农业机械学电子教案(上)

绪论一、当代中国农业机械的发展概况中华人民共和国成立后，中国的农机机械的发展开始起了划时代的变化。随着解放事业的发展，1948年首先在东北建立起机械化国营农场、农机站和农机制造厂。并陆续引进了一批拖拉机和农业机械。从1949年起，又相继在北京、洛阳、上海、西安建立了农机具、拖拉机、内燃机制造厂。各级人民政府相继建立农机站和国营机械化农场。扩充并设了许多农业机械专业院校。从1955年起，先后建立了一批农业机械化科学研究院（所）和农业机械试验鉴定站。从事拖拉机和农机具的研究和设计及鉴定。到1957年第一个五年计划结束时，全国机耕面积已达二千多万亩，共生产农业机械2.7万多台。国营农场向全面机械化发展。部分农村已能利用机电动力进行农田排灌、谷物脱粒加工和以拖拉机为动力进行耕整地作业。各级科研单位、大专院校和农机生产企业针对我国的实际情况和需要，采取了“选、改、创”、“因地制宜、重在急需”、“从简到繁、先易后难”、“专群结合、协同攻关”等方法，研制生产出各种系列的成套农业机械。一些深受农民欢迎的农机具得到较大发展。有些已达到世界先进水平，如水稻插秧机、机耕船等。但由于生产和需求的联系不够紧密，农业机械的利用率并不高。到1978年，除机耕面积和机电排灌面积分别达到40％和55％外，其它项目的机械化水平则很低。到80年代初期，由于农场经济体制的变革，中国的农业机械化又开始出现了另一个转折点。农民直接购买和使用农机具，大量适合一家一户使用的，既可作为田间作业又能作为运输工具的小型拖拉机成为销售热点，与小型动力机械配套的中小型农具也大量涌入农家，在此期间，农业机械的供求关系较为协调，实际经济效益较为显著。近些年来，由于大量农机专业户的出现，使以联合收获机、农用运输车为代表的农业机械得到迅速发展。各农机企业也纷纷引进先进的技术设备，采取合作、合资等措施，生产出具有世界先进水平的农业机械。中国的农业机械化水平开始步入新的篇章。二、农业机械在农业生产中的作用农业机械不仅是农业生产水平的标志，而且还能促进农业生产力的发展：（一）提高劳动生产率农业机械的功效大大高于人畜力。一台310千瓦的大型拖拉机，配高速犁进行耕地，一小时可达几十亩。可牵引由多台播种机组成的机组进行播种，一小时可播几百亩。一台大型谷物联合收获机用于收获小麦，一天可收获五六百亩，而畜力犁翻地，一天不过几亩，畜力拉耧播种，一天不过10亩。由于高效农业机械的使用，使农业生产中所需的人力劳动量大大减少。（二）促进增产措施的实施与发展利用农业机械能保证农业增产措施的实现。如使用机引犁进行深耕深松，最大松土深度可达60厘米，从而有效地改善了下层土壤的结构，机械播种可以做到播量准确，粒距均匀，播深一致。不但节约种子，而且为后期的田间管理创造了方便条件。植物保护机械喷洒药剂时，能适合各种药剂和作物的不同要求，调整雾滴大小，对植物的合适部位进行喷施。所有这些应用，不但有力地保证了农业生产的丰收，而且促进了各种增产措施和农业生物新技术的发展。（三）争取时间，不违农时农业生产中的各个环节，对时令的要求都很严格。无论耕地、播种、中耕、施肥、防治病虫害以及收割、脱粒都必须根据气候条件和作物特性在一定的适宜时间进行。许多作物的播种期和移栽期都很短，必须适时完成，才能生长良好。小麦的适时收割期一般只有一星期左右。农业机械由于效能高、速度快，可以在短时间完成大量工作，这不仅能保证“不违农时”，而且还能可以提高复种指数和土地利用率。（四）改善劳动条件现代农业机械在设计时，充分考虑人的因素。从人机工程学高度，设计出驾驶室舒适、操作容易、安全可靠的工作环境。例如拖拉机和联合收获机的驾驶室由冲压件焊接而成并固定在减震挡块上，完全阻隔噪音与振动。驾驶室内层面料为可清洗的隔音面料，有效地降低噪音。室内还有空气调节系统，便于在恶劣的环境中作业。有些机器上还有完善的电子监测、计算机控制、自动报警系统，有效地降低了操作人员的劳动强度和紧张程度。并能自动完成一些复杂的操作。三、农业机械的范围和分类农业机械化的范围，包括在农业生产的各个部门，各个环节中使用机械代替人、畜力以提高效率和质量或完成人、畜力做不到的工作这一广阔的领域。广义的农业机械包括（1）种植机械、（2）畜牧机械、（3）果树园林机械、（4）农产品加工机械、（5）渔业机械、（6）农业动力和运输机械等。狭义的农业机械是指进行田间或场上作业的农业机械。主要包括（1）农田基本建设机械、（2）土壤耕作机械、（3）播种、栽植、施肥机械（4）农田排灌机械、（5）植物保护机械、（6）收获、脱粒、清选机械等。四、农业机械的特点和使用要求（一）农业机械的特点1.种类繁多农业机械的工作对象是土壤和作物。这些物料的品种甚多，性状差异很大。即使是同一种土壤或同一种作物，在其含水量不同或生产成熟期不同时，它们的物理机械特性也相差悬殊。再加上地区性的差别和栽培制度的不同，水田、旱地、垄作、套作等情况就更为复杂。为了适应如此众多的不同工作对象，各式各样的农业机械也就愈来愈多。现在世界上已有的不同种类和形式的农业机械约近两万种，新型的机器还在不断出现。2.作业复杂大多数农业机械在作业时都不是只完成某项单一的任务，而是要完成一系列的作业项目。例如播种机在作业时除了将种子均匀排出而外，还要开沟、覆种（用湿土）、镇压；联合收获机作业时，要连续完成收割、脱粒、分离、清选等作业项目。各种用于田间的机械，都必须一面行进，一面作业。这就增加了机器设计上的难度和结构上的复杂性。3.环境条件差许多农业机械都是在田野或露天场地作业，烈日暴晒，风沙尘土多，有时还受雨淋。因此，机器容易腐蚀或磨损。又由于地面不平或负荷不均，机器所受的振动大，容易变形或疲劳失效，影响寿命和使用可靠性。有些在室内作业的机器，如饲料粉碎机和某些食品加工机等，或是粉尘多，或是湿度大，工作条件不好。4.使用时间短农业生产有很强的季节性。许多作物的播种期和收获期都很短；某些农产品（如水果等）收获后的加工期也不长。这就使许多农业机械在一年内的使用时间很短。收获机械一年内仅使用150－200小时，播种机、中耕机、喷雾机等年使用时间都不超过400小时，耕地机械的使用时间最长，但一般也不过600小时。在病虫灾害少的年景，许多植保机械都是备而不用的。5.机器品位低，但制造要求高农业机械在机械制造业中，算是低档产品。看起来很粗糙，不精密，但对制造工艺的要求则很高。许多铸、锻件或冲压件，成形后不作任何切削加工就装配使用，甚至连传动齿轮都是铸好就用，而且能正常工作。这表明了农业机械制造的独特之处。（二）农业机械的使用要求使用对农业机械的要求是多方面的。除了希望工作可靠、坚固耐用、重量轻、形体小、功效高、便于操作调整、易于维护修理以及价格低廉等这些通常的要求而外，根据农业机械的作业特点，还有以下几个方面的农业机械设计时应予重视。其一：农业机械应有较完备的安全防护装置，如超载安全器、运动部分的防护罩、翻车时的人身保护装置等以避免造成机器损坏或人员伤亡事故。与农药有关的机器还应有严格的防毒害设施。对于操作人员的劳动条件也不可忽视，不要使机器操作者劳动强度太大，过度劳累疲乏，座位应有一定的舒适性。麦收时天气酷热，冬耕时气候寒冷，驾驶室内应有防暑防寒设备。其二：农业机械的工作部件应有足够大的调节范围。例如播种机的排种量、行距、开沟深度等的调节量都应当能够满足农业技术的需要。中耕作物播种机的行数和行距还应与后继作业的中耕机和收获机相一致，以便协同配合，提高机械化水平。其三：农业机械应尽可能多地扩大其作业项目，一机多用。最好是能将需要连续进行的项目集中在一个机器上实行联合作业，一次完成，以提高机器的使用价值。现有的谷物联合收获机就是这种情况的典型例子。五、农业机械的发展趋势从世界范围看，农业机械的发展动向有以下几个方面：1.发展高生产率的农业机械为了提高农业劳动生产率，必须提高作业机组的生产率。所以，大功率拖拉机逐年增加，作业机械的工作幅宽也相应加大，机组速度普遍提高。此外，拖拉机的配套农具大大增加，作业项目齐全，拖拉机的利用率较高。2.发展联合作业机械所谓联合作业，就是用一台机器，在一次行程内，同时完成两种或数种作业项目。如耕耙联合作业机，能一次完成耕地整地作业；整播联合作业机，能一次完成整地、播种、施肥、施农药作业。这样既可提高劳动生产率，抢农时，降低成本，又可减少了机器的类型和在田间的运行次数，避免压实土壤。3.发展多用途机械为了提高机器的利用率和降低成本，如能将一台机器经过简单的改装就能进行多种作业，是当前农业机械研究的一个重要课题。如美国生产一些谷物联合收获机，备有5－6种适应收获不同作物（小麦、玉米、水稻、大豆等）的收割台，只要由驾驶员一人操纵，便可在短时间内完成收割台的更换工作。4.发展农用飞机近几十年来，农用航空事业发展很快，根据近年来的统计，欧美等国研制了几十种型号近两万架农用飞机，作业面积达50多亿亩。农用飞机可进行播种、施肥、防治病虫害、除草、人工降雨、护林防火等多种作业。其突出优点是，生产率高，成本低，效果好，同时还能免除人工或机械在田间作业造成土壤压实和损坏庄稼的现象。5.发展工厂化生产发展工厂化生产是人们多年来的愿望，实现工厂化生产有利于实现生产过程的自动化，电气化，既可缩短生产周期，又可提高劳动生产率。如国外建立的大型自动化养猪、养鸡工厂，一个工厂每年可提供几十万斤肉类和上百万只鸡；自动化温室栽培的蔬菜可保证一年四季向市场供应新鲜蔬菜。6.大力发展为精准农业配套的机械设备精准农业就是按田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入以获取最高产量和最大经济收益，同时，保护农业环境，保护土地等农业自然资源。与此同时，大量的新技术也正广泛地应用在农业机械上：（1）电子技术和其他新技术的应用。例如将电子监、控装置用在联合收获机和播种机上，能让机器的操作者随时知道机器是否处于正常工作状态，操作者还可根据监视装置提供的信号对某些部分进行调整，以保证作业质量。将激光技术用于开沟平地等作业机上，可以大大提高作业的精确程度。将光电传感器用于中耕间苗和蔬菜水果的分选；将微波技术用于杀死草籽和昆虫及干燥谷物；此外，红外线、超声波也正用于干燥谷物和消灭病虫害等方面。（2）农机与农艺互相配合，把工程技术与生物技术结合起来，共同解决某些难题，过去已经取得了很大成就。例如番茄收摘与水稻插秧机械化过去是全世界的老大难问题，现在作物育种技术与机械技术相结合，育种学家培育出了表皮较坚韧且收获期较为一致的番茄，机械工程师设计出了番茄收摘机，使番茄收获机械化得以实现。水稻插秧机械化也是由于农学家与工程师结合发展了小苗移栽技术和工厂化育秧设备，使水稻插秧机械化才得以大面积推广。今后，进一步联合许多有关学科来共同解决农业机械化的某些复杂问题，将有着广阔的前景。（3）电子计算机的应用正逐渐普及。借助电子计算机来编制农、牧场的种植方案和机械配套方案，可以很快地优选出最佳结果。将微电脑用于清选和烘干，可以保证质量并实现机械化，在机具开发方面用电子计算机进行辅助设计，亦可事半功倍。（4）改变或调节自然环境的工程技术正在发展。过去的人工降雨技术以及喷灌、滴灌等的应用，已日益广泛。近年来控制地面条件的机械设施也发展很快，地膜覆盖、大棚温室愈来愈多，形成了所谓保护地的机械化。六、本课程的任务和学习方法农业机械学是学习农业机械化和农业机械设计和改进的一门专业课。它论述：1.各种农机具的构造、工作过程、原理和有关理论，所需牵引力、功率耗用、与拖拉机或动力机的连接配套，以及生产率和使用调整。2.各机具的工作部件的结构、工作原理、有关理论、设计计算。3.整机配置，与拖拉机和动力机的有效配合。联系上述内容，本课程还适当叙述有关的土壤物理性质和动力学性质，种子、厩肥、化肥、农药、除草剂、作物茎秆、籽实等的物理机械性质等。为了学好这门课程，学生必须预先掌握已学农业课程中关于耕作、作物栽培等各环节的农业技术要求和措施；机械机构和结构的力学原理与计算；机械零件的结构、型式和材料（金属和非金属的），设计和计算；空气和水的动力学性质等。本课程的教学环节为：1.课堂讲授包括农业机械和农业机械化的一般叙述，农机具及其零部件的工作原理，有关理论和设计计算。要求学生写作笔记。课后尽可能多阅读有关农业机械的参考书和新材料。努力培养自己的自学和钻研能力。2.实习实验讲授农机具以及其工作部件和其他典型机构、部件的详细构造、性能和作用、所用材料和工艺技术要求。还必须起动机器，进行田间实地表演、调整。并通过模型观察、转动、实物拆卸分解、装配、测绘来分析农机的结构和机构、零部件。实验课包括农机工作部件如犁体耕作时受力测定、播种机排种器均匀度的测定和种子物理机械性质、空气动力学性质的测定等。每课必须提出实习实验报告。3.习题作业巩固学习的内容和锻炼计算和解决问题的能力。此外，各校可根据具体情况进行农机的课程设计。4.生产实习进行1－2次关于耕整地、播种或收获机械方面的生产实习，使学生掌握农机具和配套拖拉机或动力机的操作、使用、保养的能力。如前所述，由于农业机构有许多不同的作业特点，运用所学习到的农业机械知识和技术参数等决不能生搬硬套，而必须事先彻底了解工作对象、地区和季节以及环境条件等加以分析研究，找出规律，不断通过试验和实践来改善农机的运用方法和改进设计。因此，要求学生努力发挥自己的积极性、主观能动性，刻苦钻研，深入思考。在教师的指导下，努力完成各项作业，并取得优异成绩。第二章耕作机械耕作机械是对农田土壤进行机械处理使之适合于农作物生长的机械。耕作机械包括耕地机械和整地机械两大部分。前者用来耕翻土地，主要作业机具有铧式犁、圆盘犁等；后者用来碎土、平整土地或进行松土除草，主要作业机具有钉齿耙、圆盘耙、平地拖板、网状耙、镇压器、中耕机等。为了提高作业效率，近年来复式作业和联合作业机具发展很快，应用较广的机具有旋耕机、耕耙犁等。此外，为了适应新的耕作法――少耕法的需要，推广使用了凿形犁、通用耕作机及深松播种施肥联合作业机。耕耘是作物栽培的基础。耕耘质量好坏对作物收成有显著影响。耕耘的最终目的是：（1）改善土壤结构。使作物根层的土壤适度松碎，并形成良好的团粒结构，以便吸收和保持适量的水分和空气，促进种子发芽和根系生长。（2）消灭杂草和害虫。将杂草覆盖于土中，或使蛰居害虫暴露于地表面而死亡。（3）将作物残茬以及肥料、农药等混合在土壤内以增加其效用。（4）将地表弄平或作成某种形状（如开沟、作畦、起垄、筑埂等）以利于种植、灌溉、排水或减少土壤侵蚀。（5）将过于疏松的土壤压实到疏密适度，以保持土壤水分并有利于根系发育。（6）改良土壤。将质地不同的土壤彼此易位。例如将含盐碱较重的上层移到下层，或使上、中、下三层中的一层或二层易位以改良土质。（7）清除田间的石块、灌木根或其他杂物。第一节主要农业技术要求和农机具土壤耕作分为传统耕作法和少耕法两类。传统耕作法主要为种子发芽和作物生长创造良好条件；少耕法是为保持土壤水分，防止水土流失，减少能耗和人工而发展起来的一种耕作法。一、农业技术要求1.耕地作业（1）耕深应随土壤、作物、地区、动力、肥源、气候和季节等不同而选择合理的耕深。耕作层通常在16－20cm之间。初改机耕地区的耕层要浅些，一般为10－15cm。常年机耕地区的耕深较深，例如东北地区可达20－30cm。水田地区略浅，约为12－20cm。一般说来秋耕冬耕宜深，而春耕夏耕又宜浅。深耕作业水田在20－27cm之间，旱地在27－40cm之间。耕深要求均匀一致，沟底也应平整。（2）覆盖良好的翻垡覆盖性能是铧式犁的主要作业指标之一，要求耕后植被不露头，回立垡少。对于水田旱耕，要求耕后土垡架空透气，便于晒垡，以利恢复和提高土壤肥力。（3）碎土犁耕作业还需兼顾碎土性能，耕后土垡松碎，田面平整。对于水稻土秋耕后，要求有良好的断条性能，通常以每米断条数目或垡条的平均长度来表示。一般说来，铧式犁的碎土质量往往难于满足苗床要求，还需进行整地作业。2.整地作业旱地与水田整地作业的农业技术要求差别很大，应分别情况，区别对待，基本的要求有：（1）耙深旱地一般为10－20cm；水田一般为10－15cm。耙深要求均匀一致。（2）碎土耙透、耙碎垡片和草层，耙后表土平整、细碎、松软，但又需有适当的紧密度，因此，有些地区还需进行镇压作业。此外，对于春耕后种早稻的水田整地作业（如绿肥田、稻板田和休间地等），还要求土壤松软，起浆良好，并能覆盖绿肥等。双季连作稻地区栽种晚稻前的整地作业，往往因季节紧，多采用以耙代耕，要求能将前作稻茬直接压入糊泥之中，再将田整平即可。此时整地的主要要求是：灭茬起浆。稻草还田地区，一般先耕后耙，耙地时要兼顾碎土、起浆和压草等要求。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。少耕法的实质在于减少（或免去）铧式犁的耕翻作业，使耕层只松不翻，地表土层较紧，不易被雨水冲走，也可抵抗风蚀。有的还覆盖前作残茬，大大提高了保持水土的能力，这对坡地耕作更为有利。这些覆盖的残茬还可防止水分蒸发，同时又是有机质的来源。深松土层，既可破坏坚实的耕作底层（又称犁底层），改善耕层结构，又可调节该层中土壤的固、液、气三相的比例，协调其中的水、肥、气、热状况，以适应作物生长。又由于减少耕作次数，就大大降低耕作机组对耕层的压实程度，保持适当的孔隙度，并可减缓土壤内有机质的分解速度，能持续供给腐植质，促使土壤团粒结构的形成，有良好的蓄水保肥性能。因此这一耕作法不但对玉米、棉花、大豆等旱地作物有增产效果，就是对水稻等需水较多的作物，也有增产的记录。不过对于粘重而过分潮湿地区，种植玉米，采用少耕法也有减产的报导。这一点必须引起注意。采用少耕法带来的草荒和病虫害，必需引起注意，往往需用能消灭多种杂草的广谱型除莠剂和高效低毒的农药以防治病虫害和消灭杂草，这样会增加农业生产成本。因此每隔数年，进行一次铧式犁的耕翻作业，就可克服上述缺点。三、耕作机具为完成土壤耕作的各项作业，常用的机具有：传统耕作法：耕地作业:铧式犁、圆盘犁播前整地作业：圆盘耙、钉齿耙、水田耙、镇压器、驱动耙、耢等耕作耕耙联合作业：旋耕机、耕耙犁、回转锹播后中耕培土作业：中耕机（水田旱地两类）、培土器耕作施肥、开沟、筑埂等作业：中耕培土施肥机、筑埂机、开沟机等少耕法：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）。第二节耕层土壤的动力学特性为了正确认识在耕耘过程中，机械对土壤的施力状态和土壤产生的反应，我们不仅要了解耕作土壤的物理特性（如土壤的机械组成、结构、容重、孔隙度、含水率等），还必须研究土壤在机械作业过程中所产生的动力特性（如强度、流变、摩擦系数等），即只是在受外力作用时才表现出来的力学特性。这种特性，或称土壤的动力效应（dynamicbehavior）。一、耕层土壤的物理特性土壤由固体、液体和气体组成（称为土壤的固相、液相和气相）。固相部分包括粗细不同的矿物质颗粒和与它紧密结合的有机质。在固体颗粒之间的孔隙中，充有水和空气。矿物质一般占土壤固相部分重量的95％。它犹如土壤的“骨架”，支撑着生长在土壤中的作物。土壤的机械组成通常指直径3毫米以下的细小颗粒。按直径大小，它分为砂粒、粉粒和粘粒。砂粒直径（毫米）0.05－3粉粒0.001－0.05粘粒＜0.001随着所含砂粒、粉粒和粘粒成分的不同，土壤具有不同的物理力学性质。土壤中含粘粒成分越大，则土粒之间的凝聚力就越大，耕作时土壤不易破碎，犁耕的阻力也大。相反，砂土和砂质壤土含粘粒成分很小，所以耕作时土壤易于破碎，犁耕的阻力也较小。土壤的主要物理力学性质有以下几方面：（一）容重在自然状态下单位土壤体积的重量即为容重。(g/cm3)式中q—土壤重量（包括所含水分重），克V—土壤体积，厘米3自土样中扣除所含水重时，即得土壤干容重γ0式中q1—土壤固体颗粒重量土壤容重与土壤内的孔隙度和固体颗粒比重有关。孔隙度越大（疏松），则容重越小。当土壤容重为1公斤／分米3时，最有利于耕作。土壤固体颗粒的比重为2.6—2.7克／厘米3。（二）湿度（又称含水量）在降雨或灌溉之后，耕作层内的水有一部分在重力作用下，沿着土壤中大的孔隙或裂缝向下渗漏，另一部分则在土粒的吸附作用和毛细管作用下，保持在耕层之内。土壤所能保持的最大含水量称为“田间持水量”。土壤的绝对湿度为式中q—自然状态下土壤的重量q′—烘干后同体积的土壤重量因土壤机械组成的不同，田间持水量的变化范围相当大。如要对比在不同机械组成情况下的土壤含水量时，往往用相对湿度来表示。土壤的相对湿度即土壤绝对湿度与田间持水量的比值。或者说是自然土壤的含水量占田间总持水量的百分数，即式中W0—土壤相对湿度Wn—田间持水量，％因砂土的田间持水量较小，当绝对湿度为15％时，砂土摸起来是潮湿的（其相对湿度约为80％），而重壤土的田间持水量较大，摸起来几乎仍似干土（其相对湿度仅为35％）。土壤湿度对铧式犁的耕作质量和牵引阻力有很大影响。土壤过于干硬，土垡难于破碎，犁的牵引阻力也很大。当耕翻过于潮湿而粘重的土壤时，土垡呈条状且不易破碎。犁壁粘土严重，出现拖堆、拥塞、土垡翻转不完全和植被覆盖不严密等现象。对于旱田来说，土壤的相对湿度在40－60％的范围内，较宜于耕作。此时的土壤湿度称为适耕湿度。二、耕层土壤的动力特性（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。土壤与金属（或其他材料）间的摩擦系数与土壤的类型、机械组成、含水量，工作部件的材料性质和表面状况，单位面积的压强以及运动速度等因素有关。许多研究报告的结果差别也很大，为简化起见，一般认为当运动速度在0.5－4m／s之间，压强在20－100kPa范围内，可用表2－1的f值作估算。表2－1土壤与钢之间的摩擦系数 土壤类型摩擦系数摩擦角砂土及砂壤土（松散）砂土及砂壤土（较沾结）轻型及中型粘壤土重型粘壤土及粘土棕壤水稻土（如苏南地区等）极粘重土壤（如云南垡子田）0.25－0.350.50－0.700.35－0.500.40－0.900.90－1.001.00－1.20140－1903026030－35019030－26030220－420420－450450－500表2－1中1～4的数值，除沙土外，水分低时取下限，水分高时取上限。沙土则在有一定粘性时，水分高时取下限，水分低时取上限。上式为刚体的摩擦定律，摩擦系数f与两个刚体的接触面积无关。但耕作状态下的土壤并非刚体，而是呈现塑性的物体，因此土壤与金属间的摩擦系数应由粘附摩擦和摩擦二部分组成，前者与二个物体的接触面积有关。只要能减少这二类摩擦就能了降低总的摩擦力。目前降低土壤与耕作机械部件表面的摩擦方法很多：如工作部件振动，不但可改变二物体间的接触面积，而且可以改变摩擦的性质，由静摩擦变为动摩擦；也可以在土壤与工作表面间注入润滑剂，如水、空气或高分子聚合物，这样可同时降低上述二种摩擦；比较有效的是采用非亲水性的合成树脂，如在犁壁上覆盖聚四氟乙烯、尿素树脂和碳素树脂等，由于降低了粘附摩擦，从而可减小犁体的耕作阻力。但合成树脂的耐磨性和经济性还有待提高。关于土壤与金属间摩擦的本质属性也需在今后作更为深入的探讨，因为弄清了这一问题的机理，对降低能耗，将会有重要作用。（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）表2－2各种土壤的单位压实力土壤类型和状态疏松土中等沉积土粘重沉积土粘重而干硬的沉积土单位压实力0.5－1.53－86－1012－20（公斤／厘米3）土壤坚实度同土壤的质地和含水量有密切关系。坚实度越大，土壤的承压能力及耕作阻力越大。表2－1所列土壤单位压实力只是概略数值，在评价耕地机械的性能指标时，往往用仪器直接测定耕作层内不同深度处的土壤坚实度。（三）土壤的凝聚力和附着力土壤凝聚力是指土粒之间的结合力，其数值与土壤质地、含水量等因素有关（表2－3）。粘土的凝聚力大于砂土。凝聚力大的土壤称为重质土。这种土壤不易破碎，耕作阻力也较大。凝聚力小土壤（轻质上）容易破碎，耕作阻力较小。表2－3土壤凝聚力c土壤类型c（公斤／厘米2）砂壤土0.10－0.15砂壤土（不易脱土时）0.16粘壤土0.21松砂土0.02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。需要指出，土壤在一定湿度下表现出有附着性。但当附着力达最大值后，若湿度继续增加，则附着力反而下降。因此，除了设计上应保证工作表面光洁，曲面形状适当以外，在机具的使用上应注意在适耕湿度下进行作业。（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。上公式由二部分组成剪应力：一是土壤颗粒间的单位粘结力；二是土粒沿剪切面移动的摩擦力，这是正应力σ和内摩擦系数引起的。剪应力ι与正应力σ的关系如图2－1所示。二者成线性关系，直线的斜率为tgρ，与轴的夹角为ρ，直线与轴的截距即为c。c、ρ值见表2－4。几种不同旱地土壤的抗剪力与土壤变形如图2－2所示。正常土壤（图2－2a）出现的最大抗剪力低于压紧的粘土，而且变形较大。另外如剪切面上的法向载荷W=σA（A—截面积）增大时，最大抗剪力也相应加大（图2－2b）。表2－4几种不同土壤的单位粘结力c和内摩擦角ρ土壤类型旱地水田沙土较酥软壤土较酥软粘土塑性较大砂壤土含水量11－14％轻粘土栗子土重壤土青泥土中壤土小粉粒内摩擦角ρ35030015027030′-36000－26060－2408030′-350单位粘结力c（kN／cm2）0.141.053.511.74－5.92.0－2.22－172－15（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式中a—测力犁的耕深b—测力犁的单铧幅宽第三节铧式犁的一般构造和工作原理犁是一种耕地工具。它的主要功能是翻土和碎土。以犁铧为其主要工作部件的犁，称为铧式犁。农田在栽培了一茬作物后，由于土壤的自然渍沉，加上雨水淋溶，风沙侵击，人畜践踏和机具碾压，致使表层土壤团粒结构受到破坏，组织板结，肥力降低；同时，在前茬作物收获后，地面上总是留下许多残根杂草有待清除，这都要求在种植下一季作物之前对土地进行耕翻，将肥力低的上层土壤翻到下层，将下层的良好土壤翻到上层并将残茬杂草以及肥料、害虫等翻埋土中。同时，耕地还可使土质疏松，从而使土壤能够保持适当的空气和水分，以利于作物生长。长期以来耕地所用的主要工具就是铧式犁。铧式犁在世界上历史最早，数量最多，使用最广泛；每年耗用的能量也比任何其他作业机械多。一、铧式犁的类型（一）铧式犁的分类体系铧式犁种类甚多，可以从各个方面区分成若干不同的体系。同一台犁又可以根据不同的区分方法给以不同的名称。为了简便，现将铧式犁的分类体系用图2－6表示。由于铧式犁种类繁多，许多犁兼有几种性质，例如心土犁按其用途也是一种松土犁。果园犁也是翻土犁等。因此，上图所列的各种犁的分类并不是截然划分的。此外，还有把一般用途的犁称为普通犁，把在特定条件下使用的犁（如果园犁、偏置犁等）称作特种犁的。从犁的形体构造、工作性能及所分布的地区来看，全世界的铧式犁可以认为是两大类：一类是东方型犁（图2－7），另一类是西方型犁（图2－8）。东方型犁的犁体有使土垡上窜的作用，称为“窜垡”。西方型犁的犁体则是使土垡就地翻转，称为“滚垡”。东方型犁起源于亚洲。中国的传统犁、日本的和犁即属此类。这种窜垡犁，阻力小，重量轻，构造简单，使用方面。西方型滚垡犁，盖草严实，作业时的稳定性较好，适合于机力牵引，故现在的机引犁多为西方犁。（二）现代普通犁国内外目前常用的有代表性的普通犁主要有牵引式、悬挂式、半悬挂式。1.牵引犁它是机力犁中发展最早的一种型式。图2－9为带液压升降机构的牵引犁，由牵引装置、犁架、犁轮、小前犁、圆犁刀、液压升降机构和调节机构等部件组成。犁和拖拉机通过牵引装置连接在一起。犁架由三个轮子支承。沟轮在前一行所开出的犁沟中行走，地轮行走在未耕地上，尾轮行走在最后犁体所开出的犁沟中。这种犁由于整机较笨重，机构复杂，作业效率较低，因此应用越来越少。2.悬挂犁一般由犁架、悬挂架、犁体、犁刀、调节装置和限深轮等部件组成（图2－10）。犁通过悬挂架的上悬挂点和两个下悬挂点与拖拉机悬挂机构上下拉杆相铰接，构成一个机组。运输时，将犁悬挂在拖拉机上。根据拖拉机液压系统的不同型式，犁的耕深可由限深轮或拖拉机液压系统来控制。悬挂轴的两端为曲拐轴销。操纵手柄以转动悬挂轴，可进行耕宽等调节。有的悬挂犁是在左下悬挂臂上装有耕宽调节器（图2－11），转动调节器手柄以伸缩左悬挂销，可改变耕宽。这种型式，结构紧凑，调节时直观简便。悬挂犁是继牵引犁之后而发展起来的，在生产中应用最广的一种机型。与牵引犁相比，其优点：（1）大大减少犁的金属用量，悬挂犁的重量比同样耕幅的牵引犁轻40－50％。（2）机动性强，机组转弯半径等于拖拉机的转弯半径，由于缩短了转弯时间（尤期是在小块田地），使生产率大为提高。（3）对拖拉机驱动轮的增重较大，有利于拖拉机功率的充分发挥。（4）由于取消了地轮、沟轮和尾轮及起落机构等容易磨损的部件，所以犁的使用寿命较长，且维护保养方便。悬挂犁在运输状态下，犁的重量全部由拖拉机承担，因此犁越重或重心越靠后，拖拉机的纵向稳定性和操向性越差。这样一来，就限制了犁的结构长度不能过大，犁体数不能过多。3.半悬挂犁随着拖拉机功率的不断提高，要求犁的幅宽相应增大，即要求在犁上配置更多的犁体。由于受到拖拉机纵向稳定性和操向性的限制，悬挂犁的长度不可能过大，于是就出现了介于牵引犁和悬挂犁之间的半悬挂犁（图2－12）。半悬挂犁的前端通过悬挂架与拖拉机液压悬挂系统相连，犁的后端设有限深轮及尾轮机构。由工作位置转换到运输位置时，犁的前端由液压提升器提起；当前端抬升一定高度后，通过液压油缸，使尾轮相对于犁架向下运动，于是犁架后部即被抬升。这样犁出土迅速，地头耕深一致。当到达运输状态后犁的后部重量由尾轮支承。尾轮通过操向杆件与拖拉机悬挂机构的固定臂连接，当机组转弯时，尾轮自动操向。犁的耕深由拖拉机液压系统和限深轮控制。半悬挂犁的优点是比牵引犁结构简单，重量减少30％，机动性、牵引性能与跟踪性较好。比悬挂式可配置较多犁体，运输时，改善了机组的纵向稳定性。（三）其它类型犁1．双向犁双向犁是指那种在耕地时的来回两个行程中，去的行程如果是向右翻垡，而返回行程则是向左翻垡的犁。用这种犁耕的地，垡片始终向地块的一边翻倒，地表不留沟垄。国外则称为“OneWayPlow”。双向犁在其发展初期，主要是用于耕斜坡地。因为斜坡地只宜将垡片由高向低一个方向翻转。由于双向犁耕的地不像普通犁那样要留下开墒的沟和合墒的埂。耕后地表平整，因此也适用于耕作灌溉地、小块地或形状不规则的地。另外，双向犁耕地时可由地块的一边开始一直耕到地块另一边，不必在地块中央或划小区开墒。在耕地边、地头时，空行程也较普通犁为少。因有上述特点，故尽管双向犁的构造比较复杂，重量较大，且难以进行耕耙联合作业，但仍得到很大的发展。我国从七十年代起，开始引进和研制双向犁，并在部分丘陵地、东北及西南地区使用。双向犁的品种虽然很多，但其基本类型则只有两类，一类是用一个犁体兼顾左、右翻垡的兼用型；一类是由左翻和右翻两种犁体交替使用的单用型。兼用型双向犁又称小平旋转双向犁（图2－13），具有三部分换向机构：1）犁梁换向，以适应前后犁体左、右梯队排列；2）犁柱相对犁梁换向，以保持与前进方向不变；3）犁体曲面换向，以满足左右翻要求。三部分换向动作是相互联系同时实现的，换向动力来源于起犁时犁的重力作用，也可用液压进行操纵。专用型双向犁也称为翻转犁，有900翻转式和1800翻转式（图2－14）。900翻转犁因其耕幅不能超过拖拉机驱动轮内侧距离的一半，故只适于在小功率拖拉机上使用。近年以来，由于拖拉机功率日益增大，故现在的机引双向犁，几乎已全是1800翻转式。这种双向犁适应性好，故被广泛采用。1800翻转式机力双向犁的换向机构型式很多，可分为机械式和液力式两类。机械式双向犁采用重力式位能转换原理，利用犁在悬挂时重力所产生的力矩为动力，通过换向机构拉动犁架一侧绕翻转轴转动约900，然后利用惯性在失控状态下越过中点并借助重心产生的偏距继续再转约900，到位后自动锁定。图2－15是机械式换向机构的一种。1800翻转式双向犁的液压式换向机构，是利用柱塞油缸的推力或拉力来完成1800翻转。图2－16a所示是采用立式油缸的翻转换向机构。换向时，扳动油路控制阀，高压油从A处进入油缸使活塞杆缩短，于是与梁架连接的活塞杆下端C就与梁架和犁体一起绕换向轴F向上转动。当梁架转至接近正中位置，销轴D到达m处时，活塞杆缩至最短。由于活塞杆的销孔与犁架上的销轴D之间预先留有间隙，这时活塞处于“失控”状态。于是梁架和犁体就利用其转动的惯性力越过死点。在犁体越过死点的过程中，梁架上的销钉拨动了油路换向阀的拨叉，使油路换向，高压油从B处进入油缸，使活塞杆伸长。这时，由于活塞杆下端C和销轴D已越过中点偏转至m点左侧，故活塞杆伸长时就推动销轴D向下转动。于是犁体继续翻转，直至到位后锁定。下次换向时，再按上述过程反动一次。图2－16b是将油缸置于平放状态。悬挂立柱的高度较低时，采用这种方式，其原理与图2-16a完全相同。为了保证双向犁的左、右两组犁体在翻转换向后都能处于安全对称的位置，翻转轴的中心线C应当在拖拉机的纵向中央平面Q内。可将犁架的水平对称平面P与平面Q的交线C定为翻转轴的中心线。P的高度H由梁架高度确定。如图2－17所示。2．调幅犁过去的犁在由工厂制成以后，其工作幅宽即已固定，使用时不能改变。这样，在土壤坚实的地块上而又要求耕深较大时，拖拉机的牵引功率则无法适应。于是出现了耕作幅宽可以调节的犁，如图2－18所示。这种犁的主斜梁可以偏摆，犁体相对于主斜梁的安装角亦可调整。当拖拉机牵引功率不足，拉不动时，可将主斜梁的角度适当变小并将犁体在主斜梁上的安装角同时进行调整使犁体仍处于正位工作状态。这时，犁的总耕幅就减少。反之，犁的总耕幅即可增大。主斜梁和犁体安装角的变化，可以是有级的，由销钉的孔位来调节，也可以是无级的，由螺栓调节。采用液压油缸无级调节的机构，还可以由驾驶员在座位上操纵油路阀门在工作状态随时进行调节。3．偏置犁铧式犁耕地是重负荷作业。在拖拉机的牵引力不是很大时，犁的工作幅宽往往小于拖拉机的轮距宽度。这样，在靠近田埂、围墙、沟渠或篱笆时总是耕不到边，要留下一条30－50cm的未耕地带，损失不少播种面积。偏置犁的犁体可以相对于拖拉机向侧边偏移一定距离，能将拖拉机轮子无法靠近之处，完全耕掉（图2－19）。偏置犁的偏移装置，有采用直接横移（图2－19a），也有采用平行四杆机构侧向摆动移位（图2－19b）；还有用一根斜杆与两个弧形板左右偏摆移位的（图2-19c）。对于较小的轻型偏置犁用人力移位亦不费劲。重型犁则采用油缸移位。4．层耕犁层耕犁是一种对土壤进行分层耕作的犁。这种犁可以使上下层土壤互相易位而不使之相混，或是将上中下三层的位置进行调整以改良土壤，如翻圩压砂或翻砂压碱等。层耕犁分两层犁和三层犁两种。两层犁是用一个犁体先将上层土壤翻至前一趟已开好的沟底，然后由另一个犁体将下层土壤铲起，铺至上层，其工作过程与带小前铧的复式犁类似。前苏联还有一些地方土层结构特殊，耕作时须将上层土壤仍保留在上层，将原在下层的土壤移至中层，而将原在中层的土壤移至下层，这种三层耕作，由三个犁来完成。如图2－20所示，犁体1先将上层土壤移至已由前一趟将中层移去只剩下层土壤的犁沟内，然后由犁体2将这两层土壤一并移至已由前一趟移至沟底的中层土壤上，最后由犁体3将原来的中层土壤翻至沟底，为下一趟作好准备。如此继续进行即可达到预定的要求。分层耕作还有一种上翻下松的作业方式，即将普通犁体的沟底用翻土铲进行8－12cm的松土作业以打破犁底的板结层，加深耕作层（图2－21）。5．菱形犁1973年在法国出现。因犁体耕出的垡片断面呈菱形，故称菱形犁。菱形犁体的犁胫线外凸，耕出的沟壁上部内凹（图2－22），为提前翻转下一垡片创造了条件。因此，菱形犁体的纵向间距可以配置得较小，而不致引起垡片和前犁体的干涉。菱形犁体间的纵向距通常为一般犁体的三分之二。由这一特点所产生的一系列优点是：犁的总长度缩短，重量轻，重心前移，减轻了液力提升机构的负荷，提高了机组的纵向稳定性。为了更有效地缩短犁体间纵向距，前犁体不装犁侧板，犁的侧向力由最后犁体的长侧板平衡。为了增加犁的耕宽稳定性，长侧板之后还装有冰刀式弹簧侧板（图2－23）。二、铧式犁的基本构造铧式犁一般由犁体、犁架、调节机构、牵引装置或挂接装置等几个主要部分构成。为了改善作业质量，有的犁还有犁刀、覆茬器等辅助工作部件；为了防止超载损坏，还有超载安全装置等附件。（一）犁体犁体（图2－24）是铧式犁的主要工作部件。它的作用是切开土垡并使之翻转破碎以及覆盖地表的残茬和杂草。犁体由犁铧、犁壁、犁托、犁柱、犁侧板和犁壁支杆等组成。犁铧切取土垡，犁壁使土垡碎裂并翻转。东方型犁体的犁铧呈等腰三角形，铧尖位于正中。犁壁有窜垡作用。西方型犁体的铧尖位于一侧。铧刃沿水平面后掠，犁壁和犁铧构成犁体曲面，滚垡作用明显。犁体曲面（图2－25）的形式不同，犁体耕地时土垡的运动特点也不同。对于滚垡犁体来说，犁体曲面大致有碎土型、通用型和翻土型三种。碎土型（也称熟地型），曲面犁胸陡峭，有较强的碎土性能，但翻土作用较弱，且耕作阻力较大。通用型（也称半螺旋型）犁壁较平坦，犁壁翼部扭曲较大，兼有较好的翻性能。在一般熟地耕作时，多用上述两种形式的犁体。翻土型（螺旋型）曲面，犁胸平坦，犁壁翼部较长且扭曲大，碎土性能差，翻垡性能强。适于开垦荒地。犁体曲面的下部受土壤的磨损比上部快，因此将其分为下部的犁铧和上部的犁壁两部分，有的犁铧和犁壁也分前后两部分，以便磨损后分别更换。犁壁翼部装有延长板，可以提高翻垡性能。犁侧板在工作中靠贴在沟墙上，用来平衡土壤对犁体的侧向力，以保持耕宽的稳定。犁铧、犁壁和犁侧板通过沉头螺栓固定在犁托上。犁柱一端连接犁托，另一端连接犁梁，以传递牵引力。为了避免犁壁在工作中产生变形，在犁壁和犁侧板（或犁托）之间固定着犁壁支杆。为了增强翻土效果，有些犁体上还装有犁壁延长板。南方水田犁系列的各种犁体都装有滑草板，以避免杂草、绿肥等缠挂在犁柱上。在多铧犁的最后犁体的犁侧板末端，常装有可更换的犁踵。1．犁铧常用的犁铧，按其结构型式可分为梯形铧、凿形铧和三角形铧。梯形铧（图2－26a）的结构简单，便于采用周期轧制的型钢制造。犁铧背面有贮备钢料，便于磨损后的锻延修复，但铧尖容易磨钝，入土性能较差。凿形铧（图2－26b）在机力犁上使用最多。犁铧的凿尖向沟底以下伸出约10－15毫米，向未耕地伸出约5毫米，入土性能较梯形铧为好，保持耕深稳定性的能力与较梯形铧强。我国南、北方铧式犁系列的各种犁体，绝大多数装有凿形犁铧。国外铧式犁产品也以凿形铧为最多。有些凿形铧，在铧尖部分带有侧舷（图2－26c），以提高犁铧的强度，宜于在干硬土壤中工作。三角形铧（2－26d）多用在双向耕作的窜垡型犁体上。其工作表面有凹面和平面两种。凹面犁铧有利于土垡沿铧面上升，减少侧向移动。三角形犁铧有两个刃口，在双向犁换向工作时，该两刃口交替地切出沟底和略为倾斜的沟墙。这种犁铧在机力犁上用得不够广泛。仅有日本犁、我国水平摆式双向犁和某些用于水田的窜垡犁上采用三角形犁铧。由于犁铧总是在紧实的土壤中工作，作用在犁铧上的工作阻力约占总阻力的一半，所以铧刃和犁铧工作表面极易磨损。例如，耕宽为35厘米的犁铧，在黑龙江省的粘壤土中可耕地500亩，在砂壤土中可耕地250亩，而在新疆的砂土上，只能耕地50亩。犁铧磨损后刃口厚度增大，出现“背棱”（图2－27），据试验资料，刃口厚度从1毫米磨损增至3毫米时，耕作阻力增大20％以上。机组耗油量增加10％，耕深减少15％（图2－28）。为了提高犁的使用经济效益，设计者们从犁铧的结构及材料等方面进行了许多改进。在结构方面：1）在铧刃区背面，预先储留一些备料（图2－26a），以便在铧刃磨损后，锻延伸长。恢复原来尺寸，继续使用；2）将铧尖作成凿形（2－26b），不但能增加铧尖的允许磨损量，还能提高强度；3）将犁铧分成铧尖和铧翼两件（图2－24），组合安装，根据磨损情况分别更换；4）将铧尖作成可延伸的，用一矩形断面的直杆，将其呈楔劈状的端部作为铧尖，楔尖磨损后，可卸下在砂轮上磨锐并向前推出一小段。这样一根楔棍可以顶十几个普通的铧尖使用；5）将犁铧背面靠近刃口部位做成凹形，使之在磨损过程中背棱面的倾斜角始终不会增大；6）将铧刃作成凿状，可以增加犁铧的破土能力，减轻阻力；7）使用窄形薄片组合犁铧，铧尖部分重量较轻，形状简单，制造方便，磨损失效后即可抛弃，不必修复。价格低廉，成本较低，且能保持刃口锐利，阻力降低，节省油耗。犁铧材料的改进：1）采用耐磨性高的金属或在金属表面渗镀硬金属层；2）采用双层钢板，一层是耐磨性高的金属层，一层是低碳钢软层，工作时，软层磨损快，硬层磨损慢。使刃口始终保持较为锐利，故称自磨锐犁铧。2．犁壁犁壁是犁体曲面的主要部分，前部称为犁胸，后部称为犁翼。胫刃在纵垂方向切开土垡，犁胸、犁翼起到翻土和碎土的作用。犁壁有整体式、组合式、栅条式等形式（图2-29）。由于胫刃部分磨损迅速，所以组合犁壁是将犁壁分成前后两部分。前部分磨损快，可单独更换。栅条式犁壁多用于粘重土壤。这种犁壁和土垡的接触面积小，对土垡的单位面积压力大，所以容易脱土。犁壁的工作表面应光洁、耐磨，有韧性、能抵抗冲击。因此，犁壁的材料多为三层复合钢板（中间软层为低碳钢，表面和背面用45号钢或低合金钢）。有些犁体用B2低碳钢板经渗碳淬火而成（目前在北方铧式犁系列各犁体上采用）。南方水田犁系列各犁体的犁壁均用65锰钢板压制面成。有的犁壁上还敷贴特制的塑料薄膜，以增加耐磨性，减小阻力。3．犁柱和犁托犁柱可分整体式、直犁柱和弯犁柱三种型式。整体式多用稀土球墨铸铁或铸钢制成，也有用钢板压制而成。多为空心管状，断面有三角形、圆形或椭圆形。整体式的下端可直接固定犁铧、犁壁和犁侧板（2－30a），也可与犁托相连接（2－30c）。国外悬挂犁有不少采用直犁柱（图2－30b），犁柱上端即为犁梁的一部分，下端与犁托相连。这种弯犁柱多为扁钢或型钢锻压而成。弯犁柱可以制成独立的零件，也可将犁架的纵梁延长向下弯曲制成，弯曲处有较大的空间让垡片通过，不易堵塞。但由于线长度大，耗用材料较多。犁托用来固定犁铧、犁壁和犁侧板，故分为曲面部分和平面部分，平面部分通过沉头螺栓与犁柱和犁侧板相连。犁托可用球铁或铸钢制成，也可用钢板冲压再焊接而成或直接用钢板压成。4．犁侧板、犁踵、尾轮犁侧板多用扁钢制成（图2－31）。一般前犁体的犁侧板较短以保证土垡在相邻犁体之间顺利通过和翻转。图2－31a所示的前犁侧板。当后端B磨损后，可将前端A调换至后端使用。2－31b为可调犁侧板。犁侧板上有长孔，偏心调整块通过螺栓固定在犁托上，可调整犁侧板下端对沟底的压力，以保持犁的耕深稳定性。由于犁侧板在工作中始终与沟墙摩擦，其后端极易磨损。所以在有些后犁体上，在长侧板后端装有可更换的犁踵。犁踵多由白口铁或灰口铁表面冷铸而成，以增强其抗摩能力（图2－31c、d）。有些重型犁在后犁体上装有弹性滑刀式犁侧板（图2－11e）。工作中，滑刀插入沟底可提高犁的耕宽稳定性。入土过程中，弹簧压缩，滑刀上抬，从而避免因犁侧板过长而影响入土。在某些悬挂犁的后犁体上装有尾轮（2－31f）以减少摩擦阻力。在犁体的设计中，应注意保持垂直间隙δ1和水平间隙δ2（图2－32）。犁体的垂直间隙通常指由犁侧板前端下边缘至通过铧刃的水平面之间的距离（北方系列犁体的犁侧板前后端高度相同，此时垂直间隙即指犁侧板下边缘至底平面的距离）。犁体的水平间隙通常指由犁侧板前端至沟墙平面的水平距离。犁体垂直间隙的存在，使犁铧增加了对沟底单位面积的压力，犁体在工作中始终有一种增大耕深的趋势，从而使犁的耕深保持稳定。同样，犁体的水平间隙使胫刃增强了对沟墙的单位面积上的压力，使犁体在工作中始终有一种增大耕宽的趋势，犁侧板才能起到维持耕宽稳定的作用。这两个间隙的数值不能过小，通常垂直间隙为10－15毫米，水平间隙为5－10毫米。（二）犁架犁架的作用是连接各零部件并传递牵引力。犁架可分为平面犁架和钩形犁架两类。后者即如前所述，犁梁下弯而形成犁柱。近年来，由于单体安全器的发展，无论牵引犁、悬挂犁或半悬挂犁，以采用平面犁架为多。平面犁架又有螺栓组合式和管材焊接式两种。螺栓组合式犁架（图2－33a）通过螺栓连接，将热轧型钢纵梁、横梁组合在一起。纵梁与犁的前进方向平行，用来固定犁体。为了加强犁架的刚度，在犁架上还装有加强梁，这种犁架拆卸较方便，但比较笨重。管材焊接平面犁架有三角形（图2－33b）、梯形（图2－33c）等，用矩形或圆形钢管焊接而成。犁体安装在斜梁上，便于安装不同幅宽的犁体。结构简单，强度较好。但犁架焊接技术要求高，变形修复困难。我国南北方系列犁的悬挂犁、半悬挂犁均采用矩形空心管焊接犁架。宽幅铧式犁也采用独梁犁架，由大断面薄壁件构成主斜梁。由扁钢组成平行的纵梁。纵梁用来安装犁体、犁刀等零部件。主斜梁和平行纵梁用螺栓连接，便于拆卸、安装和运输。有的主斜梁的角度可以调整，方便地调节犁的幅宽。（三）犁刀犁刀的作用是切出整齐的沟墙减少土壤对犁铧和犁壁胫刃部分的压力以及切断杂草残茬，改善覆盖质量。犁刀有圆犁刀和直犁刀两种形式。圆犁刀比直犁刀的阻力小，切土效果好，且不易缠草。在通用犁上普遍采用。图2－34是三种不同型式的刀盘。普通刀盘（图2－34a）使用广泛，容易入土，脱土性好，且便于磨锐修复。缺口刀盘（图2－34b）用于粘重而多草的田地，刀盘的缺口可将杂草压倒，便于切断。但磨损后不易修复。波纹刀盘（图2－34c）切断草根的效果最好，由于波纹与土壤紧密接触，所以犁刀不易滑移。虽经磨损，但刃口保持锋利。缺点是在干硬土壤上不易入土。直犁刀（图2－34d、e）最初在畜力犁上采用，以后在机力犁上也有应用。特别是在耕深大，工作条件恶劣的地区（如多石地、灌木地等）多用直犁刀。近年来，欧洲一些国家生产的铧式犁，在犁铧的胫刃部分固定一小型直犁刀，使犁的结构紧凑，减轻了胫刃的切土阻力。（四）覆草器及其切角方式覆草器的作用是将土垡上层一部分土壤、杂草耕起，并先于主垡片的翻转而落入沟底，从而改善了主犁体的翻垡覆盖质量。在杂草少，土壤疏松的地区，可以不用覆草器。覆草器的类型有：1．小铧式覆草器（图2－35a）小铧式覆草器又叫小前犁，其构造与主犁体相似，犁柱和犁托常作为一体，无犁侧板。固定在犁架上。小铧式覆草器切下的垡片为矩形，耕宽为主犁体的2／3，耕深约为主犁体的1／2。2．切角式覆茬器（图2－35b）切角式覆茬器常和圆犁刀装在共同的支架上，位于圆犁刀外侧的右下方（不与圆犁刀接触），随圆犁刀入土将垡片切去一个角，其断面呈三角形。3．圆盘式覆茬器（图2－35c）圆盘式覆茬器为一球面圆盘，凹面向前，圆盘周边磨刃。工作时，圆盘切土翻土，同时能被动旋转，因此阻力小，不易粘土缠草。它的配置和上述两种覆茬器不同，横向偏出主犁体犁胫线，它在切去本行扇形断面土垡的同时，还对未耕地切去一扇形断面土垡，使沟壁形成圆弧形缺口，避免了沟壁塌落，沟底不清的现象。这种小前犁因其结构复杂，造价较高，很少采用。4．弯板式覆茬器弯板式覆茬器是一块弯曲、曲率较大的矩形板，安装在犁壁顶边线上与胫刃线接近。弯板式（覆茬器能将从犁壁上升起即将翻转的垡片上的残茬先刮掉一部分，使之落入犁沟内，随后翻转的土垡即将其覆盖。这种覆茬器构造最简单，其覆盖效果易受土垡上升高度稳定性的影响。（五）超载安全装置安全装置的作用是当犁体碰到石块、树根或其他障碍物时，能使之安全越过，避免造成犁的损坏。由于安全装置有防止犁超负荷的作用，故可降低犁的强度储备，使犁的重量减轻。弹性安全装置还具有缓冲作用，可以减轻犁在工作中受到的冲击，从而使犁的寿命延长。自动式安全装置，在犁遇到障碍时，能自动越过障碍物而不必停车、倒车或升犁、降犁，大大提高耕地效率。超载安全装置很多，这里择要介绍以下几种：1．整体式超载安全装置装在犁的牵引装置上，必要时，安全装置能使犁与拖拉机脱开，一台多铧或犁只设一个安全装置，故称整体式。摩擦销钉组合式安全装置（图2－36）是当前国产牵引犁上广泛应用的一种整体式刚性安全装置。挂钩与弯板上均有缺口，并铆在一起与拖拉机相连接。犁的纵拉板前端亦有缺口，用螺栓将挂钩、弯板与纵拉板夹紧，中间贯穿销子。当工作阻力超过最大设计负荷时，工作阻力亦大于销子的剪切应力和纵拉板与挂钩间的摩擦力，拖拉机与犁自动脱开。这种型式，结构简单，工作可靠。销子有一定规格，更换时应按设计阻力选择。2．单体式超载安全装置现代犁上的安全装置多为单体式，即将安全装置设置在每个犁柱上，遇障碍物时，犁体能向后转动或向上抬起。这种安全装置的特点是反应灵敏，所需脱钩力小。单体安全装置按其结构原理可分为机械式和液压式两大类。机械式安全装置，过去多是单一作用，即只能脱钩不能复位，复位需要人工完成。图（2－37）所示的单作用式单体安全装置。由板弹簧EDF和拉板AD及滚轮掣子A组成。滚轮A和板弹簧EDF由拉板AD夹持。板弹簧的ED段为刚性。犁体遇障碍时，犁柱上端作用于滚轮上的力Q增大，通过拉板AD迫使板弹簧的DF段变形，此时D点即以ED为半径顺时针方向转动，而拉板AD则因受挡销C的限制，而使A端向上抬，滚轮即由犁柱的凹槽内脱出，犁体就绕B点向后转动越过障碍。滚轮和板弹簧分别由拉簧S和凸轮H保持其初始位置的稳定。脱钩力的大小可利用销钉F的直径来调节，采用较大的直径，则弹簧在脱钩时变形增大，从而使所需的脱钩力增加。图2－39所示是一种弹簧式全自动安全装置，由一套五杆机构ABCDE和一个弹簧连杆FGD组成。在正常工作时，由于连杆FG及强力弹簧的作用，机构处于稳定状态。当犁体遇到障碍物时，由于障碍物所给予犁体的反作用力不同，机构有两种反应：一是当遇到倾斜面的障碍物它对犁体的运动不给予太大的铅垂阻力时，犁辕AB就因受到弹簧连杆FGD的提升力作用使犁柱按ABCD四杆机构运动，而犁体则保持近于水平的状态向上升起越过障碍。当犁越障后阻力减小时，犁体的重力和弹簧的回力迫使犁体下降恢复原位，犁体又自动重新入土并达到原来的耕深。二是如果铧尖插入障碍物的下面或隙缝中，犁体被绊住不能顺利地向上提起时，则五杆机构中的CDE杆将在D处发生弯折，从而使犁体按顺时针方向向后转动越过障碍，而在越障后阻力减小时，则又自动回位，重新入土并继续工作。3．液压式安全装置多用于大型的现代犁上，是一种全自动安全装置（图2－40）。它的油路系统有以下两种型式（图2－41）。（1）储能器系统。当犁体遇障，油缸内压力超过规定值时，柱塞5将油压入储能器，犁体就向上抬。越过障碍后阻力减小，储能器内的压力又将活塞推回到原来的位置，使犁体重新入土恢复到正常工作状态。这个系统的油压可由拖拉机的油压输出口供给，当充压到所需的压强时（从压力表上看出），将油路关闭。这个系统就独立自成为一封闭系统。在多大载荷下起作用，由预先充压的大小而定。（2）闭路中心系统。另一种液压式自动安全装置是由拖拉机的液压系统中设置的“闭路中心”控制。如图2-41b所示。安全装置的管路与拖拉机液力输出口和回油口相连。拖拉机的液压油泵将安全装置的各油缸充满高压油。利用单向泄流阀来调节油缸内所需的压强。当犁体遇障，油缸内压力增大，单向泄流阀就被冲开，油缸内的油被排入油箱内。越障以后，油缸内的压力减小，油泵又将高压油充满油缸，使犁体恢复到原来的位置继续工作。三、铧式犁的翻垡原理（一）矩形土垡的翻转过程根据土垡在犁体曲面上的运动方式，可将犁体曲面划分为“滚垡”和“窜垡”两类。其中以滚垡型犁体用得最多。图2－42所示，在耕作犁体的铧刃和胫刃分别自水平方向和铅垂方向将土壤切开，从而形成一宽为b、深度为a的垡条。所谓“滚垡”即指在耕作过程中土垡的矩形横断面ABCD，首先绕棱角D翻转至直立位置A′B′C′D′，然后再绕棱角C′而翻转至最终位置A″B″C″D″，直到与前趟已翻土垡相靠贴。除了用螺旋型犁体开垦草根密织的粘重荒地这样一种特殊情况外，在一般熟地耕作中，纯粹的滚垡是没有的。当土垡被铧刃完全切开后，棱角D总是或多或少地被抬离沟底，而且有一定的侧移。南方水田犁系列中的某些犁体，在耕作过程中，在土垡翻转的同时，还伴有一定的上窜，以达到架空晒垡目的。（二）矩形土垡宽深比K的确定如果假定土垡在翻转过程中始终保持矩形断面而不产生变形，并始终有一个棱角与沟底相接触，那么这种理想的土垡翻转过程可如图2－43a所示。土垡A2B2C2D2首先绕棱角A2顺时针转至直立位置，再绕棱角D2转到A2B2C2D2位置。此时该土垡与前趟已翻土垡A1B1C1D1相靠贴。由于假定土垡在翻转过程中不变形，无侧移并且始终绕一角转动，所以每一土垡在翻转后均保持确定的几何位置：即相邻土垡支承点D1和D2之间的距离等于耕宽b；翻转后土垡的棱角C1或C2必然位于地表水平线C1C2上；土垡表面与沟底的倾角为δ（称为犁的覆盖角），土垡自初始位置翻到最终位置，所翻转的角度为1800-δ。由于a和b的数值不同，垡片翻后，就存在下述三种状态：（1）当a／b的值较小，即犁的耕深较小、耕宽较大，亦即δ角小时，垡片的重力G与支点D1形成顺时针方向的力矩，这时垡片倒下处于稳定状态（图2－43a）；（2）a／b的值较大时，δ角亦较大，当δ角大到一定数值，重力G与D点构成反时针向的力矩（图2－43b），这时，垡片将向回倒，造成“立垡”；（3）当垡片翻转后的位置，正留在垡片的对角线垂直于地面时，重力G正好通过D2点，这时垡片处于不稳定的临界状（图2－43c）。可见，土垡翻转后是否稳定，是由a／b或δ决定的。从图2－43c中可以看出，△D1A1D2△D2A2B2为相似形，对应边成比例，故有移项后整理，并令a/b=k，则有k4－k2－1=0解此方程可得K＝1.27临界覆土角δ0＝520，这表时当犁体的耕宽与耕深之比为1.27时，未松散的矩垡片将处于不稳定的临界状态。因此，在使用翻垡型犁耕翻不易松散的土壤时，其耕深不得大于犁体幅宽的1/1.27=0.787（窜垡型不受此限）。土垡宽深比的参考值见表2—5和表2—6。表2－5土垡宽深比耕地作业耕深（厘米）耕宽（厘米）设计时采用的K值实际作业中采用K值深耕35以上40－700.7－10.7－1.1较深耕法25－3530－401.2－1.31.1－1.5普通耕深18－2425－351.4－1.51.3－1.8浅耕12以下20－242－2.51.7－2.2开荒15－2530－502－2.21.8－2.5表2－6南北方系列犁的K值系列耕宽（厘米）设计耕深（厘米）适应耕深（厘米）K值南方水田2025162012－1814－221.1－1.71.1－1.7北方25303520242716－2218－2620－301.1－1.61.2－1.71.1－1.7（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。由于土垡是空翻转的，而且回转点沿高度不断变化，所以土垡的铺放状态同滚垡犁不同。这样，土垡的宽深比K也就可取较小数值。如南方水田犁系列中的窜垡型犁体，耕宽为20厘米，设计耕深为16－18厘米（最大耕深为20厘米），耕作质量能满足农业技术要求。其K＝1—1.25。第四节犁体曲面一、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。如图2－46d所示，如果使楔角为ε的两面楔偏斜放置，使楔刃与前进方向偏斜一θ角，即形成三面楔（工作面为ACD，支承面为ACB和ABD）。三面楔同时具有起土、侧向推土和翻土的作用。当楔子沿x轴的反方向向前进时，楔刃AD切现沟底，楔刃AC切出沟墙、被切下的土垡一面沿楔面上升，同时侧移并翻转。但由于β角为一定值，所以不能充分翻土，其碎土作用也极为有限。为了达到农业技术所要求的翻土、碎土和覆盖的要求，三面楔的楔角α、β和θ必须不断变化。铧式犁的犁体曲面就可以看成是由楔角不断变化的许多微小三面楔所构成（图2—47）。我们将犁体曲面放在oxyz座标系内，取x轴的正向为前进方向。由2－47可见，在铧尖部分，三面楔的工作面ACD就是犁铧工作表面的一部分。胫刃AC与x轴的夹角为起土角α，铧刃AD与x轴的夹角为推土角θ，垂直于前进方向的铅垂面BCD与犁体曲面相交所得截面线CD与沟底的夹角即为翻土角β。同样，在犁壁部分，用平行于沟墙的铅垂面、垂直于前进方向的铅垂面和水平面去截犁体曲面，可得到截面线M－M、K－K和H－H。这三条截面线所形成的微小三面楔A′C′D′在空间的位置已不同于铧尖部分的三面楔，亦即楔角α、β和θ都有了相当的变化。因为整个犁体曲面由许多微小的三央楔所构成，这些三面楔在空间的安放位置又在不断变化，所以犁体曲面就有着较强的翻土、碎土和覆盖的性能。三面楔在空间如何定位？各楔角之间又存在怎样的几何关系呢？图2－48为放置在oxyz座标系内的三面楔。平面ACB、CBD和ABD分别位于xoz、yoz和xoy座标面内。平面CBE是垂直于楔刃AD的铅垂面。该平面与楔子工作面ACD的截线CE同沟底平面ABD的夹角为ε。由图2－48不难看出，各楔角之间存在着这样的几何关系tgα=tgβtgθ而BE=ABsinθ所以tgα=tgεsinθ同理tgβ=tgεcosθ由以上分析可见，三面楔的楔角不是彼此独立的，而是相互依存的。因此，只要确定了楔刃与前进方向的夹角θ和楔子工作面与沟底的夹角ε，楔子在空间的位置即被确定。二、犁体曲面的形成原理犁体曲面可以由直线或曲线在空间按照一定规律运动而形成的。这些构成曲面的直线或曲线，称为“元线”。元线在空间的运动，可由直线、曲线或平面来控制。这些控制元线运动规律的几何要素称为导线或导面（在几何学上又称“准线”或“准面”）。（一）水平直元线法形成犁面的原理水平直元线法形成犁体曲面的原理就是以直元线AB沿导线CD运动，并始终平行于XOY面（图2－49），且不断改变直元线AB与ZOY面的夹角θn（元线角）所形成的曲面。图中θ0为铧刃角，直元线AB既通过犁胸又通过犁翼，其等高剖面线均为直线，便于设计和绘图。由于水平元线的运动方式不同，所构成的曲面又分圆柱型和扭柱型。（二）倾斜直元线法形成犁体曲面的原理倾斜直元线法形成犁体曲面的原理就是以直元线AB的端点P，沿导线CD，按与三个投影面的夹角成一定规律运动所形成的曲面（图2－50）。螺旋型犁曲面就是由倾斜直元线法形成的。按这一原理形成的犁面的特点是：根据犁体的工作要求，可分为犁翼S1、犁胸S3和犁铧S2三部分。由于它们的交界线均为直元线，所以可按各部分的要求作分片设计。导线CD可以是直线、折线也可以是平面或空间曲线。如是平面曲线，所在平面既可以是坐标平面也可以是其他平面。这样可有较多的自由度，供设计者选用。当然，只要能满足设计要求，应尽量选取在坐标平面上的直线作为导线，这样可简化设计。上述两种方法所形成的曲面都属于直纹面。（三）曲元线法形成犁体曲面的原理曲元线形成犁体曲面的原理就是以曲元线AA1B沿导线CC1、C1D运动而形成犁面（图2－51）。曲元线可用圆弧、抛物线或其他曲线。准线为二段直线，CC1为铧刃线，C1D为平行于OX轴的直线（C1D也可不平行于OX轴）。所谓曲元线，是指横剖面（平行于YOZ面）上一条不变的平面曲线。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