果園旋耕機(jī)的研究現(xiàn)狀與分析

王健 張秀花 張江紅

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院

引言

我國(guó)果樹(shù)種類(lèi)約670種，到2019年我國(guó)果樹(shù)種植面積約為11875千公頃，總產(chǎn)量為世界第一[1]。近些年，我國(guó)政府十分重視“三農(nóng)問(wèn)題”，隨著國(guó)家大力度推廣現(xiàn)代化果園種植模式，林果業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊?，F(xiàn)代化果園果樹(shù)行距為3～3.5米，中小型機(jī)械可以進(jìn)入果園進(jìn)行作業(yè)，從而使果園機(jī)械化作業(yè)成為可能[2]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、國(guó)家對(duì)果農(nóng)的大力扶持，許多果園陸續(xù)使用中耕機(jī)具進(jìn)行旋耕作業(yè)[3]。傳統(tǒng)旋耕機(jī)由配套拖拉機(jī)提供動(dòng)力，采用三點(diǎn)懸掛方式，旋耕機(jī)在拖拉機(jī)正后方：果樹(shù)樹(shù)冠離地距離小，且只需對(duì)樹(shù)冠周?chē)M(jìn)行松土作業(yè)，拖拉機(jī)行走部分不需要進(jìn)行旋耕作業(yè)，因此傳統(tǒng)旋耕機(jī)無(wú)法完成果園的松土作業(yè)。微型旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。因此急需一款高效、勞動(dòng)強(qiáng)度小、工作質(zhì)量高的果園旋耕機(jī)。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

19世紀(jì)中葉，英美等西方國(guó)家研制了一種功率為3～4kw的旋耕機(jī)械，由內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，后來(lái)L型旋耕刀被成功研制出來(lái)，為旋耕機(jī)進(jìn)行大田作業(yè)提供了重要保障[4]。旋耕機(jī)自從19世紀(jì)中期至今已發(fā)展了170多年，現(xiàn)在美國(guó)、德國(guó)等西方國(guó)家的生產(chǎn)、研發(fā)比較先進(jìn)。

泰國(guó)學(xué)者S.K等[5]通過(guò)對(duì)旋耕刀片進(jìn)行等離子噴涂處理和HVOF超音速火焰噴涂處理，使旋耕刀片具有了較好的耐磨特性，除考慮旋耕機(jī)的消耗功率和作業(yè)質(zhì)量外，國(guó)外研究人員也開(kāi)始關(guān)注機(jī)具的耐用性能，其目的是延長(zhǎng)機(jī)具的使用壽命。

日本農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會(huì)的研究人員重點(diǎn)研究了旋耕刀的排列方式，按照先前的旋耕刀片排列方式，旋耕機(jī)在作業(yè)過(guò)程中容易產(chǎn)生側(cè)向偏移力并且力矩較大，從而造成土壤側(cè)向移動(dòng)；采用V字形或人字形新型排列方式，對(duì)平衡機(jī)具作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力十分有效，缺點(diǎn)是在相鄰刀片作業(yè)分界處易出現(xiàn)土埂或凹溝。從而得出:采用分段組合方式的刀片排列方式，可以避免兩者的弊端，作業(yè)后地表平整，初步解決了旋耕刀易纏草、刀軸兩端受力不平衡等難題，適用于作業(yè)幅寬較大的旋耕機(jī)[6]。

英國(guó)F·W·McConnel公司生產(chǎn)研制的Tillaerator型旋耕機(jī)[7]，其旋耕刀片形狀是平板狀，主要是用來(lái)對(duì)熟地分層分部。工作流程：首先平切鏟疏松15厘米左右的耕作層土壤，然后旋耕刀片對(duì)12厘米左右的表層土壤進(jìn)行旋耕作業(yè)，最后鎮(zhèn)壓器可以壓碎因旋耕作業(yè)產(chǎn)生的大土塊，從而保證旋耕機(jī)的旋耕質(zhì)量。

美國(guó)吉爾森公司生產(chǎn)的自走式微型旋耕機(jī)[8]，如圖1所示，功率為3.68kw，工作幅寬為30～65厘米，消費(fèi)者根據(jù)自身需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要應(yīng)用于溫室大棚、果園、菜園等作業(yè)面積較小的區(qū)域。傳動(dòng)方式主要是蝸輪蝸桿和鏈傳動(dòng)，可根據(jù)自身需求進(jìn)行選擇；旋耕刀拆卸方便，可裝配霧化器、施肥機(jī)械等。

圖1 自走式微型旋耕機(jī)

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期我國(guó)才開(kāi)始研究旋耕機(jī)技術(shù)，相對(duì)于發(fā)達(dá)的西方國(guó)家，起步較晚。前期主要研制作業(yè)效率低和勞動(dòng)強(qiáng)度大的手扶式微耕機(jī)，后來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，逐步研制出適用于我國(guó)不同地區(qū)的中、大型旋耕機(jī)，目前我國(guó)旋耕機(jī)已有300多種，數(shù)量估計(jì)500余萬(wàn)臺(tái)，生產(chǎn)整機(jī)及零部件的廠家有320余家[9]。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一種溫室電動(dòng)爪式松土機(jī)[10]，該農(nóng)機(jī)具有碎土能力強(qiáng)、輸出功率大、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用現(xiàn)代仿真學(xué)，該機(jī)具作業(yè)時(shí)會(huì)模擬人工揮動(dòng)鎬頭的動(dòng)作，增強(qiáng)松土機(jī)的碎土能力。缺點(diǎn)是旋耕深度較淺僅為8厘米，一些蔬菜種植需要的旋耕深度較大，故無(wú)法滿(mǎn)足生長(zhǎng)要求；機(jī)器刀具工作時(shí)起伏較大，由于溫室大棚環(huán)境的限制，易在大棚邊角地帶出現(xiàn)漏耕現(xiàn)象。

西南農(nóng)業(yè)大學(xué)李慶東團(tuán)隊(duì)[11]對(duì)履帶式旋耕機(jī)進(jìn)行了大量研究，履帶式旋耕機(jī)適于水田和山地丘陵等地勢(shì)不平的區(qū)域，研究表明：?jiǎn)温膸叫麢C(jī)底盤(pán)的動(dòng)力性能較差，從而導(dǎo)致機(jī)動(dòng)性能較差，工作時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度較大。在此基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了行走方式，并把先進(jìn)的遙控技術(shù)與旋耕機(jī)相結(jié)合，使用遙控控制旋耕機(jī)進(jìn)行工作，使得人機(jī)分離，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還為未來(lái)智能化農(nóng)機(jī)提供了新的研究方向。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁為民等[12]對(duì)深耕機(jī)和正、反轉(zhuǎn)旋耕刀進(jìn)行了大量的研究，得到了正、反旋耕刀在進(jìn)行作業(yè)時(shí)只是切土的范圍不同的結(jié)論。深耕機(jī)作業(yè)時(shí)能耗較大，研究目的是在減小其能耗的前提下，加大旋耕深度和提高作業(yè)質(zhì)量，以滿(mǎn)足薯類(lèi)等根莖類(lèi)植物的旋耕深度要求。深耕機(jī)首先考慮功耗問(wèn)題，其次考慮的是與其他機(jī)具進(jìn)行聯(lián)合復(fù)式作業(yè)，以達(dá)到降低勞作時(shí)間、提高工作效率和增強(qiáng)作業(yè)質(zhì)量的目的。

山東瑞宸農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司公司生產(chǎn)的1GQN型果園用偏置式旋耕機(jī)[13]，如圖2所示，采用三點(diǎn)懸掛方式與配套拖拉機(jī)相連接，耕深范圍為15～20厘米，作業(yè)幅寬1.2～2.0米，與傳統(tǒng)微耕機(jī)相比，優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)效率高、操作強(qiáng)度小，缺點(diǎn)是機(jī)具穩(wěn)定性低。

圖2 1GQN型旋耕機(jī)

山東博興華興公司生產(chǎn)的TG4-K型管理機(jī)[14]，整機(jī)質(zhì)量為106千克，裝配EM175型發(fā)動(dòng)機(jī)。該農(nóng)機(jī)與其他同類(lèi)機(jī)具比，具有如下優(yōu)點(diǎn)，可以與其他機(jī)具配套使用，耕深和作業(yè)幅寬可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍廣，在復(fù)雜的田地環(huán)境中也可以較好地完成旋耕作業(yè)。缺點(diǎn)是價(jià)錢(qián)比同類(lèi)機(jī)具較昂貴。

3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀優(yōu)缺點(diǎn)

目前我國(guó)果園所使用的旋耕機(jī)多數(shù)是微型機(jī)，在完成一行果樹(shù)松土工作后，需要人工操作進(jìn)行轉(zhuǎn)向，因此勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。微型旋耕機(jī)驅(qū)動(dòng)功率一般在7.5千瓦左右，作業(yè)速度相對(duì)于其他較大、中型旋耕機(jī)較慢。果園所在區(qū)域多為山地丘陵地貌，近些年來(lái)，許多國(guó)家研制了多種履帶式果園管理機(jī)，履帶式由于底盤(pán)重心、低附著系數(shù)大，具有爬坡能力強(qiáng)等特點(diǎn)；最大的缺點(diǎn)是行駛速度較慢[15]。同時(shí)這種果園管理機(jī)可以配套使用多種設(shè)備，不僅能完成旋耕作業(yè)，還能進(jìn)行打藥、除草等工作。這種果園管理機(jī)價(jià)格比較昂貴，我國(guó)果園種植模式大多是一家一戶(hù)經(jīng)營(yíng)，果農(nóng)種植果樹(shù)面積相對(duì)于國(guó)外農(nóng)場(chǎng)主的種植面積較小，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，使用果園管理機(jī)不合算。近些年，偏置式果園旋耕機(jī)也逐漸應(yīng)用于果園旋耕工作中，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性能較差。

4 果園旋耕機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）向聯(lián)合作業(yè)旋耕機(jī)的方向發(fā)展。針對(duì)不同的作業(yè)要求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的功能模塊，單一的旋耕作業(yè)不能很好地利用資源，同時(shí)還會(huì)增加拖拉機(jī)的進(jìn)地次數(shù)。利用聯(lián)合作業(yè)的方式可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，如旋耕、除草、施肥等一體化，可極大地提高機(jī)器的利用率，節(jié)約成本。

（2）針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)果樹(shù)品種，研究旋耕機(jī)工作參數(shù)與拖拉機(jī)工作參數(shù)的最佳組合方式，為果園旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

（3）研制高效穩(wěn)定的偏置旋耕機(jī)。偏置式旋耕機(jī)雖然可以深入樹(shù)下作業(yè)，但是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和懸掛方式，機(jī)具工作時(shí)穩(wěn)定性差，壽命低；在滿(mǎn)足果園旋耕作業(yè)的前提下，保證機(jī)體和各工作部件的穩(wěn)定性，使機(jī)器作業(yè)效率和工作穩(wěn)定性大大提高。

（4）向小型化發(fā)展。大型旋耕機(jī)械不宜進(jìn)入果園作業(yè)，研制小型機(jī)械，不僅能夠提高機(jī)器的操作性能，使作業(yè)過(guò)程更加方便，而且能提高果園的空間利用率[16]。

（5）向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。近些年科技不斷發(fā)展創(chuàng)新，全球定位、遙控技術(shù)、液壓技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)也將應(yīng)用在旋耕機(jī)中，使得旋耕機(jī)操作更簡(jiǎn)便，作業(yè)質(zhì)量更高[17]。