国内外翻转犁研究及发展现状

　　引言

　　犁耕作业是现代农业生产中必不可少的生产过程，目前常用的翻耕机具主要有铧式犁及圆盘犁等。

　　铧式犁具有良好的翻垡覆盖性能，为其他耕地机具所不能及。铧式犁也是世界农业生产中历史悠久、应用最广泛的耕地机械。大多数铧式犁只能单方向翻垡，翻垡后会形成一条闭垄，而双向犁的出现则可以解决无开闭垄的问题。双向犁也称翻转犁，是在犁架上安装两组左右翻垡的犁体，通过翻转机构使两组犁体在往返行程中交替工作，形成梭形耕地作业。其土垡都向一侧翻转，耕后地面平整，能减少耕后整地的工作量，减少拖拉机空行程，提高耕作的生产率。

　　1 翻转犁的类型及特点

　　1． 1 翻转犁的类型

　　翻转犁的类型很多样，根据不同的方式类别有所不同。如按与拖拉机挂接方式分为悬挂翻转犁、半悬挂翻转犁和牵引式翻转犁; 按犁架翻转的驱动方式和翻转机构的不同可分为机械( 重力式) 翻转犁、气动式翻转犁和液压式翻转犁; 按犁架翻转角度不同可分90°翻转犁和 180° 翻转犁。就目前情况来看，应用较广泛的就是悬挂式液压翻转犁。

　　悬挂式液压翻转犁主要包括三点式悬挂装置及犁架。犁架上有左右对称的犁体，悬挂装置上设置翻转机构，翻转机构通过翻转轴与犁架相连，由双向液压缸通过翻转臂带动翻转轴做 180°旋转，翻转轴带动犁架旋转，从而实现犁体 180°换向。

　　1． 2 翻转犁的特点

　　机械式翻转机构是利用犁在悬挂提升时重力翻转轴转动 90°左右，利用惯性在失控状态下越过“死点”，之后依靠犁本身的重力产生的偏转力矩继续翻转到位并锁定。此机构结构简单、制造成本低，但使用不便，可靠性差，一般与没有液压输出的中、小型拖拉机配套。

　　气动式翻转机构( 如图 1 所示) 是在犁的悬挂架上安装有汽缸，利用气压做动力，犁架中间有纵向主轴并穿入悬挂架轴套，主轴轴端固定的齿轮与汽缸活塞杆水平运动时，活塞杆上的齿条带动齿轮转动，通过主轴使犁架相对犁悬挂架翻转。国内现有气动式翻转犁产品多是与没有液压输出的中、小型拖拉机配套。液压式翻转犁的两组犁呈 180°相对犁架垂直配置，犁架通过一转动轴安装在悬挂架上，由液压翻转机构使犁架转动 180°。液压翻转机构包括油缸( 称翻转油缸) 、犁架转动轴和油缸换向装置等。液压式翻转机构又可分为卧式( 平放) 油缸( 如图 2 所示) 、立式( 竖立) 油缸( 如图 3 所示) 、双油缸( 如图 4 所示) 及油缸一齿轮齿条等不同类型。
　　
　　2 国内外翻转犁研究及发展现状
　　
　　2． 1 国外翻转犁研究及发展现状

　　据文献资料记载，早在 20 世纪 60 －70 年代，西方发达国家就先后实现了农业机械化。随着现代耕作机械的研究、生产和实践，尤其是大功率拖拉机被广泛应用，带动了现代耕作机械向多品种、系列化、人机和谐等方向快速发展，很多机械化产品也逐步向宽幅、高速和高效低耗方向发展，并已经开始向电子监控、液压及模块化设计等高新技术方向发展。目前，为了提高生产率，国外采用了自动挂结、安全装置、液压折叠、机组铰联组合等先进技术和现代化结构。同时，这些农业机械化产品在功能上也有区分。

　　例如，已经上市的耕翻—深松联合机组，耕翻—整地联合作业，整地—镇压联合作业，整地—播种—镇压联合作业等等。若从机具结构上区分，还可以分为整体式机具、组配式机具; 若从工作部件运动方式区分，可以分为从动部件组合、驱动部件组合、驱动与从动部件组合的联合作业机具等等。

　　目前，在翻转犁领域处于领先水平的国家主要有美国、德国、法国、奥地利等国家。其中，代表性的公司主要有: 奥地利威诺、德国雷肯、美国凯斯、美国约翰迪尔、法国格力格尔 － 贝松及法国库恩等。国外对翻转犁的研究已经趋向成熟，根据土壤条件的不同，生产厂家设计了不同的犁臂以满足不同的工况，主要有法国格力格尔 － 贝松公司生产非大型多铧翻转犁，最高可以达到 18km2/ h 的犁地效率。

　　德国雷肯农机公司( LEMKEN) ，雷肯早在 1905 年就获得了世界上第一个犁具的专利。多年来，他们不断与实际相结合，研究生产的几款翻转犁把以往存在的问题基本解决。德国雷肯公司的气动力翻转犁解决了长期以来一直存在油缸漏油的问题，同时也非常环保。最有代表性和创新的是，雷肯公司设计生产的一款犁体，当犁耕到石头等障碍物时犁柱会自动跷起来，以保护立柱不会拉断，这种想法创新、独特，同样在实践中应用的也非常好。对翻转犁进行精确地调整也非常重要，这样可以减少材料的磨损，并且明显降低燃油的消耗。雷肯公司还研发了非同寻常的奥普快克( OptiQuick) 设置系统。该系统可以简便快速地设置首铧犁幅宽以及拖拉机/翻转犁 － 牵引线，有效地节约时间和费用。

　　在理论方面，国外的研究也有很多。例如，对悬挂装置、翻转机构等方面的研究更为突出，主要有对悬挂机组的控制和引导进行了研究，提出了悬挂机组控制和引导的方法; 利用几何约束程序在水平面和纵向垂直面内对三点悬挂式装置进行了运动学设计。

　　前些年，我国也大量引进国外翻转犁。之所以大量引进，总结起来，有以下几个技术特点: ①调幅翻转双向犁结构合理; ②配备多种形式的部件; ③适应不同耕作条件和机组配套要求; ④设置安全保护装置，采用优质材料和液压元件及先进制造工艺。

　　2． 2 国内翻转犁研究及发展现状

　　2． 2． 1 整体结构设计及试验研究方面

　　我国进入市场经济之后，国内耕地机械开始进入快速发展阶段，许多科研院所、企业都在研究和设计多种型号的翻转犁，而且研制得很成功。山西农业大学农业工程系的王双喜等人于 1996 年结合当地的实际情况，在引进国外成功经验的基础之上，对液压翻转双向犁的最新结构形式进行了研究。黑龙江省农业机械工程科学研究院的甘露等人于 2008 年设计试验了 1FFSL － 5 型潜翻深松翻转犁，该机不但能够一次性完成浅翻、深松两项作业，而且还可以进行单项作业，进而提高了机具利用率，作业效率高、经济效益好，同时也满足了其农艺要求。

　　在很长一段时间里，新疆建设兵团引进国外翻转犁进行农业耕地，但由于进口犁价格昂贵，也存在维修和售后服务困难等问题。自 1999 年以来，新疆农垦科学院在借鉴国外机具的基础上，结合实际情况，进行自主创新，先后研制出“1LB － 542 水平换向犁”“1LCH －546( 646) 型垂直换向犁”“1LCHT － 4/5 型垂直换向调幅”等系列产品。针对当前新疆兵团农业生产的需要，2011 年郑炫等人又研制了一种与 25．7 ～ 36． 8kW 拖拉机配套的气动翻转犁，用气缸作犁体换向机构，操作简单、翻转灵活，并进行田间试验，其性能指标均达到国家有关标准要求。2012 年设计出1LFS － 435 型浅翻深松翻转犁、1LFT － 435 型调心调幅式液压翻转犁，并进行田间试验，为我国农业机械自主创新打下良好的基础。

　　2． 2． 2 翻转机构研究方面

　　翻转机构是翻转式双向犁完成左右工位换向的重要部件，该机构尺寸和安装尺寸的选择直接影响到翻转犁的翻转性能。我国很多学者和企业对翻转机构进行自主创新设计: 河南农业大学机电工程学院的李保谦等人于 1999 年研制了双向犁圆柱凸轮自动翻转机构; 包头市武创农牧机械有限公司于 2007 年自主设计了一款双缸液压翻转犁，其翻转换向机构包括一个直立式双向液压缸和一个横置式双向液压缸，这两个缸在三位四通换向阀和掉头换向阀作用下改变给油的方向，进而牵拉翻转臂与拔叉转动，从而带动犁具做翻转，顺利地实现了犁架的平稳翻转，完成耕地作业。

　　关铁城等人在辽宁省葫芦岛市的农机管理总站设计和试验了 4 轮样机和 4 种不同形式的液压翻转机构。这 4 种翻转机构包括扇形齿板直油缸翻转机构、卧式油缸双作用柱塞齿条翻转机构、单油缸大间隙惯性越中翻转机构和圆油缸翻转机构。通过相关的试验表明，翻转机构准确可靠，该研究为后续的液压翻转机构的研究建立了不错的理论基础。甘肃省张掖市高台县嘉宝机械制造销售有限公司的王军山等人，在 2008 年研发了一种可以翻转 180°的新型双油缸翻转装置。与此同时，辽宁省黑山县农机推广站的王会福，将缓冲阀安装到在 1LF － 435A 型液压翻转犁翻转机构的液压系统中，基本上解决了原有翻转机构存在的液压系统问题，进而获得了国家专利局的实用新型专利。

　　2． 2． 3 犁体曲面研究方面

　　翻转犁主要是耕地机械，它通过犁体曲面完成对土壤的松碎和扣翻，所以犁体曲面形状对加工土壤的质量有着重要的影响。国内外对犁体曲面的研究都很早，一般主要采用的方法有: 试修法、几何动线作图设计法及数学解析设计法。近年来，随着科技的发展，好多学者开始应用各种软件及计算机辅助设计对犁体曲面进行更系统的研究，为农机科研朝着科学先进水平方向发展，打下良好的基础。

　　江苏工学院的朱金华等人在 1984 年就开始对犁体曲面的 CAD/CAM 系统进行研究; 1993 年，吉林工业大学的吴成武等人采用 CAD/CAM 仿真软件，计算、绘制了各种幅宽犁体曲面及犁面展开图，应用方便、快捷，比人工设计提高工效 20 倍以上; 经生产实践和研究表明，其性能良好，降阻 10% 左右。广西大学机械工程学院的廖丽等人，于 2008 年到 2011 年利用 Pro/E 仿真软件，构造了曲面的实体模型，而且还对碎土型犁体曲面作业过程进行了仿真分析，得出了优化的曲面参数及其各项参数对犁体曲面工作性能( 牵引阻力、翻垡性能) 的影响，从而完成对铧式犁优化设计和创新的目的。在犁面的理论研究方面比较突出的是，西北农林科技大学机械与电子工程学院的冯涛等人、大连理工大学的张延等人。在 2009年，张延等人利用仿真软件对犁曲面的动力学进行了仿真，还利用数学软件 MathCAD 建立了翻土型犁曲面的数学建模。同时，还利用 ANSYS/LS － DYNA 建立了犁曲面—土壤系统显式动力分析的仿真模型，最后还通过物理样机试验对模型的仿真结果进行验证分析。在 2010 年，冯涛等人也同样对犁体曲面建立了数学模型，并且基于 Pro/E 三维仿真软件构造了犁体曲面的实体，并研究了曲面的数控加工理论。这些研究理论对农业机械零件的数字化设计和制造提供良好的理论依据。

　　3 存在的主要问题

　　3． 1 机具没能形成标准化，产品适应性差

　　我国耕地面积大、分布广，各地区土壤和气候条件不同，我国研制的翻转犁大多不适应全国各地使用，且没形成标准化。有些易损坏的部件很难在市面上直接购买到，通常每个厂家设计不同，修理维护也不方便。

　　3． 2 设计方法繁琐，精度低

　　我国翻转犁大多是引进外国机型，进行改进仿制，在设计时多采用传统的图解法和解析法进行分析，方法繁琐、精度低，没能真正地建立起实用的数学模型和采用先进的设计方法来研究完善翻转犁的设计; 也没有全面地结合实际出现的问题和翻转犁存在的不足，从设计上进行不断创新。

　　3． 3 技术含量低，使用可靠性不高

　　我国在翻转犁研制上技术含量低，结构不够紧凑。由于我国各地区环境各异，使用的环境和条件较差，因此使用可靠性尤为重要。这样常常导致使用时故障多，性能得不到发挥; 稳定性差，给用户带来很大的麻烦。

　　4 发展对策及建议

　　4． 1 进一步提高机具适应性

　　为更好地适应使用条件和扩大与拖拉机的配套范围，可发展调幅犁，提高犁的适应性。同样，为适应不同的耕作对象要求，可以向多品种、系列化方向发展。

　　4． 2 加大科研投入力度

　　我国的翻转犁大多数为仿制国外机型，设计机理不清楚，应根据不同的土壤条件和耕作要求研制适合我国各地区适用的机型。同时不断在实践中寻找新的设计方案，研制开发具有自主知识产权的国产大型铧式犁，打破长期被外国公司垄断的局面。

　　4． 3 提高制造质量

　　机具制造质量的好坏影响着使用寿命、可靠性及工作质量，所以应加大对优质材料的选用、采用先进制造工艺来提高翻转犁使用性能。

　　4． 4 与其他机具进行联合作业

　　国内外现在都提倡“可持续农业”，耕整地机具也向大型高速和适应农业保护性耕作发展，所以复式作业和联合作业是发展方向，机组下田一次即可完成多项作业，提高了生产效率，减少了拖拉机对土壤的反复碾压。

　　5 结论

　　目前，对悬挂式翻转犁的研究相对比较深入，各地区根据不同耕作环境，有针对性的进行研究设计。与此同时，也应该及时了解国外先进机具生产技术和经验，并结合我国实际情况，设计研究出操作方便、功能齐全，效率高、阻力小，适合我国耕地的实用型翻转犁，以加快我国农业机械向着科技化、信息化、系列化方向发展，更好的适应市场需求。

　　参考文献:

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