微耕機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

仇飛，江琴

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 引言

電動農(nóng)業(yè)機械直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總體技術(shù)水平，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。隨著農(nóng)業(yè)機械化水平不斷提高以及環(huán)境保護意識的不斷增強，人們對農(nóng)業(yè)機械裝備的要求也越來越高。而國內(nèi)當(dāng)前農(nóng)業(yè)機械化裝備大多還是以燃油為主，燃油機械的廣泛使用雖然提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，但尾氣的排放、石油的泄露，都對耕作土地進行著破壞，加劇了環(huán)境污染。且市面上多數(shù)的耕作機尺寸較大，無法進入地塊狹窄的地方以及溫室大棚，茶果園地等地帶工作。

微耕機的出現(xiàn)可以解決上述提出的多數(shù)問題，能提高農(nóng)業(yè)機械化水平、降低農(nóng)民的勞動強度。如若合理運用微耕機，可以使用戶獲得更高的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)低投入高收入。根據(jù)微耕機研究現(xiàn)狀以及國家國情，針對現(xiàn)在市面上所常見的微耕機提出相關(guān)問題和改進意見，提出了以下新見解。

1 微耕機起源及研究現(xiàn)狀

1.1 微耕機起源

微耕機的前身為旋耕機。旋耕機是一種與拖拉機搭配使用的農(nóng)業(yè)機器，完成傳統(tǒng)耕、耙作業(yè)的農(nóng)業(yè)機械。因其具有碎土能力強、耕后地表平坦、適應(yīng)性強等特點，而得到了廣泛的應(yīng)用。旋耕機通過安裝在刀軸上的旋轉(zhuǎn)刀片，能夠切碎埋在地表以下的根茬，便于播種機作業(yè)，為后期播種提供良好土地[1]。旋耕機種類繁多，按照刀軸的安裝方式，可將旋耕機分為臥式、立式和斜置式[2]，目前，臥式旋耕機是我國使用最廣泛的旋耕機械[3]。旋耕機目前在我國平原地區(qū)應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，在大面積作業(yè)中，可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

在英美國家，農(nóng)業(yè)機械化的概念已經(jīng)提出了160多年。19世紀(jì)中期，美國地區(qū)出現(xiàn)以3～4 W的內(nèi)燃機驅(qū)動的農(nóng)業(yè)機器。起初，機器只用于園藝農(nóng)業(yè)此類小規(guī)模農(nóng)業(yè)，直到L型刀具的出現(xiàn)，旋耕機械才正式進入田間開始作業(yè)[4]。近年來，美國的吉爾森公司研制了一款自走式旋耕機，功率為3.68 kW，適用于菜園、大棚等設(shè)施園藝環(huán)境耕作。英國F.W.McConnel公司開發(fā)了Tillaerator機器，主要用于土壤分層作業(yè)[5]。緊接著意大利、日本、韓國等國家陸續(xù)也對旋耕機展開了一系列的研發(fā)，并且取得了豐碩的成果。

意大利M.B公司生產(chǎn)了一種單輪驅(qū)動軸旋耕機，以燃燒汽油為動力，適用于花圃、菜園等小范圍作業(yè)環(huán)境。此旋耕機為輕型機械，重量僅40 kg，可同時完成旋耕與培土兩項耕作生產(chǎn)[6]。同時，該公司還生產(chǎn)了一種多功能自走式底盤，由驅(qū)動軸帶動旋耕刀具以完成耕種作業(yè)。

日本農(nóng)業(yè)機械化協(xié)會的研究人員深入研究了旋轉(zhuǎn)刀片，改變了刀片的布置方式[7]，根據(jù)側(cè)切刃口曲線，運用分區(qū)段組合的方式，初步解決了刀軸兩端受力不平衡、刀具易被纏繞等問題。

韓國K.S.Lee等人根據(jù)韓國的稻田環(huán)境對不同類型的旋耕刀具進行了分析對比[8]，研究了旋耕機刀的排列方式以及旋耕機作業(yè)情況。結(jié)果表明，自走式旋耕機的運作效果較好。后來，K.S.Lee等人又對盤式旋耕刀的碎土效果以及是否適合旱稻土壤耕作作了深入的分析。

旋耕機碎土能力強，能滿足多數(shù)土地的犁地要求，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的象征。同時國外在開發(fā)旋耕機的基礎(chǔ)上對于微耕機的改良時間遠遠早于國內(nèi)，對于不同土壤，不同地形都有更多機械可以來面對，有很多先進經(jīng)驗值得我們學(xué)習(xí)。

1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

微耕機于20世紀(jì)90年代由意大利引入中國，并在廣西、重慶等地進行了改進和測試，以適應(yīng)中國更為復(fù)雜的環(huán)境。原型為意大利的樣機，它采用全鋁鑄造的變速箱體，配以意大利高性能的大馬力單缸柴油機[9]，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，適應(yīng)歐美地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。在引入中國后，相應(yīng)的制造商對該機器進行了顯著的改動，特別是，由于國內(nèi)鑄鋁技術(shù)遠遠落后意大利相關(guān)工業(yè)水平，因此將行走箱體由原來的鋁材改為鑄鐵，增加了行走箱體與地面接觸時的強度，但也因此增加了整機的重量[10]。2003年，該機在重慶各個廠家的共同協(xié)作努力下，終于初步完成了結(jié)構(gòu)改造，并正式批量投放市場。

國內(nèi)研究微耕機的有廣西、黑龍江、湖南、江蘇、遼寧、浙江、青島等省市幾十家農(nóng)業(yè)機械研究所、大專院校，許多實力雄厚的企業(yè)也積極參與。其中，比較典型的有廣西柳州藍天生產(chǎn)的IDN微耕機、遼寧四平的1GL-60型旋耕機、浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)（現(xiàn)為浙江大學(xué)華家池校區(qū)）研制的自走式微型旋耕機、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的1GLP-62型旋耕機、湖南中南傳動機械廠生產(chǎn)的1GD-100型微耕機、湖南省農(nóng)枕研究所研制的IZD-4型多用耕整機、青島生產(chǎn)的青島4l型旋耕機等[11]。這幾種微耕機的主要參數(shù)見表1，它們各具特色，反映了國內(nèi)最頂尖的微耕機的技術(shù)現(xiàn)狀。

表1 7種微型旋耕機主要技術(shù)參數(shù)

2 現(xiàn)存問題

國外機械化水平較國內(nèi)更為發(fā)達，對于設(shè)施農(nóng)業(yè)的相關(guān)研究也開始的較早。在微耕機的功能方面要更加齊全，運行更為穩(wěn)定，可靠性更高。但是對于國外的微耕機，進口價格過于昂貴。且如若采用進口機器，維修費用，養(yǎng)護費用都是一筆不小的開銷，這對于微耕機的推廣，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟性來說都不是一個很好的選擇。而國內(nèi)近些對于設(shè)施園藝盡管已經(jīng)有了一些研究，但市面上大多的機械仍然不能滿足各種土壤耕種條件。針對不同的土壤耕深和水分，在溫室大棚，茶園果地等地帶，無法根據(jù)環(huán)境變量來改變自己的耕作方式。仍存在以下問題：

2.1 尺寸較大，難以進入小面積耕地

目前市面上常見的耕作機通常為燃油機驅(qū)使的大型農(nóng)業(yè)機器。在平原地區(qū)已有廣泛的運用，在平原地區(qū)，大面積耕種等較為平坦的土地上運行，可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。但在果園菜地、溫室大棚、小面積水稻田等種植環(huán)境下運行較為困難。對于拐角處和地勢不平整的地方，漏耕現(xiàn)象很嚴(yán)重。

2.2 多使用燃油，污染環(huán)境

傳統(tǒng)微耕機多使用煤油以及汽油，其尾氣會對環(huán)境造成較大污染[12]。機器工作時，也會有一定的燃油泄露，滴落在土壤中，對土壤環(huán)境造成破壞，不利于農(nóng)作物的生長發(fā)育，不符合綠色生產(chǎn)的要領(lǐng)，不利于機械農(nóng)業(yè)長期發(fā)展。即使有少數(shù)電動微耕機，其電池容量也不能滿足于日常生產(chǎn)的需要，使用成本高，難以獲得大眾市場。柴電混合的動力機械應(yīng)用比較少，大眾對于電動農(nóng)業(yè)機械的安全防護措施也不足，對于廢舊設(shè)備的回收以及電池的污染、智能化操作等問題還有待于提升。

2.3 對于不同土壤環(huán)境適應(yīng)性較差

微耕機通過主軸上安裝的刀片旋轉(zhuǎn)進行對土壤的耕作。當(dāng)土壤中的水含量低于20%時，微耕機能夠順利耕作，但當(dāng)遇到黏性較高的土壤或土壤中的水含量高于20%時，微耕機碎裂土壤的能力就會退化，耕作阻力會大大增加[13]。難以順利進行耕作作業(yè)。

2.4 功能單一

國內(nèi)現(xiàn)有微耕機多只用于土壤耕作作業(yè)，無法滿足生產(chǎn)過程中的其他環(huán)節(jié)，如播種，澆水等。生產(chǎn)效率較低且購入成本過高，投入大，收入低。

2.5 質(zhì)量參差不齊

我國目前生產(chǎn)微耕機的廠家眾多，但現(xiàn)階段市場總量并不大。由于各企業(yè)的機器、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)規(guī)格以及現(xiàn)場管理存在差異，因此生產(chǎn)出的微耕機質(zhì)量良莠不齊，產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的規(guī)格。在此情況下，一方面，企業(yè)難以設(shè)立一個統(tǒng)一的市場定價，生產(chǎn)效益較差。另一方面，農(nóng)民在采購時也不好選擇，容易購入殘次品，且機器價格普遍偏高，不利于設(shè)施園藝的推廣和發(fā)展。

2.6 操作人員了解不夠，降低機器使用壽命

在微耕機的使用過程中，若操作人員沒有經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)，沒有按照操作手冊進行使用，讓微耕機長期處于負荷作業(yè)狀態(tài)下，那將降低微耕機原有的工作效率，縮短微耕機的使用壽命。若微耕機需要對較硬的地塊進行耕作時，機械出現(xiàn)聲音異?；蛘呙昂跓煹臓顩r，操作人員應(yīng)當(dāng)及時降低機械檔位并對機械進行檢查，從而將可能存在的故障排除。

3 電動微耕機開發(fā)的必要性

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機械中，電動農(nóng)業(yè)機械的使用頻率最高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[14]。相對于傳統(tǒng)旋耕機，電動微耕機減少了對環(huán)境的污染，可以適用于更多的場合。電動農(nóng)業(yè)機械不僅直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總體水平，而且對國民經(jīng)濟的增長和發(fā)展，具有很大的影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。

4 研究前景和發(fā)展方向

4.1 微型化

由于大棚溫室、果園內(nèi)空間小，尤其是邊緣地帶非常低矮，機具的質(zhì)量和外形尺寸將直接影響機具的靈活性和空間適應(yīng)性。因此，為適應(yīng)大棚種植，菜地果園等多種耕作地形，微耕機首先要做到的是在維持合理的生產(chǎn)效率下，盡可能減少重量，縮小體積，滿足各個耕作條件，減少對田地拐角處的遺漏。

4.2 多功能化

微耕機功能單一，只能進行簡單的耕地工作，性價比較低。應(yīng)對功能模塊進行改進，配備不同的附屬農(nóng)具，搭配修剪剪刀，灑水機等，可進行旋耕、犁耕、噴藥、灑水、修剪等一系列功能，更適用于設(shè)施農(nóng)藝。

4.3 智能化

采用電腦控制，盡量避免人員手持操作或手持時間不能超過一定時長，減少手持導(dǎo)致的人員疲勞?？上蜃宰呤椒较蜻M行研究。利用數(shù)控編程，制定好規(guī)定路線，使微耕機按照規(guī)定路線行走工作。操作者可在大棚外或機器不遠處進行監(jiān)控操作，當(dāng)機器軌道偏移或出現(xiàn)意外時可以及時停止并進行檢查。保證整個耕作過程的安全性和可靠性。

4.4 使用可再生能源

供能裝置采用太陽能搭配電能[15]，或采用氫能電池，可以大大減少對環(huán)境的污染。大棚內(nèi)光能豐富，白天，利用豐富的光能轉(zhuǎn)化為電能，進行對微耕機的供電并進行儲存，夜晚利用白天儲存的電量以及備用電池的電量進行工作。由于太陽能能量的不穩(wěn)定性，微耕機必須配備一個合格容量的電池。確保微耕機能穩(wěn)定工作。

4.5 安全性能的提高

在微耕機的使用過程中，操作人員若讓微耕機長期處于負荷作業(yè)狀態(tài)下，或直接對較硬的地塊進行作業(yè)時，機械會出現(xiàn)聲音異?；蛘呙昂跓煹臓顩r，安全無法得到保障。改進方案中，應(yīng)對微耕機加入一個急停報警程序，當(dāng)發(fā)動機或刀片過熱時，系統(tǒng)會自動檢測，暫停微耕機的運行并給操作人員報警，避免燒壞微耕機。相對于內(nèi)燃機微耕機，電動微耕機已經(jīng)很大程度上減少了微耕機耕作時產(chǎn)生的噪音以及振動。但相對于電動汽車等還是會由于振動產(chǎn)生大量熱量。所以要制定專門的散熱方案，延長電池壽命。

5 結(jié)論

對農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)狀作出相關(guān)探索，對電動微耕機的必要性和可行性進行了相關(guān)分析。針對國內(nèi)外對微耕機的研究現(xiàn)狀，主要包括以下幾點建議和規(guī)劃：

（1）中國地勢復(fù)雜地域遼闊，需要對微耕機的體積進行更多具體的設(shè)計，可以在合適的地方運用合適的機器，可以運用到挨家挨戶。

（2）增加附屬功能，讓用戶可以實現(xiàn)低投入高回報的效果。

（3）微耕機的健康可持續(xù)高速發(fā)展需依賴于農(nóng)業(yè)機械化的推廣和應(yīng)用。隨著我國農(nóng)業(yè)科技不斷發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)中的農(nóng)業(yè)機械將會與時俱進，不斷地被改良與完善，并最終向著自動化、智能化的方向發(fā)展。國家加大對微耕機的宣傳，使電動微耕機能更好的進入市場，走向大眾。