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翻转犁的研究现状与展望

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雷智高李向春何兴村王艳段爱国王忠汤智辉孟祥金郑炫杨怀君

摘要?土地耕作是农业耕整中最基本的作业环节，翻转犁在耕作方面起着至关重要的作用。与传统铧式犁不同，翻转犁改变了以前单一方向作业的方式，在犁架上安装左右翻垡相反的2组犁体，进行双向交替作业，效率明显提高。针对当前国内外翻转犁的研究现状，总结了我国翻转犁的类型以及工作原理，探讨了国内翻转犁研制使用过程中存在的一些问题，并提出了促进我国翻转犁发展的有关建议，以期为翻转犁的进一步研发与应用提供参考依据。

关键词?土地耕作;翻转犁;研究现状;发展;建议

中图分类号?S22?文献标识码?A?文章编号?0517-6611（2021）03-0217-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.058

Abstract?Land?tillage?is?the?most?basic?operation?link?in?agricultural?tillage.?Flipped?plows?play?a?vital?role?in?tillage.?Compared?with?traditional?hoetype?plough，?flipped?plows?have?changed?the?ways?that?they?can?only?work?in?one?direction?before.?Two?sets?of?plow?bodies?with?opposite?lefttoright?hoeturns?are?installed?on?the?plow?frame，?and?the?twoway?alternating?operation?has?significantly?improved?the?efficiency.?According?to?the?current?research?status?of?flipped?plows?at?home?and?abroad，?this?paper?summarized?the?types?and?working?principles?of?flipped?plows?in?China，?discussed?some?existing?problems?in?the?development?and?use?of?flipped?plows?in?China，?and?put?forward?some?suggestions?for?promoting?the?development?of?flipped?plows?in?China，?so?as?to?provide?reference?basis?for?further?development?and?application?of?flipped?plows.

Key?words?Land?cultivation;Flipped?plow;Research?status;Development;Suggestions

土地耕作是整个农业生产过程中最重要的环节之一，翻耕机械的应用与发展符合我国农业现代化建设的要求，根据其耕作部件的工作原理，可大致分为铧式犁、圆盘犁和旋转耕耘机等类型，其中铧式犁的应用最多[1]。大多数铧式犁在耕作过程中只能进行单一方向的作業，效率明显偏低，随着农业机械技术的发展，翻转犁可以很好地解决这一问题。

翻转犁是通过在犁架上安装2组左右对称翻垡相反的犁体，在翻转油缸的带动下犁体会跟随犁架交替翻转，在其往返的耕地作业过程中交替作业，犁耕过后会使得土垡垡片都向同一侧覆盖，地表更加平整，不会出现普通犁耕作过后形成的沟和梗，犁体空行少，提高工作效率[2]。近年来，翻转犁以其独特的工作方式得到了推广应用，对农业机械可持续发展具有十分重要的意义。

1?翻转犁的类型以及工作原理

1.1?翻转犁的类型

翻转犁是在普通犁的基础上增设翻转机构而成的，其类型有很多，按2组犁体的配置分为全翻转式和半翻转式2种，全翻转式2组犁体呈180°相对配置，半翻转式2组犁体的夹角大于90°。按换向动力来源可分为机械式、气动式和液压式;机械式是以犁在提升时悬挂机构的提升力;气动式是将拖拉机的出气口与翻转犁的气缸气嘴相连接，实现犁体的翻转;液压式是利用油缸、活塞以及活塞杆来驱动犁体的翻转，液压式翻转更加平稳[3]。

1.2?翻转犁翻转机构的工作原理

犁体翻转机构由于结构型式不同，其工作原理也不同，以普遍应用的悬挂式液压翻转犁的工作原理来讲，其结构由油缸、悬挂架、犁架以及翻转轴等组成。油缸分别与悬挂架和犁架相连接，悬挂架与犁架通过翻转轴连接。作业时，犁到地头转弯时，驾驶员操纵拖拉机液压开关使得油缸活塞杆缩回，在液压油缸的作用下，犁架以翻转轴为中心旋转至与地面接近垂直状态时，液压阀体变换液压缸油路方向，油缸活塞杆开始逐渐伸长，犁架也会随之继续转动，直至2组对称犁体互换工作位置，此刻犁架与地面平行;当到另一边地头转弯时，翻转过程与上一次过程相反。

2?国内外研究现状

2.1?国外研究现状

国外对于农业机械的研究较早，在20世纪60年代西方一些发达国家就已经开始利用大型的农业机械开展各种农业生产活动，也促使了农业生产活动向现代化、人机和谐、自动化方向发展[4]。随着技术的发展，耕地机械不断进行创新，当涉及到高速、工作幅宽以及联合作业等快速、高效的机组时，这与大功率拖拉机是分不开的，同时也带动着耕地机械的发展趋于成熟。

近年来，一些发达国家不断将高端的技术应用到农业机械设备上，并不断提高农业机械的科学技术含量，使得现在的农机具发展为集机、电、液技术于一体的综合作业农用机械。

国外学者在翻转犁理论的研究方面也取得了大量的研究成果，如犁体悬挂装置的调整、整体机组性能的提升以及自动挂接装置、安全设施等方面的研究[5]。Formato?等[6]对土壤和犁体曲面之间的相互作用进行了深入探讨与研究。国外学者Aguilar等[7]发现一种可以准确建立犁体曲面模型的方法。

自1780年雷肯公司創建以来，凭借其出色的创新技术，成为引领农业耕作技术的快速、高效发展的典范，并在1905年获得了世界上第一个犁具的专利，现在翻转犁的设计中还保留了一些当时的设计理念。同时，雷肯为世界上第一台带有液压装置的拖拉机设计配套的液压翻转犁，在德国本土雷肯翻转犁在市场的占有率在50%以上[8]。

目前，国外在翻转犁领域具有代表性的主要有美国约翰迪尔Z5T-CN6（RP1105）型五铧液压翻转犁、德国雷肯悬挂式翻转犁欧派EurOpal、法国库恩MASTER系列翻转犁、法国格里格尔-贝松HRP7型翻转五铧犁、格兰LD翻转犁等。

约翰迪尔?Z5T-CN6（RP1105）五铧液压翻转犁，如图1所示。通过采用高强度设计的犁铲和具有独特结构设计的犁架，该犁架机构可以与大功率的拖拉机配套作业使用，可以提高耕地作业的效率，圆柱状犁体耕地翻垡覆盖效果显著，耕后地表适合农作物的生长，可以提高农作物的产量。同时，也拥有可以方便、快捷地调整第一犁体位置的机构设计，即可以通过一个螺杆对第一个犁体的位置进行连续调整，这使得该犁体可以与多种型号的拖拉机配套使用[9]。

德国雷肯悬挂式翻转犁欧派EurOpal系列，如图2所示。单架犁最多可配有7铧犁体，配套拖拉机最大动力为220?kW。每一个关键部件都通过先进的热处理技术进行加工，耐磨耐用，寿命长，通过在犁柱上装配安全剪切螺栓来保护犁体，通过独特的结构设计限深轮也可以作为运输轮，翻转犁可以轻松地犁到田埂地边，还可以在垄沟内以及垄沟上作业，并且随时自由转换[10]。

法国格里格尔-贝松HRP7型翻转五铧犁，如图3所示，适用于132～169?kW拖拉机，在犁架方面，犁架上的犁梁为2个梁夹在一块，既增大了整个犁梁的强度，又可以使得整个翻转犁的重心靠后，有利于对系统起保护的作用。在犁柱方面，采用了空心部件的先进铸造技术，减轻了整个犁体的重量;在犁尖方面，采用高强度三孔自磨锐式可拆换犁尖，可以通过向前移动犁尖来应对犁尖的损耗问题，而且损耗过大的情况下可以将其调整方向继续使用，使用时间长，也是在原来犁铲尖的基础上进行了创新[11]。

由于翻转犁工作效率高、空行少等优点，在国外发展非常迅速。翻转犁的使用率在法国已经达到70%，在意大利的生产率也在30%以上，美国翻转犁的产量也占总量的50%以上[12]。

2.2?国内研究现状

2.2.1?翻转犁整体结构设计的研究现状。

我国对翻转犁的研究起步较晚，随着经济的不断发展，农业生产活动中出现的矛盾与问题也越来越多，如耕地作业耗费大量的人力、物力和财力，油耗大，效率低下等，同时也加剧了对现代大型农业机械的需求，越来越多的学者加入到翻转犁的研究中。

刘兴爱[13]于2006年研制了与大功率履带拖拉机配套的1LF-445型液压翻转犁，该犁体犁架更加安全可靠，而且犁体的工作幅宽变大。2008年，甘露等[14]根据农艺的要求，设计了1FFSL-5型浅翻深松翻转犁，如图4所示。该犁通过凿形深松铲、翼铲与土壤间的剪切和摩擦作用力使其出现相对位移，进而进行挤压，以达到破碎土壤和翻垡的作用，并可经过一次作业就达到耕前状态的效果，且完成对土壤的浅翻和深松，可达到30～35?cm的深松深度，减少了作业的次数，降低成本，提高了作业效率。

张迅等[15]研发了1LFT-435调幅翻转犁，该型犁体可以保证翻垡的土壤始终倒向一边，耕后的地表非常平整不会留下沟痕，并且其工作宽度的调节也非常方便、快捷。

新疆地区土地面积广大，但由于年降水量低以及土壤盐渍化非常严重，土壤中秸秆含量多以及土块成板结状等问题，为研制适合新疆地区的耕地机械，新疆农垦科学院学者做了大量的研究。针对国内中小型拖拉机不能直接配带液压翻转犁的问题，郑炫等[16]于2011年自主研制了1LFQ-325型气动翻转犁，如图5所示。该犁可与25.7～36.8?kW的中小型拖拉机配套使用，并且利用气缸翻转机构来实现犁体的翻转，比机械式的翻转机构更加灵活可靠。该犁通过三点悬挂机构和拖拉机进行连接，并通过将拖拉机刹车系统的排气口和翻转气缸的气嘴相连接来实现犁体的翻转。启动机器，犁体落下开始前进，直至达到稳定耕深后再以工作速度前进，完成第一行程之后，拖拉机开始换向，并踩下刹车，翻转气缸带动犁架进行换向，然后开始进行第二行程。该犁耕作速度可达到5.7?km/h，耕宽为740?mm，耕深为202?mm，翻转到位率为96%，耕深、耕宽稳定性变异系数均达到有关技术指标。该试验结果表明，各项性能指标均达到国家的有关标准要求。

针对新疆生产建设兵团的实际农业生产需要，郑炫等[17]于2012年研制出1LFS-435型浅翻深松翻转犁，如图6所示。该犁体分为2层，上、下层分别为铧式犁体和松土铲。犁体的翻转由液压系统控制，拖拉机的进油口和出油口通过液压油管与翻转油缸连接构成液压回路，可以通过操纵液压阀来实现犁体换向翻转。作业时，上层犁体做正常的翻垡工作，下层犁体进行犁底层土壤的松动，该犁可以一次性完成耕深范围内的翻土以及松土，达到标准的耕深要求。该犁深松深度可达400?mm，犁耕深度为280?mm，土垡破碎率为98%，翻转到位率为96%，试验表明该犁的利用效率明显提高，符合农业经济可持续发展的要求。沈从举等[18]研制出1LFT-435型调心调幅式液压翻转犁，解决了翻转犁不能适应各种不同拖拉机轮距和功率而出现的漏耕、重耕问题，从而提高了耕作效率，翻转犁的研制与创新为我国农业机械的发展打下了坚实的基础。

随着国外大型农业机械的引进，国内与大型拖拉机配套的耕地机具几乎全被国外企业所占据[19]，为了开拓创新，迎合市场需求，贺江川等[20]于2016年设计研制了1LFT-550型调幅式液压翻转栅条犁，如图7所示。该犁的犁体采用栅条式结构，翻垡顺畅、易脱土、阻力小，同时在主犁体前面加装小附犁，具有更好的覆盖效果，限深轮也可作为行走轮，折叠和调幅油缸的设计使犁体的翻转更加平稳省力，机具结构设计具有创新性。该犁作业时耕速可达10.3?km/h，耕幅为2?500?mm，耕深为310?mm，碎土率在83%以上，田间试验表明作业质量能够达到农艺的要求。

2.2.2?翻转犁翻转机构的研究现状。

翻转犁的翻转机构是实现2组对称犁体换向工作的关键部件，其翻转性能的好坏直接决定了整个翻转犁工作性能的好坏，为此国内也对翻转机构做了大量的研究。郑德聪等[21]利用反求工程技术以及计算机技术，建立了翻转机构的数学模型并做好了相应的计算机程序，将其反求的结果应用于与拖拉机配套的液压翻转犁，并将该犁投入生产。

随着农业机械的发展以及农业的需要，我国学者也不断追求翻转机构的创新。为了改善翻转犁的越中性能，郑德聪等[22]于2007年利用极值法进行翻转犁装配尺寸链的分析计算，并将设计结果应用于液壓翻转犁，使得其越中性能良好。

金红基[23]于2008年提出了单缸卧式翻转机构的运动方程，并对翻转机构进行动力学和运动学的特性分析，发现该机构可以保证在进行180°翻转时所需要的动力，实现其设计性能要求。2008年，王会福[24]对新型ILF-435A型翻转犁的翻转机构进行了运动学分析，并将设计的缓冲阀应用到翻转犁的液压系统中，以便适用于不同类型的翻转犁，对于翻转过程中出现的冲击过度、翻转不可靠、摇摆等问题可以有效解决，也因此获得了国家实用新型专利。

罗进军等[25]于2016年通过对翻转犁翻转机构进行受力分析以及液压油缸工作参数的计算，从而设计了一种能够实现平稳可靠翻转的翻转机构，能以较小的换向冲击力确保犁架的成功越中和换向。

2.2.3?翻转犁犁体曲面的研究现状。

犁体作为翻转犁最核心的部件，通过切土翻垡来完成翻转犁的耕作任务，因此犁体曲面的形状也在很大程度上影响着耕作效果，长期以来国内学者也一直将犁体曲面作为重点研究内容。随着计算机技术的不断成熟，许多学者利用参数化设计、仿真技术以及CAD技术研究犁体曲面，也逐渐成为犁体曲面研究设计的新方法。利用计算机技术可以较好地解决在犁体曲面设计过程中出现的诸多问题。

张士国等[26]在2007年利用Pro/E软件研究出一种犁体曲面三维参数化CAD系统，三维犁体曲面结构模型可以利用该系统自动生成，大大缩短了犁体曲面的绘制周期，使整个制作过程的成本有所降低。同时，余贵珍等[27]以犁体曲面十二参数法数学模型以及犁体曲面的构成线方程为基础，通过知识库来表达犁体曲面参数化设计过程中的专家经验与设计常识，进而编写了犁体参数化设计系统。

2008年，杨化伟等[28]研究了水平直元线法来犁体曲面形成原理，开发了水平直元线犁体曲面参数化设计模块，使水平直元线犁体曲面的优化设计变得非常直观和方便，有利于犁体产品进一步开发的系列化和标准化。

赵郑斌等[29]分析了国内外高速犁体曲面的研究现状，也对高速犁体曲面的成形方法进行了总结与概括，并且土垡运动原理的参数化设计是当前犁体曲面设计的重要方法。

3?翻转犁应用中存在的主要问题

（1）近些年，我国研制了各种各样的翻转犁，但大多数都是在国外机型的基础上进行仿制的，技术不够成熟，设计的翻转犁较为笨重，工作效率较低。

（2）由于制造工艺技术不足，国内制造的翻转犁的犁体及机架抗疲劳强度不够，结构设计不能有效针对不同土壤类型;零部件制造精度较低，热处理技术不足，导致翻转犁在耕作过程中出现犁铲尖断裂、磨损快、局部变形、犁梁拉断以及液压缸漏油的问题，降低了翻转犁工作的可靠性。

（3）我国土地面积较为广泛，各个地区的气候条件、土壤类型以及土壤规格各不相同，国内生产的翻转犁很难适应各个地区的不同土壤环境，并且翻转犁适合耕作土地面积大的地方，具有一定的局限性。

（4）整架翻转犁有许多关键部件，而关键部件的连接需要各种不同型号的螺栓与螺母，在实际耕作过程中，因其螺栓以及螺母的数量较多，各个部件之间的松动也较为频繁，在上紧螺栓的过程中耗费了大量的人力，降低了工作效率。

4?展望

（1）适当放宽现有的农业机械化相关政策，根据我国各个地区的实际情况，制定合理、有效的推广、补贴以及奖励政策并加大资金的投入，激励研究学者自主创新的积极性，做到理论与实践相结合。

（2）注重犁关键部件产品材料的研发、加工及热处理工艺，找出适宜制作适应不同土壤类型的犁关键部件的新材料，提升部件的加工精度，优化部件热处理工艺，争取将犁铲、犁尖、犁壁等关键零部件规模化、国产化制造，降低翻转犁制造和使用的成本，打破国外产品长期垄断市场的局面。

（3）针对我国地理环境复杂的实际情况，要提高翻转犁的适用性，相关的企业、工厂以及研究机构在设计过程中对犁体零部件应制定统一的规格标准，以便于用户的选择与使用。

（4）在设计翻转犁的过程中，应尽可能设计简单的结构，使尽可能多的部件整体化，以减少螺栓以及螺母的使用，减少螺栓的松动，提高其工作效率。

5?小结

在分析国内外翻转犁研究现状的基础上，指出了我国翻转犁应用过程中出现的一些问题并提出相应的发展策略。翻转犁作为耕地机械发展过程中里程碑式的创新，为我国的农业机械向着自动化、多样化以及现代化的方向发展作出了重大的贡献，对于农业可持续发展也具有十分重要的意义。

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