农业机械学-耕地机械

农业机械学,农业机械化及其自动化系农机教研室,主要教学内容,绪论：第一章：耕地机械第二章：整地机械第三章：播种机械第四章：中耕机械第五章：植物保护机械第六章：收割机械第七章：脱粒机械第八章：谷物联合收获机械第九章：玉米联合收获机械第十章：风机,绪论,农业机械化及其在农业生产中的地位和作用,一、什么是农业机械化,农业机械(agriculturalmachinery)是在种植业、林业、畜牧业、农村副业和渔业生产中应用的各种动力机械和作业机械的总称。,农业机械化(agriculturalmechanization)是指运用先进的农业机械装备农业，从事农业生产，实现生产工具现代化，改善生产经营条件，不断提高生产技术水平和经济效益、生态效益的过程。是农业现代化的重要组成部分。,狭义农业机械化单指种植业生产中的机械化。广义的农业机械化则包括种植业和林、牧、副、鱼各业生产过程中及其产前生产资料的准备和产后农副产品的贮运加工等项作业的机械化。广义上的农业过去是指包括农、林、牧、副、渔五业横向上的“一字型大农业”，现代的广义农业是指在“一字型大农业”的基础上，加上产前农业服务业、产中及产后农产品加工业在内的纵向联系，形成纵横贯通的“十字型大农业”。,一、什么是农业机械化,二、农业机械化及其在农业生产中的地位和作用,1改善劳动条件，减轻劳动强度。2强化生产能力。,二、农业机械化及其在农业生产中的地位和作用,3大幅度提高动力生产率、农业产出率、资源利用率和农产品商品率。,二、农业机械化及其在农业生产中的地位和作用,4是现代化农业技术的先导和载体，任何一项农业新技术的实施都必须依靠农业机械。5提高农业抵抗自然灾害的能力，稳定农业生产。,凯斯375ps拖拉机,二、农业机械化及其在农业生产中的地位和作用,6节约劳动力，发展二三产业，繁荣城乡经济，实现农业增产、农民增收和农村稳定。7促进传统农业向现代化农业的转变。,第一章耕地机械,1-1耕地概述,一、耕地的目的：1松碎土壤，改善耕层土壤的结构；2恢复土壤肥力；3消灭病虫草害；4增加土壤蓄水保墒能力；5保持土壤有机质含量，维持地力常新不蓑；6增加土壤孔隙度，使土壤中保持充足的水、肥、气、热四大肥力因素，为作物根系的伸展发育创造良好的条件。,二、耕地的农业技术要求1耕深一致、沟底平整、入土行程短；2地头整齐、少重耕、不漏耕；3活化耕层，提高土壤蓄水保墒能力；4适时耕作，抓住农时。耕地的农业技术要求还应根据不同地区和不同耕作方法而宜。,1-1耕地概述,三、土壤的结构特性土壤是耕作机械的作业对象，耕层土壤的特性是研究和设计机具的重要依据之一。,1-1耕地概述,(一)成份由固体、液体和气体组成，称为固相、液相和气相，即土壤三相。固相是主体，主要包括矿物质颗粒和有机质，而液相和气相则存在于固相孔隙内。矿物质颗粒包括砂粒：0.053mm，粉粒：0.010.05mm，粘粒：0.001mm,1-1耕地概述,土壤的性质决定于固相间三种颗粒的比例关系：粉粒含量大和土壤间凝聚力大时，耕作层土壤不易破碎，犁耕阻力大，这种为粘土，如我省中部地区。相反，土壤中含粉粒少的砂土、砂壤土，粘粒比重小，易于破碎，犁耕阻力小，好我省的西部地区。,1-1耕地概述,(二)容重自然状态下单位体积土壤的重量，称为土壤容重。土壤容重与固相颗粒的关系为：砂粒含量大时，则孔隙度大，土壤疏松，容重小，当c=11.2g/cm3时，有利于耕作。,1-1耕地概述,(三)湿度适耕状态:指土壤的含水量、容重、粘度、阻力都适于耕作，土壤与耕作部件间不粘结，耕后地表平整、土块小且耕作阻力小的结构状态。绝对湿度w=(自然状态下土壤重量q-烘干后土壤重量q。)/自然状态下土壤重量q相对湿度w。=绝对湿度w/田间持水量wn100%田间持水量：毛管水+膜状水+吸湿水。,1-1耕地概述,1-1耕地概述,土壤中的水分包括有效水分和无效水分两种，按水分在土壤中的受力情况分为重力水、毛管水、膜状水和吸湿水。,1-1耕地概述,吸湿水最靠近土壤分子，与土壤间引力为1万个大气压，最大量时的外层引力也达到30个大气压。膜状水的内层引力为31个大气压，外层为6.25个大气压。毛管水与土壤颗粒间引力为：当毛管直径为0.011mm时，6.250.1个大气压。重力水为流动水，重力水是达到最大田间持水量后，毛管中也难以容下的水分，它只受重力作用，与土壤表面间引力接近于零，是流动水。,植物根系吸收水分是通过渗透作用进行的，即通过静压力使水分在根系的细胞与土壤间相互渗透，渗透压为15个大气压。故土壤水分所受引力小于15个大气压时为有效水分，超过15个大气压时是不能被作物根系吸收的无效水分。当土壤中所有水分所受引力均大于15个大气压时，作物根系将无法土壤中吸收到水分而产生萎蔫，此时土壤中的含水量称为萎蔫湿度。土壤有效贮水量是自然含水量与萎蔫湿度的差值最大贮水量是田间持水量与萎蔫湿度的差值。,1-1耕地概述,(四)坚实度是土壤抵抗物体楔入能力的综合指标，与土壤的成分和含水量有密切关系，坚实度大，则土壤承压能力大，耕作阻力大。坚实度的测量方法是用标准的圆锥体压头垂直楔入土壤。式中q为单位压实力，指压痕容积为1cm3时的压实力。,1-1耕地概述,土壤中不同深度处的坚实度值不同，如图所示。OA段：坚实度随深度的增加迅速增大，近呈直线关系，表明表层一段的土壤坚实度大，但这段深度很小，说明是在地表一薄层，多因雨淋、阳光照晒等造成的板结层，深度在4cm以内。,1-1耕地概述,AB段：过度段，坚实度值随深度增加而增加缓慢，是一层较松软的土层，约23cm即h=67cm。BC段：耕层内作物根系发育最多的一段，坚实度随深度的增加变化很小，深度约1520cm，即h=2027cm。CD段：越过耕层到犁底层，土壤坚硬，坚实度随深度的增加呈更明显的加大趋势。,1-1耕地概述,不同土壤的坚实度差异很大，即使同一地块也因不同时期而不同，处于适耕期内的土壤，因其含水量适中，故坚实度低，犁耕阻力小。,1-1耕地概述,四、耕层土壤的力学特性(一)土壤的性质与变异土壤性质的变化范围很广，几乎是从流体至固体的各种性质都或多或少地存在着，这是因为各类土壤的力学特性都受到土壤中胶体微粒上水膜支配，由于水分和胶体含量不同，加上土壤的某些物理特性的差别造成土壤性质的各种变异。,1-1耕地概述,1弹性、塑性和流变由于土壤中含水量等的含量不同，造成有些土壤呈弹性体状态，有些土壤呈塑性状态，有些土壤则呈现流变状态。塑性土壤是指其相对湿度3570%，这种土壤干燥后能保持其已塑成的形状，超过此范围即为非塑性土壤，有些非塑性土壤可以表现出一些弹性体特征，有些则表现出脆性特征。,1-1耕地概述,如果塑性土壤中含水量达饱和状态，在它干燥过程中会经历粘性期塑性期松碎期(易碎期)坚硬期(胶结期)这样四过程，处于松碎期的土壤，具有易于耕作的适耕状态，大部分旱田土壤都可以看作是带有一定弹性和一定塑性的脆性材料。对于水田，其土壤呈流变状态，如深松铲加工土壤时，土壤不破碎，而是呈流动变形，即土壤只围绕松土铲移动，基本上保持连续的土体，仅在松土铲通过处有一切开面。,1-1耕地概述,2凝聚、摩擦和粘附土壤的凝聚力是指土壤颗粒相互结合在一起的力量。内摩力是土壤内部颗粒相互阻挠彼此移动的摩擦力。凝聚和内摩擦是决定土壤抗剪切强度的重要因素。,1-1耕地概述,土壤在金属表面的摩擦和粘附是耕耘机械对土壤施力时存在的一个重要现象。由于土壤毛管孔隙中水膜张力的存在，造成了土壤对金属表面的附着力，它对土壤与金属表面的摩擦有显著影响，有增大法向载荷的作用，称为粘附。但由于摩擦力和附着力很难分开，故此用“表观摩擦因数”来表示。粘土的表观摩擦因数高于砂土，不同材料与土壤间的表观摩擦因数不同，土壤对聚四附乙烯等塑料的表观摩擦因数明显低于金属。,1-1耕地概述,3风蚀和水蚀风蚀是指风力施加于土壤，使土壤受到侵蚀，土粒被带走，土壤水分丧失称为风蚀。,1-1耕地概述,水蚀是土壤内水分含量超过田间最大持水量时，产生流动水，耕层土壤被流水冲刷带走形成水蚀。,1-1耕地概述,产生风蚀和水蚀的原因是由于土壤表面颗粒过于细小，水分少，在风力和风速较大时，使土粒获得能量，达到土粒的起始拖曳速度或离开地表，一旦有一个土粒被吹动，获得能量就会成为更大的侵击者，使地表土壤颗粒受更严重的侵击，从而使更多的土粒被吹动，形成风蚀。风蚀后使土壤质地变坏，肥力下降，甚至整个地区的生态平衡遭到破坏，如20世纪3040年代美国西部大开发过程中发生的两次大尘暴一夜之间从美国的德克萨斯州等地刮走了3亿吨沃土，原苏联50年代西伯利亚开发中发生的黑风暴都属于风蚀作用的结果，因此50年代中后期许多国家不再使用铧式犁耕地，相继通过了一些水土保持法案，采取保护性耕作方法。,1-1耕地概述,(二)耕层土壤的强度土壤强度是土壤在某种条件下，抵抗外力作用的能力或土壤忍受变形与应变的能力。由于土壤类型繁多，结构易变，性质不稳定等，使土壤强度变化范围极大，很难用一个恰当的数学模型来准确计算其大小，多采用抗压强度、抗剪强度和抗拉强度来定性描述。,1-1耕地概述,五、耕耘机械的碎土方式耕耘机械对土壤的作用主要有三种：松碎土壤、翻转土层、平整地表。土壤破碎方式有：1刃切：土壤通过刃的切割作用，破坏土壤颗粒间的粘结力被分离成明显的脱离体，如犁刀、犁铧、旋耕刀、除草铲等工作部件对土壤的作用，刃切作用的大小或阻力大小主要与工作部件的结构参数、运动参数及安装角度等有关。,1-1耕地概述,2贯入：工作部件垂直压入土中。3劈裂：利用楔形工作部件将土壤刃切开的同时，使用土壤反复剪切失效，形成小颗粒。土壤的破碎方式还有弯扭、撞击、碾压和搓剪等形式。,1-1耕地概述,六、碎土的能量消耗土壤破碎程度的量度指标是质量中值，即在土壤被破碎后，按不同质量的土块分级并分别算出各级所占总质量的百分比，然后按质量大小顺序累计的分级百分比与土块质量之间的关系做出曲线，曲线上50%值处所对应的土块质量数值，即为质量中值。碎土过程中所需消耗的能量大小即为碎土的能量消耗，与土壤强度、碎土方式及加力方式有关，也与破碎后土壤质量中值大小有关。粘土比砂土消耗的能量大，同类型土壤的强度在不同时期的结构、容重、含水量等有关，潮湿土壤随着含水量的不断减少，强度增大碎土能量消耗大。,1-1耕地概述,1-2铧式犁的类型与构造,一类型,几种特殊型犁1双向犁(Onewayplow),1-2铧式犁的类型与构造,2调幅犁(ploughwithadjustableworkingwidth),1-2铧式犁的类型与构造,3偏置犁(offsetplough),1-2铧式犁的类型与构造,4层耕犁(multi-latertillageplough),1-2铧式犁的类型与构造,二、铧式犁的基本部件,犁铧前犁壁后犁壁犁柱犁托犁壁支杆犁侧板,1-2铧式犁的类型与构造,1-3铧式犁的工作原理与曲面形成原理,一、铧式犁的翻垡原理1理想土垡：理想土垡是指土垡翻转过程中不破碎、始终保持矩形断面，不台离沟底，始终有一棱角与沟底接触。2土垡宽深比的确定：理想土垡翻转过程中有两个支点，首先以A为支点至直立位置，再以D为支点翻转至与前次已翻转的土垡背面。理想土垡翻转后，能否稳定地停靠在前趟土垡上，不形成回垡和立垡现象，主要取决于土垡重心相对于土垡支承点的位置。,在临界状态下，即重心通过支点时,所以，,令k=b/a,称为土垡宽深比，,则有，k4-k2-1=0,求得k=1.27,即当理想土垡的宽深比为1.27时，处于不稳定的临界状态，要达到稳定状态，必须使k1.27。,由于，,1-2铧式犁的类型与构造,实际土垡是存在侧移和破碎的，其能否稳定铺放决定于土垡的自然休止角，而自然休止角远小于覆土角，故此，实际土垡的宽深比k也可适当减小，一般在1.11.7之间。,1-2铧式犁的类型与构造,要使暴露在阳光下的面积最大，则ds/d=0,求得k=1.414。,南方水田地区耕后需要晒垡，要求暴露在阳光下的表面积最大。即,1-2铧式犁的类型与构造,二、犁曲面形成原理(一)犁曲面形成原理两面楔子和三面楔子的作用原理：当两面楔子在不同的安放位置时，对土壤具有起土、推土和翻土的作用。,1-2铧式犁的类型与构造,而三面楔子则同时具有上述三方面作用。,1-2铧式犁的类型与构造,当利用一组相互垂直的三维坐标平面截取犁体曲面时，即可发现犁体曲面是由若干个具有不同起土角、推土角和翻土角的三面楔子复合而成。,1-2铧式犁的类型与构造,元线在运动中始终保持水平；元线在运动中始终与导线接触；元线角变化规律满足下式,犁体曲面是由一条特定的线段称为元线按一定的规律运动而成。,的要求。,几种主要犁体曲面的形成方法如下：,1水平直元线型犁体曲面：由一条水平直元线按一定的规律运动形成，其要点为：,1-2铧式犁的类型与构造,这种方法形成的犁体曲面主要包括直柱型和扭柱型两种。导曲线可位于与铧刃相垂直的平面内或与沟墙平面相平行的平面内。,1-2铧式犁的类型与构造,2倾斜直元线型犁曲面,直元线在运动过程中，不保持水平状态，但是与水平面、纵垂面和横垂面间保持一定的角度变化关系。其在水平面内形成的轨迹称为水平迹线。形成方法包括迹线法、极点法和双导线法。曲面的种类有螺旋型和单叶双曲面型两种。,1-2铧式犁的类型与构造,3.曲元线型犁曲面形成犁体曲面的元线不是直线，而是曲线，称为为曲元线。曲元线在运动中始终与沟墙垂直；曲元线的弦与水平面的夹角0及曲元线两端点切线与水平面的夹角1、2是按一定规律变化的，因此，影响曲面的因素主要是元线的形状、迹线位置及0的变化规律。,1-2铧式犁的类型与构造,(二)元线角的变化规律,元线角的三个特征值：初始元线角。、最小元线角min、最大元线角max。,。：是铧刃线与沟墙夹角，。越小，则滑切作用越大，铧刃越容易切断土壤和草根，切割省力，一般翻土型犁体。=3540，碎土型。=4045。,min：元线角在犁体接缝线处达到最小，碎土型min=。-(12)，翻土型min=。-(24)。,1-2铧式犁的类型与构造,max：在最高一条元线处达到最大值max，碎土型犁不要求扣垡，故max较小，mzx=。+(27)，翻土型犁体要求有良好的扣垡、覆盖性能，故max较大，mzx=。+(715)。各种犁体曲面的元线角都是由。minmax呈这样一种变化规律，但不同类型犁体元线角的三个特征值不同，且由。min和由minmax的过程中，变化方式也是不同的。,1-2铧式犁的类型与构造,1)碎土型犁体：在由。min时，呈直线递减规律，而由minmax过程中，则呈曲线关系，变化大的部分集中在犁胸部，而翼部则趋于平缓，有利于碎土，但翻土性能较差。,1-2铧式犁的类型与构造,2)翻土型犁体：翻土型犁体曲面的元线角在由。min过程中，与碎土型相同，均呈直线递减规律，只是特征值不同，在由minmax过程中，呈抛物线规律变化，曲线形状与碎土型不同，其变化规律可由公式Y=z22P给出，说明曲线即元线角呈抛物线规律变化，或-min=(ZZmin)22P。,1-2铧式犁的类型与构造,(三)犁体曲面主视图的绘制,1)确定沟底线:先取铧尖一点A，确定沟底线，截AC=a，AB=b，AB=b+b2)作地表平面线:另作水平线距沟底为耕深a，作地表平面线,1-2铧式犁的类型与构造,3)绘制土垡轮廓图:以C为圆心，以b为半径，在地表线上交得一点K，连CK，CK为已翻土垡背面，从而绘出土垡轮廓图。4)画铧刃线:AB为铧刃投影，AB=bb，b=23cm称为贮备值，碎土型取正值，翻土型取负值。,1-2铧式犁的类型与构造,实际上多数多铧犁b都取正值，以保证相邻犁体间少量重叠和充分切断草根，只有部分开荒犁上为减小侧移和扣垡，b取负值。,5)画胫刃线(地边线)AG:AG=H=b，但为避免表层松碎土壤自胫刃上端落人沟底，都使AG=H=b+(13)cm,另外，为避免胫刃刮塌沟墙，AG线并非铅垂方向，而是使K点向左偏斜，距铅垂方向约e=l0mm间距，水田犁上则使AK线向右(未耕地)上偏斜，如菱形犁，可避免沟墙倒塌。,1-2铧式犁的类型与构造,6)顶边线GFE:多为曲线，少数为曲线与直线组合。最高点F距沟底距离Hmax应使土块翻转过程中，不致从顶边翻过落入犁沟。F距沟墙距离为b。,1-2铧式犁的类型与构造,7)翼边线EM：EM平行于土垡背面，为避免EM线刮擦土垡背面，EM距土垡背面有一间距m=25mm。EM的倾角为覆土角，E点位于规范垡块中部，即距土垡最高棱点b2，M点的位置和犁铧接缝线需待俯视图完成后，才能确定。,1-2铧式犁的类型与构造,四、导曲线参数与位置确定由水平直元线法形成的犁体曲面，其形状和工作性能主要取决于导曲线参数和元线角的变化规律。导曲线位于与铧刃垂直的铅垂面内，它由一段直线和一段抛物线组成，通过犁胸和犁壁。导曲线的参数包括开度L、高度h、犁铧安置角、直线段长度s、抛物线两端点切线的夹角。,1-2铧式犁的类型与构造,(1)当h一定时，L大，曲面平缓，有利于土垡上升，阻力小，但碎土能力差，L小，则曲面陡峭，阻力大，碎土能力强。(2)导曲线的高度h：h应略小于犁体顶边最大高度，耕深小于18cm时，取正值，耕深较大的粘重土壤，取负值，一般碎土型h=(1.71.8)L，翻土型h=(1.51.6)L。,1-2铧式犁的类型与构造,(3)直线段长s：长则下部平缓，有利于土垡上升，短则碎土能力强，s的大小与耕深有关。(4)犁铧安置角(直线段与沟底夹角)：大碎土能力强，阻力大。对于翻土型犁体为保证土垡翻扣，不宜过分破碎，要求不能太大，应适当减小。一般碎土型犁体=2030，翻土型犁体=1525。(5)导曲线两端点切线夹角：=105110,1-2铧式犁的类型与构造,(6)导曲线所在平面相距铧尖位置：当导曲线所在平面距铧尖较远时，胫刃开度大，曲面平缓，有利土垡上升和翻扣，当导曲线所在平面距铧尖较近时，则阻力大，碎土能力强。故翻土型犁体曲面的导曲线位置常位于犁铧尾端，犁胸平缓，犁翼扭曲大，碎土型犁的导曲线位置常位于距铧尖23处。,1-2铧式犁的类型与构造,五、高速犁曲面的设计,故而，耕速增加，将使犁耕阻力显著增加。高速犁体曲面设计过程中要着力解决以下两个问题：一是必须保证犁耕阻力不能随耕速的增加而增加过快；二是保证土垡侧抛不能过远，减少能耗。,犁耕阻力与速度的平方成正比，,1-2铧式犁的类型与构造,为此高速犁体曲面设计中采取的方法或设计要点为：一是起土角应适当减小，普通犁体的=22，高速犁体的=17，以减少推土和升土阻力，避免土垡过于粉碎；二是土垡沿犁体曲面运动的侧向分速不应超过1m/s，这就必须使犁翼末端处水平截面与前进方向的夹角适当减小，普通犁体的=40，而高速犁体的=26，这样可避免土垡侧抛过远。,1-2铧式犁的类型与构造,1-2铧式犁的类型与构造,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,一、作用在犁体上的力1测力目的：研究耕地机组的受力平衡条件、犁的工作稳定性和犁的挂接调节原则，计算犁体各部件强度。弄清作用在犁上的力的种类，各力怎样达到平衡，犁体入土后，怎样保持稳定的耕深，如何选择合理的与拖拉机挂接方式和怎样调整，使犁能在最佳状态下工作，犁体各部件的设计、制造，尺寸及形状特点等如何选择，才能满足结构强度要求。2犁体外载：在犁耕过程中，犁体对土壤产生切割、推移和翻抛作用，引起土壤对犁体的反作用力，称之为犁体外载。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,3受力特征：是一个空间任意力系，它可以简化成一个合力，我们只要通过仪器测得犁上的六个反力，就可求得作用在犁上的主动力(合力)的六个分量。4测定方法：犁体曲面受力情况主要从两个方面研究，一是求整个犁体曲面的总的受力情况，找出它的合力大小、方向及作用线，以便进行犁柱犁梁的强度校核和平衡调整，一般采用六分力法测定。二是求犁曲面各部位受土壤反力作用的分布情况，用来确定犁避、壁铧的磨损部位，一般用电测法测定。,六分力法：六分力法的基本原理是将犁曲面分解成若干小单元并将每个单元上的受力沿，X、Y、Z轴分解，则在X、Y、Z轴上必然存在合力Rx、Ry、Rz。这样就可利用一特制的梁架，测出六个分力，计算出Rx、Ry、Rz的数值。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,六分力测力装置采用一个特制的三角型梁架，把不带犁侧板的犁安装在梁架上，梁架水平放在牵引车上，由A、B、c三点支持，在A、B、C三个支点上，安置能测出Az、Bz、Cz、Bx、Cx、Cy六个分力的拉或压传感器(测力计)，当犁曲面进行耕作时，可通过梁架、传感器测出犁体上所受的六个分力的大小和方向。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,Rx的作用使梁架及B、c两点处在x方向受压，其值为Bx、Cx。Rz的作用使梁架A、B、C三点均受z向力，其值为Az、Bz、Cz。Ry的作用，使C点沿Y向受压，其值为Cy。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,根据空间力系平衡原理，可得：,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,设Rx、Ry、Rz对X、Y、Z坐标轴的垂距分别为a、b，c，按力矩平衡方程式有：,由上式可求出a、b、c的数值，则犁体曲面上所受土壤反力的大小、作用点、方向均为已知。,三面法：犁体受力表示方法还可采用三面法，即将Rx、Ry、Rz三个力分别投影到XOY、YOZ、ZOX三个坐标面上，然后再在三个坐标内合成。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,其作用线位置可按如下平衡求出。,从而求得xz、xy、zy。Rxz、Rxy、Rzy的方向可由、表示。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,电测法：犁体曲面上土壤应力分布：用一特制的压力盒嵌置在犁铧犁壁表面，压力盒内的应变片受压后，输出电信号，测出力的大小。可见，铧尖部分受力比翼部大，而且不同元线上或不同导线位置上的曲面受力不等，总体来讲，从铧刃至犁壁顶边，从铧尖到犁翼，其受力是逐渐减小的。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,二、牵引阻力犁的牵引阻力是指土壤作用在犁上的总阻力沿前进方向的水平分力，它直接关系到耕地机组的动力性和经济性，是犁的主要性能指标之一，是强度核算和合理配置机组动力的依据，应尽量减小牵引阻力。犁的牵引阻力由以下三方面构成：(1)犁对土垡切割、破碎、扭转、推移所需的力，占6070(2)犁在行进中犁底、侧板、轮子等的摩擦力，占2528(这部分是无用阻力)(3)使土垡产生运动所需力，占13%16%,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,牵引阻力公式：1简易经验公式：P=KabP牵引力，K土壤比阻，a耕深，b耕宽2分项计算公式：P=P1+P2+P3=G+K0ab+abV2式中P1=G是犁在移动中产生的摩擦力P2=K0ab是土垡在破碎过程中由于变形而产生的阻力P3=abV2是犁在耕地时，使土垡产生运动而使土垡动量变化时产生的阻力,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,3间接计算公式：P=fG+mKabK土壤坚实度f摩擦系数m系数4有用阻力与无用阻力之和为牵引阻力Px=(G+RzPzRz)+f(Ry+Ry)+Rx+Rx其中Rx为有用阻力，则牵引力利用系数为=RxPx锋刃时，悬挂犁=0.8牵引犁=0.75钝刃时，悬挂犁=0.6牵引犁=0.56,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,三、减少牵引阻力的途径1机务技术措施(1)选择适耕期:含水量适宜、根茬腐烂适度。土壤强度小，易于破碎，阻力小。(2)保持铧尖和铧刃锋利：勤换犁铧、勤磨铧刃。(3)减少摩擦力：工作部件表面涂油防锈(4)正确装配零件：使土垡沿犁体曲面滑动时没有阻碍。(5)正确调整牵引线：当牵引线在纵垂面内和水平面内的角度适宜时，牵引力可达到最小。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,2设计制造方面的措施(1)设计良好的犁曲面：在满足碎土翻土的条件下，减小对土壤的挤压力、垡块穗心的提升高度小、位移小与犁曲面间的相对速度小。(2)采用自磨锐犁铧：利用两种不同材料的耐磨强度不同，始终保持铧刃锋利。(3)采用非金属特殊材料：将一种与土壤间的磨擦系数很小的塑料薄膜敷贴在犁壁上。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,3研制特种犁体(1)滚子犁：在犁壁犁侧板上加装滚柱滚珠等，改滑动磨擦为滚动磨擦。减小阻力1015%。(2)曲面上加润滑剂：在犁壁上开出倾斜的缝隙，用于渗水。减小阻力30%。(3)振动犁：在犁铧或犁壁上加装振动器，减小阻力525%。(4)采用电渗技术：在犁铧和犁刀间通以1260伏直流电，犁铧为负极，犁刀为正极，土壤中的毛管水向负极集结形成水膜。当土壤水分为20%时，可减小阻力20%。,1-3作用在犁体上的力和犁耕的牵引阻力,1-4悬挂犁的受力分析,根据对犁体受力分析知，犁体受空间任意力系的作用，并将空间任意力系简化到三个坐标面内的三个分阻力，Rxy、Rxz、Ryz，同样悬挂犁的受力也可简化为三个坐标面内分别研究。因悬挂犁工作中受平衡力作用，故采用静力平衡法分析犁的受力平衡问题，其中以图解法应用最广泛，因之方便、直观，接近实际。为简化问题，做如下四点假设：(1)犁作等速直线运动；(2)犁侧板承受全部侧向力，不受沟底反力；(3)各犁体受力相同，合力作用在中间犁体上或假想的中间犁体上；(4)如两下拉杆不在同一水平面内，取其中间位置为下拉杆位置。,一、纵垂面内的受力(一)悬挂犁采用高度调节时的受力分析1高度调节：是耕地机组耕作时，拖拉机上的液压手柄放在浮动位置，犁与拖拉机液压系统间无力的联系，犁处于浮动状态，拖拉机的下拉杆为二力杆，犁的耕深由限深轮限制。2受力分析方法：,1-4悬挂犁的受力分析,按比例绘制悬挂犁工作状态机构简图，延长AB、CD交于1点，1为悬挂犁在纵垂面内的瞬时回转中心，简称瞬心。,犁在此面内的受力情况：共受5个力的作用，即：重力G、土壤分阻力Rxz、犁侧板与沟墙摩擦力Fx、土壤对限深轮的反力Qxz、牵引力P在纵垂面内的投影Pxz。,在此力系中，有三个未知因素，可用图解法求解。,1-4悬挂犁的受力分析,3作图步骤：首先选定比例尺。(1)根据已知力G、Rxz求解它们的合力Rs，作力多边形。(2)在机构简图上，作G与Rxz的交线，交点为1，过1引平行于Rs的直线，交Fx的作用线于2点。,1-4悬挂犁的受力分析,(3)在力多边形上作Rs与Fx的合力Rl。(4)在简图上过点2引平行于Rl的直线交Qxz作用线于点3，连接点3和瞬心1，决定Pxz作用线的位置，Pxz的方向已定，指向瞬心。,1-4悬挂犁的受力分析,(5)在力多边形上做Rl与Qxz的合力Pxz，从而确定Pxz与Qxz的大小。(6)在力多边形上，将Pxz沿上、下拉杆AB、CD方向分解，得作用于上拉杆上作用力s和下拉杆上作用力N1xz和N2xz，从而将作用在悬挂犁纵垂面内的外力全部求出。,1-4悬挂犁的受力分析,(二)悬挂犁采用力位调节时的受力分析1力调节：作业机的位置与耕深由拖拉机液压油缸控制，当耕作深度确定后，下拉杆CD的位置由油缸固定，即在油缸的作用下，使犁处于与一定牵引阻力相应的某一位置上，保持预定耕深。耕深随牵引阻力的变化由液压系统自动控制。2位调节：作业机由液压油缸控制下降到预定耕深时，由液压系统将机构锁定，作业机与拖拉机结合成一个整体，在纵垂面内，两者不能产生相对运动，耕深不随牵引阻力变化，受地势影响。此两种情况下，下拉杆CD均不为二力杆，左右两吊杆内有力的作用。而高度调节时，左右两吊杆内无力，下拉杆为二力杆。,1-4悬挂犁的受力分析,力调节工作原理：犁在耕作过程中，上拉杆内的压力是变化的，D2M的M端与油压筒内的进油阀门连接。当作业机的工作部件所受的土壤反力超过负荷时，则CD杆上所受压力增加，此时D2点连接的弹簧受压变形，D2M杆向左伸出一段距离，将油缸的进油阀推开，油缸下腔进油，将作业机向上提升，耕深变浅，阻力R减小。,1-4悬挂犁的受力分析,当负荷过小时，CD杆压力减小，D2M杆右移，弹簧恢复原长，油缸进油阀关闭，作业机恢复到预定耕深，这种装置可使作业机组始终保持较稳定的负荷，发动机可以一直在效率较高的工况点上工作。,1-4悬挂犁的受力分析,3受力分析重力G、土壤分阻力Rxz、犁侧板与沟增磨擦力F构成的合力R1;下拉杆对犁的作用力ND：通过D点，大小、方向未知;拖拉机对下拉杆的力NC：通过C点，大小、方向未知;提升杆EF上的力T：方向已知，大小未知;上拉杆AB上的力Sxz：方向和作用线已知，大小未知。,1-4悬挂犁的受力分析,4作图步骤：选定某一比例尺，画出机构简图。以犁为分离体：由G、Rxz、Fx做出三者的合力R1在简图上延长R1的作用线交AB延长线与H点，根据R1、Sxz、ND三力平衡，ND作用线必通过H点，在Sxz大小未知，ND大小、方向未知情况下，可做出力多边形求出Sxz和ND的大小和方向等。,1-4悬挂犁的受力分析,取EF为分离体：EF为二力杆，受拉，作用力沿EF方向，作用力为T；,1-4悬挂犁的受力分析,取CD为分离体：CD受D点作用力ND、提升杆EF的拉力T和C点的作用力Nc,，其中，ND的各要素均已知，T的大小未知，方向作用线已知，Nc大小方向未知，作用线过c点。由于ND、Nc,、T三力平衡，必汇交于一点，因此，先做ND与T的交点3，连c点3点，确定Nc的作用线，由力多边形确定Nc大小、方向和T的大小。,至此，作用在力位调节机组上纵垂面内的各外力全部求出。,1-4悬挂犁的受力分析,二、水平面内的受力分析悬挂犁在水平面内受力不受调节方式的影响，悬挂机构的上下拉杆和左右提升杆均为二力杆，两下拉杆的延长线交点2为悬挂机组在水平面内的瞬时回转中心。,1-4悬挂犁的受力分析,1受力分析：作用在犁上的力有4个，即犁体工作面上的分阻力Rxy，各要素已知；土壤对限深轮的阻力Qx，各要素已知；,1-4悬挂犁的受力分析,土壤对犁侧板的反力Fxy=Fx/sin,为土壤与犁侧板的摩擦角，Fxy假设作用在中间犁体上，故各要素已知；牵引力的水平分力Pxy大小、方向、作用线均未知。以上4个力只Pxy的各要素不知，故可用力多边形法求解。,1-4悬挂犁的受力分析,2作图步骤：选定某一比例尺，画出机构简图(1)根据Rxy、Qx作出它们的合力R0；(2)在简图上，作Rxy、Qx的延长线，交点为1，过1点引平行于R的作用线，交Fxy的作用线与2点；,1-4悬挂犁的受力分析,(3)在力多边形上，做R0、Fxy的合力Pxy；(4)在简图上过2点引平行于Pxy的直线，交AB延长线于3点；(5)在力多边形上，做Pxy与Sxy的合力Ps，并沿ClDl、C2D2方向分解Ps，得两下拉杆上的力N1xy、N2xy。,1-4悬挂犁的受力分析,3说明：在平衡状态下，Pxy、Sxy的合力Ps作用点3，由3点引平行于Ps方向线，此线应过2，否则，说明Fxy与假设(中间犁体侧板末端)与实际不附，应改变Fxy的大小，重新作图，直至3点在Ps的作用线上，即3点与2点成为Ps的作用线为止。,1-4悬挂犁的受力分析,三、横垂面内的受力分析：四、运输状态的受力分析：犁受三个力作用，重力W各要素已知；上拉杆CD上的拉力Q：方向沿CD杆，大小未知；下拉杆在B点上的支反力S：通过B点，大小、方向未知。根据受力平衡条件，三力平衡必汇交于一点，重力W与CD杆拉力Q的交点为O1，则力S必通过O1，由此可求出Q、S。,1-4悬挂犁的受力分析,取下拉杆为受力体，其受S和R(大小和方向未知)及吊杆内力T(沿PE方向，大小未知)，同理，三力平衡必汇交于一点。由T和S得交点O2，则R必通过O2，从而求得R、T。,1-4悬挂犁的受力分析,当T已知时油缸的起重臂NF为以M为支点的杠杆，平衡时，必有一力P与T使杠杆力矩平衡，Ta=Pb，则P=Ta/b，而a=FMcos，随着提升高度的增加，增大，则a减小，即P减少。此力要求设计悬挂式作业机时，必须使P控制在油压系统的安全阀所允许的范围内。另外，P的大小不仅与G有关，而且与作业机悬挂位置和提升高度等有关。,1-4悬挂犁的受力分析,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,悬挂机构是指连接拖拉机与作业机之间的一套杆件机构，由上拉杆、左右下拉杆、左右提升杆、起重臂、限位链和油缸等组成，其作用是提升或降下农机具，并满足工作部件位置高低或入土深浅的要求，使作业机保持纵向水平及横向水平。具有升降、纵向调节、横向调节、横向稳定的功能。,一、纵垂面内悬挂参数的选择悬挂犁在纵垂面内的悬挂参数有：立柱高度H：上下悬挂点间距；下悬挂点到犁体支持面间距离h；瞬时回转中心的位置,纵垂面内的悬挂参数影响犁的入土性能、耕深稳定性能、牵引性能及运输通过性能等。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(一)入土性能：是以能否满足耕深要求和入土行程长短来衡量。1入土行程：是指最后犁体铧尖触地时到达到要求耕深时犁所经过的水平距离s，s的大小主要取决于入土隙角和入土压力。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,犁铧的入土过程，即铧尖的理论轨迹为一条指数蓑减曲线。入土行程公式：,2入土隙角：犁入土时，铧尖首先着地，这时，犁底面与水平面间有一夹角，称为入土隙角。,由入土行程公式可见，当加大时，s减小，而与1有关，1前移，小，反之则大。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,为使入土隙角大于零，使犁前倾，则必须使1配置在犁前方，为此，必须保证BDAC。由于悬挂机构为四连杆机构，故犁的入土隙角都是第一铧最大，最后铧最小，并且各铧入土隙角随犁入土深度增加面逐渐减小，当达到稳定耕深时，变为0，一般0等于零或稍大于零，使犁始终保持一定的入土趋势，当0小于零时，耕深有变浅趋势。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,3入土压力：要使犁入土，还必须使铧刃对土壤有一定的压力，当每厘米长铧刃上有1Kg以上压力作用于土壤上时，犁铧能入土，入土力大于土壤的抗压强度，或使入土力矩大于反入土力矩。入土力矩反入土力矩为贮备力矩,由以上分析可知，要使犁能够入土必须使MM，即M0，M称为贮备力矩。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,作为高度调节机组，作用于限深轮上的压力应保持在150-250Kg反力，作为力位调节机组，作用在油缸上的力应稍大些。在入土起始阶段，1点偏低，犁入土阻力小，M较大，随入土深度的增加，M加大，M减小，达到稳定耕深时，M=0或稍大于零，犁不再入土或保持一定的入土趋势，处于工作状态。影响入土力矩M的因素为犁的重量、铧刃厚度、1的位置。1上移，则M减小，M加大，入土能力差，1下移则相反，1前后移时，M、M的变化趋势相同，对M影响不大。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(二)耕深稳定性：在上面分析过程中，已知犁达稳定耕深时，由于犁耕过程中，土质不断变化使反入土力矩不断变化，为使耕深稳定，应使犁在整个耕作过程中，贮备力矩都应大于零。故此限深轮或液压油缸上应承受一定栽荷作用，但贮备力矩不宜过大，否则，会使限深轮压陷太深。一般情况下，力调节机组要比高度调节机组上的贮备力矩大些，因力位调节时，贮备力矩与作用在提升杆的力对1的力矩平衡，虽M较大，仍能保持稳定耕深。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(三)牵引性能：悬挂机组在运输或作业时，因机组的重量或牵引力的作用，使拖拉机的前后轮重量重新分配，即前轮受土壤反力减小，而后轮受土壤反力增大，这种现象称为重量转移。,2,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,重量转移的结果：1后轮获得更大的重量，附着性与驱动性变好，打滑率降低，有利于发挥拖拉机牵引性能，提高生产率。,后轮增重量：,高度调节机组：,力位调节机组：,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,2前轮减载，附着性变差，导向性变坏，故拖拉机与悬挂机组连接时，前面加配重，以增加前轮的附着性，改善操向性能。前轮减载量：,高度调节机组：,力位调节机组：,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,对于采用高度调节机组：重量转移后也改变了1的位置：1上移或后移，Pxz作用线变陡，1、2加大，由两式可知，这将使Q1、Q2均增大，Q1加大有利，而Q2加大则不利于操向。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,对于采用力位调节时，因Pxz不通过1点，其作用线陡，增重效果比高度调节机组明显，因此，从经济性上看，力调节机组较高度调节机组优越。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(四)运输通过性：,悬挂机组最大的优点就是机动性和通过性好，但若悬挂参数选择不合理，则会影响到悬挂机组的运输通过性。通过性的指标或参数就是运输间隙h和后通过角。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,后通过角：是指当入土角大于前铧尖向后轮所做切线与水平面夹角时，即为后通过角；而当入土隙角小于时，后通过角为最后犁体的犁侧板末端向后轮所做切线与水平面的夹角。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,运输间隙：是指犁处于悬挂状态时，犁体最低点距离地面的高度。,(五)纵垂面悬挂参数确定的要点11应位于悬挂犁前方，使0，h满足通过性要求；,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,若1配置在作业机后方时，入土隙角和后通过角均小于零，则犁不能入土，同时也使运输间隙减小，使通过性变差，不利于道路运输。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,当悬挂机构的上下拉杆与犁的上下悬挂点构成平行四杆机构时，1点将在无穷远处，此时，入土隙角不随犁的起落而变化，始终保持一个定值，同样不利于犁的入土和保持稳定的耕深，故这种机构也不适用。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,21还应使犁达到预定耕深后，仍具有一定的贮备力矩，即M0。对于高度调节机组，由于瞬心1的位置对保证入土力矩和驱动轮增重是矛盾的，此时，以满足入土性能和耕深稳定为主，力调节机组可使入土力矩和后轮增重得到很好的满足，但应避免液压系统的压力过大。3犁架上H和h都能调节。以适应不同拖拉机挂接要求和保证1的位置有利于犁的入土和后轮增重效果。通过选择不同的挂接孔位，可得到不同的1位置。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,纵垂面内悬挂参数选择的要求：(1)入土角大些好，而当达到稳定耕深时不再继续入土，保持稳定耕深。0应等于或稍大于零，使犁不再继续入土，保持稳定耕深。(2)有良好的运输通过性和纵向稳定性，故犁的悬挂高度应适宜。(3)入土行程S要短，犁应能迅速平稳达到预定耕深。(4)犁作业时，如土质不均或地表起伏时，能自动纠正耕深和耕宽的不稳定性。(5)机组应具有良好的牵引性能。(6)多铧犁各犁体耕深相同。(7)纵梁与前进方向一致。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,二、水平面内悬挂参数的选择水平面内的悬挂参数有2的位置，两下悬挂点的距离和位置等，这些参数应满足耕宽稳定性、机组直线行驶性和操向性的要求。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(一)耕宽稳定性：为保证耕宽的稳定，不使犁因土质变化而影响耕宽稳定，2应配置在前方在前方。这时，在Pxy、Rxy和Fxy三力作用下达到平衡状态，当Rxy变为Rxy+Rxy时，犁随悬挂轴左移，Fxy也变为Fxy+Fxy重新达到平衡，使侧移量减小。如果2配置在犁后方，当Rxy变大时，犁体随悬挂轴右移，Fxy减小，犁难以达到平衡，以至加剧偏转。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(二)机组的直线行驶性能为使机组保持直线行驶性，应使2位于拖拉机纵轴的水平投影线上，牵引力的水平投影平行于机组前进方向，并通过动力中心OT，此时，虚牵引点2、动力中心OT连线平行于纵轴投影线，拖拉机不受侧向力称为理想状态或正牵引。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,1偏牵引：牵引线与机组前进方向平行，但与拖拉机动力中心OT偏离一距离e。此时，Rx对拖拉机产生一偏转力矩M=Rxe，这将使驾驶员在操作过程中加大强度。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,2斜牵引：牵引线通过动力中心OT，但与前进方向偏斜一角，此时Rx相当于正牵引，而Ry使拖拉机轮胎承受相反方向的侧向力S，这种情况机组行驶性能较好。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,3偏斜牵引牵引线即不通过OT，也不平行于纵轴线，而是与前举方向成一夹角，它的作用效果既有偏牵引的情况，又有斜牵引的情况，具有二者的综合效果。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,从上面三种情况看，对于拖拉机来说，以斜牵引为好，拖拉机不承受偏转力矩，操向性好，但犁侧板摩擦大，阻力大，效率低。对犁来讲，偏牵引使犁侧板与沟墙的摩擦力减小，但又使拖拉机承受偏转力矩，故此选择参数时，应综合考虑犁与拖拉机情况，轮式拖拉机宜采用斜牵引，履带式拖拉机宜采用偏牵引。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,改善犁牵引性能的途径：(1)尽量使犁的总幅宽与拖拉机的轮距相配合。选用大功率拖拉机配置宽幅作业机械。(2)两下悬挂点与犁架相对位置应可调，以改变2的位置，使牵引线通过动力中心OT。(3)悬挂机组因重心后移使前轮导向性能差而造成的牵引性能不良时，则应在前轮上增加配重。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(4)上拉杆与前进方向一致(5)加长犁侧板或犁与拖拉机的纵向距离，当FF位置，牵引线PxyPxy，接近动力中心。,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,(三)水平面内悬挂参数的选择要点12配置在犁前方，两下拉杆夹角为1525；2偏牵引时，2位置应使牵引线尽量靠近动力中心OT，对犁进行正位和耕宽调整。3上拉杆平行于机组前进方向,15悬挂犁的悬挂参数和挂接调节原理,16驱动式耕耘机械,驱动式耕耘机械(power-driventillagemachinery)由拖拉机的动力输出轴通过传动系统将动力以扭矩的形式直接作用于工作部件，使之做旋转运动或往复运动，以提高切土能力并使土壤高度松碎。1.旋耕机(rotarytiller)由动力驱动旋耕刀辊进行耕地作业的机械。2.灭茬机械(stubblebreakingmachinery)除掉地表作物残茬和杂草的机械。两种机械耕作过程很相似，但实质工作原理不同，旋耕机刀片的加工对象主要是土壤，以滑切为主，转速低；而灭茬机刀片的加工对象是根茬，以砍切和击碎为主，故，刀轴的转速较高。因此，旋耕机与灭茬机的刀片形状是不同的。,一、旋耕机的类型与构造(一)作业特点：切土、碎土能力强，一次作业能达到地表平整、松软的播前整地效果，功耗大。(二)