬斯奇奧公司生產的PINOCCHIO200型深松機[25]（圖5），深松鏟按“前2后3”方式安裝在機架上，采用彎弧式鏟柄和鑿形鏟；翼鏟安裝于鏟柄下部，增大了對深層土壤的疏松；深松鏟間距為 37 cm，深松深度為40 cm，需要動力為70～130 kW。

[CM（26]2.1.2鑿式振動深松機鑿式振動深松機是在鑿型深松機[CM）]

基礎上增加了激振源。振動深松機最大的優點是牽引阻力小，其原理是利用土壤的彈塑性性質，將振動位移置于土壤的彈塑性變形區，使其阻力在小于塑性變形最大阻力的同時又獲得塑性變形的特點，從而減小牽引阻力，相比非振動式深松機能減少6.9%～17.0%的阻力[26]。根據激振源是否需要動力驅動，可以將鑿式振動深松機振動方式分為自激振動和強迫振動。

鑿式自激振動深松機。鑿式自激振動深松機的激振源主要來自變化的土壤阻力，即由于土壤地表不平導致耕深變化、不同范圍土壤力學性質不均勻以及秸稈量不同等因素引起的土壤阻力變化，這種振動方式引起的沖擊和對土壤的壓實作用小，并且保護了深松鏟和其他部件[27]?，F有激振源的彈性元件有壓縮彈簧、鋼板彈簧、液壓3種。此類深松機作業過程中，當深松鏟受土壤阻力大于彈性元件預作用力時，深松鏟將繞連接點轉動，鏟尖向上抬起，同時壓縮彈性元件存儲彈性能量；當土壤阻力減少時，彈性元件會釋放存儲的彈性能量，帶動深松鏟反向轉動剪切土壤；深松鏟因不斷變化的土壤阻力產生振動，從而減少牽引阻力?，F有此類深松機有美國大平原制造公司生產的SS1300A型垂直深松機（圖6）[28] ，整機工作幅寬305 cm，深松鏟彈性元件采用2個壓縮彈簧，5個深松鏟之間的間距為76 cm，工作深度為20～50 cm，需要150～255 kW動力；圖7所示的丹麥格蘭集團生產的CLG-Ⅱ型深松機[29]，整機工作幅寬在90～225 cm范圍內可調，深松鏟間距在30～100 cm范圍內可調，深松鏟彈性元件為鋼板彈簧，需配套121 kW以上動力；圖8所示的加拿大LASOLE制造公司生產的MAX型深松機[30]，深松鏟采用液壓彈性元件，深松深度為40～70 cm，深松鏟間距為76 cm，工作幅寬為365 cm，配置動力為112～186 kW。

鑿式強迫振動深松機。鑿式強迫振動深松機激振源動力來自拖拉機，其原理是拖拉機輸出軸將動力傳遞給深松機振動機構，振動機構把轉動變為深松鏟既定頻率和振幅的振動，同時深松鏟帶動土壤振動，土壤經周期性振動后破碎，達到深松目的。振動機構一般由偏心軸、偏心軸承、十字連接器、連接板和支撐轉動軸等部件組成[31]。鑿式強迫振動深松機雖然減少了工作阻力，但拖拉機驅動需要耗能，且對已破碎的土

壤有沖擊壓實作用[32]，同時振動易使深松鏟及其他部件產生疲勞破壞，影響深松機使用壽命。鄆城縣工力有限公司生產的鄆農ZS-180型振動深松機（圖9）[33]，該機采用振動機構帶動整個深松鏟振動，深松深度為25～40 cm，需要配套50～75 kW 動力。圖10為德國CLEMENS公司生產的TLK833型深松機[34]，該機只有1個深松鏟，主要用于果園深松，利用振動機構帶動翼鏟實現振動深松，而深松鏟和鏟柄不振動；最大深松深度為60 cm，只須配套動力30 kW。

2.2全方位深松機

全方位深松機的作業原理完全不同于鑿式深松機。該類機具有以下特點：（1）松土性能好，松土系數可以達到077[35]，且松土范圍大，作業后地表平整；（2）與鑿式深松機相比，全方位深松機充分利用刀刃的切割作用，對土壤的壓實

作用較小[36]；（3）能完整地保持地表植被覆蓋，有利于減少風蝕、水蝕[37]；（4）動力消耗大、秸稈覆蓋時通過性差、易堵塞；（5）不適用于中耕時深松作業。根據深松鏟形狀分為“V”形鏟式深松機和側彎式深松機。

（1）“V”形鏟式全方位深松機?！癡”形鏟刀是“V”形鏟式全方位深松機的主要工作部件，由底刀和2個左右對稱的側刀等構成。作業時，“V”形鏟刀的底刀和2個側刀切出梯形截面的土垡條，當機具以一定速度前進時，“V”形鏟刀將土垡條向上抬升、撕裂，土垡條因剪切、拉伸得到疏松，松碎后的土壤回落到“V”形溝內，無較大的孔隙，有利于干旱地區保墑[38]。

典型的機具有北京銀華春翔農機有限公司生產的春翔1SQ-340型全方位深松機（圖11）[39]，機具有3個“V”形鏟刀，其中2個“V”形鏟刀對稱安裝在前機架梁上，深松深度為40～50 cm，需要配套動力73.6～88.3 kW。圖12為中國農業大學董向前等研制用于草地疏松的振動深松機[40]，該機融合了全方位深松機和振動深松機的優點，深松深度為15～20 cm，需要配套動力90 kW。

（2）側彎式深松機。側彎式深松機是全方位深松機和鑿式深松機的結合，與全“V”形鏟式全方位深松機碎土原理相似，其主要結構“L”形側彎鏟柄分為垂直部分和傾斜部分，鏟尖安裝在傾斜部分的下端。工作時，側彎鏟柄的傾斜部分對土壤進行切割，并向上抬起土垡，對該部分土壤進行剪切、拉伸破壞，從而達到松土效果，而鏟尖能夠在松土層底部形成鼠道，增加雨水入滲。為了抵消整個機具的左右側向力，成對安裝深松鏟。該類機具的特點是側彎鏟柄取代鑿式深松機的鏟尖進行碎土，在能耗相同的條件下，提高了機具的入土性能，且碎土效果比鑿式深松機好[9]。

山東奧龍農機機械制造有限公司生產的1S-310型深松機（圖13）[41]，整機共有6個深松鏟，每2個深松鏟組成1組，且傾斜部分向內側傾斜并對稱安裝在深松鏟前方、中間、后方，深松鏟間距為52 cm，深松深度≥30 cm，需要配套動力≥992 kW。圖14為德國DALBO公司生產的Ratoon系列深松機[42]，可配備2、4、6、8個深松鏟，深松工作幅寬120～300 cm，根據深松鏟數量分別需要配套動力30、60、90、120 kW；為消除側向力，深松鏟以相同的傾斜方向安裝在前梁和后梁；整個深松鏟采用液壓彈性元件與機架連接，以增加碎土率、保護深松部件。

3展望

3.1深松機作業減阻

深松作業造成的能耗是種植、收獲作業等其他種植工序的3～5倍[43]，減少深松機具作業時的耕作阻力是降低能耗的主要措施[44]?，F有的深松減阻研究有仿生減阻、振動減阻、流體潤滑減阻、改變深松鏟結構參數以及改善深松部件的分布等，并取得了較好的成果。仍須對以下方向進行研究：（1）增加深松鏟對不同土壤的碎土特性以及土壤機械動力學研究，從理論上解釋深松阻力來源；（2）已有的深松鏟減阻技術在致力于減少深松能耗的同時，應該考慮降低減阻深松鏟的加工難度和成本；（3）多數深松減阻研究僅限于試驗條件下模擬，應結合田間實際狀況真正做到應用推廣。

3.2深松聯合作業機具

深松聯合作業機具是深松機具發展的一個重要方向，具有以下優點[45]：（1）作業效率高，可有效緩解農忙時機具緊張狀況；（2）提高大馬力拖拉機利用率，節省油料，降低作業成本，作業次數減少，減少對土壤的破壞，保護土壤團粒結構；（3）降低金屬材料消耗，減少機具存放面積?，F有的深松聯合整地機多數為深松機與其他作業機具簡單組合，結構設計不合理，以至于無法保證作業性能和質量；整機適應性、可靠性較差，若遇到黏重土壤，機具阻力會急劇增大，且拖拉機會打滑，不適于大面積推廣應用。因此，需要研制適應不同地區、不同季節的系列化、標準化且具有較高可靠性的多功能深松聯合作業機，以滿足我國農業生產需要。

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