迴轉耕耘機是以曳引機為動力旋轉耕耘刃，以切削與細碎土塊。其切土、碎土能力強，且一次作業能達到犁耕數次的效果。犁後地表平整、鬆軟，故頗能滿足農民精耕細作、節省耕作次數之要求。在國內，迴轉耕耘機已取代各種板犁的作業。然迴轉耕耘機耗費相當大的動力，且一再使用之後，容易使土壤結構遭受破壞。
圖5.12 迴轉耕耘機之組成迴轉犁依旋轉耕耘軸的位置可分為橫軸式(臥式)、立軸式(立式)及斜軸式等三種。按與動力連結方式分為牽引式、懸掛式及直結式等三種。依耕耘軸傳動方式則可分為中間傳動與側邊傳動等兩種。
圖4.12所示為由曳引機動力導出軸驅動，並由曳引機決定前進速度。刀刃在切土過程中，先將土方切下，再由後方拋出。土方會撞擊拖板及罩殼，因而發生細碎作用,並掉落在地面上。此動作因為刀刃之迴轉，表土會連續不斷受到打碎，並平鋪在後面的地表上。
圖5.13 迴轉耕耘刀之作用情形5.11.1 一般構造
迴轉耕耘機主要由機架、傳動系統、旋轉耕耘軸、刀刃、耕深調節裝置、罩殼組成(圖5.13)。機架多屬臥式，呈矩形。由前梁(左右主梁)、左、右支臂及作為耕耘軸的後梁所組成。前梁為鑄造圓管，中間有齒輪箱，兩側均為支臂，另一側則有傳動箱。
耕耘軸與刀刃則是迴轉耕耘機之主要元件。耕耘軸由無縫綱管製成，軸兩端與兩支臂銷結，其上焊有刀座，刀刃依螺旋狀排列以供安裝刀刃。
迴轉耕耘機之傳動源由曳引機動力導出軸，以萬向接頭傳至其中間齒輪箱。再由此驅動耕耘軸。耕耘軸之轉速一般為198-275rpm。
耕深控制有兩種方式：分為雪撬式及耕深輪式。前者安裝於機架底部，調節雪撬與耕耘軸之相對距離可改變耕深，一般用於水田。耕深輪則安裝於機體後部，由套管、升降桿及輪叉等組成，普用於旱田作業。
5.11.2 刀刃的軌跡
刀刃切削土壤時，刀刃之絕對運動為機組前進運動與耕耘軸的回轉運動之合成，其條件是過程中不能產生推土的現象。此時之刀刃運動軌跡成擺線。
圖5.14 耕耘刀作用之軌跡圖5.14所示為以原點O為耕耘刀之迴轉點，x為車體前進方向，y為垂直方向，以向上為正值，表示耕深。設刀刃之迴轉速度為ω，與曳引機驅動輪之方向相同，其初始位置為mo，當刀刃轉過α1=ωt1角度時，端點先至m1’點，而機組同時往前往動OA1=vmt1距離，實際之端點應為m1。其座標點可以表示如下：
x=Rcosωt+Vmt
y=-Rsinωt 5.3
式中，(x,y)為刀刃之端點座標，vm為機體之前進速度，m/s；R為刀刃點M之迴轉半徑，mm。
上兩式對時間微分可以得到M點之速度如下：
Vx=dx/dt=Vm-Rsinωt
Vy=dy/dt=-Rcosωt 5.4
點M之絕對速度及夾角餘弦為：
V=sqrt(Vx²+Vy²)=sqrt(R²ω²+Vm²-2RωVmsinωt)
φ=cos-1[Vx/Vy]
=[(Vm-Rωsinωt)/sqrt(R²ω²+Vm²-2RωVmsinωt)] 5.5
由於刀刃切土時，車體前進的速度不能使刀刃產生頂土之現象，為此水平速度必須符合下面之條件：
Vx=Vm-Rωsinωt≦0 5.6
在切土過程中，刀刃向後之分速度會逐漸變大，故只要刀刃在開始切土時能滿足上式條件即可順利進行。一般迴轉耕耘機之前進速度vm約為0.5-1.5m/s，而刀刃端點之切線速度約為3-8m/s。
5.11.3 刀刃工作深度
迴轉耕耘機之耕深與運動參數R、Rω及vm有關，其關係如下：
y=-(R-h) 5.7
代入上式，得：
sinωt=[R-h]/R
Vm≦Rsinωt=Rω[R-h]/R=ω(R-h) 5.8
上式應為切土之合理條件，設切線速度U=Rω，代入上式，則：
Vm<ωR-ωh
h<R-Vm/ω = R(1-Vm/U) 5.9
由上式可看出，當vm/U之值減小時，耕深可以增大，最高為迴轉半徑R。但隨著h值之增加，其消耗之動力會增大。因此，應有一合理值，一般的設計中，旱作約為12-16cm，水田則約為14-18cm。
5.11.4 耕耘刀進給量
刀刃沿前進方向在縱斷面所切削之土方厚度稱為進給量。設其為Sz，可表示如下：
SZ=Vmt=Vm x 60/zn = Vm x 2π/[zω]=Vm/U x 2R/z [cm] 5.10
其中n為耕耘軸迴轉速[rpm]，z為同一斷面之耕耘刀數(國內z=1，歐美z>1)，t則為每一耕耘刀所經歷之時間[sec]。
由上式可知，增加z或n(ω)等均會令進給量Sz變小，土方變為細碎，而隨轉速增加，功率消耗亦會增加。若增加刀刃數，則刀刃間距變小，易產生堵塞現象。若進給量增大，土方及溝底凸起高度亦增大，所以進給量不能過大，一般約為1-2cm。
5.11.5 溝底凸起高度
迴轉耕耘機耕作後，耕作層的底部有凸起存在。凸起高度yc值的大小是由刀刃運動軌跡曲線和刀刃進給量Sz決定的。如圖4.15所示點C為溝底之最高點，其座標為：
圖5.15 切削後之殘畦及高度xc=R([Vm/U]φ'-sinφ')
yc=-R(1-cosφ') 5.11
當φ’值不大時，其弧度值與正弦值約略相同，即sinφ’=φ’：
xc=R([Vm/U-1]φ'=SZ/2
∴φ'=SZ/[2R(1-Vm/U)] 5.12
因此高度yc為：
yc=-R[1-cos{SZ/[2R(1-Vm/U)]}] 5.13
5.11.6 刀刃之後角
刀刃在切土過程中，刀刃之軌跡曲線與刀背的夾角ε稱為刀刃後角(圖5.16)。圖中CH為平行於迴轉耕耘機前進方向的斷面與刀刃相切的線。後角的作用是使刀片能在切土時有較好的入土角度，以避免刀背推擠未切的土壤。為此必須使CH之軌跡在刀刃H點之軌跡以內；刀刃初入土時ε值應在很小的角度下入土，以減少阻力。因此刀刃在受到土壤阻力最大的位置時，調整後角的度數可以減少功率消耗。刀齒在完成切土後，後角變為較大以利向後拋土。後角的大小是由刀背的結構參數與刀刃運動軌跡決定。
圖5.16刀刃之後角在設計迴轉耕耘機時，刀刃的工作參數會相互影響的。在一般情況下，可先確定SZ、h等數值，再根據曳引機的功率初步確定耕耘軸的轉速範圍，然後再計算確定刀齒的數目和機器的前進速度。
5.11.7 耕耘刀之種類 (圖5.17)
- (1)普通型：其正面切削刃口較寬。正面刃口與側面刃口均有切削作用。工作時靠近刀柄部分的刃口先與土壤接觸，後後依次遠離耕耘軸中心沿側面刃口滑移。當達刀刃側面與正面刃口彎折處時，未被側面刃口切斷的雜草轉移到正面刃口，壓向未耕地進行切削；並在回轉過程中向外運動，因此易於切斷或滑脫。這種刀刃對土壤的適應性強，故普遍在亞洲地區使用。
- (2)L型：為直角型刀刃，其正面及側面都有刃口，呈直線型，彎曲部分近於直角。工作時，正面刃口先與土壤接觸，然後依次到刀刃根部。由於莖桿雜草等可沿側刃滑移到接近回轉中心，因而易生纏草堵塞現象。但這種刀刃碎土能力較強，所需動力較大，適於旱田碎土用。
- (3)C型：或稱鑿形刀，其刀刃之正面為較窄的鑿形刃口，產生刺切作用。相鄰兩刀刃間距大於正面刃口之寬度，所有土方兩側主要以撕裂方式與土地分離開來。其入土性能較好，所需動力小，主要用於板結土壤的水田耕作。在潮濕粘重土壤中耕作時漏耕嚴重，易纏草堵塞。
圖5.17 刀刃類型 (a)普遍型 (b)L型 (c)C型5.11.8 刀刃口曲線之形狀
普通形刀刃口曲線(圖中之ED部份)與正面刃口曲線(Dn段)組成(圖5.18)。側面刃口曲線應滿足不纏草和耕耘阻力小的要求。設刃口曲線上任意點m處碰到莖桿時，設通過m點之運動軌跡線為aa，其切線為BB’，與刃口曲線之切線AA’相交，其交角為τ。若作用於莖桿之力N沿法線，則可得其分別在兩切線方向之分力為T與P。若T大於刀口對莖桿之磨擦力F時，將會沿刃口邊緣滑動，因而產生切斷及脫離的作用。故滑切條作為T>F：
圖5.18 普通刃(彎刀型)與滑切作用T=Ncotτ F=Ntanφ 5.14
∴cotτ>tanφ tan(90∘-τ)>tanφ
∴90∘-τ>φ ∴τ<90∘-φ 5.15
式中，φ為莖桿對刀刃之摩擦角。
一般彎刀型之刃口均採用阿基米德螺線，其方程式為：
R=R0(1+Kθ) 5.16
式中，R0為螺線之起始半徑，R為對應θ之半徑，K為常數。設i為AA’與om聯線的夾角，則依圖4.19之螺線關係，可說明如下：
圖5.19 側刃曲線夾角與螺線角度間之關係設：
θ2=θ0+θ θ1=i+θ2 ∴i=θ1-θ2
tani=tan(θ1-θ2)=[tanθ1-tanθ2]/[1+tanθ1tanθ2] 5.17
由於 tanθ1=dy/dx ，將螺線改為直角座標表示，則：
x=R(θ)sinθ2
y=R(θ)cosθ2 5.18
tanθ1=dy/dx=[dy/dθ]/[dx/dθ]
=[R'sinθ2+Rcosθ2]/[R'cosθ2-Rsinθ2]
=[R'tanθ2+R]/[R'-Rtanθ2]
∴tani=[tanθ1-tanθ2} / [1+tanθ2tanθ1]=R/R' 5.19
將上式整理，角度i變為：
i = tan-1{[1+Kθ]/K} 5.20
顯然i角隨θ增加而變大；而τ則隨之減少，但此時之滑切作用反而增大。刀刃口曲線應使溝底橫向平整，以減少衝擊及動力消耗，同時對草桿具有切割之作用。為此，刃口曲線工作位置在縱垂面的投影應在刀刃最大半徑的圓周上。在水平面的投影為與側面刃口相交的斜線。側面刃口與正面刃口的交角γ大於90度。
5.11.9 刀刃的最大切削半徑，Rmax
刀刃之最大切削半徑與耕耕及傳動箱結構尺寸有關。若耕深增大，其切削半徑須增大，其切削扭矩亦隨之增加。因此，在滿足耕深要求和傳動箱結構尺寸允許下，應採用較小者。一般之最大切削半徑在240-250cm之間。
5.11.10 曲線之起始半徑R0
螺曲線所需之起始半徑R0可參考圖4.20。其值可由下式表示：
R0=sqrt(Rmax²+SZ²-2SZsqre(2Rmax.hmax-hmax)) 5.21
式中，hmax為最大設計耕深[cm]。
圖5.20 R0之確定5.11.11 正面刀刃幅寬
正面刀刃幅寬b之大小影響迴轉耕耘機之工作質量和功率消耗。若幅寬b增大，刀刃片數減少，間距因而加大，功率降低，但碎土品質較差。一般刀刃幅寬有46、50及55cm等三種。
5.11.12 最大中心包角
依據刀刃曲線及螺線之公式，可以求得θmax。其大小與側刃的滑切作用有關，並受刀刃長度之限制，一般之θmax值在26-45度之間。
5.11.13 耕耘刀的配置
為使耕耘刀作業時，避免發生漏耕及堵塞的問題，刀刃在耕耘軸上之排列需符合下列之需求(圖4.21)：
- (1) 同一回轉平面內，若配置兩把以上耕耘刀時，應維持相等的進給量，以達均勻碎土的效果，並維持溝底平整。
- (2) 在耕耘軸迴轉一週的過程中，耕耘軸每迴轉一個相等角度時，在同一相位角須是一把刀入土，以維持工作穩定性和耕耘軸負荷平均。
- (3) 相繼入土的刀片在耕耘軸上的軸向距離越大越好，以免發生堵塞。
- (4) 左彎和右彎刀刃應盡量交錯入土，使耕耘軸兩端軸承受之側壓力較為平衡。
圖5.21 耕耘爪之排列一般之耕耘爪之安排如圖5.21及5.22，但實際則採用螺旋形分佈，以符合上述之需求。
5.11.14 迴轉耕耘機之動力
耕耘機消耗的功率包括下列項目：
- 1. 刀爪切削土塊時消耗：此值不變化很大，開始打擊時功率消耗最大，至溝底時變到最小。平均約佔全部之42% 。
圖5.22 中央驅動式之耕耘爪配置- 2. 刀刃拋土時所耗功率：約佔40.5% 。
- 3. 耕耘作業時推動機組之功率：約佔6.8%。
- 4. 耕耘作業時各傳動部分之消耗：約佔10.7%。
P=2nπT/60 5.22
式中，T為耕耘軸扭矩[Nm]，軸轉速n [rpm]。
就土壤阻力方面，增大耕深會增大扭矩，因此耕耘動力也會增大。單位耕耘斷面積之軸扭矩稱為比扭矩，其值依耕探而不同(圖5.23)，在10cm處其值最小。但實際應用之耕深約為15cm。比扭矩可表示如下：
圖5.23 比扭矩與耕深間之關係ρ=T/[bh] 5.23
不同土壤之比扭矩如表5.3，由此可以得到所需之扭矩，並進而得到耕耘動力P。式中之b、h分別耕寬及耕深，各以[cm]表示。
表5.3 迴轉耕耘之比扭矩
土壤種類 比扭矩ρ[N.m/cm²]
---------------------------------
砂壤土 0.06-0.15
壤土 0.15-0.30
植壤土 0.30-0.40
---------------------------------
迴轉耕耘機多用在濕稻田的耕作，由兩個附有螺旋刀片的轉子所組成。迴轉耕耘機以碎土為主，不具翻轉功能。但作業迅速，通常不需二次耕。但所消耗的馬力特大。台灣地區由於一年兩至三作，整地的時間甚短，故代耕中心購置曳引機常以高馬力為主，是有原因的。
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