我国北方地区深松技术和机具研究综述

　　引言

　　土壤作为作物根系生长发育的基质，为作物生长提供所需的营养物质、水分和空气。北方地区是我国的粮食主产区之一，该地区农业水资源紧缺，且随着农艺的发展及大型动力机械和耕种机具的应用，对土壤造成压实和破坏［1］。因此，需采用适当的耕作措施，创造出作物生长所需的土壤环境。

　　深松作业可打破坚硬犁底层，减轻土壤侵蚀，并减少径流和水分蒸发，增强雨水的入渗能力，提高土壤蓄水抗旱能力。因此，在减少土壤翻耕和进地次数的同时，对土壤进行深松作业，打破犁底层并疏松土壤，可创造虚实并存的耕层结构。同时，要求松后的土壤有较好的通风透气性、地表平整，以利于后续作业［2］。当前，我国许多专家对深松技术及相关机具进行了大量研究，深入分析了深松技术的理论、方法，以及深松作业对土壤物理特性、作物生长状况和作物产量［3 － 6］等的影响; 同时，根据不同的农艺要求和土壤特性研制了多种深松机具、深松部件，对影响深松铲工作性能( 耐磨、减阻等) 的因素进行了研究。

　　本文对我国北方地区的深松技术和机具的研究情况进行研究，并分析了影响深松技术和深松铲作业性能的因素，为深松技术的进一步发展提出相关建议。
　　
　　1 机械化深松技术

　　深松技术可打破长期翻耕形成的犁底层，疏松机械作业造成的土壤压实，使耕层以下的土壤得到松动，提高土壤的孔隙度和土壤的透水、透气性能; 并保持地表的植被覆盖，减少土壤的风蚀与水土流失，有利于生态环境的保护［7 － 8］。

　　1． 1 深松方式

　　机械化深松按作业性质可分为全方位深松和局部深松两种作业方式。

　　1． 1． 1 全方位深松全方位深松是利用深松铲进行全面松土并打破犁底层的作业，从土壤中切出梯形截面土垡并铺放回田中，创造出适于作物生长的“上虚下实、左右松紧相间及紧层下部有鼠道”的土壤构造( 见图 1) ，有利于通水透气、积蓄雨水，改善耕层土壤特性; 但全方位深松对 土 壤 的 扰 动 量 较 大，存 在 较 大 的 水 分 蒸 发量［9 － 10］。全方位深松机的深松铲( 见图2) 主要是由左右对称的连接板、侧刀及 1 个底刀组成的梯形框架，使土壤受剪切、弯曲、拉伸等作用而松碎［11］，但不会对深松铲底部及侧边的土壤进行挤压。该深松机的深松区域较大、碎土性能好，并保持表层秸秆、残差的覆盖，可减少跑墒和土壤的风蚀、水蚀［12 － 13］。谷谒白等［14］研制了 1SQ—250 型全方位深松机，该机的作业深度稳定、松土阻力小，深松后土壤松碎，土壤体积密度适于农艺要求，且在松土层底部形成纵贯作业行的鼠道，提高土壤渗透及保墒能力。郑志安［10］对全方位深松部件的松土原理以及深松后的土壤理化性质的变化进行了研究分析，提出了全方位深松机与配套耕作机具配合作业的技术措施。陈明等［15］通过对不同结构参数的全方位深松部件的进行试验测定，并提出全方位深松部件的合理结构参数，分析各结构参数对碎土效果的影响。李建军［11］提出了一种新型全方位可调式深松机，利用深松铲可调式侧翼调整深松幅度，实现全方位深松和局部深松两种方式的变换，对半干旱地区的保护性耕作蓄水保墒作业及东北地区土壤耕层结构的改变有重要影响。

　　近年来，专家通过引进意大利技术设计了新型全方位深松机—2306 全方位联合深松机和 ILS 一 340/550 型全方位深松机等，采用凿形带侧翼的松土铲; 侧翼铲和铲尖可方便更换，且铲柄的间距可调，一次完成多道作业工序，有较好的碎土效果。

　　1． 1． 2 局部深松局部深松( 行间深松) 是利用立柱式深松铲进行松土作业，松土区域与不松土的区域是相互间隔的，使耕层土壤虚实并存( 见图 3) ，打破犁底层，增加蓄水量。深松范围的宽度和深度可根据实际需要进行调节，且需要的动力比全方位深松的小［16］。该深松机具的通过性能好，对土壤的扰动量相对较小，但作业后的地表不平整; 在松后的土层中留下竖直的松土沟，影响后续的作业和作物的生长，并加剧土壤水分的蒸发［17］; 同时，由于各深松单体之间的间距较小，在秸秆覆盖量较大时会产生堵塞现象。

　　局部深松机是由悬挂机架、竖直安装在悬挂架上的铲柄及安装在铲柄下端的铲尖组成，相邻两深松铲的间距可调。作业时，铲柄底部的铲尖依靠深松机自身的重力压入土壤，依靠铲柄和凿尖撬动土壤，使未深松土壤不断产生自下而上的剪切裂纹，进而使土壤发生破碎。同时，可以在深松铲的两侧安装侧翼，带翼凿型深松铲可增加松碎土壤面积，但会对两侧土壤产生挤压。利用铲尖对土壤作用产生的扇形松土区可保证松土的宽度，对土壤耕层的搅动较少，且不将底层土壤翻至表层，耕后沟底形成暗沟，土壤疏松适度。为配合辽西垄区保护性耕作，王瑞丽［18］设计了 ISH － 2 型行间深松机采用双重深松和仿形机构，有利于保护作物根系。四平农机所设计的 1ST － 4( 3) 垄间深松机，适于垄作地区使用，它有变翼深松铲，可根据垄距进行调节，避免了压垄和不对行。通过模拟地鼠在土壤中行走的方式，王振卿［19］设计了 1SY －180 型间隔式深松机，深松部件采用新式凿形铲尖，铲尖前侧端的大入土角有利于增加入土性能，且铲尖的入土角由大变小，可减少工作阻力; 铲柄上的左右侧翼可扩大松土面积，切断作物残茬及杂草。

　　同时，深松部件( 铲柄、铲尖、侧翼) 是深松机的关键部件，其形状和结构参数对土壤深松质量、机具性能及作业效果有很大的影响。王薇［20］、周桂霞［21］、张昭［22］等对深松铲铲尖的结构参数进行优化设计，改善深松部件的作业性能。李洪文等［23］设计了可调翼铲式深松机，分析了翼板位置对松土效果、深松范围、入土性的影响，从而改善了深松效果。

　　1． 2 振动深松机

　　目前，针对深松机牵引阻力较大的问题，设计了振动深松机，并对振动减阻的机理进行分析。

　　振动深松机利用深松铲和振动体将土层振松，不翻转土层、不破坏土层结构，有利于创造疏松的耕作层。振动深松可减少牵引阻力，改善拖拉机的牵引性能，但是振动深松所消耗的总功率要比普通深松机要高［24 － 25］。

　　振动深松机根据振动动力源的不同可分为强迫振动式和自激振动式两种。

　　1) 强迫振动式深松机是利用拖拉机的动力输出轴作为动力源驱动振动部件，使其按一定频率和振幅振动，减小牵引力，但驱动部件增加了拖拉机的功耗消耗［26］。

　　2) 自激振动深松机主要是利用弹性元件使深松机产生自激振动，使整机只产生上下振动，对土壤的冲击和压实较小，可以减小拖拉机动力驱动造成的能耗［27 － 28］。

　　邱立春等［27］对自激振动深松机进行研制，并分析了自激振动减阻性能，得出深松机安装弹性元件后深松减阻节能效果显着、碎土效果好、改善了作业质量等结论。王俊发等［29］设计了强迫式振动深松机，分析了牵引阻力与前进速度、振动频率等之间的关系，得出强迫振动深松可降低牵引阻力，且低频大幅对振动深松有利。王雪艳［30］对两种振动方式的关键部件进行理论分析和设计，并进行了田间对比试验，得出强迫振动增加了拖拉机的功率消耗且自激振动的性能稳定的结论。付俊峰、徐宗保等［31 － 32］通过试验得知: 振动深松比不振动深松作业降低牵引阻力、减少轮胎滑移，进而提高工作效率、节省燃油消耗，且作业速度越快振动深松的效率越明显。李霞等［33］通过建立土体 － 深松铲动力学模型，对振动降低土壤切削阻力的机理进行分析，并通过仿真分析和试验得出振动深松可减少牵引阻力，改善土壤物理特性。

　　2 减阻耐磨特性的研究

　　2． 1 减阻性能研究

　　由于深松作业的动力消耗与工作阻力较大，影响机具的耕作性能，我国学者根据动力学理论对深松铲的作业状况建立受力模型，并进行有限元分析。

　　徐峰［34］对凿型深松铲进行力学分析，并建立深松铲工作阻力数学模型，确定深松铲的结构参数、土壤特性等因素与深松铲工作阻力之间的关系。焦仁宝［35］、王宏立［36］等对凿形深松犁铲建立了凿形犁铲的三维模型，并进行有限元分析，得到凿形深松犁铲的应力。余泳昌［37］、周玉乾［38］等通过优化深松铲结构参数并建立受力数学模型并进行田间试验，分析了改变参数对受力状况的影响。张璐等［39］通过对深松铲与土壤相互作用的受力分析，建立了深松铲工作阻力模型，并对深松铲进行了动态有限元模拟，预测深松铲的工作阻力。张强等［40］用有限元法模拟深松铲在土壤中耕作过程，分析了耕深与前进速度对深松耕作阻力的影响及深松铲的减阻效果。汲文峰等［41］应用仿生技术，通过离散元软件仿真分析了不同作业速度对耕作阻力的影响。陆怀民［42］应用粘弹塑性帽盖模型，对切土部件与粘性土壤的作用过程进行了有限元分析以及室内试验，得出了切削阻力与切削速度成正比关系。

　　有些专家通过对动物的仿生分析设计新型的深松铲，优化耕作部件的结构和作业效果。刘建军［43］根据仿生学原理设计了深耕挖掘犁刀，并对三维模型进行有限元仿真分析，分析深耕犁刀的应变量、变形量以及弹性应变强度。郭志军［44］根据田鼠爪趾弯曲轮廓形状，设计了仿生弯曲型深松部件，并用有限元法分析仿生触土面在工作过程中的阻力变化。陈东辉［45］通过研究家鼠爪趾生物钩形态设计了仿生深松铲和挤压成孔的工作部件，降低工作阻力明显。

　　2． 2 耐磨特性研究

　　深松铲尖在犁底层深松作业时，受土壤的磨损，会使铲尖的结构发生变化，影响农业生产效率，造成材料损耗和能源浪费。目前，我国学者是通过对材料的表面进行处理和改变深松铲的结构来提高耕作铲的耐磨性能。

　　丛锦玲等［46］通过不同材料、不同熔敷方法，对耕作部件磨损严重的部位，熔敷耐磨性能好的合金材料层，提高耕作部件的耐磨性能。郝建军等［47］用氩弧熔覆自熔性合金熔覆层在刀具上相比常规淬火回火处理的 65Mn 钢的耐磨性能有所提高。高红霞等［48］应用模铸渗工艺在耕作部件表面制备了 WC 颗粒增强钢基复合材料耐磨层。张新洋［49］以等离子弧的性质为基础，对蠕墨铸铁材质的深松铲尖进行 Fe90 铁基自熔性合金粉末堆焊处理，并分别对母材和堆焊层进行耐磨性分析。

　　荣宝军［50］利用仿生理论设计棱纹结构表面、仿生凸包结构表面、仿生台阶结构表面和仿生鳞片结构表面，并对几种仿生结构表面及平板表面进行模拟土壤磨料磨损研究。付乾坤［51］设计空间曲面式深松部件，其工作曲面圆滑过渡，在作业时不会产生局部磨损，且刃线与刀柄光滑连接，减小了锻压过程产生的应力。

　　3 结语

　　通过分析可以看出，虽然在我国北方地区已经对深松技术和深松机具进行了较为深入的研究，但仍存在一些问题:

　　1) 我国针对深松机的研究，主要集中于深松铲类型和结构改进等方面，而从深松方式对减阻效果的影响的研究较少。因此，需改进深松方式并优化深松铲的结构，进而减小工作阻力和动力消耗。

　　2) 作业时，由于深松部件与土壤直接接触，深松铲的磨损严重。虽然对仿生结构和不同耐磨材料进行一定研究，但对耐磨性能的实际效果不明显，需进一步研究。

　　3) 在根茬存在和地表秸秆覆盖较多的情况下，会造成深松铲的缠绕和堵塞现象，影响深松作业的效果，增加工作阻力。因此，需对深松前的地表状况和深松防堵性能进行研究，改善深松的作业效果。

　　参考文献:

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