引言
犁耕作業是現代農業生產中必不可少的生產過程，目前常用的翻耕機具主要有鏵式犁及圓盤犁等。
鏵式犁具有良好的翻垡覆蓋性能，為其他耕地機具所不能及。鏵式犁也是世界農業生產中歷史悠久、應用最廣泛的耕地機械。大多數鏵式犁只能單方向翻垡，翻垡后會形成一條閉壟，而雙向犁的出現則可以解決無開閉壟的問題。雙向犁也稱翻轉犁，是在犁架上安裝兩組左右翻垡的犁體，通過翻轉機構使兩組犁體在往返行程中交替工作，形成梭形耕地作業。其土垡都向一側翻轉，耕后地面平整，能減少耕后整地的工作量，減少拖拉機空行程，提高耕作的生產率。
1 翻轉犁的類型及特點
1． 1 翻轉犁的類型
翻轉犁的類型很多樣，根據不同的方式類別有所不同。如按與拖拉機掛接方式分為懸掛翻轉犁、半懸掛翻轉犁和牽引式翻轉犁; 按犁架翻轉的驅動方式和翻轉機構的不同可分為機械\\( 重力式\\) 翻轉犁、氣動式翻轉犁和液壓式翻轉犁; 按犁架翻轉角度不同可分90°翻轉犁和 180° 翻轉犁。就目前情況來看，應用較廣泛的就是懸掛式液壓翻轉犁。
懸掛式液壓翻轉犁主要包括三點式懸掛裝置及犁架。犁架上有左右對稱的犁體，懸掛裝置上設置翻轉機構，翻轉機構通過翻轉軸與犁架相連，由雙向液壓缸通過翻轉臂帶動翻轉軸做 180°旋轉，翻轉軸帶動犁架旋轉，從而實現犁體 180°換向。
1． 2 翻轉犁的特點
機械式翻轉機構是利用犁在懸掛提升時重力翻轉軸轉動 90°左右，利用慣性在失控狀態下越過“死點”，之后依靠犁本身的重力產生的偏轉力矩繼續翻轉到位并鎖定。此機構結構簡單、制造成本低，但使用不便，可靠性差，一般與沒有液壓輸出的中、小型拖拉機配套。
氣動式翻轉機構\\( 如圖 1 所示\\) 是在犁的懸掛架上安裝有汽缸，利用氣壓做動力，犁架中間有縱向主軸并穿入懸掛架軸套，主軸軸端固定的齒輪與汽缸活塞桿水平運動時，活塞桿上的齒條帶動齒輪轉動，通過主軸使犁架相對犁懸掛架翻轉。國內現有氣動式翻轉犁產品多是與沒有液壓輸出的中、小型拖拉機配套。液壓式翻轉犁的兩組犁呈 180°相對犁架垂直配置，犁架通過一轉動軸安裝在懸掛架上，由液壓翻轉機構使犁架轉動 180°。液壓翻轉機構包括油缸\\( 稱翻轉油缸\\) 、犁架轉動軸和油缸換向裝置等。液壓式翻轉機構又可分為臥式\\( 平放\\) 油缸\\( 如圖 2 所示\\) 、立式\\( 豎立\\) 油缸\\( 如圖 3 所示\\) 、雙油缸\\( 如圖 4 所示\\) 及油缸一齒輪齒條等不同類型。
2 國內外翻轉犁研究及發展現狀
2． 1 國外翻轉犁研究及發展現狀
據文獻資料記載，早在 20 世紀 60 －70 年代，西方發達國家就先后實現了農業機械化。隨著現代耕作機械的研究、生產和實踐，尤其是大功率拖拉機被廣泛應用，帶動了現代耕作機械向多品種、系列化、人機和諧等方向快速發展，很多機械化產品也逐步向寬幅、高速和高效低耗方向發展，并已經開始向電子監控、液壓及模塊化設計等高新技術方向發展。目前，為了提高生產率，國外采用了自動掛結、安全裝置、液壓折疊、機組鉸聯組合等先進技術和現代化結構。同時，這些農業機械化產品在功能上也有區分。
例如，已經上市的耕翻—深松聯合機組，耕翻—整地聯合作業，整地—鎮壓聯合作業，整地—播種—鎮壓聯合作業等等。若從機具結構上區分，還可以分為整體式機具、組配式機具; 若從工作部件運動方式區分，可以分為從動部件組合、驅動部件組合、驅動與從動部件組合的聯合作業機具等等。
目前，在翻轉犁領域處于領先水平的國家主要有美國、德國、法國、奧地利等國家。其中，代表性的公司主要有: 奧地利威諾、德國雷肯、美國凱斯、美國約翰迪爾、法國格力格爾 － 貝松及法國庫恩等。國外對翻轉犁的研究已經趨向成熟，根據土壤條件的不同，生產廠家設計了不同的犁臂以滿足不同的工況，主要有法國格力格爾 － 貝松公司生產非大型多鏵翻轉犁，最高可以達到 18km2/ h 的犁地效率。
德國雷肯農機公司\\( LEMKEN\\) ，雷肯早在 1905 年就獲得了世界上第一個犁具的專利。多年來，他們不斷與實際相結合，研究生產的幾款翻轉犁把以往存在的問題基本解決。德國雷肯公司的氣動力翻轉犁解決了長期以來一直存在油缸漏油的問題，同時也非常環保。最有代表性和創新的是，雷肯公司設計生產的一款犁體，當犁耕到石頭等障礙物時犁柱會自動蹺起來，以保護立柱不會拉斷，這種想法創新、獨特，同樣在實踐中應用的也非常好。對翻轉犁進行精確地調整也非常重要，這樣可以減少材料的磨損，并且明顯降低燃油的消耗。雷肯公司還研發了非同尋常的奧普快克\\( OptiQuick\\) 設置系統。該系統可以簡便快速地設置首鏵犁幅寬以及拖拉機/翻轉犁 － 牽引線，有效地節約時間和費用。
在理論方面，國外的研究也有很多。例如，對懸掛裝置、翻轉機構等方面的研究更為突出，主要有對懸掛機組的控制和引導進行了研究，提出了懸掛機組控制和引導的方法; 利用幾何約束程序在水平面和縱向垂直面內對三點懸掛式裝置進行了運動學設計。
前些年，我國也大量引進國外翻轉犁。之所以大量引進，總結起來，有以下幾個技術特點: ①調幅翻轉雙向犁結構合理; ②配備多種形式的部件; ③適應不同耕作條件和機組配套要求; ④設置安全保護裝置，采用優質材料和液壓元件及先進制造工藝。
2． 2 國內翻轉犁研究及發展現狀
2． 2． 1 整體結構設計及試驗研究方面
我國進入市場經濟之后，國內耕地機械開始進入快速發展階段，許多科研院所、企業都在研究和設計多種型號的翻轉犁，而且研制得很成功。山西農業大學農業工程系的王雙喜等人于 1996 年結合當地的實際情況，在引進國外成功經驗的基礎之上，對液壓翻轉雙向犁的最新結構形式進行了研究。黑龍江省農業機械工程科學研究院的甘露等人于 2008 年設計試驗了 1FFSL － 5 型潛翻深松翻轉犁，該機不但能夠一次性完成淺翻、深松兩項作業，而且還可以進行單項作業，進而提高了機具利用率，作業效率高、經濟效益好，同時也滿足了其農藝要求。
在很長一段時間里，新疆建設兵團引進國外翻轉犁進行農業耕地，但由于進口犁價格昂貴，也存在維修和售后服務困難等問題。自 1999 年以來，新疆農墾科學院在借鑒國外機具的基礎上，結合實際情況，進行自主創新，先后研制出“1LB － 542 水平換向犁”“1LCH －546\\( 646\\) 型垂直換向犁”“1LCHT － 4/5 型垂直換向調幅”等系列產品。針對當前新疆兵團農業生產的需要，2011 年鄭炫等人又研制了一種與 25．7 ～ 36． 8kW 拖拉機配套的氣動翻轉犁，用氣缸作犁體換向機構，操作簡單、翻轉靈活，并進行田間試驗，其性能指標均達到國家有關標準要求。2012 年設計出1LFS － 435 型淺翻深松翻轉犁、1LFT － 435 型調心調幅式液壓翻轉犁，并進行田間試驗，為我國農業機械自主創新打下良好的基礎。
2． 2． 2 翻轉機構研究方面
翻轉機構是翻轉式雙向犁完成左右工位換向的重要部件，該機構尺寸和安裝尺寸的選擇直接影響到翻轉犁的翻轉性能。我國很多學者和企業對翻轉機構進行自主創新設計: 河南農業大學機電工程學院的李保謙等人于 1999 年研制了雙向犁圓柱凸輪自動翻轉機構; 包頭市武創農牧機械有限公司于 2007 年自主設計了一款雙缸液壓翻轉犁，其翻轉換向機構包括一個直立式雙向液壓缸和一個橫置式雙向液壓缸，這兩個缸在三位四通換向閥和掉頭換向閥作用下改變給油的方向，進而牽拉翻轉臂與拔叉轉動，從而帶動犁具做翻轉，順利地實現了犁架的平穩翻轉，完成耕地作業。
關鐵城等人在遼寧省葫蘆島市的農機管理總站設計和試驗了 4 輪樣機和 4 種不同形式的液壓翻轉機構。這 4 種翻轉機構包括扇形齒板直油缸翻轉機構、臥式油缸雙作用柱塞齒條翻轉機構、單油缸大間隙慣性越中翻轉機構和圓油缸翻轉機構。通過相關的試驗表明，翻轉機構準確可靠，該研究為后續的液壓翻轉機構的研究建立了不錯的理論基礎。甘肅省張掖市高臺縣嘉寶機械制造銷售有限公司的王軍山等人，在 2008 年研發了一種可以翻轉 180°的新型雙油缸翻轉裝置。與此同時，遼寧省黑山縣農機推廣站的王會福，將緩沖閥安裝到在 1LF － 435A 型液壓翻轉犁翻轉機構的液壓系統中，基本上解決了原有翻轉機構存在的液壓系統問題，進而獲得了國家專利局的實用新型專利。
2． 2． 3 犁體曲面研究方面
翻轉犁主要是耕地機械，它通過犁體曲面完成對土壤的松碎和扣翻，所以犁體曲面形狀對加工土壤的質量有著重要的影響。國內外對犁體曲面的研究都很早，一般主要采用的方法有: 試修法、幾何動線作圖設計法及數學解析設計法。近年來，隨著科技的發展，好多學者開始應用各種軟件及計算機輔助設計對犁體曲面進行更系統的研究，為農機科研朝著科學先進水平方向發展，打下良好的基礎。
江蘇工學院的朱金華等人在 1984 年就開始對犁體曲面的 CAD/CAM 系統進行研究; 1993 年，吉林工業大學的吳成武等人采用 CAD/CAM 仿真軟件，計算、繪制了各種幅寬犁體曲面及犁面展開圖，應用方便、快捷，比人工設計提高工效 20 倍以上; 經生產實踐和研究表明，其性能良好，降阻 10% 左右。廣西大學機械工程學院的廖麗等人，于 2008 年到 2011 年利用 Pro/E 仿真軟件，構造了曲面的實體模型，而且還對碎土型犁體曲面作業過程進行了仿真分析，得出了優化的曲面參數及其各項參數對犁體曲面工作性能\\( 牽引阻力、翻垡性能\\) 的影響，從而完成對鏵式犁優化設計和創新的目的。在犁面的理論研究方面比較突出的是，西北農林科技大學機械與電子工程學院的馮濤等人、大連理工大學的張延等人。在 2009年，張延等人利用仿真軟件對犁曲面的動力學進行了仿真，還利用數學軟件 MathCAD 建立了翻土型犁曲面的數學建模。同時，還利用 ANSYS/LS － DYNA 建立了犁曲面—土壤系統顯式動力分析的仿真模型，最后還通過物理樣機試驗對模型的仿真結果進行驗證分析。在 2010 年，馮濤等人也同樣對犁體曲面建立了數學模型，并且基于 Pro/E 三維仿真軟件構造了犁體曲面的實體，并研究了曲面的數控加工理論。這些研究理論對農業機械零件的數字化設計和制造提供良好的理論依據。
3 存在的主要問題
3． 1 機具沒能形成標準化，產品適應性差
我國耕地面積大、分布廣，各地區土壤和氣候條件不同，我國研制的翻轉犁大多不適應全國各地使用，且沒形成標準化。有些易損壞的部件很難在市面上直接購買到，通常每個廠家設計不同，修理維護也不方便。
3． 2 設計方法繁瑣，精度低
我國翻轉犁大多是引進外國機型，進行改進仿制，在設計時多采用傳統的圖解法和解析法進行分析，方法繁瑣、精度低，沒能真正地建立起實用的數學模型和采用先進的設計方法來研究完善翻轉犁的設計; 也沒有全面地結合實際出現的問題和翻轉犁存在的不足，從設計上進行不斷創新。
3． 3 技術含量低，使用可靠性不高
我國在翻轉犁研制上技術含量低，結構不夠緊湊。由于我國各地區環境各異，使用的環境和條件較差，因此使用可靠性尤為重要。這樣常常導致使用時故障多，性能得不到發揮; 穩定性差，給用戶帶來很大的麻煩。
4 發展對策及建議
4． 1 進一步提高機具適應性
為更好地適應使用條件和擴大與拖拉機的配套范圍，可發展調幅犁，提高犁的適應性。同樣，為適應不同的耕作對象要求，可以向多品種、系列化方向發展。
4． 2 加大科研投入力度
我國的翻轉犁大多數為仿制國外機型，設計機理不清楚，應根據不同的土壤條件和耕作要求研制適合我國各地區適用的機型。同時不斷在實踐中尋找新的設計方案，研制開發具有自主知識產權的國產大型鏵式犁，打破長期被外國公司壟斷的局面。
4． 3 提高制造質量
機具制造質量的好壞影響著使用壽命、可靠性及工作質量，所以應加大對優質材料的選用、采用先進制造工藝來提高翻轉犁使用性能。
4． 4 與其他機具進行聯合作業
國內外現在都提倡“可持續農業”，耕整地機具也向大型高速和適應農業保護性耕作發展，所以復式作業和聯合作業是發展方向，機組下田一次即可完成多項作業，提高了生產效率，減少了拖拉機對土壤的反復碾壓。
5 結論
目前，對懸掛式翻轉犁的研究相對比較深入，各地區根據不同耕作環境，有針對性的進行研究設計。與此同時，也應該及時了解國外先進機具生產技術和經驗，并結合我國實際情況，設計研究出操作方便、功能齊全，效率高、阻力小，適合我國耕地的實用型翻轉犁，以加快我國農業機械向著科技化、信息化、系列化方向發展，更好的適應市場需求。
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