深松铲的发展与研究现状

深松铲的发展与研究现状

作者：卢祺王安李建昌郝建军

来源：《农机使用与维修》2017年第08期

摘要：作为一项重要的保护性耕作技术，农机深松整地对于改善耕地质量、提高作物产量意义重大。深松铲作为深松机具的关键部件，其结构形状对土壤耕作阻力影响很大。因此，了解和掌握不同类型深松关键部件的主要类型和特点，探讨存在的主要问题，对我国深松技术的研究和推广具有重要意义。

关键词：保护性耕作；深松；深松铲

中图分类号：S222 文献标识码：A

doi：10.14031/ki.njwx.2017.08.004

0 引言

我国许多地区连年使用旋耕机进行浅翻、旋耕作业，致使在耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层[1]，又称“亚表土层”。对于耕作土壤来说，具有适益的犁底层对保持水分养分是很有益的。但当犁底层过厚（20cm）[2，3]、坚实，会对物质的传递和能量的转移造成影响，作物根系下伸，通气透水不畅。解决方式之一即深松作业。深松作业时，深松铲使土壤撕裂、挤压和扰动，从而打破犁底层，改善土壤的结构，增强土壤蓄水保墒和抗旱防涝能力。目前，按深松的工作原理和结构，可分为全方位深松机具、立柱式深松机具、侧弯式深松机具、振动深松机具和联合整地机具。深松技术可以大幅增加作物产量。但是，深松过程中的耕作阻力过大问题一直未能得到很好解决。深松铲作为深松机具的关键部件，对其研究具有重要意义。

1 全方位深松铲

具有特殊的框架结构，使其对土壤的有限侧压作用被降到最低，松土性能好，土壤上虚下实、两侧松紧结合，加深耕层且不翻转土壤，还会在底部形成鼠道，起到改善土壤，蓄水保墒的作用[4-6]。如图1，其深松部件呈梯形框架式，两把向外倾的侧刀通过左右连接板与横梁连接，底刀向下倾斜，并向前伸出一段距离[7，8]。该部件充分利用左右两侧的刀和水平刀面的切割作用，从土层中切离出V型截面的垡条，垡条在深松部件的作用下抬升后移，并最终从梯形框架中流出，而后下落铺放在田间，在底部形成一条沟槽[5]。其鼠道的形成原理如图2，因底刀以一定角度前倾，其切出的土壤断面有凹沟，所切出来的垡条与截面形状相似，垡条的下部凸起，由于重力和左右侧刀挤压作用，被挤压成平底状。当垡条落下时，便在土壤中形成鼠道[9]。全方位深松机的深松范围大，并能保持地表原始植被和覆盖物情况，可以降低风蚀、水蚀和跑墒[10]。但其工作所需动力大，而且在秸秆覆盖地易产生堵塞现象。全方位深松

机与立柱式深松机对比说明：（1）立柱式深松机具有良好的入土性能，但松土后地表普遍留有松土沟，容易造成土壤水分的丢失，会影响后续的播种质量。（2）全方位深松机具对土壤的压实作用较小。（3）立柱式深松机具能形成虚实结合的土壤结构，能很好地调节全虚、全实耕层无法协调微生物质和能量消耗与积累的矛盾[11-13]。全方位深松机部件的底刀的结构和尺寸，直接影响鼠道的截面形状和尺寸，故当底刀磨损后，严重影响鼠道的形成，因此应对底刀进行强化处理。

2 立柱式深松铲

局部深松技术，即采用立柱式深松机对土壤进行间隔松土作业，松土区域与不松土区域间隔，土壤虚实共存，从而改善土壤的结构性能[4]。立柱式深松铲主要由铲尖和铲柄构成：如图3，铲尖有凿型、箭型和双翼型3种类型[14]。凿型铲尖和铲柄宽度近似，箭型和双翼型铲尖宽度比铲柄宽度大，能有效地增加土壤扰动范围，减少阻力、增加耕深和提高深松质量[15，26]；如图4，铲柄有弯曲、倾斜和垂直三种类型。由于垂直型铲柄耕作阻力偏大，故铲柄普遍采用倾斜和弯曲两种类型。立柱式深松铲可分为普通深松铲、翼铲式深松铲和仿生铲三种类型。

普通型深松铲。如图3（a），普通凿式深松机的工作幅宽比较小，适用于间隔深松，在稍深的土壤中，铲柄和铲尖会挤压两侧的土壤，这样会把土壤压实，不利于土壤的疏松，同时作业后会在土层中留下向日的缝隙，造成水分蒸发，不利于土壤保墒[13，26]。

翼铲式深松铲。如图4（a）、（b），翼铲安装在铲柄两侧，扩大了松土范围。深松作业过程中翼铲向上抬起土壤，使双翼铲上方土壤表层全面疏松，在双翼铲下方形成暗沟[17] ，提高蓄水保墒能力。其悬挂位置和翼板形状对松土深度和松土范围有显著的影响，李洪文[16]通过改变翼板的安装位置，发现若翼铲的安装位置距地表以下10 cm左右，会大大改善土壤硬度均匀性。韩树明[18]，通过实验发现耕作阻力与耕深和前进速度有很大的关系。当耕深在230～280 mm之间前进速度在4～5 km/h时，牵引阻力变化不大。但当耕深在330 mm时候，耕作阻力急剧增加。故耕深应控制在一定范围内，并且在动力满足的情况下应带翼铲深松作业。

仿生铲。在长时间的进化过程中，很多与土壤接触的动物，它们的爪趾、形成了适合挖掘的特殊结构。近几年来，很多研究学者应用仿生学原理，利用生物的结构和功能原理来研究深松铲的结构。其仿生研究大致分两步[19]：第一步是对有关生物系统的结构、功能、过程或行为特征及其机理进行研究，获取面向仿生应用的生物信息；第二步是基于生物结构、功能、过程或行为机理解决科学技术问题，发展具有类似于生物系统功能的技术或装置。目前，多功能的综合仿生是触土部件的研究发展趋势[19]。如：仿生非光滑表面与仿生电渗相结合的仿生非光滑电渗、表面形态仿生（或构形仿生）与材料仿生相结合的仿生表面以及仿生减阻与仿生耐磨相结合的仿生技术。

3 振动深松铲

在土壤作业的过程中，使深松机具产生一定的频率振动疏松土壤达到减阻目的。其具体的工作原理是，由于弹性元件因土壤阻力变化或通过拖拉机输出轴驱动激振系统，使深松铲产生的振动传递给土壤，土壤经过反复多次的振动载荷之后，本身的破坏强度下降，进而降低耕作阻力。深松铲在不振动时，切开、破碎和提升土壤的工序总是同时进行。土壤切割过程中的阻力是多个力的合力；但当深松铲振动时，原本同时进行的切开、破碎和提升过程，被分为两部分：先切开破碎土壤，然后向上提升。在铲柄切开坚硬的土壤后，由于振动的原因，产生一个垂直向上的加速度，使土壤从深松铲上浮起，这个力几乎与运动方向垂直，所产生的牵引阻力极小[20]。王俊发[21]，通过实验，发现振动深松机具与不振动深松机具相比，牵引阻力可降低30%，但振动深松机具不是总能减少功率，只有在合适的频率和振幅下才能降低功耗。李霞[22]，通过实验，发现振动耕作土壤的平均体积比不振动耕作土壤的平均体积质量质量减小，前者有利于作物根系的生长。深松铲产生振动的方式分为自激振动和强迫振动两种方式。

自激振动。土壤地表不平引起的耕深变化、土壤力学性质不均匀、土壤杂物等原因引起土壤阻力的变化，会使深松机架产生振动[23]。如图5（a），为了实现耕具随着土壤阻力的变化而产生自激振动，通常在机架和铲柄之间安装弹性元件。目前常用的弹性元件有压缩弹簧、钢板弹簧、液压3种[26]。深松作业时，深松机架受土壤阻力的作用使弹性元件弹性振动深松铲产生震动。这种震动对土壤的压实作用少，耗能也很低。

受迫振动。如图4（b），其原理是拖拉机输出轴将动力传送给震动激发机构，从而使铲柄按照既定频率和振幅震动。振动机构一般由偏心轴、偏心轴承、十字连接器、连接板和支撑传动轴等部件等组成[24，25]。这种方式虽能减少工作阻力，但驱动激振系统要耗能，并对己破碎的土壤有周期性的冲击压实作用，故总能量消耗减少不大 [26]。

4 侧弯式深松铲

如图6，侧弯式深松铲结合了全方位深松机和立柱式深松机的特点。侧弯式深松铲的结构由垂直部分和倾斜部分构成，铲尖安装在倾斜部分的下端。如图7，在间距相同的情况下，侧弯式深松铲的碎土区域大（阴影部分），因为侧弯铲柄的倾斜部分，扩大了对土壤施加无侧限挤压作用范围，在切割土壤的同时向上抬升土垡。故在相同铲尖距下，相比于凿式铲有更大的松土幅宽，其特别的铲尖还能在底部形成鼠道，增加雨水的入渗。但为了抵消机具左右侧向力的作用，故应在同一机具上采用左右向弯腿犁的配置[27，28]。斜柱式深松铲具有如下优点：（1）能有效保护地表植被和土壤中原有的有机结构[29]。（2）其抛物线曲面可以保证与土壤之间的良好切土角度，减少耕作阻力，研究学者表明弯曲式耕作部件比凿式耕作部件所需的牵引力低7%～20%[30]。（3）若其结构不能圆滑过渡（图7），易出现局部应力集中和过度磨损。（4）深松铲柱一般有40°～50°的倾角或抛物线曲面形状，所以入土位置可以躲开播种行，深入到作物根系底部，可以用于中耕作业[31]。（5）作业后在土壤中形成一个弧形斜向下的沟缝，可以减少不必要的水分蒸发。

5 结束语