大功率拖拉機(jī)配套犁具減租降耗機(jī)理分析

張魯云，孟祥金，鄭 炫，楊懷君

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000）

犁耕作業(yè)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)過(guò)程中最繁重的工作，同時(shí)也是能量消耗最大的工作。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入成本中，犁耕所消耗的能量占田間作業(yè)所消耗總能量的40%～60%，因此，針對(duì)如何減少犁體的牽引阻力，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究工作。2 000多年前的古羅馬人已經(jīng)對(duì)土壤的適耕性進(jìn)行過(guò)實(shí)地測(cè)試，20世紀(jì)20年代土壤動(dòng)力學(xué)理論已經(jīng)形成，但還未將其應(yīng)用于犁耕阻力的研究中。20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家郭略奇金創(chuàng)造性地把犁耕阻力與土壤特性聯(lián)系起來(lái)。1961年，在意大利都靈召開(kāi)的農(nóng)業(yè)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，“土壤—機(jī)器系統(tǒng)力學(xué)”正式運(yùn)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域［1］。20世紀(jì)50年代初，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者就已經(jīng)把土壤和農(nóng)機(jī)具作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行研究［2］。對(duì)中國(guó)南方地區(qū)水田土壤機(jī)械性質(zhì)、犁體曲面進(jìn)行了分析，對(duì)犁的牽引阻力和翻垡、碎土等機(jī)械性能，拖拉機(jī)行走機(jī)構(gòu)在水田中的作業(yè)性能等方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作。鏵式犁減阻降耗的研究對(duì)于中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)約能源、提高功效、降低成本具有重要意義。

1 鏵式高速犁國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外大功率拖拉機(jī)使用比較普遍［3］，有關(guān)與大功率拖拉機(jī)相配套高速犁的研究已經(jīng)非常深入和成熟。德國(guó)高速犁中的通用犁主要用于較松軟的土壤，耕速可達(dá)8 km/h，而翻土型高速犁適用于在較黏重的土壤中耕作，耕速可達(dá)10 km/h。美國(guó)約翰·迪爾公司通用高速犁耕寬為0.45 m，耕深為0.24 m，可在6～11 km/h范圍內(nèi)正常作業(yè)。耕速為10 km/h時(shí)，其植被覆蓋率為97%，碎土率為76.1%，土壤比阻為0.43 kN/cm2，各項(xiàng)性能指標(biāo)均處于世界前列。世界上速度最快的高速犁作業(yè)速度已達(dá)12 km/h，在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始逐漸使用。國(guó)外有關(guān)高速犁的研究側(cè)重于水平元線角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，提高犁的適應(yīng)性，擴(kuò)大與拖拉機(jī)的配套范圍。農(nóng)機(jī)市場(chǎng)最新推出的高速鏵式犁產(chǎn)品正向著超耕深［4］，高速、寬幅和智能化的方向上發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于受到地域環(huán)境差異的影響，中國(guó)的鏵式翻耕犁已經(jīng)基本形成了南方地區(qū)水田犁和北方地區(qū)旱地犁兩大系列［5］。南方地區(qū)水田犁系列，采用了中國(guó)自行研制的通用型犁體；北方地區(qū)旱地犁系列，則較多吸收了國(guó)外的新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)。目前，中國(guó)與小功率拖拉機(jī)相配套的單鏵、雙鏵犁較多，而與大、中功率拖拉機(jī)配套的大型犁具較少。由于中國(guó)大多數(shù)土地面積小、耕幅窄，較難完全發(fā)揮大型耕作機(jī)具的能力。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的是垂直翻轉(zhuǎn)式雙向犁和水平擺動(dòng)式雙向犁兩大類(lèi)。近年來(lái)，大功率拖拉機(jī)數(shù)量的快速增加，與之相配套的大型高速犁研發(fā)工作與應(yīng)用也隨之展開(kāi)。

2 犁耕阻力的測(cè)定

2.1 田間試驗(yàn)實(shí)地測(cè)定

在拖拉機(jī)和牽引犁之間加裝測(cè)力儀器，記錄犁耕阻力的大小和變化情況。由于犁耕阻力在最大值Pmax和最小值Pmin之間不斷變化，因此犁耕阻力取其平均值Pcp。同時(shí)也可用不均勻系數(shù)表示其變化波動(dòng)情況該方法也稱(chēng)為線性測(cè)力法。這種方法簡(jiǎn)便易行，但由于影響犁耕阻力的各種因素很多，因此誤差較大，在研究工作初期被廣泛采用。

隨著電子技術(shù)在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的大量應(yīng)用［6，7］，犁耕阻力采用了三點(diǎn)懸掛測(cè)力法，即在拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)中加裝拉力傳感器和數(shù)據(jù)采集器作為測(cè)力元件，以原有尺寸代替拖拉機(jī)的三根懸掛桿，可直接測(cè)出懸掛桿所受拉力。再根據(jù)懸掛架測(cè)量的實(shí)際幾何尺寸和拉桿在縱垂面、水平面內(nèi)的夾角，最后求出水平分力（即犁耕阻力）大小。該方法的測(cè)定結(jié)果比較接近于實(shí)際值，電子測(cè)量元件通用性較強(qiáng)，可適用于不同型號(hào)的拖拉機(jī)和農(nóng)機(jī)具。

2.2 耕作阻力公式

在田間試驗(yàn)實(shí)地測(cè)量的基礎(chǔ)上，利用阻力公式，用于估計(jì)出犁耕阻力的近似值，即：

式中，Pcp—犁耕中的平均阻力，N；acp—平均耕深，cm；bcp—平均作業(yè)幅寬，cm；K—土壤比阻，N/cm2。

根據(jù)Pcp、acp、bcp3項(xiàng)平均值，可求得土壤的比阻K（N/cm2）：

由于決定犁耕阻力和土壤比阻的主要因素是土壤的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)，因此使用測(cè)力儀在不同性質(zhì)土壤中進(jìn)行試驗(yàn)，以決定各種土壤的K值，然后即可用來(lái)計(jì)算相類(lèi)似土壤條件下的犁耕阻力大小。在傳統(tǒng)鏵式犁的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用上述公式預(yù)先估算犁耕阻力的大小，作為工作部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和牽引平衡力的理論依據(jù)，但未能全面考慮影響犁耕阻力的其他因素，如犁體自重、工作部件形狀大小、犁耕速度等。郭略奇金在20世紀(jì)20年代，以嚴(yán)密的科學(xué)理論分析為基礎(chǔ)，闡明了影響犁耕阻力大小的各種因素之間相互關(guān)系的本質(zhì)［8］。

3 降低犁耕阻力的途徑

田間測(cè)試研究表明，牽引犁的摩擦阻力占總牽引阻力的26%，土垡變形阻力占60%，翻垡阻力占14%。隨著翻耕犁具向著大型和高速的方向上發(fā)展，土垡變形阻力和翻垡阻力也隨之增加。

3.1 降低摩擦阻力的途徑

3.1.1 轉(zhuǎn)變摩擦方式 利用拖拉機(jī)自身的懸掛裝置取代犁體笨重的牽引部件，以減輕犁體自身的重量。采用優(yōu)質(zhì)材料和科學(xué)合理的構(gòu)件截面結(jié)構(gòu)［9］，在保證犁體強(qiáng)度和剛度的同時(shí)又減輕了犁體自重。采用轉(zhuǎn)子犁床，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，利用尾輪分擔(dān)犁床的部分側(cè)壓力，以減小犁床與土壤溝壁間的摩擦力。

采用受彈簧壓力作用的滾動(dòng)犁后踵裝置，如圖1所示。犁后踵是一個(gè)裝在擺臂上的滾輪，擺臂受壓力彈簧控制。當(dāng)彈簧不受土壤支撐力作用時(shí)，犁后踵被壓至犁體支撐面的下方。當(dāng)犁體進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)，犁后踵就被向上壓到犁體支撐面的上方。懸掛犁體時(shí)，由于彈簧壓力的作用，犁后踵又向下移動(dòng)。犁后踵裝置不僅能保護(hù)犁柱不致側(cè)向折彎損壞，而且將犁后踵的摩擦力由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減小了牽引阻力。

圖1 犁后踵減阻裝置

3.1.2 采用低阻材質(zhì) 使用低摩擦材質(zhì)（如四氟乙烯、聚乙烯等）覆蓋犁側(cè)板和犁后踵，能使土壤摩擦阻力降低6%～8%。使用充氣輪胎替代鋼輪，以減小犁輪的滾動(dòng)阻力和犁耕震動(dòng)。采用帶有防塵蓋的滾珠軸承，并保證軸承潤(rùn)滑良好，以減小犁輪軸與軸承間的摩擦力。采用轉(zhuǎn)子犁壁，使土壤與犁壁之間的摩擦力由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦而降低。采用符合切削土壤力學(xué)原理的犁壁曲面，以減輕土壤聚集黏附力，改善犁壁脫土性能。

3.1.3 增加犁壁光潔度 提高犁壁表面的光潔度和硬度，以減小土垡和犁壁之間的摩擦力。用低摩擦材料（如玻璃、陶瓷、硅化物、聚四氟乙烯、聚乙烯等）覆蓋犁壁，可以減小土壤在犁壁上的黏附力。根據(jù)美國(guó)耕耘機(jī)械試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，可使犁耕阻力降低6%～38%。而前蘇聯(lián)的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，可降低犁耕阻力的17%～19%，降低燃油消耗比為6.4%。犁耕阻力降低的幅度與土壤的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)及含水量有直接的關(guān)系。但是由于土壤和犁壁之間的摩擦劇烈，犁壁復(fù)層材料往往磨損較快，因此這種方法的局限性較大。田間試驗(yàn)表明，5 mm厚的聚四氟乙烯涂層，犁耕20 hm2后就需要再次進(jìn)行覆層處理。

3.1.4 噴灑潤(rùn)滑液 向犁壁表面噴灑水、液態(tài)肥、聚水物質(zhì)等液體溶液，對(duì)犁壁表面進(jìn)行潤(rùn)滑以減小摩擦力。在利用平鏟翻耕試驗(yàn)中，翻耕每公頃土地的液體消耗量為600 L，能使犁耕阻力降低10%～20%。如果采用液態(tài)肥潤(rùn)滑，則既降低了犁耕阻力又進(jìn)行了覆土施肥作業(yè)，提高了工作效率。

3.1.5 使用電滲降阻法 利用電滲原理，使犁壁表面析附水膜，以進(jìn)行潤(rùn)滑減小摩擦力。該方法就是將犁鏵、犁壁連接陰極，與犁架有絕緣層的犁刀上裝上陽(yáng)極。通上75～500 V的電壓，電流強(qiáng)度為0.000 4～0.001 A/cm2的直流電。土壤中的水分便向陰極（犁壁）上匯聚，形成潤(rùn)滑水膜層，試驗(yàn)測(cè)試表明可降低摩擦阻力80%左右。該方法克服了加水潤(rùn)滑需要攜帶大量水的困難，適合于南方地區(qū)水田翻耕，但是對(duì)于含水量較低的北方地區(qū)旱地，效果不是很理想。而且隨著耕耘作業(yè)速度的加大，所需電壓也隨之增加。當(dāng)犁耕速度達(dá)到8 km/h時(shí)，所需電壓已經(jīng)高達(dá)千伏以上。費(fèi)效比的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，一直未得到很好的解決，目前電滲降阻法還處于試驗(yàn)階段。

3.1.6 加裝反推力裝置 采用反作用自走式犁耕機(jī)械，以消除機(jī)具對(duì)行走拉力的需求，如圖2所示。該機(jī)具以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，機(jī)具有兩個(gè)主工作組件，每個(gè)工作組件都固定連接在底盤(pán)框架結(jié)構(gòu)上。牽引鏈條帶動(dòng)左犁體和右犁體，沿導(dǎo)向裝置移動(dòng)工作。采用電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器，帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)。該型機(jī)具也帶有行走裝置，以便快速轉(zhuǎn)移地段和牽引運(yùn)輸。同時(shí)還裝有輔助裝置和限深地輪，以用來(lái)升降犁體和調(diào)節(jié)耕深。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)犁體進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)，犁體作業(yè)面受到土壤的反作用力，推動(dòng)機(jī)具向前行駛。使用普通翻耕犁進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)，犁壁與土壤之間產(chǎn)生的剪切摩擦力，約占全部犁耕阻力30%［10］。而新式的反作用式耕耘機(jī)械，則利用力推動(dòng)機(jī)具向前行進(jìn)。在犁耕速度、翻耕深度、生產(chǎn)效率等作業(yè)指標(biāo)相同的情況下，反作用自走式耕耘機(jī)械的犁體數(shù)量、機(jī)具自重都將減小，也會(huì)進(jìn)一步降低犁耕阻力。

圖2 反作用自走式翻耕犁

3.2 降低土垡變形阻力的途徑

1）犁體上加裝水平割刀，進(jìn)行犁耕作業(yè)之前，水平割刀先把土垡從底層土壤上切下來(lái)，以減小土垡變形阻力。采用自磨刃犁鏟，保持全部切割刃口鋒利，并在刃口部位噴鍍耐磨金屬涂層以加強(qiáng)犁鏟耐磨性。

2）采用符合切割土壤力學(xué)原理曲面的犁壁總成，以減小土壤變形和破碎阻力。

3）使用振動(dòng)式翻耕犁，進(jìn)行犁耕作業(yè)的同時(shí)對(duì)土壤施加振動(dòng)能量，使土壤疏松，從而降低了土壤的剪切力和破碎阻力。

4）科學(xué)合理的耕幅—耕深比，有利于耕作土壤的穩(wěn)定性流動(dòng)，減小犁具的牽引變形阻力。

3.3 降低翻垡阻力的途徑

進(jìn)行翻耕作業(yè)時(shí)，使犁的犁耕運(yùn)行速度穩(wěn)定一致，可以減小或消除土垡因?yàn)榉瓛佀俣茸兓璧念~外能耗［11］。調(diào)節(jié)犁的運(yùn)行速度，與犁壁曲面正確匹配，以便使土垡的翻拋距離在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。采用菱形犁片代替普通犁片，可以減小翻垡阻力。普通犁片切下的矩形土垡塊，處于直立位置時(shí)往往不能依靠慣性和自重翻倒，翻扣過(guò)去時(shí)經(jīng)常與相鄰垡塊相互干擾。而菱形垡塊相互之間互不干擾，在直立位置時(shí)能順利地自行翻扣，節(jié)省了因?yàn)榉宜璧念~外推力。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的各種類(lèi)型的鏵式犁，盡管外形尺寸各異，參數(shù)大小各不相同，但其工作方式是一致的［12］，都是將土垡切下并全部翻入前一鏵所開(kāi)的犁溝內(nèi)。在這個(gè)過(guò)程中，土垡表現(xiàn)出兩個(gè)特征：橫向翻垡和土垡全部翻轉(zhuǎn)。這種工作方式存在著相當(dāng)一部分無(wú)用功消耗。降低犁耕比阻并使其能適應(yīng)大功率拖拉機(jī)的高速耕作，是翻耕犁具今后研究的主要方向。

4 小結(jié)

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年都要消耗大量能源用于犁耕作業(yè)。提高犁具的工作效率、降低生產(chǎn)成本、改進(jìn)犁體結(jié)構(gòu)、改善作業(yè)性能，具有十分重要的意義。隨著經(jīng)濟(jì)全球一體化發(fā)展，能否應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，生產(chǎn)出高質(zhì)量低成本的產(chǎn)品，已經(jīng)成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)和生存發(fā)展的重要條件。當(dāng)前普通鏵式犁的研究技術(shù)已經(jīng)基本完善，與大功率拖拉機(jī)相配套的高效低阻鏵式犁的研發(fā)，將是中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的主要方向。