引言
农户农场和小型农业企业在确保粮食安全和农业生产可持续性方面发挥着重要作用。这些农场大多以地块面积小和能源资源有限为特征，这大大限制了重型机械和拖拉机单元的使用。在此背景下，基本技术作业（包括播前耕作）的机械化主要依靠耕作机和小型耕作机械进行（Shmygol, 2025; Ha and Da, 2025; Tarasenko et al., 2025）。
播前准备的主要作业之一是松土，它确保破坏压实层，形成耕层的良好结构，改善水气状况，并为植物根系发育创造环境（Syromyatnikov et al., 2023）。耕作过程的效率不仅取决于松土深度，还取决于耕作工具与土壤的相互作用性质、刀片几何形状、联合作业运动学参数以及土壤层破坏区的应力分布（McKyes and Ali, 1977; Godwin and O'Dogherty, 2007）。
目前，使用几种基本类型的旋转耕作工具配合耕作机工作，它们在刀片几何形状和与土壤的相互作用性质方面有所不同（图 1）。最常用的是军刀形刀片、鸡爪形耕作工具、螺旋旋转叶片和主动转子系统（Yunusov and Anderzhanova, 2020; Kassenov and Itybayeva, 2022; Obidov et al., 2021; Smetanin and Shalamov, 2019）。
尽管设计不同，现有旋转耕作工具存在一些共同缺点。在处理密实或积水土壤时，牵引阻力和过程能耗强度会增加，土壤破碎质量下降，且某些结构需要重复通过才能达到所需处理层结构。此外，某些类型的旋转耕作工具提供强烈的土壤移动但松土不足，而另一些则以机组驱动负荷增加和比油耗增加为特征。
现代研究表明，旋转刀片的几何形状对土壤松土过程、剪切区的形成和阻力分布具有决定性影响（Salokhe et al., 2002; Zhang et al., 2022）。改变刀片角度、切削刃形状和运动学参数会显著影响能耗、土壤破碎质量和土壤移动强度。在致力于耕作工具与土壤相互作用离散元建模（DEM）的研究中，表明刀片几何形状的改变会导致接触应力重新分布和土壤颗粒轨迹改变（Patidar et al., 2024; Mao et al., 2025）。
现代研究非常关注通过改进旋转耕作工具设计来降低耕作能耗强度。特别是，使用修改和仿生切削表面可以降低松土所需功率并改善表面处理质量（Qin et al., 2025）。此外，发现改变转子转速会显著影响土壤和植物残渣的抛射过程以及处理后层中破碎团的分布（Yuan et al., 2023）。在致力于测量旋转耕作机驱动系统负载的研究中，指出力负荷对作业模式和耕作工具几何形状的高度依赖性（Hensh et al., 2021）。
尽管有大量研究致力于使用旋转设备进行耕作，但大多数研究要么单独考虑耕作工具与土壤的力学相互作用，要么单独考虑农业技术质量指标。在小型联合作业功率有限的情况下，刀片几何参数、旋转耕作机作业模式、牵引阻力和比油耗之间的关系问题研究不足。此外，现有旋转刀片设计并不总是能在一次通过中提供所需的土壤团块松土。
鉴于此，开发了一种新的旋转耕作机设计，配有带有附加楔形齿的 L 形刀片，用于直接在耕作工具与土壤相互作用区域进行局部二次松土。
本工作的科学新颖性在于开发并实验验证了基于耕作过程能量平衡的旋转耕作机与土壤相互作用的解析模型，并建立了刀片几何参数、机组作业模式、牵引阻力和比油耗之间的依赖关系。
本研究的目的是分析旋转耕作机与土壤的相互作用，并评估使用带楔形齿的 L 形刀片时作业的能耗强度。为实现这一目标，解决了开发耕作工具结构、构建旋转耕作能耗解析模型、实验研究牵引阻力以及确定旋转耕作机合理参数和作业模式等任务。
