農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)-土壤耕作機(jī)械

1、第二章 土壤耕作機(jī)械Soil tillage machine,一、概述二、耕層土壤的物理學(xué)性質(zhì)三、鏵式犁的構(gòu)造與原理四、旋耕機(jī)的構(gòu)造與原理,第二章 土壤耕作機(jī)械Soil tillage machine,1、目的2、耕作方法3、對(duì)耕作機(jī)械的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求4、耕作機(jī)械的類型,一、概述,1、目的,耕地是大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基本也是最重要的工作環(huán)節(jié)之一。其目的就是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作栽培制度中通過深耕和翻扣土壤，把作物殘茬、病蟲害以及遭到破

2、壞的表土層深翻，而使得到長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)的底層土壤翻到地表，以利于消滅雜草和病蟲害，改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境。,2、耕作方法,常規(guī)耕作法，即精耕細(xì)作法 即在作物生產(chǎn)過程由機(jī)械耕翻、耙壓和中耕等組成的土壤耕作體系。少耕 在常規(guī)耕作基礎(chǔ)上減少土壤耕作次數(shù)和強(qiáng)度的一種保護(hù)性土壤耕作體系。50年代在蘇聯(lián)推廣的馬爾采夫耕作法，是采用無壁犁的深松耕作，也屬于少耕法。60年代美國(guó)也發(fā)展了這一耕作法。70年代我國(guó)黑龍江省亦進(jìn)行了深松耕作法的試驗(yàn)和

3、推廣；80年代我國(guó)南方水稻地區(qū)進(jìn)行過少耕法的試驗(yàn)和推廣工作，并研制了與其配套的農(nóng)機(jī)具。,2、耕作方法,免耕 即免除土壤耕作、利用免耕播種機(jī)在作物殘茬地表直接進(jìn)行播種，或?qū)ψ魑锝斩捄蜌埐邕M(jìn)行處理后直接播種的一種耕作方式。保水耕 即對(duì)土壤表層進(jìn)行疏松、淺耕、防止或減少土壤水分蒸發(fā)的一類保戶性耕作體系。聯(lián)合耕作法 即作業(yè)機(jī)在同一種工作狀態(tài)下或通過更換某種工作部件一次完成深松、施肥、滅茬、覆蓋、起壟、播種、施藥等作業(yè)

4、的耕作方式。,良好的翻土和覆蓋性能良好的碎土性能耕深應(yīng)均勻一致避免重耕、漏耕滿足畦作要求,3、對(duì)耕作機(jī)械的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求,4、耕作機(jī)械的類型,牽引型,驅(qū)動(dòng)型,,鏵式犁應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，技術(shù)最為成熟，作業(yè)范圍最廣，鏵式犁是通過犁體曲面對(duì)土壤的切削、碎土和翻扣實(shí)現(xiàn)耕地作業(yè)的。,4、耕作機(jī)械的類型,圓盤犁是以球面圓盤作為工作部件的耕作機(jī)械，它依靠其重量強(qiáng)制入土，入土性能比鏵式犁差，土壤摩擦力小，切斷雜草能力強(qiáng)，可適用于開荒、粘重土壤作業(yè)，但

5、翻垡及覆蓋能力較弱，價(jià)格較高。,,4、耕作機(jī)械的類型,圓盤犁工作過程,4、耕作機(jī)械的類型,,鑿形犁，又稱深松犁。工作部件為一鑿齒形深松鏟，安裝在機(jī)架后橫梁上，鑿形齒在土壤中利用擠壓力破碎土壤，深松犁底層，沒有翻垡能力。,4、耕作機(jī)械的類型,根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不同要求、自然條件變化、動(dòng)力配備情況等，鏵式犁在形式上又派生出一些具有現(xiàn)代特征的新型犁：雙向犁、柵條犁、調(diào)幅犁、滾子犁、高速犁等。,,4、耕作機(jī)械的類型,4、耕作機(jī)械的類型,4、耕作機(jī)械

6、的類型,滾子犁,4、耕作機(jī)械的類型,特點(diǎn)： 制作特別容易，換向方便，只要改變犁體與機(jī)器前進(jìn)方向的夾角即可。,4、耕作機(jī)械的類型,懸掛圓盤耙,牽引圓盤耙,4、耕作機(jī)械的類型,鎮(zhèn)壓型彈齒耙,4、耕作機(jī)械的類型,滾耙,4、耕作機(jī)械的類型,旋耕機(jī)系列——臥式旋耕機(jī)和立式旋耕機(jī),4、耕作機(jī)械的類型,二、耕層土壤的物理學(xué)性質(zhì),1、耕層土壤的物理特性 2、耕層土壤的動(dòng)力特性,影響：W↑，土垡難破碎，耕地阻力↑W↓，土垡成條，不易破碎，阻

7、力↑。旱地適于耕作的濕度為40～60%。,1、耕層土壤的物理特性,土壤的主要物理力學(xué)性質(zhì)有以下幾方面：容重濕度（又稱含水量） 絕對(duì)濕度： 相對(duì)濕度：,,q’——烘干后土壤重量；q——自然狀態(tài)下土壤重量,W——土壤相對(duì)濕度Wn——田間持水量,2、耕層土壤的動(dòng)力特性,1）土壤與金屬間的摩擦系數(shù)2）土壤的堅(jiān)實(shí)度（又稱貫入阻力）3）土壤強(qiáng)度4）土壤的抗剪強(qiáng)度5）土壤的凝聚力和附著力6）犁耕土壤比阻,1

8、）土壤與金屬間的摩擦系數(shù),為克服在耕作機(jī)械工作部件工作表面上產(chǎn)生的土壤與金屬間的摩擦力，大約要消耗拖拉機(jī)牽引功率的一半。 摩擦力F通常按下列公式計(jì)算： 　　　F＝fN 式中 　f—摩擦系數(shù)；　 　 N—正壓力。,2）土壤堅(jiān)實(shí)度/貫入阻力,當(dāng)壓縮非密實(shí)土壤時(shí)，使其壓痕的容積為1cm3時(shí)所需的力稱為單位壓實(shí)力q0（kgf／cm3）。當(dāng)以一定斷面形狀（圓形、錐形等）的柱塞壓入土壤，其壓陷深度為h0時(shí)，作用在土壤上

9、的平均壓力稱為土壤的堅(jiān)實(shí)度p0　 p0＝q0 h0 （kgf／cm2） Bekker模型：,P——土壤堅(jiān)實(shí)度 b ——土壤平板寬度Kφ ——土壤內(nèi)摩擦變形模量 Kc ——土壤內(nèi)聚力變形模量 Z ——土壤下陷深度 n ——土壤變形指數(shù),3）土壤強(qiáng)度,定義 在特定條件下抵抗外力作用的能力。影響因素：土壤成分、質(zhì)地、環(huán)境條件。

10、Micklethwaite把土壤強(qiáng)度與機(jī)具附著力聯(lián)系起來，用摩爾—庫侖定律建立了拖拉機(jī)附著力的模型：,當(dāng)F、G一定時(shí)，車輛的附著力與土壤強(qiáng)度成正比。,Pφ——土壤對(duì)車輛的最大附著力 F——土壤黏結(jié)力c——車輪的接地面積 φ——土壤的內(nèi)摩擦角G——法向載荷,4）土壤的抗剪強(qiáng)度,耕層土壤在耕作機(jī)械工作部件（如犁體、中耕鏟等）作用下，往往出現(xiàn)剪切破壞，其剪應(yīng)力大致服從庫倫定律：,

11、式中 τ—剪應(yīng)力； σ—剪切面上的法向壓應(yīng)力(正應(yīng)力)； c —單位粘結(jié)力，是同類粒子間相互結(jié)合在一起的作用力；　 tgφ—土壤與土壤之間的摩擦系數(shù)，又稱土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)； φ—土壤的內(nèi)摩擦角。,一般來說，土壤抗剪強(qiáng)度與土壤顆粒大小的分布、土壤密度、濕度有關(guān)。,5）土壤的凝聚力和附著力,土壤同金屬接觸面之間的附著力，幾乎完全是因水膜的表面張力所造成的。因此，附著力也與土壤質(zhì)地、含水量、接

12、觸面的材料和光潔度等因素有關(guān)。土壤沿著耕地機(jī)械工作表面的滑移阻力 T=F+F′=μN(yùn)+μ′N′A′,當(dāng)摩擦力和附著力大于土壤凝聚力和內(nèi)摩擦力時(shí)，農(nóng)具的工作表面就會(huì)粘土。工作部件表面粘土，不但會(huì)使耕作質(zhì)量變壞，而且會(huì)增加牽引阻力。,5）土壤的凝聚力和附著力,降阻減黏的技術(shù)和方法 ——沖注氣體或液體——振動(dòng)法——電滲法（即增加土壤與觸土部件表面間的水膜厚度）——表面改性（改變觸土部件工作

13、表面材料的性質(zhì) ）——表面改形（減少與土壤實(shí)際接觸面積，使界面水膜不連續(xù)或形成應(yīng)力集中以降低黏附阻力 ）——仿生法 /（改變觸土部件表面仿生改性涂層）,6）犁耕土壤比阻,為判別耕層土壤耕作難易程度，常常采用犁耕土壤比阻Kt，kN／cm2或kPa。但Kt值大小不僅和土壤的物理性質(zhì)有關(guān)，而且很大程度取決于犁的結(jié)構(gòu)（犁體曲面和小前犁曲面幾何參數(shù)和形狀、犁鏵銳鈍程度、犁重以及是否有犁刀等）和耕速。一般可采用空間測(cè)力或單犁體的線性測(cè)力，測(cè)得與

14、前進(jìn)方向相反的犁耕阻力分量Rx，在此測(cè)力犁上一般不裝犁側(cè)板，所以Rx是有效阻力。則犁耕的有效土壤比阻,式中 a—測(cè)力犁的耕深　　　 b—測(cè)力犁的單鏵幅寬,三、鏵式犁的構(gòu)造與原理,1、鏵式犁的種類及特點(diǎn)2、鏵式犁的主要部件3、鏵式犁的翻垡原理4、鏵式犁的掛結(jié)與結(jié)構(gòu)5、特種犁,組成: 牽引桿、犁架、犁體、機(jī)械或液壓升降機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、行走輪、安全裝置等部件組成。,特點(diǎn)：與拖拉機(jī)單點(diǎn)掛接，拖拉機(jī)只對(duì)犁有牽引作用，重量由本

15、身的輪子承受。,牽引犁,1、鏵式犁的種類和特點(diǎn),特點(diǎn)： 通過懸掛架與拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)連接，由拖拉機(jī)的液壓機(jī)構(gòu)控制升降，運(yùn)輸時(shí)，全部重量由拖拉機(jī)承受；結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、機(jī)動(dòng)性好。,懸掛犁,1、鏵式犁的種類和特點(diǎn),組成：牽引架、鏵式犁、地輪/犁輪等組成,組成： 犁體、圓犁刀、犁架、懸掛裝置和限深輪等組成。如圖２－５所示：,1、鏵式犁的種類和特點(diǎn),特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耕作適應(yīng)范圍較大，作業(yè)質(zhì)量好，地表平整，碎土、

16、覆性能好，墑溝小等特點(diǎn)。,1、鏵式犁的種類和特點(diǎn),組成： 犁架、懸掛架、犁體、地輪、尾輪等組成。,半懸掛犁,特點(diǎn)： 所配犁體較寬，縱向長(zhǎng)度大，縱向操縱穩(wěn)定性好，有承重輪，比牽引犁機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活；比懸掛犁配置更多犁體，穩(wěn)定性、操向性好。,1、鏵式犁的種類和特點(diǎn),2、鏵式犁的主要部件,1.犁體組成： 犁鏵、犁壁、犁側(cè)板、犁柱、犁托、滑草板、延長(zhǎng)板等。,功用： 切土、破碎、翻轉(zhuǎn)土壤，從而達(dá)到

17、覆蓋雜草、殘茬和疏松土壤的目的。,鏵式犁的主要部件有犁體、小前犁、犁刀、犁架等。,（1）犁鏵 作用：入土、切土 常見形式：鑿形鏵、梯形鏵、三角形犁鏵；,2、鏵式犁的主要部件,2、鏵式犁的主要部件,不同犁鏵的特點(diǎn)：,2、鏵式犁的主要部件,犁鏵材料： 犁鏵的材料一般采用堅(jiān)硬、耐磨，具有較高強(qiáng)度和韌性的材料，如65Mn鋼或65SiMn稀土鋼，刃口部分必須進(jìn)行熱處理。,（2）犁壁 作用：與犁鏵一起構(gòu)成犁體曲面，用

18、來翻轉(zhuǎn)、破碎土壤。 形式：整體式、組合式、柵條式 工作原理：犁壁和犁鏵前緣構(gòu)成犁脛，在犁體工作時(shí)切出側(cè)面犁溝墻的垂直切土刃；脛刃線呈曲線或外凸曲線（利于溝墻穩(wěn)定），犁壁的不同形狀可達(dá)到滾、翻、碎、竄等不同的翻土效果。材料及工藝：沖壓工藝，常用65Mn鋼或低碳鋼經(jīng)滲氮處理。為便于更換，常用組合式犁壁。,2、鏵式犁的主要部件,（3）犁側(cè)板 位于犁鏵后上方，受側(cè)向力和部分垂直壓力，常用平板式犁側(cè)板，也用刀形的，后端與犁溝接觸

19、，受力較大，易磨損，有的安裝了可更換的犁踵。安裝犁側(cè)板時(shí)，與溝底和溝壁成一定的角度，從而使只有犁尖和犁踵接地，增加了鏵刃對(duì)溝底及犁脛對(duì)溝墻的壓力，從而使犁工作時(shí)始終有一種增大耕深和耕寬的趨勢(shì)，這樣，犁側(cè)板起到了穩(wěn)定耕寬和耕深的作用。兩個(gè)安裝角由犁體的水平間隙和垂直間隙來保證。 材料及工藝：犁側(cè)板要求耐磨、強(qiáng)度高，一般采用錳鋼或45鋼經(jīng)熱處理而成。犁踵也可用白口鑄鐵制造。,2、鏵式犁的主要部件,（4）犁托 犁托為一聯(lián)結(jié)件，犁

20、鏵、犁壁、犁側(cè)板、犁柱通過犁托聯(lián)成一體，起承托和傳力作用，可以用鋼板沖壓而成，也可以焊接或鑄造。有些犁托與犁柱造成一體。,（5）犁柱 用來將犁體固定在犁架上，并將動(dòng)力由犁架傳給犁體，帶動(dòng)犁體工作。犁柱可以是空心圓或橢圓直犁柱，也可以是實(shí)心扁鋼圓犁柱?？招睦缰话阌们蚰T鐵或鑄鋼制成，重量較輕、強(qiáng)度較好，安裝簡(jiǎn)便。,2、鏵式犁的主要部件,2.小前犁 位于主犁體的左前方，將土垡上層部分土壤、雜草耕起，并先于主垡片的翻轉(zhuǎn)

21、落入溝底面進(jìn)而改善主犁體的翻垡覆蓋質(zhì)量。在雜草較少或土壤較松時(shí)也可不用小前犁。主要有鏵式、切角式和圓盤式三種結(jié)構(gòu)形式。,2、鏵式犁的主要部件,3.犁刀 裝在主犁體和小前犁的前方，用來沿垂直方向切開土壤，減少主犁體的切土阻力和磨損，防止犁溝墻塌落。有圓犁刀和直犁刀兩種，直犁刀工作阻力較大，適用于特種犁；圓犁刀切土阻力小，不易掛草或堵塞，應(yīng)用較廣。,2、鏵式犁的主要部件,4.犁架 用來直接或間接的安裝犁其它零部件，強(qiáng)度大；

22、常用空心矩形管焊接而成。,2、鏵式犁的主要部件,5.安全裝置 安全裝置為防止犁損害而設(shè)置的超載保護(hù)裝置。有單體式和整體式兩類，整體式裝在整臺(tái)犁的牽引裝置上，而單體式則裝在每個(gè)犁單體上。（1）摩擦銷式安全裝置（2）單體式犁體安全裝置。,2、鏵式犁的主要部件,單體式犁體安全裝置,3、鏵式犁犁體工作過程和土垡寬深比的翻垡原理,1.三面楔原理: 兩面楔從三個(gè)不同的位置切入土壤時(shí)，分別對(duì)土壤起到起土、側(cè)向推土和翻土地作用；如圖

23、所示： 鏵犁則相當(dāng)于一個(gè)偏斜放置的兩面楔，如圖d，楔角為β，楔刃 與前進(jìn)方向偏一斜角θ，形成三面楔，同時(shí)起到起土、側(cè)向推土和翻土作用。,兩面楔和三面楔隊(duì)土壤的作用A）兩面楔起土 b)兩面楔側(cè)向推土c)兩面楔翻土 d)兩面楔對(duì)土垡的作用,從工作過程來看，可以認(rèn)為α為載荷角，γ為切土角，θ為犁鏵安裝角，由于,所以,3、鏵式犁犁體工作過程和土垡寬深比的翻垡原理,說明了什么問題？,2.翻筏原理: （1）滾垡 滾垡就是假設(shè)土垡在

24、被翻轉(zhuǎn)過程中只有純粹的翻轉(zhuǎn)而沒有側(cè)移。如圖2-18所示，可分為三個(gè)階段： （a）切土：鏵刃與脛刃分別沿水平面和垂直面切出土垡的地面和左側(cè)面，其耕寬為b,耕深為a。 （b）抬垡：被切出的土垡ABCD在鏵面和犁胸的作用下，左邊被抬升，繞右下角D點(diǎn)回轉(zhuǎn)。,3、鏵式犁犁體工作過程和土垡寬深比的翻垡原理,（c）翻垡：土垡在回轉(zhuǎn)過程中，通過直立狀態(tài)，然后在犁翼作用下繼續(xù)繞點(diǎn)D’回轉(zhuǎn)，最后靠在前一行程的土垡上。滾垡的結(jié)果與土垡的寬深比k=b/a

25、有關(guān)。如圖2-19所示，土垡被翻轉(zhuǎn)后的重心應(yīng)落在支撐點(diǎn)的右方才得到穩(wěn)定（圖2-19a），如果落在左邊，則土垡在犁通過后又重新翻回犁溝中，成為回垡或立垡，影響翻耕質(zhì)量。,3、鏵式犁犁體工作過程和土垡寬深比的翻垡原理,,,移項(xiàng)整理，并令,則有,解此方程得,圖2-19b為土垡的不穩(wěn)定平很狀態(tài)（臨界狀態(tài)），土垡翻轉(zhuǎn)后是否穩(wěn)定，取決于a/b或δ，從圖2-19b中可以看出△DA’D’與△BCD為相似形，故有,3、鏵式犁犁體工作過程和土垡寬深比的

26、翻垡原理,(2)竄垡： 竄垡的方式工作時(shí)，土垡沿犁體曲面上竄一定高度后旋空扣翻，其過程也可以分為三個(gè)階段（圖2-20）,（a）切土：與滾垡過程相同。（b）竄垡：被切離的土垡沿犁體曲面向上抬升，同時(shí)在犁翼部轉(zhuǎn)移時(shí)被翻轉(zhuǎn)。（c）扣垡：由于土垡在懸空狀態(tài)下被翻轉(zhuǎn)，在重力作用下，土垡沿背面不斷撕裂成斷條落下，扣翻在前一行程的土垡。,3、鏵式犁犁體工作過程和土垡寬深比的翻垡原理,4、鏵式犁的掛結(jié)與結(jié)構(gòu),1.鏵式犁的掛結(jié)原則（1）牽

27、引犁：掛結(jié)原則 犁的掛結(jié)點(diǎn)必須在拖拉機(jī)的動(dòng)力中心和犁的阻力中心的連線上。 (2)懸掛犁：懸掛犁通常與拖拉機(jī)以三點(diǎn)懸掛組成機(jī)組，其掛結(jié)原則與牽引犁相同。有四種不同牽引狀態(tài)：（a）正牽引（b）斜牽引（c）偏牽引（d）偏斜牽引,2.鏵式犁的調(diào)整（1）耕深調(diào)整（2）耕寬調(diào)整（3）偏牽引調(diào)整（4）縱向水平調(diào)整（5）橫向水平調(diào)整,3.犁耕作業(yè)方法（1）內(nèi)翻法（閉壟法）（2）外翻法（開壟法）（3）套壟法,5、特種犁,2.圓盤犁 利

28、用球面圓盤進(jìn)行翻土碎土的耕地機(jī)具，前進(jìn)阻力小，不易纏草，圓盤刃口長(zhǎng)，耐磨性好；但重量大，耕深穩(wěn)定性和覆蓋性較差，造價(jià)高。,1.高速犁 與大功率拖拉機(jī)配套使用，耕速能超過7km/h。,4.翻轉(zhuǎn)犁 可實(shí)現(xiàn)雙向翻土，也稱雙向犁，國(guó)內(nèi)目前使用較多的是在犁架上下裝兩組不同方向的犁體，通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在往返行程中分別使用，達(dá)到相同一側(cè)翻土的目的。這種犁在國(guó)內(nèi)主要用在中型拖拉機(jī)上，犁體數(shù)為2到4對(duì)。主要優(yōu)點(diǎn)：耕后地表平整，沒有溝壑；在斜坡耕作

29、時(shí)，沿等高線向下翻土，還可以減少坡度。,5、特種犁,5.調(diào)幅犁 調(diào)幅犁能改變犁體組本身的總幅寬，以適應(yīng)土壤條件及耕作要求改變時(shí)對(duì)拖拉機(jī)牽引力要求的變化；具有提高拖拉機(jī)的工作效率降低油耗的優(yōu)點(diǎn)。,5、特種犁,調(diào)幅犁的基本原理如圖2-29所示：通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變犁的主梁與前進(jìn)方 向的夾角α就能改變犁間的重疊量。 α減小，重疊量增加，耕寬減少；α增大，重疊量減少，耕寬增加；當(dāng)主梁夾角α變化時(shí)，安裝在主梁上的犁體與主梁夾角也作相應(yīng)的同