第二章 土壤耕作机械 第十四章 铧式犁的设计与性能试验
农业机械学-第二章
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
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。
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。
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
b ——土壤平板宽度 Kc ——土壤内聚力变形模量 n ——土壤变形指数
P——土壤坚实度 Kφ ——土壤内摩擦变形模量 Z ——土壤下陷深度
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：
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
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。
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
耕整地机械实验
耕整地机械实验(一)实验目的掌握耕整地机械的类型、组成部件、各部件的作用和工作原理;了解不同类型犁和耕深调节过程;了解圆盘耙的耙深工作方式。
(二)实验仪器设备深耕牵引三铧犁、悬挂式两铧犁、悬挂式三铧犁、双铧反转犁、悬挂式旋耕机、十八片悬挂缺口耙、牵引式圆盘耙、牵引式镇压器等(三)验内容和步骤1.介绍犁体曲面的类型及其翻垡特点,了解犁体的组成部分犁体曲面,根据其工作性能可分为熟地型、半螺旋型和螺旋型。
熟地型是应用最普通的一种,其犁胸部较陡,翼部扭曲较小,碎土性能好,翻上能力差,适于耕熟地。
螺旋型犁体曲面胸部平坦,犁翼长而扭曲程度大,翻土能力强,而碎土作用差,适于开生荒地和粘重、多草、潮湿的土壤。
半螺旋型介于二者之间犁的基本结构铧式犁主要由犁架、主犁体、耕深调节装置、支承行走装置、牵引悬挂装置等组成。
其中,主犁体为铧式犁的核心工作部件2犁体曲面的形成原理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。
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,且与沟底的水平夹角θ是随着元线的高度变化的,其元线角的变化规律为θ=f(z),即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,这三个因素我们通常称之为水平直元线形成犁体曲面的三大要素。
2.介绍深耕牵引三铧犁、悬挂式两铧犁、悬挂式三铧犁、双铧反转犁的牵引方式、耕深调节方式。
按与拖拉机挂接方式分:牵引犁、悬挂犁、半悬挂犁。
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半悬挂式——运输状态下,机具的重量前部分由拖拉机承担,后部由机具来承担。
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——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。
铧式犁的分类简介
表平整 ， 因此也适用 于耕作灌溉地 、 小块地或形状不规 则的地块 。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。 双 向犁 的 品种 虽 然 很 多 ， 但基本类型只有两类 ， 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。前者 曾广泛用 作畜 力犁 ； 后 者多 为机 引犁 。 键式犁 、 滚转犁和 ９ ０ 。 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 １ ８ ０ 。 翻转 式 。这种 双 向犁 适 应 性好 ， 故 被广 泛采 用 。１ ８ ０ 。 翻转 式机 引 双 向犁 的换 向机
构 型式 很 多 ， 可 分 为机械 式 和液 力式 两 类 。１ ８ ０ 。 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 １ ８ ０ 。 翻转 。 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 土壤较坚实的地块上而 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。这种犁的主斜 梁可
２ ０ １ ４年第 ２期
类简 介
金桂 香 （ 哈 尔滨 市呼 兰区莲花 镇政 府 ， 哈 尔滨 １ ５ ０ ５ １ ４ ）
第二章 耕整地机械
第二章耕整地机械耕作是传统农耕的一项重要措施，有利于疏松土壤，恢复团粒结构，积蓄水分，养分，覆盖杂草，肥料，防除病虫害。
整地是耕地作业后，耕曾内还还留有较大土块或空隙，地表不平整不利于播种或苗床状况不好时，采取的破碎土快，平整地表，进一步松土，混合土肥，改善播种和种子发芽条件的耕作措施，深松作为现代土壤耕作的一项重要技术，在国内外受到重视。
北方农村常见的耕整地机械有铧式犁，翻转犁，伸松机，旋耕机和圆盘耙等。
第一节耕整地机械作业要求及其质量检查由于各地的自然条件，作物种类和耕作，种植制度的不同，所以耕整地机械作业的要求也完全不一样。
一耕地作业的一般要求（一）是耕翻适时。
在土壤干湿适宜的农时期限内适时作业。
（二）是翻盖严密。
要求耕后地面杂草，肥料，残茬充分埋入土壤底层。
（三）是翻垡良好。
无立垡，回垡，耕后土层蓬松。
（四）是深耕一致，地表，地沟平整。
不漏耕，不重耕，地头要平整，垄沟要少要小，无剩边剩角。
二耕地作业质量的检查方法耕地质量检查主要包括耕深，耕后地面是否平整，土垡翻转及肥料和秸杆残茬的覆盖，漏耕或重耕，地头是否整齐等内容。
（一）耕深检查犁耕过程中检查和耕后检查。
犁耕过程中的检查，主要是沟壁是否直，用直尺测量耕深是否达到规定的深度。
耕后检查，应先在耕区沿对角线选20个点，用直尺插到沟底测量深度，实际耕深约为测量耕深的80%。
（二）耕幅检查检查实际耕幅只有在犁耕过程中进行。
先自犁沟壁向未耕地量一定距离，做上标记，待耕犁后，再测新沟壁到记号处的距离。
两距离之差即为实际耕幅。
（三）地表面平整性检查检查地表平整性时，首先沿着耕地的方向，检查沟，垄及翻垡情况，除开墒和收墒处的沟垄外，还要注意每个耕幅的接合处。
如接合处高起，说明两程之间有重耕，接合处低洼，说明有搂耕。
（四）地表覆盖检查检查秸杆残茬，杂草，农家肥覆盖是否严实。
要求覆盖有一定的深度，最好在10厘米以下或翻至沟底。
（五）地头低边检查检查地边是否整齐，有无漏耕边角。
铧式犁主要部件1
旱耕
水耕
(a)南方系列“翻的入土过程分析
旱耕
梯形
凿形
4）犁托、犁柱
2、小前犁
3、犁刀
4、犁架
5、安全装置
1）摩擦销式安全装置
2）单体式犁体安全装置
四、铧式犁的工作过程
直接参与加工土壤的工作部件主犁 体通过犁柱、犁架、牵引或悬挂装 置与拖拉机相连，在拖拉机的作用 下按一定速度向前运动。主犁体运 动过程中由犁铧的铧刃在水平方向 切出土垡的底边，由犁体胫刃切出 土垡的立边，由犁铧和犁壁构成的 犁体曲面使被切断的土垡上升、破 碎并翻转。
犁曲面的特性曲线
（1）碎土曲线（2）翻土曲线（3）推土曲线
2、翻垡原理
思考：滚垡结果有几种情况发生？与什么因素有关？
抬
翻
切
稳定状态
δ—覆盖角
不稳定的平衡（立垡）状态
回垡状态
2、翻垡原理
分析临界状态k=b/a=1.27 δ=arcsin(a/b)=52°
稳定翻垡的条件：k≥1.27
2、翻垡原理 结论：
六、铧式犁的使用、挂接和调整
（一）犁体在使用前的技术状态检查 1．犁铧刃口 2．犁铧与犁壁左侧面形成的胫刃线 3．犁铧、犁壁、犁托应连接 4．垂直间隙和水平间隙
4．垂直间隙和水平间隙
（二）犁架安装及技术状态检查
（三）犁体的安装技术要求
1．在水平面内的检查 2．在铅锤面内的检查 3.主犁体、小前犁与圆犁刀的相互位置
现场教学内容：
铧式犁现场作业演示 牵引犁升降过程演示 耕地机械机具现场教学
五、铧式犁的翻垡和碎土原理
1、三面楔碎土原理
1、三面楔碎土原理
α α
起土： α 将土垡铲起
第二章 土壤耕地机械
第二节 土壤耕作力学
一、耕层土壤的力学特性
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、摩擦因数等)，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(dynamic behaviOr)。
1、土壤强度
是指某种土壤在特定条件下抵抗外力作用的能 力，也可定义为土壤承受变形或应变的能力。
Micklethwaite最早把土壤强度与机具联系起来。应用
土力学中的摩尔一库伦定律，建立了车辆的前进推力或附着力
的模型：
Pφ=Fc+Gtanφ
式中:
Pφ—土壤对车辆的最大推力或附着力；
F——车轮的接地面积；
4、土壤坚实度
土壤坚实度也称贯入阻力。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。当以一定断面形状(圆形、锥形等)的柱塞 压入土壤，其压陷深度与单位压实力的乘积称为土 壤坚实度。
Bekker首次建立了土壤承载能力与下陷深度的 数学模型，并被得到普遍的引用，其模型为 P=（Kφ+Kc/b）Zn 式中:P——土壤坚实度； Kφ——土壤内摩擦变形模量； Kc——土壤内聚力变形模量；
三、土壤耕作机械的种类
土壤耕作机械的种类较多，根据耕作的深度和用途不同， 可把土壤耕作机械分为两大类：一是耕地机械，它是对整个 耕作层进行耕作的机具，常用的有铧式犁、圆盘犁、全方位 深松机等。二是整地机械，即对耕作后的浅层表土再进行耕 作的机具，按动力来源分，可分为牵引型和驱动型两种：牵 引型整地机械包括圆盘耙、齿耙、滚耙、水田耙、镇压器、 轻型松土机、松土除草机等，驱动型整地机械包括旋耕机、 驱动船、机耕船、灭茬机、秸秆还田机、盖籽机等，其耕作 深度约等于播种深度。此外，土壤耕作机械还有兼有耕、整、 灭茬和垄作的联合耕作机械，如耕耙犁、联合耕作机、旋耕 灭茬机等。
土壤耕作方法1
三、耕作机具
１、播前耕作
耕地作业：铧式犁、圆盘犁 整地作业：圆盘耙、钉齿耙、水田耙、镇压器、驱动耙、耢等 耕耙联合作业：旋耕机、耙耕机、回转锹
２、播后耕作
中耕培土作业：中耕机（水田旱地两类）、培土器 施肥、开沟、筑埂等作业：中耕培土施肥机、筑埂机、开沟机 等
３、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）
粘粒
＜0.001
（二）容重
q
V
式中 q—土壤重量（包括所含水分重） V—土壤体积
土壤干容重γ0
（三）湿度（又称含水量） 土壤的绝对湿度为
Байду номын сангаас
W
q q' q'
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
土壤的相对湿度
W0
W Wn
100 %
二、耕层土壤的动力学特性
（一）土壤与金属间的摩擦系数 （二）土壤的坚实度（又称贯入阻力） （三）土壤的凝聚力和附着力 （四）土壤的抗剪强度 （五）犁耕土壤比阻
○ 一次完成深松、施肥、灭茬、起垄、播种、施药等多项作 业
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。
（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：
铧式犁教案
五、铧式犁选购
1.根据当地农艺要求确定选用铧式犁的种类。
第二、前后两犁体应处于同一水平面，犁铧刃口的高度差不得大于10毫米。
第三、两犁体铧尖前后的距离（L），按设计值检验允差±15毫米。左、右距离（D）按单犁体设计幅宽检验允差±10毫米。铧刃尖与犁前进的方向的夹角允差±1°的垂直与水平间隙.
（二）安装犁铧和犁壁技术要求
犁铧与犁壁应紧密接合，并要紧贴犁托，犁壁不能高于犁铧，犁壁表面应光洁，埋头螺钉不能凸出表面，允许凹下，但不能大于1毫米。
二、类型：
牵引式——运输状态下，机具的重量全部由机具本身落机构、犁轮、耕深和水平调节机构等组成.
悬挂式——运输状态下，机具的重量全部由拖拉机来承担。由拖拉机的液压悬挂机构将犁和拖拉机连接。运输时犁的重量全部由拖拉机承担，工作时由液压悬挂机构控制犁的起落和耕深，可省去起落调节机构和行走轮等部件.
半悬挂式——运输状态下，机具的重量前部分由拖拉机承担，后部由机具来承担。
半悬挂犁由犁架、犁体、犁刀、半悬挂架、限深轮、尾轮及尾轮操纵机构等组成.
三、犁的使用
（一）犁的安装技术要求
第一、装配好的犁，当犁架处于水平位置时，铧刃口的高度差不得高于后端，允许后端高于前端，但不得大于5毫米。犁的安装（L,D为设计值，毫米）
四、犁的常规维护和保养方法
1.班保养每班工作后应消除犁体、犁刀和限深轮上的泥土和杂草。坚固各部螺栓。检查升降机构和耕深调节机构灵活性。检查并修复变形零件。向各转动部分加注润滑油。检查安全销状态。检查油缸和油管是否漏油。
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犁铧
犁壁
两面楔和三面楔对土壤的作用
起土角α
翻土角β
推土角 θ
tg α= tgεsin θ
tg β= tgεcos θ
翻垡过程
窜垡过程
土垡翻转的三种状态---宽深比
a b b a 2 b2
令：
k
b a
k 4 k 2 1 0
k=1.27 δ=arcsin(a/b)=52° k>1.27 k<1.27
犁体与速度
第十四章铧式犁的设计与性能试验 第一节 犁体曲面的设计
一、犁体曲面形成原理
犁体曲面可以看成是由 直线或曲线在空间按照一定的规律运动而成。 元线
直元线： 水平直元线 斜元线 曲元线：
准线或准面
一、犁体曲面形成原理
1、水平直元线 2、 斜元直元线 3、曲元线
按理面剖面曲线族形成犁面的原理
第二章 土壤耕作机械
耕地机械的分类
按照工作原理分类 • 铧式犁、圆盘犁和旋耕机
耕地机械的分类
按照挂接方式可 以分为： • 牵引式 • 半悬挂式 • 悬挂式
悬挂式
拖拉机液压系统与农具挂接
犁的分类
按犁铧数分： • 单铧、双铧和多铧犁
犁单体
1. 2.
3. 4. 5. 6. 7.
犁铧 犁壁（犁胸、犁 翼） 延长板 犁柱 滑草板 犁侧板 犁托
张道林 山东农业机械化学院学报 1988(4)
双向犁 合墒器
犁体曲面设计1
犁体曲面设计2
•土垡断面 ABCD
•铧刃线AG b1=b+△b
反转后A1B1C1D1
•胫刃线 AK
•壁翼线EF •顶边线EHK
二、犁体曲面的几何元线设绘制 (2) 导曲线的位置 与形状 位置 参数的确定 抛物线的作图法
二、犁体曲面的几何元线设计法
设计方法
（1）犁体曲面轮廓及正视 图的绘制 （2）导曲线的位置与形状 （3）元线角的确定
二、犁体曲面的几何元线设计法
设计方法
（1）犁体曲面轮廓及正 视图的绘制 （2）导曲线的位置与形 状 （3）元线角的确定 （4）犁体曲面俯视图的 确定 （5）完成正视图 （6）绘制侧视图
二、犁体曲面的几何元线设计法
设计方法
（1）犁体曲面轮廓及正 视图的绘制 （2）导曲线的位置与形 状 （3）元线角的确定 （4）犁体曲面俯视图的 确定 （5）完成正视图 （6）绘制侧视图 （7）绘制样板曲线 （8）完成总图
水 平 直 元 线 犁 体 曲 面 总 图
入土行程
L
耙地
园盘耙
缺口耙
旋耕机
旋耕机----刀端点轨 迹
旋耕机
• 刀轴
刀
• a 弯刀 • b 凿型 • c 直刀
精细农业简 介
分组立式耕耙犁
翻转双向犁
双向犁平地合墒器随 动翻转机构的研究
张道林
农业工程学报 2000.（5） 单油缸双向犁翻转机构 的分析与设计。
二、犁体曲面的几何元线设计法
1、水平直元线设计法
2、 斜元直元线设计法 3、翻土曲线设计法 设计方法
（1）曲面轮廓及正视图的绘制
宽深比的确定 k=b/a
正视图的确定
•土垡断面 ABCD •铧刃线AG •胫刃线 AK b1=b+△b 反转后A1B1C1D1
二、犁体曲面的几何元线设计法
设计方法 （1）犁体曲面轮廓及正视图的绘制 宽深比的确定 k=b/a 正视图的确定