張魯云，孟祥金，鄭 炫，楊懷君

（新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000）

犁耕作業(yè)是農業(yè)機械化生產過程中最繁重的工作，同時也是能量消耗最大的工作。在農業(yè)生產投入成本中，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，針對如何減少犁體的牽引阻力，國內外都進行了大量的研究工作。2 000多年前的古羅馬人已經對土壤的適耕性進行過實地測試，20世紀20年代土壤動力學理論已經形成，但還未將其應用于犁耕阻力的研究中。20世紀30年代，前蘇聯(lián)科學家郭略奇金創(chuàng)造性地把犁耕阻力與土壤特性聯(lián)系起來。1961年，在意大利都靈召開的農業(yè)國際學術會議上，“土壤—機器系統(tǒng)力學”正式運用于農業(yè)工程領域［1］。20世紀50年代初，中國農業(yè)科學工作者就已經把土壤和農機具作為一個整體系統(tǒng)來進行研究［2］。對中國南方地區(qū)水田土壤機械性質、犁體曲面進行了分析，對犁的牽引阻力和翻垡、碎土等機械性能，拖拉機行走機構在水田中的作業(yè)性能等方面進行了大量試驗研究工作。鏵式犁減阻降耗的研究對于中國農業(yè)生產節(jié)約能源、提高功效、降低成本具有重要意義。

1 鏵式高速犁國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外大功率拖拉機使用比較普遍［3］，有關與大功率拖拉機相配套高速犁的研究已經非常深入和成熟。德國高速犁中的通用犁主要用于較松軟的土壤，耕速可達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10 km/h。美國約翰·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范圍內正常作業(yè)。耕速為10 km/h時，其植被覆蓋率為97%，碎土率為76.1%，土壤比阻為0.43 kN/cm2，各項性能指標均處于世界前列。世界上速度最快的高速犁作業(yè)速度已達12 km/h，在農業(yè)發(fā)達國家已經開始逐漸使用。國外有關高速犁的研究側重于水平元線角度等結構參數(shù)的優(yōu)化，提高犁的適應性，擴大與拖拉機的配套范圍。農機市場最新推出的高速鏵式犁產品正向著超耕深［4］，高速、寬幅和智能化的方向上發(fā)展。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

由于受到地域環(huán)境差異的影響，中國的鏵式翻耕犁已經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，則較多吸收了國外的新技術和新結構。目前，中國與小功率拖拉機相配套的單鏵、雙鏵犁較多，而與大、中功率拖拉機配套的大型犁具較少。由于中國大多數(shù)土地面積小、耕幅窄，較難完全發(fā)揮大型耕作機具的能力。在農業(yè)生產中廣泛使用的是垂直翻轉式雙向犁和水平擺動式雙向犁兩大類。近年來，大功率拖拉機數(shù)量的快速增加，與之相配套的大型高速犁研發(fā)工作與應用也隨之展開。

2 犁耕阻力的測定

2.1 田間試驗實地測定

在拖拉機和牽引犁之間加裝測力儀器，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。同時也可用不均勻系數(shù)表示其變化波動情況該方法也稱為線性測力法。這種方法簡便易行，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。

隨著電子技術在農機領域的大量應用［6，7］，犁耕阻力采用了三點懸掛測力法，即在拖拉機懸掛機構中加裝拉力傳感器和數(shù)據(jù)采集器作為測力元件，以原有尺寸代替拖拉機的三根懸掛桿，可直接測出懸掛桿所受拉力。再根據(jù)懸掛架測量的實際幾何尺寸和拉桿在縱垂面、水平面內的夾角，最后求出水平分力（即犁耕阻力）大小。該方法的測定結果比較接近于實際值，電子測量元件通用性較強，可適用于不同型號的拖拉機和農機具。

2.2 耕作阻力公式

在田間試驗實地測量的基礎上，利用阻力公式，用于估計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構性質，因此使用測力儀在不同性質土壤中進行試驗，以決定各種土壤的K值，然后即可用來計算相類似土壤條件下的犁耕阻力大小。在傳統(tǒng)鏵式犁的設計中，經常使用上述公式預先估算犁耕阻力的大小，作為工作部件進行強度計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20年代，以嚴密的科學理論分析為基礎，闡明了影響犁耕阻力大小的各種因素之間相互關系的本質［8］。

3 降低犁耕阻力的途徑

田間測試研究表明，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 轉變摩擦方式 利用拖拉機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)質材料和科學合理的構件截面結構［9］，在保證犁體強度和剛度的同時又減輕了犁體自重。采用轉子犁床，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，利用尾輪分擔犁床的部分側壓力，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犁后踵裝置，如圖1所示。犁后踵是一個裝在擺臂上的滾輪，擺臂受壓力彈簧控制。當彈簧不受土壤支撐力作用時，犁后踵被壓至犁體支撐面的下方。當犁體進行犁耕作業(yè)時，犁后踵就被向上壓到犁體支撐面的上方。懸掛犁體時，由于彈簧壓力的作用，犁后踵又向下移動。犁后踵裝置不僅能保護犁柱不致側向折彎損壞，而且將犁后踵的摩擦力由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，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 使用低摩擦材質（如四氟乙烯、聚乙烯等）覆蓋犁側板和犁后踵，能使土壤摩擦阻力降低6%～8%。使用充氣輪胎替代鋼輪，以減小犁輪的滾動阻力和犁耕震動。采用帶有防塵蓋的滾珠軸承，并保證軸承潤滑良好，以減小犁輪軸與軸承間的摩擦力。采用轉子犁壁，使土壤與犁壁之間的摩擦力由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦而降低。采用符合切削土壤力學原理的犁壁曲面，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)美國耕耘機械試驗測試結果表明，可使犁耕阻力降低6%～38%。而前蘇聯(lián)的測試數(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構性質及含水量有直接的關系。但是由于土壤和犁壁之間的摩擦劇烈，犁壁復層材料往往磨損較快，因此這種方法的局限性較大。田間試驗表明，5 mm厚的聚四氟乙烯涂層，犁耕20 hm2后就需要再次進行覆層處理。

3.1.4 噴灑潤滑液 向犁壁表面噴灑水、液態(tài)肥、聚水物質等液體溶液，對犁壁表面進行潤滑以減小摩擦力。在利用平鏟翻耕試驗中，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)肥潤滑，則既降低了犁耕阻力又進行了覆土施肥作業(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，以進行潤滑減小摩擦力。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極。通上75～500 V的電壓，電流強度為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，形成潤滑水膜層，試驗測試表明可降低摩擦阻力80%左右。該方法克服了加水潤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。當犁耕速度達到8 km/h時，所需電壓已經高達千伏以上。費效比的經濟問題，一直未得到很好的解決，目前電滲降阻法還處于試驗階段。

3.1.6 加裝反推力裝置 采用反作用自走式犁耕機械，以消除機具對行走拉力的需求，如圖2所示。該機具以電動機作為動力，機具有兩個主工作組件，每個工作組件都固定連接在底盤框架結構上。牽引鏈條帶動左犁體和右犁體，沿導向裝置移動工作。采用電動機通過減速器，帶動主動鏈輪和從動鏈輪轉動作業(yè)。該型機具也帶有行走裝置，以便快速轉移地段和牽引運輸。同時還裝有輔助裝置和限深地輪，以用來升降犁體和調節(jié)耕深。當電機驅動犁體進行犁耕作業(yè)時，犁體作業(yè)面受到土壤的反作用力，推動機具向前行駛。使用普通翻耕犁進行犁耕作業(yè)時，犁壁與土壤之間產生的剪切摩擦力，約占全部犁耕阻力30%［10］。而新式的反作用式耕耘機械，則利用力推動機具向前行進。在犁耕速度、翻耕深度、生產效率等作業(yè)指標相同的情況下，反作用自走式耕耘機械的犁體數(shù)量、機具自重都將減小，也會進一步降低犁耕阻力。

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，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犁鏟耐磨性。

2）采用符合切割土壤力學原理曲面的犁壁總成，以減小土壤變形和破碎阻力。

3）使用振動式翻耕犁，進行犁耕作業(yè)的同時對土壤施加振動能量，使土壤疏松，從而降低了土壤的剪切力和破碎阻力。

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

3.3 降低翻垡阻力的途徑

進行翻耕作業(yè)時，使犁的犁耕運行速度穩(wěn)定一致，可以減小或消除土垡因為翻拋速度變化所需的額外能耗［11］。調節(jié)犁的運行速度，與犁壁曲面正確匹配，以便使土垡的翻拋距離在適當?shù)姆秶鷥取２捎昧庑卫缙嫫胀ɡ缙?，可以減小翻垡阻力。普通犁片切下的矩形土垡塊，處于直立位置時往往不能依靠慣性和自重翻倒，翻扣過去時經常與相鄰垡塊相互干擾。而菱形垡塊相互之間互不干擾，在直立位置時能順利地自行翻扣，節(jié)省了因為翻垡所需的額外推力。

現(xiàn)代農業(yè)生產中使用的各種類型的鏵式犁，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的犁溝內。在這個過程中，土垡表現(xiàn)出兩個特征：橫向翻垡和土垡全部翻轉。這種工作方式存在著相當一部分無用功消耗。降低犁耕比阻并使其能適應大功率拖拉機的高速耕作，是翻耕犁具今后研究的主要方向。

4 小結

中國作為農業(yè)大國，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、降低生產成本、改進犁體結構、改善作業(yè)性能，具有十分重要的意義。隨著經濟全球一體化發(fā)展，能否應對市場需求，生產出高質量低成本的產品，已經成為企業(yè)競爭的焦點和生存發(fā)展的重要條件。當前普通鏵式犁的研究技術已經基本完善，與大功率拖拉機相配套的高效低阻鏵式犁的研發(fā)，將是中國農業(yè)機械化發(fā)展的主要方向。