第一章耕地机械

第一章耕地机械引言第一节主要农业技术要求和农机具第二节耕层土壤的动力学特性第三节铧式犁的一般构造和工作原理第四节犁体曲面第五节犁的牵引阻力第六节铧式犁的总体配置第七节犁耕机组第八节牵引犁和半悬挂犁犁耕机组第九节旋耕机引言耕地是大田农业生产中最基本也是最重要的工作环节之一。其目的就是在传统的农业耕作栽培制度中通过深耕和翻扣土壤，把作物残茬、病虫害以及遭到破坏的表土层深翻，而使得到长时间恢复的低层土壤翻到地表，以利于消灭杂草和病虫害，改善作物的生长环境。目前所使用的耕地机械，由于其作业的工作原理不同类型主要分为三大类：铧式犁圆盘犁凿形犁铧式犁应用历史最长，技术最为成熟，作业范围最广，铧式犁是通过犁体曲面对土壤的切削、碎土和翻扣实现耕地作业的。视频圆盘犁是以球面圆盘作为工作部件的耕作机械，它依靠其重量强制入土，入土性能比铧式犁差，土壤摩擦力小，切断杂草能力强，可适用于开荒、粘重土壤作业，但翻垡及覆盖能力较弱，价格较高。视频凿形犁，又称深松犁。工作部件为一凿齿形深松铲，安装在机架后横梁上，凿形齿在土壤中利用挤压力破碎土壤，深松犁低层，没有翻垡能力。根据农业生产的不同要求、自然条件变化、动力配备情况等，铧式犁在形式上又派生出一些具有现代特征的新型犁：双向犁、栅条犁、调幅犁、滚子犁、高速犁等。视频圆盘犁和凿形犁在欧洲国家应用较多，在中国虽有应用，但量较少，本章重点介绍铧式犁的基本结构、工作原理、设计方法和理论分析等。本章除课堂教学外，尚有二个实验实习——类型和结构；悬挂犁的调整。一个课程设计——犁体曲面测绘。第一节主要农业技术要求和农机具一、农业技术要求二、少耕法三、耕作机具一、农业技术要求１．耕地作业耕深、覆盖、碎土２．整地作业旱地与水田整地作业的农业要求差别很大，应分别情况区别对待，基本的要求有：靶深、碎土等．二、少耕法少耕法是一种改变以犁耕为中心的耕作方法，可大大减少或完全免去耕耘作业，把作物种子直接播在前作茎秆覆盖的土壤中。这种耕作法，主要是为了和干旱、风蚀及水蚀作斗争。早在几百年前，我国东北地区应用扣、耕作法，特别是原垄种法，即为适应春寒的一种少耕法。50年代在苏联推广的马尔采夫耕作法，是采用无壁犁的深松耕作，也属于少耕法。60年代美国也发展了这一耕作法。70年代我国黑龙江省亦进行了深松耕作法的试验和推广；80年代我国南方水稻地区正进行着少耕法的试验和推广工作，并相应的研制了少耕法机械化配套农业机械。三、耕作机具１、播前耕作耕地作业：铧式犁、圆盘犁整地作业：圆盘耙、钉齿耙、水田耙、镇压器、驱动耙、耢等耕耙联合作业：悬耕机、耙耕机、回转锹２、播后耕作中耕培土作业：中耕机（水田旱地两类）、培土器施肥、开沟、筑埂等作业：中耕培土施肥机、筑埂机、开沟机等３、少耕法浅松或深松作业：深松（凿形）犁、通用耕作机（深松、浅松、除草播种、施肥、洒药等联合作业：联合种植机（深松、镇压、播种、施肥洒药等）。思考题1、铧式犁的基本构造和类型？2、主犁体的结构及各部件的功用？第二节耕层土壤的动力学特性一、耕层土壤的物理特性二、耕层土壤的动力特性一、耕层土壤的物理特性土壤的主要物理力学性质有以下几方面：（一）容重（二）湿度（又称含水量）二、耕层土壤的动力特性（一）土壤与金属间的摩擦系数（二）土壤的坚实度（又称贯入阻力）（三）土壤的凝聚力和附着力（四）土壤的抗剪强度（五）犁耕土壤比阻（一）土壤与金属间的摩擦系数为克服在耕作机械工作部件工作表面上产生的土壤与金属间的摩擦力，大约消耗拖拉机牵引功率的一半。摩擦力F通常按下列公式计算：F＝fN式中f—摩擦系数；N—正压力。（二）土壤的坚实度（又称贯入阻力）当压缩非密实土壤时，使其压痕的容积为1厘米3时所需的力称为单位压实力q0（公斤／厘米3）。当以一定断面形状（圆形、锥形等）的柱塞压入土壤，其压陷深度为h0时，作用在土壤上的平均压力称为土壤的坚实度p0p0＝q0h0（kg／cm2）（三）土壤的凝聚力和附着力土壤同金属接触面之间的附着力，几乎完全是因水膜的表面张力所造成的。因此，附着力也与土壤质地、含水量、接触面的材料和光洁度等因素有关。土壤沿着耕地机械工作表面的滑移阻力T=F+F′=μN+μ′N′A′式中μ—土壤对钢的摩擦系数N—作用在工作表面上的法向载荷μ′—附着系数N′—由水膜吸附作用而产生的法向载荷A′—吸附水膜的面积当摩擦力和附着力大于土壤凝聚力和内摩擦力时，农具的工作表面就会粘土。工作部件表面粘土，不但会使耕作质量变坏，而且会增加牵引阻力。（四）土壤的抗剪强度耕层土壤在耕作机械工作部件（如犁体、中耕铲等）作用下，往往出现剪切破坏，其剪应力大致服从库伦定律：ι=c+σtgρ式中ι—剪应力（kN/cm2）σ—剪切面上的法向压应力（正应力）；c—单位粘结力（kN/cm2），是同类粒子间相互结合在一起的作用力；tgρ—土壤与土壤之间的摩擦系数，又称土壤的内摩擦系数；ρ—土壤的内摩擦角。（五）犁耕土壤比阻为判别耕层土壤耕作难易程度，常常采用犁耕土壤比阻Kt，kN／cm2或kPa。但Kt值大小不仅和土壤的物理性质有关，而且很大程度取决于犁的结构（犁体曲面和小前犁曲面几何参数和形状，犁铧锐钝程度，犁重以及是否有犁刀等）和耕速。一般可采用空间测力或单犁体的线性测力，测得与前进方向相反的犁耕阻力分量Rx，在此测力犁上一般不装犁侧板，所以Rx是有效阻力。则犁耕的有效土壤比阻abRKxt'式中a—测力犁的耕深b—测力犁的单铧幅宽思考题1、犁体曲面的主要类型？2、理想土垡翻转的假设条件？3、土垡宽深比的概念？它对工作质量有何影响？第三节铧式犁的一般构造和工作原理一、铧式犁的类型二、铧式犁的基本构造三、铧式犁的翻垡原理一、铧式犁的类型（一）、铧式犁的类型牵引式——运输状态下，机具的重量全部由机具本身来承担。悬挂式——运输状态下，机具的重量全部由拖拉机来承担。半悬挂犁——运输状态下，机具的重量前部分由拖拉机承担，后半部分由机具承担。铧式犁的工作特点铧式犁的类型与特点—视频（二）、铧式犁的基本构造机架牵引悬挂装置行走限深装置主犁体组成：犁架、主犁体、耕深调节装置、支撑行走装置、牵引悬挂装置等。主犁体为铧式犁的核心工作部件。（三）、铧式犁的翻垡原理一矩形土垡的翻转过程二矩形土垡宽深比K的确定三菱形土垡的翻转过程四窜垡过程一矩形土垡的翻转过程理想土垡的翻转过程：a1、土垡块在翻转过程中始终保持矩形断面；2、始终有一个棱角与沟底相接触，既只有滚动而无滑动。——理想土垡的翻转因为土垡在翻转过程中是要变形的，为了研究的方便，我们作了如下假设：土垡翻转的目的是为了彻底的翻扣地表杂草和病虫害，实现土垡的稳定铺放既彻底翻扣（不要出现回垡现象）是犁体曲面工作和设计时的关键所在。是否回垡主要取决于曲面的形状，或者说是取决于曲面的设计参数。ab二矩形土垡宽深比K的确定我们观察这样一种现象：设土垡断面深度为a，宽度为b1、b2、b3，在翻转到某个时刻为土垡的临界状态。回垡临界稳定铺放b1ab2aab3当土垡翻转至最终位置时，如果支撑点在右侧，则可保证为稳定铺放，在正上方则为临界状态（不稳定状态），在左侧可产生回垡现象。很显然，在耕深不变的情况下，耕宽的改变可对土垡的稳定铺放产生重要的影响。通过正确的确定土垡的尺寸，决定犁体曲面的大小和形状，以保证土垡的稳定铺放。我们以临界状态为研究对象，确定土垡翻转过程中不产生回垡的基本条件，为犁体曲面的设计提供依据。∵△ABC∽△ADE故有对应边成比例，并设b/a=k，则导出：AB/AC=AE/DEbaAB22AC=b，AE=b，ED=ak4-k2-1=0k≈1.27baABCDEb我们称b/a=k为理想土垡的宽深比。实际上土壤是不均质的，土垡在翻转过程中是要变形的，有的变形很严重，含水率高的粘重土壤变形较小，k≥1、27，对沙质土，土壤很难成形，犁体通过后立刻堆积，k≤1、27，一般k=1。三菱形土垡的翻转过程菱形犁体的胫刃向未耕地凸出，沟墙呈圆弧状，耕翻的土垡断面近似为菱形（图2－44a）。这种犁的特点是可以缩短犁体之间的纵向距离，犁沟较宽，阻力较小。耕地时菱形土垡始终绕一个棱角翻转。直至土垡顶边和前趟已翻土垡的底边相靠贴（图2－44c）。土垡翻转至直立位置以前，其重心即已偏离支承点（向已耕地偏离），有利于稳定铺放。四窜垡过程土垡在“窜垡型”犁体曲面上的运动过程与前述滚垡过程不同。如图2—45所示，当土垡被犁体的铧刃和胫刃切开后，不是绕某一棱角滚翻，而是沿着得体曲面向上窜升，同时略有扭转和侧移。当土垡上窜到一定高度后，扭转和弯曲加大，并腾空翻转。土垡离开犁壁后，在重力和落地后的撞击作用下，土垡内的剪切裂纹发生断裂，并形成较短的垡块，称为断条。第四节犁体曲面一、三面楔的工作原理二、犁体曲面的形成原理三、高速犁体曲面一、三面楔的工作原理犁体曲面是由犁铧和犁壁所形成的曲面。犁体的切土、碎土和翻土作用都是由犁体曲面来完成的。可以把犁体曲面简化成由几个简单的两面楔（工作面和支承面）复合成的一个三面楔。犁体的工作过程可以看成几个二面楔沿水平面运动时对土壤的合成作用。由于楔子在土壤中的安放位置不同，它对土壤的作用也不同。图2－46中的a、b和c分别表示两面楔的起土、侧向推土和翻土作用。二、犁体曲面的形成原理（一）水平直元线法形成犁面的原理（二）倾斜直元线法形成犁体曲面的原理（三）曲元线法形成犁体曲面的原理三、高速犁体曲面（一）发展高速犁的必要性提高耕作机组生产率的主要途径有两方面，即增加机具的工作幅宽或提高机组的耕作速度。在拖拉机功率相同的条件下，增加耕速比加大耕作幅宽更为有利。因提高耕速后，可采用耕幅较窄的犁，从而降低金属耗量，减小购置费用，同时可采用轻型的轮式拖拉机。这样不但可减小轮胎下陷量，降低胎轮的滚动阻力，减小胎轮对耕层土壤的压实和破坏程度，而且还可提高机组对不平地面的适应性，改善机组的机动性。犁耕速度是不断提高的。50年代一般耕速为4－6km／h，60年代提高到7－9km／h，目前高速犁的耕速为8－10km／h，有的可达12km／h。近几十年，大约每10年可提高耕速3km／h。因些，高速型犁体曲面的研究工作，已引起国外的普遍重视。（二）高速型犁体曲面的基本要求常速犁（耕速在7km／h以下）用于高速作业时，往往会使作业摄影师降低，如土壤抛掷过远，犁沟太宽，还会导致阻力陡增。耕速与牵引阻力有以下关系：式中Pv－在耕速v（km／h）时的牵引阻力（kN）；P－在耕速为4.83km／h时的牵引阻力（kN）；V－犁耕速度（km／h）。2007.083.0vppv（三）高速型犁面的特点高速型犁体可以从常速的熟地型（碎土型）、通用型和翻垡犁体通过试验和个性设计出来，使之适应高速作业。高速型犁体曲面的基本特点是：犁体较长，铧刃角较小，纵剖和横剖曲线族较为平坦，犁翼部分后掠和扭曲较大。这样，可使土壤的垂直与侧向分速不致比常速增大过多，并改善翻垡性能。此外，犁体的最大高度也略高于常速犁，使土垡不致在高速时飞越项边线。第五节犁的牵引阻力一、土壤对犁体曲面的反作用力二、犁的牵引阻力三、减少牵引阻力的途径一、土壤对犁体曲面的反作用力土壤施加于犁体曲面上各部位的反作用力，其大小和方向是随犁体曲面的部位而变化的。由于土垡在犁体曲面上的运动方向在不断改变，因而曲面各处所产生的摩擦力的大小和方向也各不相同。因此要想求出犁体曲面上的受力分布情况，无论是用计算方法或是用实验方法都有一定的困难。但是土壤对犁体曲面上的反作用力又极为重要，不仅在设计犁时作为零件强度计算和总体受力平衡的依据，而且在使用犁时也是操作调节的依据。目前，对犁体曲面受力情况主要从两个方面研究：一是求整个犁体曲面上总的受力情况，找出它的合力的大小、方向及其作用线，以便进行犁柱及犁梁的强度校核和犁的牵引平衡；二是探求犁体曲面各部位所受土壤反力的分布情况，用来确定犁壁和犁铧的磨损部位。这两方面的研究，目前都是用实验方法进行测定。前者采用六分力测定法，后者常采用电阻应变仪测定。二、犁的牵引阻力犁的牵引阻力是指土壤作用在犁上的总阻力沿前进方向的水平分力。这部分阻力直接关系到