王健 张秀花 张江红

1、河北农业大学机电工程学院 2、河北农业大学园艺学院

引言

我国果树种类约670种，到2019年我国果树种植面积约为11875千公顷，总产量为世界第一[1]。近些年，我国政府十分重视“三农问题”，随着国家大力度推广现代化果园种植模式，林果业的发展前景非常广阔。现代化果园果树行距为3～3.5米，中小型机械可以进入果园进行作业，从而使果园机械化作业成为可能[2]。随着现代农业的快速发展、国家对果农的大力扶持，许多果园陆续使用中耕机具进行旋耕作业[3]。传统旋耕机由配套拖拉机提供动力，采用三点悬挂方式，旋耕机在拖拉机正后方：果树树冠离地距离小，且只需对树冠周围进行松土作业，拖拉机行走部分不需要进行旋耕作业，因此传统旋耕机无法完成果园的松土作业。微型旋耕机作业质量低、劳动强度大、工作效率低。因此急需一款高效、劳动强度小、工作质量高的果园旋耕机。

1 国外研究现状

19世纪中叶，英美等西方国家研制了一种功率为3～4kw的旋耕机械，由内燃机提供动力，后来L型旋耕刀被成功研制出来，为旋耕机进行大田作业提供了重要保障[4]。旋耕机自从19世纪中期至今已发展了170多年，现在美国、德国等西方国家的生产、研发比较先进。

泰国学者S.K等[5]通过对旋耕刀片进行等离子喷涂处理和HVOF超音速火焰喷涂处理，使旋耕刀片具有了较好的耐磨特性，除考虑旋耕机的消耗功率和作业质量外，国外研究人员也开始关注机具的耐用性能，其目的是延长机具的使用寿命。

日本农业机械化协会的研究人员重点研究了旋耕刀的排列方式，按照先前的旋耕刀片排列方式，旋耕机在作业过程中容易产生侧向偏移力并且力矩较大，从而造成土壤侧向移动；采用V字形或人字形新型排列方式，对平衡机具作业时产生的侧向力十分有效，缺点是在相邻刀片作业分界处易出现土埂或凹沟。从而得出:采用分段组合方式的刀片排列方式，可以避免两者的弊端，作业后地表平整，初步解决了旋耕刀易缠草、刀轴两端受力不平衡等难题，适用于作业幅宽较大的旋耕机[6]。

英国F·W·McConnel公司生产研制的Tillaerator型旋耕机[7]，其旋耕刀片形状是平板状，主要是用来对熟地分层分部。工作流程：首先平切铲疏松15厘米左右的耕作层土壤，然后旋耕刀片对12厘米左右的表层土壤进行旋耕作业，最后镇压器可以压碎因旋耕作业产生的大土块，从而保证旋耕机的旋耕质量。

美国吉尔森公司生产的自走式微型旋耕机[8]，如图1所示，功率为3.68kw，工作幅宽为30～65厘米，消费者根据自身需要进行调节，主要应用于温室大棚、果园、菜园等作业面积较小的区域。传动方式主要是蜗轮蜗杆和链传动，可根据自身需求进行选择；旋耕刀拆卸方便，可装配雾化器、施肥机械等。

图1 自走式微型旋耕机

2 国内研究现状

20世纪中期我国才开始研究旋耕机技术，相对于发达的西方国家，起步较晚。前期主要研制作业效率低和劳动强度大的手扶式微耕机，后来随着我国经济实力不断增强，逐步研制出适用于我国不同地区的中、大型旋耕机，目前我国旋耕机已有300多种，数量估计500余万台，生产整机及零部件的厂家有320余家[9]。

山东农业大学研制了一种温室电动爪式松土机[10]，该农机具有碎土能力强、输出功率大、绿色环保等优点。设计时应用现代仿真学，该机具作业时会模拟人工挥动镐头的动作，增强松土机的碎土能力。缺点是旋耕深度较浅仅为8厘米，一些蔬菜种植需要的旋耕深度较大，故无法满足生长要求；机器刀具工作时起伏较大，由于温室大棚环境的限制，易在大棚边角地带出现漏耕现象。

西南农业大学李庆东团队[11]对履带式旋耕机进行了大量研究，履带式旋耕机适于水田和山地丘陵等地势不平的区域，研究表明：单履带式旋耕机底盘的动力性能较差，从而导致机动性能较差，工作时劳动强度较大。在此基础上,该团队改进了行走方式，并把先进的遥控技术与旋耕机相结合，使用遥控控制旋耕机进行工作，使得人机分离，降低了操作人员的劳动强度，还为未来智能化农机提供了新的研究方向。

南京农业大学丁为民等[12]对深耕机和正、反转旋耕刀进行了大量的研究，得到了正、反旋耕刀在进行作业时只是切土的范围不同的结论。深耕机作业时能耗较大，研究目的是在减小其能耗的前提下，加大旋耕深度和提高作业质量，以满足薯类等根茎类植物的旋耕深度要求。深耕机首先考虑功耗问题，其次考虑的是与其他机具进行联合复式作业，以达到降低劳作时间、提高工作效率和增强作业质量的目的。

山东瑞宸农业机械有限公司公司生产的1GQN型果园用偏置式旋耕机[13]，如图2所示，采用三点悬挂方式与配套拖拉机相连接，耕深范围为15～20厘米，作业幅宽1.2～2.0米，与传统微耕机相比，优点是作业效率高、操作强度小，缺点是机具稳定性低。

图2 1GQN型旋耕机

山东博兴华兴公司生产的TG4-K型管理机[14]，整机质量为106千克，装配EM175型发动机。该农机与其他同类机具比，具有如下优点，可以与其他机具配套使用，耕深和作业幅宽可根据需要进行调节，应用范围广，在复杂的田地环境中也可以较好地完成旋耕作业。缺点是价钱比同类机具较昂贵。

3 国内外发展现状优缺点

目前我国果园所使用的旋耕机多数是微型机，在完成一行果树松土工作后，需要人工操作进行转向，因此劳动强度大，费时费力。微型旋耕机驱动功率一般在7.5千瓦左右，作业速度相对于其他较大、中型旋耕机较慢。果园所在区域多为山地丘陵地貌，近些年来，许多国家研制了多种履带式果园管理机，履带式由于底盘重心、低附着系数大，具有爬坡能力强等特点；最大的缺点是行驶速度较慢[15]。同时这种果园管理机可以配套使用多种设备，不仅能完成旋耕作业，还能进行打药、除草等工作。这种果园管理机价格比较昂贵，我国果园种植模式大多是一家一户经营，果农种植果树面积相对于国外农场主的种植面积较小，考虑到经济效益，使用果园管理机不合算。近些年，偏置式果园旋耕机也逐渐应用于果园旋耕工作中，缺点是稳定性能较差。

4 果园旋耕机的发展趋势

（1）向联合作业旋耕机的方向发展。针对不同的作业要求，设计出相应的功能模块，单一的旋耕作业不能很好地利用资源，同时还会增加拖拉机的进地次数。利用联合作业的方式可以实现一机多用，如旋耕、除草、施肥等一体化，可极大地提高机器的利用率，节约成本。

（2）针对我国不同地区果树品种，研究旋耕机工作参数与拖拉机工作参数的最佳组合方式，为果园旋耕机的设计提供理论基础。

（3）研制高效稳定的偏置旋耕机。偏置式旋耕机虽然可以深入树下作业，但是因为其结构和悬挂方式，机具工作时稳定性差，寿命低；在满足果园旋耕作业的前提下，保证机体和各工作部件的稳定性，使机器作业效率和工作稳定性大大提高。

（4）向小型化发展。大型旋耕机械不宜进入果园作业，研制小型机械，不仅能够提高机器的操作性能，使作业过程更加方便，而且能提高果园的空间利用率[16]。

（5）向着自动化、智能化的方向发展。近些年科技不断发展创新，全球定位、遥控技术、液压技术等先进技术也将应用在旋耕机中，使得旋耕机操作更简便，作业质量更高[17]。