吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 鄧濤 常影 陳成展 安超杰 鄭旭強(qiáng) 趙玉山

鏵式犁結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 鄧濤 常影 陳成展 安超杰 鄭旭強(qiáng) 趙玉山

鏵式犁是一種耕地用的犁，主要作用是將種植后的土壤進(jìn)行翻耕并且碎土，消滅雜草和病蟲害、疏松土壤，為下一次的種植提供保障。鏵式犁的結(jié)構(gòu)直接影響土壤的質(zhì)量、耕種的成本以及生態(tài)環(huán)境，所以如何選擇更優(yōu)的鏵式犁結(jié)構(gòu)成為研究的重點。本文對鏵式犁的結(jié)構(gòu)以及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并對鏵式犁結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究和總結(jié)。大量的試驗研究表明，有些動物的體表結(jié)構(gòu)能夠降低在土壤中的行駛阻力，因此仿生犁壁成為發(fā)展趨勢。

鏵式犁；仿生犁壁；耕作阻力

1 引言

如何實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化，并且節(jié)約能源且提高效率的農(nóng)業(yè)技術(shù)成為目前發(fā)展的趨勢。隨著機(jī)械化和自動化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)的相關(guān)工具結(jié)構(gòu)也成為重要的研究方向。鏵式犁是進(jìn)行翻耕的重要農(nóng)具，它的結(jié)構(gòu)性能直接影響土壤的質(zhì)量。且土壤作用在鏵式犁犁壁上的阻力很大，因此如何減少鏵式犁的耕作阻力成為主要的研究內(nèi)容。對鏵式犁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究不僅可以減少阻力，減少拖拉機(jī)的負(fù)荷和磨損，降低油耗，節(jié)省耕種成本，同時還能減少排放量，在一定程度上改善環(huán)境。所以對鏵式犁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究是有一定的實際意義的。本文擬對現(xiàn)在的鏵式犁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，闡述鏵式犁結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合先進(jìn)的仿生技術(shù)研究，總結(jié)了仿生犁壁在鏵式犁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

2 鏵式犁的結(jié)構(gòu)特點

鏵氏犁作為一種重要的耕地農(nóng)具，橫梁頂端的犁刃是其主要組成部分。傳統(tǒng)的鏵式犁就是通過牲畜或機(jī)車進(jìn)行牽引耕種。傳統(tǒng)的鏵氏犁材料主要是木制，根據(jù)連接的方式不同，鏵式犁分為牽引犁、懸掛犁、半懸掛犁三類。每一種鏵式犁都有其特點，因此選擇最優(yōu)的鏵式犁也是保證耕種質(zhì)量的重要因素。牽引犁的結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，并且所需的牽引力較大，只能選擇大功率的機(jī)車進(jìn)行牽引，但是牽引犁具有穩(wěn)定的耕深度和寬度，也就是耕種質(zhì)量好；懸掛犁的結(jié)構(gòu)相對較簡單，且具有重量小、成本低和所需牽引力小的優(yōu)點，但是機(jī)組的縱向穩(wěn)定性差，不能夠很好地應(yīng)用在大面積的耕種中，但是在各家各戶小面積的耕種方式上得到了廣泛的應(yīng)用；隨著拖拉機(jī)的發(fā)展，半懸掛犁也隨著大馬力、重量輕的拖拉機(jī)發(fā)展起來，半懸掛犁的發(fā)展彌補(bǔ)了牽引犁和懸掛犁的缺點[1]。

3 鏵式犁結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鏵式犁的結(jié)構(gòu)設(shè)計也在不斷地更新。根據(jù)國家的專利申請數(shù)據(jù)，我國鏵式犁的結(jié)構(gòu)在1967年之前處于平穩(wěn)期。1968年到1992年期間，在經(jīng)歷了免耕后耕種質(zhì)量沒有明顯改善，西歐和美國很多國家的耕整方式又重新注重耕地，鏵式犁的結(jié)構(gòu)也因此在這段期間得到了快速的發(fā)展。1993年到2013年期間，我國的鏵式犁結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入飛快發(fā)展時期[2]。

由于鏵式犁在使用的過程中，其犁壁與土壤接觸處受力較大，因此人們主要針對鏵式犁的表面進(jìn)行研究改進(jìn)。經(jīng)過一段時間的改進(jìn)研究，鏵式犁壁的結(jié)構(gòu)目前有很大的改善。隨著人們對生物科學(xué)的研究，仿生結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其應(yīng)用，仿生結(jié)構(gòu)也逐漸應(yīng)用于鏵式犁結(jié)構(gòu)設(shè)計中[3]。

吉林大學(xué)實驗室的成員在研究土壤動物體表時，發(fā)現(xiàn)其在土壤中行進(jìn)時能夠減粘降阻，并因此開發(fā)了仿生非光滑犁壁[4]。吉林大學(xué)的李青提出了利用TRIZ理論沖突矩陣解決減粘脫土問題[5]。吉林大學(xué)金俊等人通過對犁壁進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，得出了仿生凸起在犁壁上的分布。通過田間實驗得出此仿生犁的降低阻力范圍在15.9%～18.0%，在一定程度上使得生產(chǎn)率提高了20.5%[6]。李重渙等人以蜣螂為研究對象，建立數(shù)學(xué)模型后進(jìn)行仿真研究，模擬出仿蜣螂體表非光滑表面[7]。

4 鏵氏犁仿生結(jié)構(gòu)特點

20世紀(jì)60年代人們開始研究仿生學(xué)，仿生犁也隨著仿生學(xué)技術(shù)發(fā)展被人們廣泛關(guān)注，生物的結(jié)構(gòu)特點是適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果，為了適應(yīng)生存具有了合理的結(jié)構(gòu)。很多穿梭在土壤中的動物為了適應(yīng)環(huán)境，在逐步的進(jìn)化過程中其身體結(jié)構(gòu)得到了改善，所受泥土的阻力有一定程度的減少。為了更好地研究仿生犁的結(jié)構(gòu)，人們開始以土壤動物為研究對象，研究其結(jié)構(gòu)和外殼等，并將其應(yīng)用在仿生犁的結(jié)構(gòu)上，用以減少仿生犁所受土壤的阻力，并能在一定程度上改善碎土的效果。

土壤生物中車蜣螂的體表為非光滑表面，仿造蜣螂體表的非光滑表面的凸起、凹陷、孔洞、裂縫等特征結(jié)構(gòu)制作仿生犁，不僅能夠達(dá)到減粘脫附的效果，還能夠降低阻力，從而提高工作效率，減少耕種成本。但是仿生犁不單單是研究其結(jié)構(gòu)，還可以對生物體表的分泌物、表面電位變化等進(jìn)行深入研究，這也使得仿生變得更復(fù)雜。

很多研究學(xué)者通過實驗證實了對水田犁壁進(jìn)行仿生設(shè)計，在一定程度上降低了耕作阻力，減少了耕種的成本，提高了生產(chǎn)率。2004年吉林省舒蘭市進(jìn)行了仿生犁和普通犁的對比實驗研究，通過對兩種犁的耕深、覆蓋和碎土效果進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量的考察和分析后，得出了從生產(chǎn)率、耗油量、勞動消耗和成本等角度分析，仿生犁各方面均得到了改善，并且仿生犁的碎土和覆蓋效果非常好。

5 總結(jié)

本文闡述了鏵式犁的結(jié)構(gòu)以及發(fā)展現(xiàn)狀，研究和總結(jié)了鏵式犁結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。經(jīng)過分析大量的試驗研究現(xiàn)狀，得到了有些動物的體表結(jié)構(gòu)能夠降低在土壤中的行駛阻力，因此仿生犁壁成為發(fā)展趨勢，且其犁體的結(jié)構(gòu)是主要的研究內(nèi)容之一。雖然仿生犁有著諸多優(yōu)點，但是鏵式犁的加工制造成本較高，也給它的推廣和應(yīng)用帶來了一定的阻力。

[1]金桂香.鏵式犁的分類簡介[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2014(2):43.

[2]韓樹剛,董新蕊,喻江霞.鏵式犁專利申請趨勢分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2014(08):122-126.

[3]洪筠,崔占榮,任露泉.仿生犁與普通犁作業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益的對比分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2006,37(10):93-96.

[4]賈賢,任露泉,陳秉聰.土壤動物體表及仿生復(fù)合涂層的潤濕性[J].材料研究學(xué)報,1996,10(5):556-560.

[5]李青.基于TRIZ理論和仿生原理的犁技術(shù)進(jìn)化的研究[D].長春:吉林大學(xué),2007.

[6]金俊,李建橋,張廣權(quán)等.仿生非光滑水田犁壁的設(shè)計及田間應(yīng)用試驗[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,(12):160-165.

[7]李建橋,李忠范,李重渙等.仿生非光滑犁壁規(guī)范化設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2004,(6):119-121.

常影，1988出生，女，吉林省長春市人，碩士，助教，研究方向:農(nóng)機(jī)設(shè)計、模具設(shè)計、數(shù)控加工及逆向建模等。

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新科研項目（吉農(nóng)院合字[2016]第2016108號）。