旋耕机

旋耕机（Rotary tiller）又被称为“旋耕犁”，^[2]是一种由动力驱动的，以旋转刀片为工作部件进行土壤加工的耕地机械。^[7]旋耕机可以与拖拉机配套完成耕、耙等作业工序，能切碎埋在地表以下的根茬，具有打破犁底层、恢复土壤耕层结构、提高土壤蓄水保墙能力等作用。^[8]

19世纪中叶，美国地区出现由3~4ｋＷ内燃机驱动的主要作为小型庭园耕作机械使用的旋耕机械。^[3]20世纪初，日本从欧洲引进旱田旋耕机后，研制出满足水田耕作要求的弯刀，成为推动旋耕机在日本的迅速发展的关键因素。^[5]20世纪40年代以后，美国旋耕机械逐渐朝向智能化、通用化方向发展。^[3]20世纪50年代中期，中国开始引进、试验并研制出手扶拖拉机和与其配套的旋耕机。50年代后期曾研制与中型轮式拖拉机配套的立式旋耕机。60年代初，手扶拖拉机初步形成批量生产，旋耕机也得到相应发展。经多年的发展，耕机已成为中国耕整地主要机具之一。^[5]

旋耕机按刀轴的位置可分为横轴式、立式和斜置式三种，其中横轴式旋耕机的使用较为普遍。^[5]虽然旋耕机的类型不同，但其结构一般由传动部分、机架、刀片、刀轴、平土托板、挡泥罩及限深装置等部分组成。^[6]

在漫长的历史中，人类依靠自己的肌肉和动物作为农业生产的主要动力。从原始时代的刀耕，耕地设备的发展经历了锄地、牛耕、机耕等技术革命时期。^[9][10]为了能够更好的提高农田耕作效率，19世纪中叶，美国地区出现由3~4KW内燃机驱动的主要作为小型庭园耕作机械使用的旋耕机械。^[3]

1912年，澳大利亚的阿瑟·克利福德·霍华德（Arthur Clifford Howard）发明了一种带动力的旋转的锄头，并在1920年申请了专利，该设计使用了5个旋转锄耕耘机叶片和一台内燃机。^[11]

1969年，Hendrick对旋耕机技术领域各个专家的研究进展进行了梳理与总结，为旋耕机节能技术的研究提供了重要理论参考。^[12]

20世纪30年代美国开始施行以秸秆、残茬覆盖和免耕播种为核心的保护性耕作。此后为适应保护性耕作的耕作模式，美国的旋耕机械采用旋耕和松土联合耕作的方式替代单一的桦犁耕翻，旋耕机械趋于复式作业。^[3]

20世纪初，日本从欧洲引进旱田旋耕机后，研制出满足水田耕作要求的弯刀，解决了刀齿和刀轴缠草的问题，成为推动旋耕机迅速发展的关键因素。^[3]

20世纪40年代以后，美国旋耕机械逐渐朝向智能化、通用化方向发展，GPS、GIS、RS技术也开始被用于旋耕机械。^[3]

20世纪50年代中期，中国开始引进、试验并研制出手扶拖拉机和与其配套的旋耕机。^[5]

20世纪50年代末，中国初期对旋耕机的研究，主要研制其与手扶拖拉机配套的旋耕机，后来研制出与中型轮式拖拉机配套的旋耕机。^[5]

20世纪70年代初，中国完成了与当时国产的各类拖拉机配套的系列旋耕机的设计，并使之得到了推广应用。^[5]

20世纪80年代，与手扶拖拉机配套的旋耕机由专用型发展到兼用型，由与手扶拖拉机配套发展到与轮式及履带式拖拉机配套。^[5]

20世纪90年代以来，中国又研制一批包括旋耕在内复式或联合作业机具。^[3]

旋耕机通常由拖拉机驱动，其工作时旋耕机的刀片一方面由拖拉机动力轴驱动作回转运动，一方面随机组前进作等速直线运动。刀片在切土过程中首先将土垡切下，随即向后方抛出，土垡撞击罩壳与拖板而细碎，然后再落回到地表上。由于机组不断前进，刀片就连续不断地对未耕地进行松碎。^[13]

旋耕机的结构一般由传动部分、机架、刀片、刀轴以及辅助部件组成。^[6]

旋耕机的传动部分主要由万向节传动轴、中间齿轮箱和侧传动箱组成。其动力由拖拉机输出轴经万向节传动轴传给中间齿轮箱，然后经侧传动箱传往刀轴，驱动刀轴旋转。在其中，较为重要的便是万向节轴，万向节轴是将拖拉机动力传给旋耕机的传动件。它能很好的适应旋耕机的升降及左右摆动的变化。^[14]

机架是旋耕机的骨架，由左、右主梁，中间齿轮箱，侧边传动箱和侧板等组成，主梁的中部前方装有悬挂架.下方安装刀轴，后部安装机罩和拖板。^[14]

旋耕刀片是旋耕机的主要工作部件。刀片的形式有多种，常用的有凿形刀、弯刀、直角刀多种形式。^[14]其主要是用螺栓固定在刀座上，刀座按线排列，煤接在刀轴上，随它一起旋转，起切土、碎土和翻土的作用。旋耕机系列形成后，刀片已定为通用零件，各种机型都采用尺寸统一的刀片和统一的安装固定方式。^[15]

旋耕机的刀轴主要用无缝钢管制成，其两端焊有轴头，用来和左、右支臂相连接。刀轴上焊有刀座或刀盘，刀座按螺旋线排列焊在刀轴上以供安装刀片，刀盘上沿外周有间距相等的孔位。根据农业技术要求安装刀片。并要求刃口锋利，形状正确，刀片通过刀柄插在刀座中，再用螺钉等固紧，从而形成一个完整刀辊gǔn。^[14]

旋耕机辅助部件由悬挂架、挡泥罩、拖板和支撑杆等组成。悬挂架与悬挂犁上悬挂架相似，挡泥罩制成弧形，固定在刀轴和刀片旋转部件的上方，挡住刀片抛起的土块，起防护和进一步破碎土块的作用。拖板前端较接在挡泥罩上，后端用链条挂在悬挂架上，拖板的高度可以用链条调节。^[14]

横轴式（卧式）旋耕机其结构特点是，刀轴呈水平状态布置，与机组前进方向垂直。^[16]横轴式旋耕机的轴为横置，其转速一般为190～280 r/min。^[17]按动力传递方式的不同，该机又可分为侧传动式和中央传动式两种类型。前者动力由侧边传到旋耕刀轴，其结构较复杂，刀轴受力也不够合理，但维修方便多用于中小型偏悬挂的旋耕机上。后者，动力传到旋耕刀轴中间，其结构较简单，刀轴受力较合理，但维修不够方便，耕幅中间的土壤上常留有一条硬，多用于大型宽幅旋耕机上。^[16]横轴式旋耕机的碎土能力较强，一次作业即能使土壤细碎，土肥掺和均匀，地面平整，达到早地播种、移栽或水田栽插的要求，有利于争取农时，提高工效，并能充分利用拖拉机的功率。^[14]

立式旋耕机的特点是，刀轴处于竖直向下状态，以齿轮方式实现动力传动，并且其处于相邻位置的两个旋刀的旋转方向不一致，这有助于前进阻力的降低，能够使得机具的运行趋于平稳。此外因为耕深较深，不存在横式旋耕机由于耕深不足而导致农作物根系无法充分发育的情况，因此对旋刀的强度和韧性要求较高。在立式旋耕机运行的过程中，两个处于相邻位置的旋刀不但能够在作业区域内完成土壤切削工作，而且还能完成一部分处于相邻旋刀作业区的土壤切削工作，有效避免了漏耕问题的出现，但是会导致土壤的破碎程度出现一定差异。因为相邻旋刀土壤切削区域存在重叠，需要保证相邻旋刀之间相差一个相位角才能避免二者在作业过程中互相干涉。^[17]

斜置式旋耕机的特点是其主要旋耕部件与水平面既非水平也非垂直，而是呈一定的斜置角度。在实际的耕整地过程当中，拖拉机和旋耕机的整体前进方向，和旋耕刀的回转平面，自然也保持着一定角度，在刀片切土的时候，会出现沿轴向的相对运动。如果是单列的旋耕刀片，那么其在刀轴上的排列方式，则与刀刃的宽度、刀辊的回转速度，以及机组的前进速度存在关系，同一螺旋线上相邻两个旋耕刀之间存在一定的相位差。这种旋耕机的主要特点是不重耕，受土壤的限制较小，可以降低耕地所遇到的阻力，减少作业能耗。^[18]

旋耕机的主要技术特征之一是其具有非常强的碎土能力，一般旋耕机在拖拉机的动力输出下，旋耕刀能够实时完成土层切割，如果一次碎土效果不佳，可以重复进行，最终得到非常疏松的耕层。而且碎土之后的耕层土壤分布均匀，非常平整，不会出现起伏的沟壑。^[18]

旋耕机作为农业机械设备，其动力来源稳定、可靠，只要设备状态正常，使用方法得当，便可以持续、高效地进行作业。再加上旋耕机的入土行程短，因此其效率得到进一步提升。^[18]从实际的耕整地作业情况来看，在旋耕机刚开始启动的时候，拖拉机如果动力较弱，可能发生打滑;但当旋耕机进入作业状态之后，耕刀快速的旋转，其对土层的切割方向与拖拉机的前进方向相背，所以土块会对刀片产生反作用力，而这个反作用力又和拖拉机的前进方向是相同的，对拖拉机产生一种推力，这样就可以实现对拖拉机动力的充分利用。^[18]

耕整地的作业内容较多，传统的人工耕整地方式只能按项完成作业内容。而旋耕机则具有作业功能一体化的技术特征。即通过旋耕机的应用，可以一次性完成多项作业环节，这既节约了作业时间，提高了作业效率，同时还减少了能耗。^[18]

绿色农业一直是中国农业的重要发展方向，随着中国农业生产效率的提升，很多研究人员投向了对旋耕机节能技术的研究。经研究发现，旋耕机的节能性与旋刀存在较大联系，优化旋刀设计，调整刀片的排列方式能够提升旋耕机的节能性能。^[19][20][17]

应用农业生产的旋耕机的机械更换频率较高，机械在作业过程中损坏较为频繁，为降低设备成本，旋耕机正在向灭茬、深松、碎土、起垄等一系列耕种操作的一体化方向发展。山东奥龙研发出的一款免耕施肥播种机目前已经同时具备了耕地、播种、覆盖、填压等功能，该机械的研发成功使得一机多用、联合作业的实现成为可能。^[17]

目前，在中国农业生产过程中应用范围最为广泛的横式旋耕机存在耕深较浅、工作效率较低、运行功率较大等问题，大规模应用横式旋耕机在一定程度上造成了土壤耕深变浅，土壤所具备的保墒shāng能力有所下降，根系无法充分生长，不但会引发水土流失等生态问题，而且还会使得农作物的产量减少。因此，增加横式旋耕机的耕深、提高工作效率，提升运行功率已经成为旋耕机的一个发展方向，宽幅、高速、深耕的旋耕机能够完成高精细度的农业耕种，必将成为旋耕机的发展趋势。^[17]

中国并非所有的耕地都位于方便机械耕种的平原地区，在中国山地、丘陵地区还存在大量耕地。无法在山地、丘陵地区进行机械耕种已经成为阻碍中国农业进一步发展的一大阻力。由于山地、丘陵地区的耕地单块面积小、分布不集中，且相较于平原地区的耕地耕作环境更为复杂，导致旋耕机尚且无法发挥作用。目前中国一些研究所正在针对能够适应山地环境的灵活性旋耕机进行研发，1GZ-120旋耕机能够适应耕地面积较小的山地、丘陵区域，但该旋耕机尚未进行大规模生产与应用，相关人员还在针对该设备的生产与应用进行进一步完善。使用范围广已然成为旋耕机众多发展趋势中的一个。^[17]

随着世界科学技术水平的不断提升，已经有很多行业借助互联网技术、计算机技术等现代化技术实现了智能化与自动化生产。智能化与自动化生产作为农业发展方向的实现需要旋耕机等农业生产设备的推动。目前一些学者已经开始尝试在现代化技术的加持下，将电子设备与传感器安装在旋耕机上，以实现智能化与自动化生产。将PLC控制系统用于农业生产能够有效检测到旋耕机的耕深，一旦旋耕机作业过程中的实际耕深没有达到预设值，上位机会立刻发出相关信号，并实现作业速度与耕种深度的自动化调节。^[21][17]

《旋耕机械 刀和刀座》（GB/T 5669-2017）本标准规定了旋耕机械使用的刀和刀座的术语和定义、型式和尺寸、技术要求、试验方法、检验规则、使用说明书、标识、包装、运输和贮存。^[22]

《旋耕机》（GB/T 5668-2017）本标准规定了旋耕机的型式、基本参数、技术要求、安全要求、试验方法、检验规则、使用说明书、标志、包装、运输和贮存。^[23]

标准名称标准号发布日期实行日期发布单位或类别标准内容农业机械。安全要求。第 10 部分。鼓式搅拌机和耙子（Машины сельскохозяйственные. Требования безопасности. Часть 10. Барабанные сеноворошилки и грабли）ГОСТ ISO 4254-10-20132013-11-052015-01-01俄罗斯-俄罗斯国家标准（RU-GOST）此标准规定了设计和制造的安全要求安装，半安装，落后和自行鼓摊草，旋转耙和旋转耙，搅拌器，包括具有一个或多个转子的旋转耙机械驱动和控制一个人（操作员），以及这些需求的控制。如通过在安全工作的制造商的信息，包括残留的风险提供的标准被示出土壤耕作设备 — 旋耕机刀片 — 固定尺寸（Equipment for working the soil — Rotary cultivator blades — Fixing dimensions）ISO 8945:19891989-08-31-国际组织-国际标准化组织（IX-ISO）指定四种叶片类型的尺寸。适用于带有两个固定孔的刀片。孔的布置和尺寸应如图1所示，根据叶片类型，尺寸和公差旋耕机刀片和用于手扶式动力中耕机的耕耘机刀片（보행형 동력 경운기용 로터리 경운날 및경운날집）KS B 7142-20182018-06-11-韩国-韩国标准（KR-KS）该标准对步行型动力耕耘机用转子耕耘日及耕耘日集进行规定。但管理作业用及未耕地处理用的特殊日期除外参考资料：^[24][25][26]-

这种故障的产生原因有三种：第一，由于犁刀清理不及时，中间进入太多的泥土，导致犁刀被堵死；第二，刀轴和侧板出现变形问题；第三，轴承损坏或者是齿轮卡死。^[27]

没有对旋耕机进行水平调整、拖板调节不当及刀片安装不合理都会影响耕地的平整度。^[27]

如果在运行期间犁刀与坚硬物体发生碰撞，且受力过大，就容易使刀座出现脱焊断裂的情况。除此之外，能够造成这种故障的原因还有：焊接质量不佳；降落操作过猛，导致刀座受到较大的冲击；犁刀安装不正确，反装导致阻力过大，进而出现刀座脱焊断裂的情况。^[27]

能够造成链条断开的原因相对较多：一是链条本身质量不佳；二是旋耕机降落过猛；三是旋耕机受到巨大阻力影响，而拖拉机猛加油门；四是链条卡住。^[27]

在油箱箱体存在裂纹或者纸垫、油封损坏时就会出现漏油现象。^[27]

在万向节出现较大的轴倾角、旋耕机猛降入土的情况下就容易出现动力输出轴损坏的情况。^[27]