农业机械学 第二章

第二章土壤耕作机械Soiltillagemachine一、概述二、耕层土壤的物理学性质三、铧式犁的构造与原理四、旋耕机的构造与原理第二章土壤耕作机械Soiltillagemachine1、目的2、耕作方法3、对耕作机械的农业技术要求4、耕作机械的类型一、概述1、目的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底层土壤翻到地表，以利于消灭杂草和病虫害，改善作物的生长环境。2、耕作方法常规耕作法，即精耕细作法即在作物生产过程由机械耕翻、耙压和中耕等组成的土壤耕作体系。少耕在常规耕作基础上减少土壤耕作次数和强度的一种保护性土壤耕作体系。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进行过少耕法的试验和推广工作，并研制了与其配套的农机具。2、耕作方法免耕即免除土壤耕作、利用免耕播种机在作物残茬地表直接进行播种，或对作物秸秆和残茬进行处理后直接播种的一种耕作方式。保水耕即对土壤表层进行疏松、浅耕、防止或减少土壤水分蒸发的一类保户性耕作体系。联合耕作法即作业机在同一种工作状态下或通过更换某种工作部件一次完成深松、施肥、灭茬、覆盖、起垄、播种、施药等作业的耕作方式。良好的翻土和覆盖性能良好的碎土性能耕深应均匀一致避免重耕、漏耕满足畦作要求3、对耕作机械的农业技术要求4、耕作机械的类型整地机械耕地机械铧式犁圆盘犁深松机牵引型驱动型圆盘耙齿耙滚耙水田耙等旋耕机驱动船机耕船秸秆还田机等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。4、耕作机械的类型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。4、耕作机械的类型圆盘犁工作过程4、耕作机械的类型凿形犁，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，深松犁底层，没有翻垡能力。4、耕作机械的类型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。4、耕作机械的类型4、耕作机械的类型4、耕作机械的类型滚子犁4、耕作机械的类型特点：制作特别容易，换向方便，只要改变犁体与机器前进方向的夹角即可。4、耕作机械的类型悬挂圆盘耙牵引圆盘耙4、耕作机械的类型镇压型弹齿耙4、耕作机械的类型滚耙4、耕作机械的类型旋耕机系列——卧式旋耕机和立式旋耕机4、耕作机械的类型二、耕层土壤的物理学性质1、耕层土壤的物理特性2、耕层土壤的动力特性影响：W↑，土垡难破碎，耕地阻力↑W↓，土垡成条，不易破碎，阻力↑。旱地适于耕作的湿度为40～60%。1、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：容重湿度（又称含水量）绝对湿度：相对湿度：''100%qqWq0100%nq’——烘干后土壤重量；q——自然状态下土壤重量W——土壤相对湿度Wn——田间持水量2、耕层土壤的动力特性1）土壤与金属间的摩擦系数2）土壤的坚实度（又称贯入阻力）3）土壤强度4）土壤的抗剪强度5）土壤的凝聚力和附着力6）犁耕土壤比阻1）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，大约要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。2）土壤坚实度/贯入阻力当压缩非密实土壤时，使其压痕的容积为1cm3时所需的力称为单位压实力q0（kgf／cm3）。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（kgf／cm2）Bekker模型：()ncKPKZbP——土壤坚实度b——土壤平板宽度Kφ——土壤内摩擦变形模量Kc——土壤内聚力变形模量Z——土壤下陷深度n——土壤变形指数3）土壤强度定义在特定条件下抵抗外力作用的能力。影响因素：土壤成分、质地、环境条件。Micklethwaite把土壤强度与机具附着力联系起来，用摩尔—库仑定律建立了拖拉机附着力的模型：tanPFcG当F、G一定时，车辆的附着力与土壤强度成正比。Pφ——土壤对车辆的最大附着力F——土壤黏结力c——车轮的接地面积φ——土壤的内摩擦角G——法向载荷4）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：tanic式中τ—剪应力；σ—剪切面上的法向压应力(正应力)；c—单位粘结力，是同类粒子间相互结合在一起的作用力；tgφ—土壤与土壤之间的摩擦系数，又称土壤的内摩擦系数；φ—土壤的内摩擦角。一般来说，土壤抗剪强度与土壤颗粒大小的分布、土壤密度、湿度有关。5）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′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。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′——吸附水膜的面积式中5）土壤的凝聚力和附着力降阻减黏的技术和方法——冲注气体或液体——振动法——电渗法（即增加土壤与触土部件表面间的水膜厚度）——表面改性（改变触土部件工作表面材料的性质）——表面改形（减少与土壤实际接触面积，使界面水膜不连续或形成应力集中以降低黏附阻力）——仿生法/（改变触土部件表面仿生改性涂层）6）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—测力犁的单铧幅宽三、铧式犁的构造与原理1、铧式犁的种类及特点2、铧式犁的主要部件3、铧式犁的翻垡原理4、铧式犁的挂结与结构5、特种犁组成:牵引杆、犁架、犁体、机械或液压升降机构、调节机构、行走轮、安全装置等部件组成。特点：与拖拉机单点挂接，拖拉机只对犁有牵引作用，重量由本身的轮子承受。牵引犁1、铧式犁的种类和特点特点：通过悬挂架与拖拉机的三点悬挂机构连接，由拖拉机的液压机构控制升降，运输时，全部重量由拖拉机承受；结构紧凑、重量轻、机动性好。悬挂犁1、铧式犁的种类和特点组成：牵引架、铧式犁、地轮/犁轮等组成组成：犁体、圆犁刀、犁架、悬挂装置和限深轮等组成。如图２－５所示：1、铧式犁的种类和特点特点：结构简单，耕作适应范围较大，作业质量好，地表平整，碎土、覆性能好，墒沟小等特点。1、铧式犁的种类和特点组成：犁架、悬挂架、犁体、地轮、尾轮等组成。半悬挂犁特点：所配犁体较宽，纵向长度大，纵向操纵稳定性好，有承重轮，比牵引犁机构简单、重量轻、机动灵活；比悬挂犁配置更多犁体，稳定性、操向性好。1、铧式犁的种类和特点2、铧式犁的主要部件1.犁体组成：犁铧、犁壁、犁侧板、犁柱、犁托、滑草板、延长板等。功用：切土、破碎、翻转土壤，从而达到覆盖杂草、残茬和疏松土壤的目的。铧式犁的主要部件有犁体、小前犁、犁刀、犁架等。（1）犁铧作用：入土、切土常见形式：凿形铧、梯形铧、三角形犁铧；2、铧式犁的主要部件2、铧式犁的主要部件不同犁铧的特点：形式特点凿形犁铧分为铧尖、铧翼、铧刃、铧面等部分。铧尖呈凿形，向下延伸5-10mm（？），工作时铧尖首先入土，然后铧刃水平入土，土垡沿铧面上升到犁壁。凿形铧入土容易，工作稳定，可用于较黏重土壤。梯形犁铧铧刃为一直线，整个外形成梯形。较凿形铧入土性较差，铧尖易磨损，但结构简单、容易制造。三角形犁铧一般呈等腰三角形，有两个对称的铧刀，主要用在畜力犁上，缺点：耕后沟底面成波浪状、沟底不平。2、铧式犁的主要部件犁铧材料：犁铧的材料一般采用坚硬、耐磨，具有较高强度和韧性的材料，如65Mn钢或65SiMn稀土钢，刃口部分必须进行热处理。（2）犁壁作用：与犁铧一起构成犁体曲面，用来翻转、破碎土壤。形式：整体式、组合式、栅条式工作原理：犁壁和犁铧前缘构成犁胫，在犁体工作时切出侧面犁沟墙的垂直切土刃；胫刃线呈曲线或外凸曲线（利于沟墙稳定），犁壁的不同形状可达到滚、翻、碎、窜等不同的翻土效果。材料及工艺：冲压工艺，常用65Mn钢或低碳钢经渗氮处理。为便于更换，常用组合式犁壁。2、铧式犁的主要部件（3）犁侧板位于犁铧后上方，受侧向力和部分垂直压力，常用平板式犁侧板，也用刀形的，后端与犁沟接触，受力较大，易磨损，有的安装了可更换的犁踵。安装犁侧板时，与沟底和沟壁成一定的角度，从而使只有犁尖和犁踵接地，增加了铧刃对沟底及犁胫对沟墙的压力，从而使犁工作时始终有一种增大耕深和耕宽的趋势，这样，犁侧板起到了稳定耕宽和耕深的作用。两个安装角由犁体的水平间隙和垂直间隙来保证。材料及工艺：犁侧板要求耐磨、强度高，一般采用锰钢或45钢经热处理而成。犁踵也可用白口铸铁制造。2、铧式犁的主要部件（4）犁托犁托为一联结件，犁铧、犁壁、犁侧板、犁柱通过犁托联成一体，起承托和传力作用，可以用钢板冲压而成，也可以焊接或铸造。有些犁托与犁柱造成一体。（5）犁柱用来将犁体固定在犁架上，并将动力由犁架传给犁体，带动犁体工作。犁柱可以是空心圆或椭圆直犁柱，也可以是实心扁钢圆犁柱。空心犁柱一般用球墨铸铁或铸钢制成，重量较轻、强度较好，安装简便。2、铧式犁的主要部件2.小前犁位于主犁体的左前方，将土垡上层部分土壤、杂草耕起，并先于主垡片的翻转落入沟底面进而改善主犁体的翻垡覆盖质量。在杂草较少或土壤较松时也可不用小前犁。主要有铧式、切角式和圆盘式三种结构形式。2、铧式犁的主要部件3.犁刀装在主犁体和小前犁的前方，用来沿垂直方向切开土壤，减少主犁体的切土阻力和磨损，防止犁沟墙塌落。有圆犁刀和直犁刀两种，直犁刀工作阻力较大，适用于特种犁；圆犁刀切土阻力小，不易挂草或堵塞，应用较广。2、铧式犁的主要部件4.犁架用来直接或间接的安装犁其它零部件，强度大；常用空心矩形管焊接而成。2、铧式犁的主要部件5.安全装置安全装置为防止犁损害而设置的超载保护装置。有单体式和整体式两类，整体式装在整台犁的牵引装置上，而单体式则装在每个犁单体上。（1）摩擦销式安全装置（2）单体式犁体安全装置。2、铧式犁的主要部件单体式犁体安全装置3、铧式犁犁体工作过程和土垡宽深比的翻垡原理1.三面楔原理:两面楔从三个不同的位置切入土壤时，分别对土壤起到起土、侧向推土和翻土地作用；如图所示：铧犁则相当于一个偏斜放置的两面楔，如图d，楔角为β，楔刃与前进方向偏一斜角θ，形成三面楔，同时起到起土、侧向推土和翻土作用。两面楔和三面楔队土壤的作用A）两面楔起土b)两面楔侧向推土c)两面楔翻土d)两面楔对土垡的作用从工作过程来看，可以认为α为载荷角，γ为切土角，θ为犁铧安装角，由于tan,tanOCOBOAOC所以tantantanOBOBOCOAOCOA3、铧式犁犁体工作过程和土垡宽深比的翻垡原理说明了什么问题？2.翻筏原理:（1）滚垡滚垡就是假设土垡在被翻转过程中只有纯粹的翻转而没有侧移。如图2-18所示，可分为三个阶段：（a）切土：铧刃与胫刃分别沿水平面和垂直面切出土垡的地面和左侧面，其耕宽为b,耕