Transcript 第二章土壤耕作机械
第二章 土壤耕作机械 Soil tillage machine 耿端阳 博士 联系方式：0533-2760314 13668641238 2015/4/13 EMAIL： [email protected] QQ: 530671341 轻工与农业工程学院 1 第二章 土壤耕作机械 Soil tillage machine 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 2015/4/13 轻工与农业工程学院 2 一、概述 1、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 2015/4/13 轻工与农业工程学院 3 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 4 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 5 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 6 3、对耕作机械的农业技术要求 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 2015/4/13 轻工与农业工程学院 7 4、耕作机械的类型 铧式犁 耕地机械 圆盘犁 深松机 牵引型 圆盘耙 齿耙 滚耙 水田耙等 整地机械 驱动型 2015/4/13 旋耕机 驱动船 机耕船 秸秆还田机等 轻工与农业工程学院 8 4、耕作机械的类型 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 9 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 10 4、耕作机械的类型 圆盘犁工作过程 2015/4/13 轻工与农业工程学院 11 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 12 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 13 4、耕作机械的类型 2015/4/13 轻工与农业工程学院 14 4、耕作机械的类型 2015/4/13 轻工与农业工程学院 15 4、耕作机械的类型 滚子犁 2015/4/13 轻工与农业工程学院 16 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 17 4、耕作机械的类型 牵 引 圆 盘 耙 悬 挂 圆 盘 耙 2015/4/13 轻工与农业工程学院 18 4、耕作机械的类型 镇 压 型 弹 齿 耙 2015/4/13 轻工与农业工程学院 19 4、耕作机械的类型 滚 耙 2015/4/13 轻工与农业工程学院 20 4、耕作机械的类型 旋耕机系列——卧式旋耕机和立式旋耕机 2015/4/13 轻工与农业工程学院 21 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 2015/4/13 轻工与农业工程学院 22 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： qq W ' 100% q ' q’——烘干后土壤重量； q——自然状态下土壤重量 W W0 100% Wn 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%。 2015/4/13 W——土壤相对湿度 Wn——田间持水量 轻工与农业工程学院 23 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 2015/4/13 轻工与农业工程学院 24 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 25 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p0 p0＝q0 h0 Bekker模型： （kgf／cm2） Kc n P ( K ) Z b P——土壤坚实度 Kφ ——土壤内摩擦变形模量 Z ——土壤下陷深度 2015/4/13 b ——土壤平板宽度 Kc ——土壤内聚力变形模量 n ——土壤变形指数 轻工与农业工程学院 26 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： P Fc G tan Pφ——土壤对车辆的最大附着力 c——车轮的接地面积 G——法向载荷 F——土壤黏结力 φ——土壤的内摩擦角 当F、G一定时，车辆的附着力与土壤强度成正比。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 27 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： c tan i 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 28 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 式中 T=F+F′=μN+μ′N′A′ μ——土壤对钢的摩擦系数 μ′——附着系数 A′——吸附水膜的面积 N——作用在工作表面上的法向载荷 N′——由水膜吸附作用而产生的法向载荷 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 29 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） 2015/4/13 轻工与农业工程学院 30 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 式中 2015/4/13 Rx K ab ' t a—测力犁的耕深 b—测力犁的单铧幅宽 轻工与农业工程学院 31 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 2015/4/13 轻工与农业工程学院 32 1、铧式犁的种类和特点 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 牵 引 犁 点挂接，拖拉机只 对犁有牵引作用， 重量由本身的轮子 承受。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 33 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 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 2015/4/13 轻工与农业工程学院 34 1、铧式犁的种类和特点 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： 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 35 1、铧式犁的种类和特点 2015/4/13 轻工与农业工程学院 36 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 37 2、铧式犁的主要部件 铧式犁的主要部件有犁体、小前犁、犁刀、犁架等。 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 38 2、铧式犁的主要部件 （1）犁铧 作用：入土、切土 常见形式：凿形铧、梯形铧、三角形犁铧； 2015/4/13 轻工与农业工程学院 39 2、铧式犁的主要部件 2015/4/13 轻工与农业工程学院 40 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 2015/4/13 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。 轻工与农业工程学院 41 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 42 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 43 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 44 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 45 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 46 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。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 47 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。 单体式犁体安全装置 2015/4/13 轻工与农业工程学院 48 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。 2015/4/13 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 轻工与农业工程学院 49 3、铧式犁犁体工作过 程和土垡宽深比的翻垡原理 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 OC OB tan , tan OA OC OB OB OC tan tan 所以 tan OA OC OA 说明了什么问题？ 2015/4/13 轻工与农业工程学院 50 3、铧式犁犁体工作过 程和土垡宽深比的翻垡原理 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,耕深为a。 （b）抬垡：被切出的土垡ABCD在铧面 和犁胸的作用下，左边被抬升，绕右下 角D点回转。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 51 3、铧式犁犁体工作过 程和土垡宽深比的翻垡原理 （c）翻垡：土垡在回转过程中，通过 直立状态，然后在犁翼作用下继续绕 点D’回转，最后靠在前一行程的土垡 上。滚垡的结果与土垡的宽深比k=b/a 有关。如图2-19所示，土垡被翻转后 的重心应落在支撑点的右方才得到稳 定（图2-19a），如果落在左边，则土 垡在犁通过后又重新翻回犁沟中，成 为回垡或立垡，影响翻耕质量。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 52 3、铧式犁犁体工作过 程和土垡宽深比的翻垡原理 图2-19b为土垡的不稳定平很状态（临界状态），土垡翻转后 是否稳定，取决于a/b或δ，从图2-19b中可以看出△DA’D’ 与△BCD为相似形，故有 a b 移项整理，并令 解此方程得 b a 2 b2 b k a k 1.27 则有 k 4 k 2 1 0 arcsin(a / b) 52 什么意思 2015/4/13 轻工与农业工程学院 53 3、铧式犁犁体工作过 程和土垡宽深比的翻垡原理 (2)窜垡： 窜垡的方式工作时，土垡沿犁体 曲面上窜一定高度后旋空扣翻，其过 程也可以分为三个阶段（图2-20） （a）切土：与滚垡过程相同。 （b）窜垡：被切离的土垡沿犁体曲 面向上抬升，同时在犁翼部转移时被 翻转。 （c）扣垡：由于土垡在悬空状态下 被翻转，在重力作用下，土垡沿背面 不断撕裂成断条落下，扣翻在前一行 程的土垡。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 54 4、铧式犁的挂结与结构 1.铧式犁的挂结原则 （1）牵引犁：挂结原则 犁的挂结点必须在拖拉机的动力 中心和犁的阻力中心的连线上。 (2)悬挂犁：悬挂犁通常与拖拉机以三点悬挂组成机组， 其挂结原则与牵引犁相同。有四种不同牵引状态： （a）正牵引（b）斜牵引（c）偏牵引（d）偏斜牵引 2.铧式犁的调整 （1）耕深调整（2）耕宽调整（3）偏牵引调整（4）纵向水 平调整（5）横向水平调整 3.犁耕作业方法 （1）内翻法（闭垄法）（2）外翻法（开垄法）（3）套垄法 2015/4/13 轻工与农业工程学院 55 5、特种犁 1.高速犁 与大功率拖拉机配套使用，耕速能超过7km/h。 2.圆盘犁 利用球面圆盘进行翻 土碎土的耕地机具，前进 阻力小，不易缠草，圆盘 刃口长，耐磨性好；但重 量大，耕深稳定性和覆盖 性较差，造价高。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 56 5、特种犁 3.耕耙犁 按碎土器的配置方式不 同，可分为分组立式，分组 卧式和整组卧式。犁体翼部 短，在犁体侧上方加旋转碎 土装置，在土筏未落地之前， 被旋耕刀打碎。具有耕得深、 盖得严、碎得透、效率高的 优点（如图2-27）。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 57 5、特种犁 4.翻转犁 可实现双向翻土，也称双 向犁，国内目前使用较多的是 在犁架上下装两组不同方向的 犁体，通过翻转机构在往返行 程中分别使用，达到相同一侧 翻土的目的。这种犁在国内主 要用在中型拖拉机上，犁体数 为2到4对。 主要优点：耕后地表平整，没 有沟壑；在斜坡耕作时，沿等 高线向下翻土，还可以减少坡 度。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 58 5、特种犁 5.调幅犁 调幅犁能改变犁 体组本身的总幅宽， 以适应土壤条件及耕 作要求改变时对拖拉 机牵引力要求的变化； 具有提高拖拉机的工 作效率降低油耗的优 点。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 59 5、特种犁 调幅犁的基本原理如图2-29所示：通过调节机构改变犁 的主梁与前进方 向的夹角α就能改变犁间的重叠量。 α减 小，重叠量增加，耕宽减少；α增大，重叠量减少，耕宽增 加；当主梁夹角α变化时，安装在主梁上的犁体与主梁夹角 也作相应的同步变化，以保持犁的设计工作状态。 2015/4/13 轻工与农业工程学院 60 5、特种犁 2015/4/13 轻工与农业工程学院 61