微耕机旋耕刀适配东北设施农业的优化路径与规模化验证研究_郑永鑫.pdf

111 2025 年第 23 期新农民农机管理 微耕机旋耕刀适配东北设施农业的 优化路径与规模化验证研究 郑永鑫 晏传强 齐瑞锋 王 强 史云天 吉林省农业机械研究院 吉林 长春 130022 摘要 本文聚焦东北设施农业机械化升级 在政策背 景下展开研究 针对东北设施农业面临生产场景特 殊 技术痛点等问题 如空间约束 土壤保护需求 传统刀具能耗高及导航系统精度低等 从结构仿生与 模块化设计 耐磨涂层材料体系创新 智能控制与路 径规划系统三方面提出旋耕刀系统多维度优化策略 经规模化应用验证 该优化提升了生产效能 产生生 态效益 最后提出产业化推进路径 经技术经济性验 证其适配性与成本效益良好 并展望智能感知升级 能量回收技术 数字孪生运维等未来技术演进方向 关键词 设施农业 旋耕刀 仿生设计 耐磨涂层 智能导航 中共中央 国务院关于进一步深化农村改革扎 实推进乡村全面振兴的意见 中强调需持续增强粮食 等重要农产品的供给保障能力 构建多元化食物供给 体系 1 具体政策层面包含两个重点举措 一是加强 建设具备应急保障功能的蔬菜供应基地 二是推动实 施以大中城市周边区域为核心的现代设施农业升级改 造工程 国内已初步形成了黄淮海及环渤海 长江流 域 西北 东北和华南等5大设施蔬菜优势产区 2 截至2016年 东北地区设施农业面积已突破40万hm 2 辽宁省292 016 13 hmnull 吉林省20 065 hmnull 黑龙江 省25 141 27 hmnull 3 其中日光温室占比超过70 然 而 东北设施农业发展面临诸多挑战 特殊的农业生产 环境 如狭窄的温室作业空间 通道宽度 80 cm 使得大型农机具难以施展 而小型机具又面临适配性问 题 黏重的黑土物理特性 容重1 3 1 5 g cmnull 增加了 耕作难度 对农机具的磨损也更为严重 严格的生态保 护要求 需要更高效合理的耕作方式来确保效果 当前设施农业旋耕作业已具备从机械化到智能 化的发展基础 4 电动微耕机相关研究已取得一定进 展 5 随着人工智能 大数据 物联网技术在农业中的 发展 设施农业管理和作业方式正迎来巨大变革 设 施农业正从机械化向信息化 智能化快速发展 特别 是环境调控 灌溉施肥自动化 智能化发展已经逐渐 成熟 应用较为广泛 6 但对于微耕机旋耕刀的研究 仍有待提升 当前研究多聚焦于单一技术改进 如仿 生刃口设计提升碎土效率 等离子涂层技术增强耐磨 性 但缺乏针对设施农业场景的系统性解决方案 尤 其在高密度种植模式下 农机农艺协同不足导致土地 利用率不足80 作业能耗增加40 与此同时 东 北黑土地保护性耕作行动计划 2020 2025年 明确 提出 需在2025年前实现设施农业关键环节机械化率突 破45 7 这对旋耕刀技术的创新提出了迫切需求 本文立足多学科交叉 从结构仿生优化 材料梯 度强化 智能控制集成三个维度展开研究 突破传统 设计范式 通过构建 空间适配 土壤保护 能效提 升 协同优化体系 旨在为东北设施农业机械化升级 提供理论支撑与装备保障 助力黑土地保护与农业高 质量发展 1 东北设施农业机械化瓶颈与需求分析 1 1 生产场景特殊性 东北地区日光温室结构加快升级换代 保温效果 优良的节能型日光温室 温室结构及保温性能进一步 提高 温室内外温差达35 以上 8 其作业环境呈现三 大特征 空间约束 标准化温室通道宽度 80 cm 立柱间 距1 8 m 3 m 要求农机具整机宽度 70 cm 最小 转弯半径 1 2 m GB T 15370 2025 这就如同在 狭小的迷宫中作业 农机具必须小巧灵活 才能在有 限的空间内高效运作 否则极易碰撞温室立柱 造成 设施损坏 土壤保护需求 东北黑土地成土母质一般以黄土性黏 土和亚黏土为主 9 黑土黏重特性 容重1 35 0 1 g cmnull 塑性指数18 22 需控制耕作深度变异系数 15 黑 土是大自然赋予东北的宝贵财富 保护黑土的结构和 肥力至关重要 因此对耕作深度和旋耕质量有着严格 要求 作者简介 郑永鑫 1982 男 本科 副研究员 研究方 向 设施农业 112 新农民2025 年第 23 期农机管理 经济性阈值 单棚 667 m 2 作业成本需 150元 刀具寿命 500 h 磨损速率 0 3 mm 100 h 农户 在追求农业生产效益的同时 必须控制成本 这对农 机具的性价比提出了高要求 1 2 技术痛点解析 当前旋耕机具及控制系统存在以下问题 传统直刃刀在黏重土壤中耕作阻力波动达35 2 5 3 8 kN 导致能耗增加 就像在泥泞的道路上 行走 阻力越大 消耗的能量就越多 不仅增加了生 产成本 还降低了作业效率 65Mn钢刀具在含石英砂 2 3 的黑土中磨损速率达0 95 mm 100 h 寿命 不足200 h 频繁更换刀具不仅增加了成本 还耽误了 农时 影响了农业生产的连续性 微耕机导航系统利用北斗定位的方式来获得实时 位置数据 因为作业环境较为复杂 干扰性强 会导 致系统定位信息精度方面有所欠缺 10 路径规划误差 20 cm 边际作业效率仅18 mnull min 土地利用率不 足80 这使得宝贵的土地资源未能得到充分利用 降低了农业生产的经济效益 2 旋耕刀系统多维度优化策略 2 1 结构仿生与模块化设计 双曲率复合刃口技术 仿穿山甲鳞片结构设计主 曲率R35 mm 碎土区 与副曲率R15 mm 根系切断 区 复合刃口 通过离散元法 DEM 仿真优化刃 口应力分布 试验表明 该设计使耕作阻力峰值降低 21 3 从2 8 kN降至2 2 kN 碎土均匀度提升至 88 7 3 2 穿山甲的鳞片结构在自然界中具有 独特的力学性能 模仿其结构设计的刃口 能够更好 地适应土壤的力学特性 提高耕作效果 快换式模块化刀组系统 开发开沟 碎土 起垄 三功能刀库 采用液压插接机构 插拔力 50 N 实 现10 min内功能切换 试验中 番茄定植垄沟成型合 格率 高度15 1 cm 达96 4 较传统固定刀组提升 28 这种模块化设计就像搭建积木一样 农户可以 根据不同的作业需求 快速更换刀组 提高了农机具 的通用性和作业效率 2 2 耐磨涂层材料体系创新 梯度复合涂层技术 采用超音速火焰喷涂 HVOF 工艺制备Cr 2O3 Al2O3梯度涂层 总厚度200 m 过渡层50 m 通过组分梯度设计 Cr 2O3占比 30 50 实现显微硬度HV1150 50与结合强度 45 MPa GB T 8642 2002 田间试验显示 涂层 磨损速率降至0 22 mm 100 h 寿命提升4 2倍 这种涂 层技术就像是给刀具穿上了一层坚固的铠甲 有效抵 御了土壤中各种颗粒的磨损 激光表面微织构技术 在刃口后方加工菱 形微凹坑阵列 边长300 m 深80 m 密度 1 200个 cm null 利用空气动力学效应形成润滑层 降 低黏附阻力34 7 从1 5 kN降至0 98 kN 有效解决 黑土黏附问题 微凹坑阵列就像一个个微小的 润滑 剂储存库 在作业过程中形成的润滑层 大大减少 了刀具与土壤之间的摩擦力 2 3 智能控制与路径规划系统 多传感器融合控制 集成电容式土壤含水率传 感器 量程0 50 精度 1 5 应变片式紧实 度传感器 量程0 200 kPa 精度 3 kPa 构建 模糊PID控制模型 温室实测显示 系统可动态调 节转速 250 650 r min 耕作深度稳定性系数达 0 89 0 03 传感器就像农机具的 眼睛 和 触 角 能够实时感知土壤的状况 让农机具根据实际 情况智能调整作业参数 北斗高精度导航系统 开发抗遮挡定位终端 搭 载双频RTK模块 水平定位精度 5 cm 航向角偏 差 0 5 结合数字高程模型 DEM 与温室三维地 图 实现边际路径自动规划 作业效率提升41 2 从 18 mnull min增至25 4 mnull min 卫星导航可获取米级至 厘米级的高精度定位 逐渐成为精准农业应用的基本 保障 11 让其在温室中能够精准作业 大大提高了作 业效率和土地利用率 3 规模化应用验证与综合效益评估 3 1 生产效能提升 单机作业能力 3 5 kW机组日均作业面积 0 53 0 67 hm 2 能耗成本降低至0 82元 m 2 优化后的 农机具作业能力大幅提升 同时能耗成本降低 为农 户带来了实实在在的经济效益 全生命周期成本 按500 h寿命计算 单位面积成 本0 15元 m 2 较人工 0 38元 m 2 降低60 5 长期来 看 使用新型农机具的成本优势更加明显 有助于推 动农业生产的规模化发展 维护便捷性 模块化刀组使故障维修时间缩短至 30 min 备件更换成本降低45 维修时间的缩短和成本 的降低 减少了农机具的停机时间 提高了生产效率 3 2 生态效益分析 土壤改良效果 秸秆还田后土壤有机质含量提 升0 35 0 05 g kg 团粒结构 0 25 mm 占比增加 14 2 新型旋耕刀在作业过程中 能够更好地将前期 113 2025 年第 23 期新农民农机管理 作物根系混入土壤 促进土壤改良 提高土壤肥力 环境友好性 每667 m 2 减少柴油消耗1 2 L CO 2减 排3 2 kg 残膜回收率 97 这不仅减少了对环境 的污染 还实现了资源的回收利用 符合可持续发展 的理念 噪音控制 优化刀组作业噪声 72 dB A 降 低噪声污染 为农户和农作物创造了一个更加舒适的 作业和生长环境 4 产业化推进路径 4 1 产业化推进策略 财政支持政策 对采购新型机具的合作社给予 40 购置补贴 上限5万元 台 纳入东北黑土地保护 专项扶持范围 财政补贴能够有效降低农户的购置成 本 提高他们使用新型农机具的积极性 技术培训体系 建立 企业 高校 农户 三级 技术培训体系 通过培训 让农户更好地掌握新型农 机具的使用和维护方法 提高农机具的使用效率 4 2 市场推广机制创新 区域性示范工程 设立核心示范区 开展 技术 展示 操作培训 效益对比 一体化推广 通过示范 工程 让农户直观地看到新型农机具的优势 增强购 买信心 售后服务网络 建立 省级维修中心 县级服务 站 合作社维修点 三级服务体系 完善的售后服务 网络 提高农机具的使用满意度 4 3 跨领域协同创新 材料 农艺联合攻关 与中国科学院金属研究所等 相关机构合作开发黑土专用耐磨材料数据库 建立刀具 寿命预测模型 误差 8 跨领域合作能够整合各 方资源 推动技术创新 提高农机具的性能和质量 装备 设施集成设计 联合温室建造企业制定 农机 建筑 协同标准 预留标准化农机接口 如 间距 电力接口位置等 这有助于实现农机与温室 设施的无缝对接 提高农业生产的整体效率 5 结论与展望 5 1 技术经济性验证 生产适配性 整机宽度70 80 cm机组可覆盖98 日光温室作业场景 边际土地利用率从78 提升至 93 新型农机具能够很好地适应东北设施农业的作 业环境 大大提高了土地利用率 成本效益比 按10年生命周期计算 亩均机械投 入成本较人工降低62 3 从3 8万元降至1 44万元 从长期来看 新型农机具具有显著的成本优势 能够 为农户节省大量资金 5 2 未来技术演进方向 智能感知升级 研发多光谱土壤传感器阵列 实 时监测有机质含量 精度 0 2 g kg 微生物活性等 参数 进一步提高农机具对土壤状况的感知能力 实 现更加精准的农业生产 能量回收技术 利用耕作振动能量发电 目标回 收效率 15 延长电池机组续航时间 探索新型 能源利用方式 提高农机具的能源利用效率 减少对 传统能源的依赖 数字孪生运维 构建刀具全生命周期管理平台 通过振动频谱分析实现磨损预警 提前量 50 h 借助数字技术 实现对刀具的智能化管理 提前预防 故障 降低维修成本 参考文献 1 佚名 中共中央 国务院关于进一步深化农村改革扎 实推进乡村全面振兴的意见 N 新华社 2025 02 23 001 2 袁为海 我国现代设施农业发展现状与方向 J 中国农村 科技 2023 6 18 21 3 李浩 我国设施农业发展现状 障碍及对策研究 J 南方 农机 2021 52 23 34 37 4 张京开 刘旺 盛顺 等 北京市设施农业机械化发展 现状与建议 J 农业工程技术 2021 41 34 12 15 5 王家博 魏文波 王广阔 等 履带式电动微耕机自 动导航系统设计与试验 J 农业工程学报 2024 40 23 63 72 6 么秋月 技术加速融合引领温室智能装备变革 J 农业工 程技术 2019 39 25 18 22 26 7 霍艾湘 农业农村部 东北黑土地保护性耕作行动计 划 2020年 2025年 解读 J 农村实用技术 2021 3 24 25 8 陈金霞 辽宁省设施农业发展现状与发展对策的探讨 J 农机科技推广 2024 5 37 38 41 9 张悦 赵东阁 王心圆 等 东北黑土地的形成 现状 与演化趋势 东北黑土地的前世今生 J 黑龙江国土 资源 2024 22 6 34 42 10 牛明珉 基于北斗导航的电动微耕机的设计与试验研 究 D 南京 南京农业大学 2022 11 李岩 刘欢 张雯雯 等 北斗卫星导航系统在精准农 业中的应用 J 测绘与空间地理信息 2022 45 5 151 153 155