臥式旋耕機刀輥優化技術研究現狀及展望

蔡王飛 伍鐵斌 毛依凡

（湖南人文科技學院能源與機電工程學院，湖南婁底 417000）

臥式旋耕機是我國常用的耕耘機械，通過刀輥旋轉切碎土壤。目前國內臥式旋耕機一次作業即可滿足要求，減少了作業次數，提高了生產率和經濟效益，深受農戶喜愛[1]。然而，臥式旋耕機一般耕深較淺、漏耕嚴重，刀輥易纏草、堵泥且作業時消耗功率較大[2]。對刀輥進行優化，能提高防纏能力，降低能源消耗，顯著提高臥式旋耕機的作業質量和效率。

1 臥式旋耕機刀輥構造及工作原理

1.1 構造

如圖1所示，臥式旋耕機刀輥由刀軸、刀座、旋耕刀組成，左、右旋耕刀以雙頭螺旋線形式交錯排列在刀軸上，旋向相反，升角相同，左右彎刀交替入土。

圖1 臥式旋耕機正視圖

1.2 工作原理

臥式旋耕機刀輥作業時，刀軸和刀片一邊做回轉運動，一邊隨拖拉機前進做相等速度直線運動。旋耕刀在回轉運動中切入土壤，將切下的土塊向后方擋土板拋射，土塊在沖擊力的作用下被撞成碎土粒，由拖板拖平在地面上，使耕后地面平整。

2 臥式旋耕機刀輥優化技術的重要性

臥式旋耕機刀輥纏繞原因有多種。一是旋耕機耕深較淺，旱田耕作深度8～15 cm，水田耕作深度10～15 cm；旋耕刀難以切割到部分秸稈及田間雜草的根部，延長了雜草、作物秸稈長度，增加了纏繞概率[3]。二是臥式旋耕機轉速一般為150～350 r/min，轉速較低，旋耕刀難以將所有雜草粉碎成碎段，剩余雜草、秸稈在力的作用下依然有可能纏繞刀輥。三是臥式旋耕機沒有設計防纏繞部件，易出現纏繞現象。

臥式旋耕機刀輥纏草堵泥會造成多種危害。一是臥式旋耕機刀輥在纏繞雜草、秸稈后，作業時會帶上碎土，卡在雜草與刀輥的間隙中形成積土現象，造成旋耕刀及其刀軸磨損，碎土率、碎茬率下降。二是大量雜草、秸稈等纏在刀輥上直至與旋耕刀回轉半徑相同，使臥式旋耕機有效耕深減少，無法滿足旋耕整地耕深要求[4]。三是刀輥纏草堵泥后，阻力增大，動力消耗增加，工作效率受到影響。不僅如此，刀輥纏草堵泥后，作業時會在土壤上產生溝壑，影響土地平整度和接下來的播種過程。

截至2019年底，我國糧食、油料作物機耕率基本保持在90%，但是同等耕作深度下單位功耗高出國外平均水平約30%，農業機械整體功率消耗較大。究其原因是我國生產的農業機械仍然采用老式設計結構，這種結構設計不夠完善，導致機械作業效率低且耗能較大，不符合農業機械發展進程中節能環保的要求。因此，旋耕節能技術的發展具有重要意義。臥式旋耕機刀輥優化技術旨在解決刀輥高耗能、纏草堵泥問題，提高旋耕作業質量、作業效率，是旋耕防纏技術與旋耕節能技術的綜合體現。

3 臥式旋耕機刀輥優化技術研究現狀

臥式旋耕機刀輥優化效果影響旋耕機的生產效率和生產質量。為了解決刀輥高耗能、纏草堵泥問題，國內外學者做了不少嘗試。下面從旋耕刀優化、刀座優化和刀軸優化3個方面闡述臥式旋耕機刀輥優化的國內外研究現狀。

3.1 旋耕刀優化技術研究現狀

臥式旋耕機常見的旋耕刀有鑿形刀、彎刀和直角刀，其中旋耕彎刀最常用，旋耕刀的優化大多是對旋耕彎刀的優化。如圖2所示，旋耕刀由側切面、過渡面和正切面組成，其中：側切面具有切開土垡、切斷草莖、推開殘茬的功能；正切面除了切土外還具有翻土、碎土、拋土等功能[5]。

圖2 旋耕彎刀設計圖

國內旋耕刀研究始于20世紀70年代。20世紀90年代，旋耕刀優化研究熱點從強度、硬度等材質提升方面轉移到了刀體結構優化設計，提出了節能設計要求。1993年，潘留輝等[6]設計出了ⅡSJ系列節能旋耕刀，比國家標準旋耕刀單刀功耗降低25.9%～43.3%，整機功耗降低16.4%，耐磨性增加8%，使用壽命增加10%。郝建軍等[7]為了解決旋耕整地作業阻力大、能耗高等問題，基于楔子理論與刀具受力模型設計了一種楔形減阻旋耕刀，其平均扭矩較國標旋耕刀下降11.35%，平均功耗較國標旋耕刀下降9.29%，平均碎土率較國標旋耕刀提高4%，耐用性基本保持一致。

隨著仿生學在農業領域的應用，旋耕機作業阻力大、能耗高的問題得到了有效緩解，近年來旋耕刀優化傾向于仿生設計。1990年任露泉等[8]對典型土壤動物穿山甲、螻蛄、螞蟻、蜣螂等的爪趾進行了觀察與力學分析，從地面力學角度初步分析了爪趾與土壤間的相互作用，得到了多種土壤動物爪趾的數據，為仿生旋耕刀的研究奠定了理論基礎。2019年楊玉婉等[9]根據鼴鼠的活動特性，分析了鼴鼠前肢手掌多趾組合結構和趾尖輪廓曲線特征，設計了具有鼴鼠多趾結構特征的仿生旋耕刀，正切刃有尖刺和缺口，提高了旋耕刀碎茬和入土性能，在不同的前進速度和彎刀轉速情況下仿生型旋耕刀的整機功耗平均減小了16.88%～21.80%。鼴鼠多趾結構特征仿生旋耕刀結構如圖3所示。2021年肖茂華等[10]使用逆向工程技術，基于東方螻蛄前足爪趾輪廓曲線，在旋耕刀正切刃上設計了仿生齒。在不同轉速下，仿生旋耕刀所受平均扭矩均比國標旋耕刀小，降低了3.5%～10.5%，降低了整機功耗，增加了旋耕刀使用壽命?；跂|方螻蛄爪趾的仿生旋耕刀結構如圖4所示。

圖3 鼴鼠多趾結構特征仿生旋耕刀結構

圖4 基于東方螻蛄爪趾的仿生旋耕刀結構

歐美及日本等一些發達國家很早就開始進行旋耕刀優化研究。Tsuchiya等[11]對降低臥式旋耕機功耗的因素進行相關性研究，對旋耕刀刃口厚度、特定刀片形狀的切削特性以及刀片在刀軸上的排列等進行了分析。1993年Gupta等[12]建立了預測飽和土壤中旋耕機功率需求的數學模型，該模型假設旋耕機所需功率用于切削土壤，得出旋耕刀工作功耗占比，切削土壤耗能占比0.34%～0.59%，拋出土壤耗能占比30.5%～72.4%，土壤與旋耕刀摩擦耗能占比0.96%～2.45%，土壤與土壤摩擦耗能占比0.62%～0.99%，空載功率23.1%～64.6%。研究得出，旋耕作業耗能的主要部分在于刀片拋土和克服摩擦力做功。2004年Saimbhi等[13]采用坐標變換對C型旋耕刀進行運動學仿真，利用三維計算機圖形學，生成了葉片后表面的Bezier曲面；分析了葉片在運行過程中與土壤的相互作用，對C型旋耕刀進行優化設計，消除了葉片后緣與未切割土壤的干擾，得到了整流后C型旋耕刀立體三維形狀，如圖5所示。2009年Asl等[14]通過建立數學模型，對 L型、C型和 RC型（reduced chord-type缺口彎型刀）施耕刀進行功耗以及切土拋土性能研究。試驗結果顯示，RC型刀切土和拋土性能均高于另外2種形式的刀片，并且功耗明顯低于其他刀片。3種刀片如圖6所示。

圖5 整流后的C型旋耕刀立體三維形狀

圖6 3種刀片對比

3.2 旋耕刀座優化技術研究現狀

旋耕刀座安裝在旋耕刀的基座上，旋耕刀座優化分為刀座本體優化、刀座排列順序優化。在旋耕刀座優化方面，國內研究得更深入。一方面，不斷推出更優的刀座排列順序；另一方面，融合計算機技術對刀座優化進行深入研究。國外的刀座優化研究則有些停滯。

3.2.1 旋耕刀座結構優化。對旋耕刀座本體的優化在國內較為常見，設計目的是降低刀軸作業時雜草纏繞概率，保護刀軸，提高其與旋耕刀的連接牢固性。2015年徐 良等[15]研制了一款除草刀裝置。該裝置由防纏保護蓋和旋轉刀組成，其中防纏保護蓋設計有一個防纏圓環和變速箱凹槽，以形成凹凸配合。中耕機工作時，除草刀旋轉切割纏繞過來的雜草，防纏保護蓋和除草刀形成一個閉合的運動圓柱，有效解決了防纏問題，適用于小型旋耕機具。除草刀裝置如圖7所示。2016年李文杰等[16]發明了一款旋耕防纏刀座，刀座體由上而下開設通孔；刀座前端增加了一個圓弧滑切刃，正轉時能使雜草遠離刀軸，反轉時能滑切雜草，消除了刀座與刀座連接處的死角，增強了刀輥防纏能力，提高了刀輥生產效率。防纏刀座如圖8所示。

圖7 除草刀裝置立體圖

圖8 防纏刀座設計圖

3.2.2 旋耕刀座排列順序優化。相同刀片參數在不同耕作模式下旋耕效果也不同。旋耕機刀片合理排列，有利于提高耕作質量，降低功率消耗，節約能源，使整機受力平衡[17]。

1985年，馮培忠[17]分析了現有國內雙頭螺線排列方式與日本人字形刀片排列方式的優點和缺點。在此基礎上，提出4n±2數列排列并詳細地闡述了4n±2數列排列的方法，為以后的研究工作奠定了基礎。1998年王多輝等[18]設計了一款旋耕機刀片排列應用程序，該程序應用于旋耕機刀片排列、反轉滅茬機滅茬刀排列及秸稈還田機甩刀排列等方面，方便快捷，效果良好。2003年涂建平等[19]對秸稈還田機工作部件——刀片部分的受力和在刀軸上的排列方式進行了理論分析和總結，為秸稈還田機刀座排列順序的深入研究提供了直接理論依據。2008年Celik等[20]研究了旋耕機作業時旋耕刀旋轉路徑對土壤切片的影響，結果發現：提高轉子速度和按比例降低前進速度能提升碎土率；提高拖拉機的前進速度或降低轉速能降低碎土率；減小刀軸半徑和增加法蘭盤一側的刀片數量能使土壤切片變薄，并用回歸分析方程解釋這些關系。2011年，賈洪雷等[21]提出了耕作刀片在臥式刀輥上的多頭螺旋線對稱排列法，并將該方法應用到不同機具上進行旋耕、碎茬作業，各工況碎土率均值達到85.6%以上，碎茬率均值達到80%以上；該方法能夠減少刀輥的沖擊振動，延長傳動件及軸承的壽命，使機具作業平穩。

3.3 旋耕刀軸優化技術研究現狀

旋耕刀軸是旋耕刀輥的輸出動力轉軸，其優化主要有2個方向：一是增大旋耕刀軸半徑達到防纏繞目的；二是研究刀軸正轉與反轉耕作模式的功耗問題。

在刀軸優化研究方面，國外研究人員最先提出了刀軸正轉與反轉耕作模式的功耗問題并進行了試驗研究，但未解決。我國科研人員接過了這一接力棒，研究得出，旋耕機反轉耕作模式的功耗要大于正轉耕作模式，但是反轉耕作模式的翻土和覆蓋性能要優于正轉耕作模式。

3.3.1 增大旋耕刀軸半徑。增大旋耕刀軸半徑，可使雜草、秸稈等纏繞物的長度不足以纏繞旋耕刀軸，降低纏繞物的纏繞力和刀軸纏草概率。2010年胡建明等[22]發明了防纏草旋耕刀軸，即在刀軸上安裝一款切草刀，間接增加刀軸半徑，當旋耕機工作時，切草刀將纏繞過來的雜草切成兩段，提高刀輥防纏能力。防纏草旋耕刀軸設計如圖9所示。2015年張秀梅等[23]設計了一種水旱兩用型耕整刀輥，設計了滑切型橫刀，工作時，間接增大旋耕刀軸半徑且有一定的滑切作用，降低了纏繞物的纏繞力，有效滑切纏繞物，提升旋耕機的耕作效率，降低作業功耗，工作性能穩定；橫刀在破茬區域內壓覆秸稈并對土壤再次粉碎，達到水田及旱地耕整的需要。水旱兩用型耕整刀輥模型如圖10所示。

圖9 防纏草旋耕刀軸設計圖

圖10 水旱兩用型耕整刀輥模型

3.3.2 正轉與反轉耕作模式的功耗問題。臥式旋耕機刀軸有正轉、反轉2種模式，通過試驗研究2種模式與功耗的關系。1993年Shibusawa[24]研究發現，反向旋轉旋耕機可減少深耕時的動力需求，開發了一個由刀片向后拋出土壤的模型；按照設計方法制造了新鏟面葉片，將其反向旋轉產生了最佳的土壤后拋效果，在深度超過300 mm時，操作功率減少了50%左右。2002年Kataoka等[25]研究了在重黏土中反轉旋耕過程中的土壤切割和土塊裂紋形成過程，結果發現，在一定的耕作距離內，耕作阻力顯示出較高的交叉關系，而在相隔0.4 m以上的不同耕作地塊之間幾乎沒有交叉關系。未耕作的土壤被耕作刀片擾動的前向距離估計為36.4 mm，單個刀片的耕作阻力頻率的波動幾乎等于所預測的被耕地表面的裂縫間隔的發生率，這個頻率是120 Hz。這些分析結果能用于分析反轉旋耕時刀片的自然頻率和土壤裂紋的主動發生，提供了研究反轉旋耕的重要理論基礎。Salokhe等[26]在曼谷的一個黏土土槽上進行了試驗，結果發現，2種臥式旋耕機的功耗均隨作業次數的增加而降低，隨前進速度的增加而增加，反轉臥式旋耕機的動力輸出軸功率比正轉臥式旋耕機功率低34%左右。但是，由于試驗未控制單一變量，無法驗證同一旋耕刀下正反轉功率大小。為了比較正轉臥式旋耕機和反轉臥式旋耕機的作業情況，2003年丁為民等[27]在控制單一變量的前提下，進行了正、反轉臥式旋耕機的對比試驗。試驗結果表明，后端裝有碎土擋草柵欄的反轉臥式旋耕機在碎土覆土、田間平整等方面均優于正轉臥式旋耕機。2018年鄂 智等[28]針對國標普通旋耕刀IT245單刀作業功耗問題，對旋耕刀IT245進行了正反轉功耗對比。結果表明，IT245旋耕刀反轉比正轉功耗高出17.5%。2019年陳 偉等[29]研究了反轉臥式旋耕機刀輥排列方式對作業性能的影響，結果發現，旋耕刀輥排列對反轉滅茬作業效果存在明顯影響；正人字排列比其他3種排列更省力，作業功耗最高降低21%。

4 展望

4.1 加強旋耕節能技術理論研究

如何提高生產效率、節省機具消耗是臥式旋耕機未來發展的關鍵問題，未來臥式旋耕機的發展方向必將是低能耗、高效率以及深耕。旋耕作業耗能的主要部分是刀片拋土和克服摩擦力做功。為了確保耕作質量、降低整機功耗，合理的刀片排列、正確的使用及調整方法是十分重要的[30]。旋耕刀優化與設計、旋耕刀座排列順序優化是解決臥式旋耕機高耗能問題的關鍵[3]。這對于實現農業可持續發展具有重要意義。未來，研究人員需要加強旋耕節能技術的理論研究。

4.2 將新技術應用到旋耕防纏技術上

臥式旋耕機研究人員研究了許多不同形式的刀輥防纏裝置，這對臥式旋耕機存在的雜草纏繞問題都有一定的效果，但是達不到現有的防纏要求。今后研究應該深化仿生設計研究，將仿生學應用到橫刀優化上；應引入新技術領域的先進理念，將自動控制系統應用在旋耕防纏技術上。例如，在旋耕刀輥上加裝智能化防纏繞橫刀，在刀輥兩側安裝傳感器，一旦刀輥被纏繞到一定程度，鋸齒狀橫刀自動運行切割雜草。此裝置在解決纏繞問題的基礎上兼具節能設計要求。

4.3 臥式旋耕機聯合化和智能化

目前主流的聯合收割機一次作業即可完成收割、脫粒、分離莖稈、清除雜余物等工序，從田間直接獲取谷粒。未來臥式旋耕機將會向聯合化方向發展，以臥式旋耕機為驅動，通過增加和優化工作部件完成滅茬、深松、碎土、做畦、起壟、開溝、播種、深施化肥、鋪膜、鎮壓和噴藥等聯合作業[31]，能極大地提高農業耕種效率。

隨著全球定位系統、地理信息系統、遙感技術等新興技術的發展，開發智能化的定位控制作業臥式旋耕機是一種發展趨勢[32]。田間作業環境復雜，可以在履帶自走式臥式旋耕機上安裝自動控制系統，當安裝在刀輥上的傳感器檢測到復雜的土地環境時，前方的刀輥可以自動調整旋耕刀入土角度，使其保持在入土最省力、對旋耕刀磨損最小的角度；后方的機架也會調整機身傾斜度使機身穩定，不影響刀輥作業，作業效率及質量都能得到一定程度的提高。智能化臥式旋耕機前景廣闊，節能是其重要特點，應用無人駕駛、全球定位、自動控制系統等新興技術是節約能源的有力手段。

5 結語

刀輥優化技術能夠明顯提高防纏能力，降低功耗，顯著提升臥式旋耕機的工作效率及質量。研究刀輥優化，需要加強旋耕節能技術理論研究，特別是旋耕刀與旋耕刀座的節能優化研究；需要將新技術應用到旋耕防纏技術上，加強仿生學設計。隨著新技術、新理念的融入，未來的臥式旋耕機趨向于聯合化、智能化作業，將極大地解放勞動力，創造生產價值。