第一章-耕地机械

第一章耕地机械,引言,第一节铧式犁的基本构造和类型,第二节犁体曲面的工作原理,第三节犁体曲面的形成原理及设计方法,第四节犁体外载及犁耕牵引阻力,第五节悬挂犁悬挂参数的选择,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，从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。,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。,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。,普通双向犁,栅条双向犁,双向犁结构示意图,1.翻转机构2.犁轴3.左翻犁体4.犁架5.右翻犁体6.圆犁刀7.悬挂架,调幅犁,视频资料：派生犁类型,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。,EUROPE,中国,第一节铧式犁的基本构造和类型,一、铧式犁的基本类型二、铧式犁的基本组成三、铧式犁的型号表达四、主犁体的结构及功用,一、铧式犁的基本类型,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。,悬挂犁结构示意图,1.调节手柄2.右支杆3.左支杆4.悬挂轴5.限深轮6.圆犁刀7.犁体8.犁架9.中央支杆,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。,半悬挂犁结构示意图,1.油管2.调节螺杆3.弧形板4.纵梁5.斜梁6.安全器7.限深轮8.尾轮操向杆9.公路运输标志10.尾轮11.犁体12.犁刀13.垂直转向轴14.悬挂头架,铧式犁的工作特点,铧式犁工作时，主要是依靠由犁铧与犁壁组成的犁体曲面对土壤进行入土、切割、破碎、土垡翻转，使地表土层与底层土壤实现交换，为作物生长创造条件。,铧式犁的类型与特点视频,二、铧式犁的基本构成,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、铧式犁的型号表达方式,1.部颁农机序列标准,1耕整机械2种植施肥机械3田间管理和植保机械4收获机械5种子加工机械6农副产品加工机械7装卸运输机械8排灌机械9畜牧机械,举例说明：,1L320,四、主犁体的结构及功用,犁踵,犁体曲面,犁铧切开土垡引导土垡上升至犁壁。犁壁破碎和翻扣土垡。犁侧板平衡侧向力。犁柱联结犁架与犁体曲面。犁托联结犁体曲面与犁柱。犁踵耐磨件，防止犁侧板尾部磨损，可更换。,主犁体各零部件的主要功用,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？,第二节犁体曲面的工作原理,一、犁体曲面的类型二、犁体曲面的的工作原理,一、曲面类型,前面我们已经介绍过，犁铧与犁壁共同组成了犁体曲面，由于曲面的参数不同、性能不同，犁体曲面可分为：翻土型、碎土型和通用型（又称：螺旋型、熟地型、半螺旋型）。,翻土型犁铧起土角较小，犁胸部平缓，易于引导土垡上升，但翼部扭曲较为明显，目的在于将上升至曲面顶部的土垡实现翻扣。这种形式的曲面，土垡的运动轨迹为一条螺旋线，故又称螺旋犁。他主要用于开荒、深翻、消灭杂草和病虫害。,碎土型犁胸部较陡，翼部几乎为直立状，土垡沿曲面上升过程中表现为上压下挤，从而使土垡破碎。一般用于土壤状况较好、杂草较少且以松土为主的耕地作业，故又称熟地型犁。,通用型形状和性能基本介于翻土型和碎土型之间，故又称半螺旋型，目前包括山东在内的华东、华中地区应用较多。,二、犁体曲面的工作原理,犁体曲面由铧刃线、胫刃线、接缝线、顶边线和翼边线组成。,铧刃线在水平面开出沟底，胫刃线在沿前进方向上铅垂面内开出沟墙，形成一耕宽为b，耕深为a的矩形断面土垡条。很显然，犁体曲面的功能就是起土、碎土和翻土。,从两面楔到三面楔的工作过程,从两面楔到三面楔的工作过程,理想土垡的翻转过程：,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：,1.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。,FLASH,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是犁体曲面设计和工作的关键。当土垡翻转结束，土垡在犁通过后又重新翻回到犁沟中，被称为回垡。是否出现回垡现象主要取决于曲面的形状，或者说是取决于曲面的设计参数。,我们观察下面这样一种现象：设耕作的土垡断面深度为a，宽度分别为b1、b2、b3，在翻转到某个时刻时为土垡的临界状态。,临界状态,b2,回垡状态,稳定状态,a,a,a,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。,当土垡横断面的对角线BD垂直于沟底时，因AD=BC=a,DD=CD=b,所以DADBCD,因此有：,整理得：,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，K1.27；对沙质土，土壤很难成形，犁体通过后立刻堆积，K1.27；一般取K=1。,设临界宽深比,则有：,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？,思考题,第三节犁体曲面的形成原理及设计方法,一、犁体曲面的形成原理二、犁体曲面的设计要点,一.犁体曲面的形成原理,犁体曲面的形状对加工土壤的质量有至关重要的影响。目前，所应用的犁体曲面的形状是经过长时间积累、不断修改、不断完善而形成的，是一个空间任意曲面，不可能用数学的方法来真实的描述，只能是用近似的方法，用做图原理来形成犁体曲面。,可近似的认为：,犁体曲面的形成原理是由动线在空间按照一定的规律运动而成。,目前在设计犁体曲面时所用的方法有三种：水平直元线法、倾斜直元线法、翻土曲线法。其中，水平直元线法技术最为成熟，应用最广。,在应用水平直元线法设计犁体曲面时要特别注意的三个关键要素：,水平直元线导曲线（曲导线）元线角的变化规律=f（z）,水平直元线法的设计特点是：,动线为水平直元线，始终平行于水平面，在向上运动的过程中始终与铅垂面N内导曲线相靠贴，且与沟墙的水平夹角是随着元线的高度变化的，其元线角的变化规律为=f（z）。,在水平直元线形成曲面的过程中，有三个因素控制了动线在空间的姿态，从而决定了曲面的形状始终平行于水平面的水平直元线，导曲线，元线角的变化规律=f（z）。,水平直元线、导曲线、元线角的变化规律=f（z）水平直元线形成犁体曲面的三大要素,导曲线平面不同位置对工作性能的影响,需要特别指出的是，导曲线所在的位置对犁体曲面的性能有较大的影响，当导曲线在铧尾处时，所形成的犁体曲面为翻土型的，在距铧尖2/3处时为碎土型，界于二者之间的为通用型。我们将在犁体曲面测绘课程设计时联合讲解具体的设计方法和测绘方法。,二.犁体曲面的设计要点,1.首先了解当地农业生产中耕地作业的基本要求；2.根据农业要求确定可能出现的最大耕深；3.根据土壤性状及土垡稳定铺放原则确定宽深比K；4.根据作业要求确定犁体曲面的工作性能；5.进行设计计算和绘制设计工作图。,主视图的绘制,犁体主视图是犁体曲面在垂直于前进方向的铅垂面内的投影图，要确定犁体曲面轮廓的投影尺寸。依据的基本数据是农艺要求的规定耕深和基于宽深比K的耕宽。,俯视图的绘制,导曲线的绘制,碎土型：h/L=1.71.8，2030o;翻土型：h/L=1.51.6，1525o;=90o+，510o;S=36cm,hHmax。,A,B,C,元线角的变化规律z=f()确定,绘制俯视图及样板曲线,思考题,1.犁体曲面形成的基本原理？2.水平直元线形成犁体曲面的三大要素？3.导曲线的位置对曲面工作性质的影响？,第四节犁体外载及犁耕牵引阻力,一.犁体外载特性二.犁耕牵引阻力及高略契金有理公式三.犁耕土壤比阻的概念四.影响牵引阻力的因素和减少阻力的措施五.犁耕机组的配套计算,一.犁体外载特性,犁的受力特征,由于犁体曲面是一个既不规则又不对称的空间任意曲面，犁耕过程中，土壤对曲面的作用力成为一空间任意力系，在一般情况下，他们不可能简化成为一个合力。这样一个外载测量是十分困难的，只能用近似的方法来解决，目前，国内最常用的方法是六分力法。,测量原理：利用物体在空间受外力作用时，他将有六个自由度的结论，如果将这六个自由度全部给以约束，则该物体将处于静止状态，这说明六个约束力与可使物体产生运动的外力是等价的，若能测得这六个约束力，我们就可获得物体所受到的外力。,例如：一个空间物体受到重力作用时他将下落，这个外力的大小我们不得而之，但如果给该物体一个约束力使该物体处于相对静止状态，测量这个约束力的大小，我们就可获得外力的大小，如图所示：P为约束力。,采取同样的方法，将犁体和犁架置于测量空间，由于土壤空间力系的作用，机组可能产生上下前后左右的运动，如果在可能运动的方向上施加等价约束，那么机架将处于相对静止的状态，测量这些约束力，即可获得犁体所受到的外力。,C,C,C,C,C,C,测力传感器的工作原理,应变片电阻值的变化可应用电桥平衡原理测得：,RXV0,犁体外载根据不同的测量方法或分析的要求不同，所表达的方法也不同，主要有三种方法：,1.六分力法：将X、Y、Z三个方向的力向铧尖简化，可得主矢量的3个分量Rx、Ry、Rz和主矩的3个分量Mx、My、Mz。,x,2.坐标平面法：将测得的外力分别向三个坐标平面投影（简化）得3个平面力系：Rxy、Rxz、Ryz。,3.力螺旋法：将测得的所有外力向犁体曲面某一点简化，将3个分力和3个分力矩合成一个主矢力R和一个主力矩M。Rx可作为决定牵引力大小的重要依据。,二.犁耕牵引阻力,研究力的特性及大小的目的有2个：一是给机组设计提供依据，二是为使用提供依据。例如Rx就可作为犁耕牵引阻力。,犁耕牵引阻力耕作时，作用在犁上的总阻力的纵向水平分力。该力与拖拉机前进方向相反，可由拖拉机的牵引力来平衡。,Rxz,Rx,Rxy,Rx,农机机组在工作时，作用于工作部件上的土壤阻力的纵向水平分力与拖拉机的动力中心线共线，且牵引阻力与拖拉机牵引力大小相等，方向相反正牵引。,否则，将出现偏牵引、斜牵引、偏斜牵引。,阻力中心位置与阻力方向对犁耕机组直线行驶的影响,正牵引斜牵引偏牵引偏斜牵引,由于到目前为止，我们对土壤的物理机械性质了解不够，无法得到犁耕牵引阻力的数学力学模型，只能用测量结果处理后的经验公式来描述。目前，最经典的经验表达式是：高略契金有理公式,式中：f综合摩擦系数，0.30.5；G犁体重量（kg）；fG摩擦项；Koab静态阻力项;Ko静态阻力系数，一般为0.20.7；a单犁体耕深（cm）；b单犁体耕宽（cm）；abV2动态阻力项；动态阻力系数，250400；V机组速度（m/s）。,该公式的最大贡献是考虑了速度对犁耕牵引阻力的影响，但公式经常用作理论分析，实用价值不大，一般用犁耕土壤比阻法来表示犁耕牵引阻力的大小。,三.犁耕土壤比阻,犁耕土壤比阻单位耕作横断面上的纵向水平分力。用Ko表示（kg/cm2，或N/cm2）。,一般为0.40.6kg/cm2,式中：Rx土壤阻力，kga单犁体耕深，cmb单犁体耕宽，cmn犁铧数量,四.影响牵引阻力的因素和减少阻力的措施,1.影响牵引阻力的因素,犁体曲面形状表曲面光滑程度铧刃锋锐程度耕深与耕宽前进速度土壤状况等,2.减少阻力的措施,降低无效阻力：减轻犁的重量，增强曲面光滑程度，提高铧刃的锋锐程度等；,自磨锐,仿生学应用脱土减阻,pronotum,labrum,臭蜣螂（雄）表面形态CoprisochusMotschulsky,雌性臭蜣螂,(a)雌性臭蜣螂前胸背板(b)步甲腹部(c)雄性臭蜣螂前胸背板(d)达乌尔黄鼠毛(e)穿山甲鳞片,b,c,d,e,corrugated,dimpled,scaly,scaly,根据蜣螂体表特性设计的仿生犁,Convexdome,a,设计合理的犁体曲面：犁翼后撇，可减少土垡运动的侧向速度vy，避免侧向过分抛扔土垡，减少抛扔的能量消耗，vy1m/s；,VyRx,高速犁,vy1m/s,改变犁体曲面的结构形式：栅条犁、滚子犁、气（水）隔犁、电极犁、自激振荡犁等。,栅条犁的特点是，脱土能力强，工作阻力小，但对犁体材料和强度要求较高。,滚子犁使土垡的运动由滑动摩擦改为滚动摩擦，可大大降低犁耕土壤阻力。,水隔犁（气隔犁）可有效阻隔犁体曲面与土垡之间的接触，减少土壤阻力。,喷液体或气体,电极犁利用电渗原理使犁体曲面携带某一极性电荷，将土壤中的水分子吸引到犁体曲面上来，形成一定量的水膜，减少因土壤水分少而产生的干摩擦现象。,生物电与仿生电渗工作原理示意图,静电感应负电位,根据生物电渗原理研制的减粘脱土板材,电极犁结构示意图,自激振荡犁，通过高频振荡，减少犁体曲面与土壤的接触时间，从而达到降低摩擦阻力的目的，这种方式在农村所使用的畜力犁上由人工操作，非常普遍,正确的挂结和调整。,五.犁耕机组的配套计算,配套计算是指动力与机具之间的合理利用问题，为设计犁耕机组和正确地使用机组提供理论依据。依据可能与需要等价的基本原则，确定犁耕机组的配套计算公式。,设：a、b单犁体耕深和耕宽（cm）；n犁铧个数；牵引力利用系数，0.80.9；Pt拖拉机额定牵引力（kg）；K0土壤犁耕比阻（kg/cm2）,K0=0.30.4kg/cm2。,设：犁耕作业中可能产生的牵引阻力Rx,设：为平衡牵引阻力拖拉机所必须的牵引能力Pt,则：,参考资料,举例：某研究所欲设计与泰山30A轮式拖拉机相配套的铧式犁机组，已知配套动力为100kg，牵引力利用系数=0.9，农业要求的耕深为a=20cm，设计耕宽为b=30cm，土壤比阻K=0.4kg/cm2，试确定机组的犁铧数量n？,解：,答：机组的犁铧数量为3个。,思考题1.犁体外载的特性及表达方法？2.犁耕牵引阻力及高略契金有理公式？该公式主要说明了什么？3.犁耕土壤比阻？影响犁耕牵引阻力的因素及减少阻力的主要措施？4.犁耕机组的配套计算？5.某研究所欲设计与上海50轮式拖拉机相配套的铧式犁机组，已知配套动力为1176kg，牵引力利用系数=0.8，农业要求的耕深为a=20cm,设计耕宽为b=30cm，土壤比阻K=0.4kg/cm2，试确定机组的犁铧数量n？,第五节悬挂犁悬挂参数的选择,一、耕深调节与耕宽调节二、悬挂参数的正确选择,一.耕深调节与耕宽调节,1.耕深调节是根据农业技术的作业要求的不同及土壤状况的变化而进行的犁的入土深度的调节。调节的方法可依据土壤的实际状况和拖拉机液压悬挂系统的形式不同有三种：位调节、力调节、高度调节。,位调节液压悬挂装置与农机具为相对刚性连接，犁的升降完全由液压系统来控制。,当地表平整时位调节能保证较好的耕深一致性,位调节时地面状况对耕地质量的影响,当地表平整度较差时位调节易造成耕深的不稳定性,高度调节液压悬挂装置与农机具为铰连接，液压系统处于浮动状态（液压油缸的进出油阀全部打开），通过改变限深轮相对机架的高度来调节耕深。,高度调节在地面起伏和质地较好的情况下有稳定的耕深，但质地软硬明显时，机组的动力适应性较差。,机具上下自由移动,力调节液压悬挂装置与农机具为相对刚性连接，犁的升降完全由液压系统来控制。但力传感器可根据土壤的坚硬程度自动调节耕深，但需限深轮配合使用。,2、耕宽调节不是调节机组的工作幅宽，而是为防止漏耕和重耕进行的悬挂犁挂接调节。,为防止驱动轮压塌沟墙，拖拉机的右后轮一般行驶在犁沟内。,两行程之间正常衔接,由不正常挂接造成的非正常衔接,二.悬挂参数的正确选择,拖拉机悬挂装置与农具各悬挂点之间的连接关系,拖拉机与悬挂犁之间多为三点式后悬挂，即由农机具的2个下悬挂轴，1个上悬挂销分别与拖拉机的2个下拉杆和1个上拉杆进行铰连接，在连接的过程中，三个挂接点在空间的位置和安装尺寸的确定非常关键，此处我们称之为悬挂参数，设计不当、使用不当就会出现严重的错误。不能正常工作甚至根本就不能工作，如：不能入土、入土后耕深不稳、耕宽不稳等。,悬挂参数的选择与工作质量的关系,1.纵垂面内悬挂参数的确定,纵垂面内悬挂参数的合理选择是决定铧式犁能否正常入土和耕深稳定的关键。纵垂面内的悬挂参数主要是指上悬挂点与2个下悬挂点连线的垂直距离的大小。,首先观察一下悬挂犁正常入土的情况,a预定耕深，初始入土角，0最终工作隙角，S入土行程。,入土行程指机组的最后一个犁体从铧尖触地始至达到规定耕深时止所经过的水平距离。,一般说来，入土行程越小，入土性能越好，而入土行程的大小主要取决于两个基本条件：入土隙角和入土压力。入土压力我们可以增减犁的重量来控制，入土隙角则靠悬挂参数来决定，正常的入土角前倾，设为正值，=58o，入土后，o01o，入土角的正负与悬挂参数的大小有关。,三点悬挂机组的悬挂参数有3种状态：,瞬心在前方,瞬心在后方,瞬心在无穷远处,1,1,三种情况在挂接农具时均可发生。哪一种符合悬挂犁正常入土的条件？各有什么特点？我们通过对3种情况分别进行做机构运动简图的方式来确定悬挂参数的大小。,瞬心在无穷远处,结论：入土时入土角为零，无法入土；强行入土后，因平行四边形结构特点，易造成耕深不稳定。,瞬心在机构后方,入土瞬间,FLASH,结论：入土角为负值，不能正常入土。,瞬心在机构前方,入土瞬间,FLASH,结论：入土角为正值，犁体能正常工作。,2、水平面内悬挂参数的确定,水平面内的悬挂参数是指拖拉机2个下拉杆与农机具2个下悬挂点连接时，2个悬挂点在水平面内的投影。四边形机构的瞬心位置对犁耕机组的工作质量也有较大的影响。,一般