西北农林科技大学：《农业机械学》课程授课教案（文字版，负责人：党革荣）.pdf_P6-P10

ρ—土壤的内摩擦角。 5.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。第四章犁耕原理与犁面形成一、铧式犁的类型牵引式——运输状态下，机具的重量全部由机具本身来承担。图4-1 液压式牵引犁 1 牵引装置 2 沟轮 3 犁架 4 水平调节螺杆 5 调节手轮 6 油缸 7油管 8 柔性拉杆 9 尾轮水平调节螺栓 10尾轮 11 尾轮垂直调节螺栓 12 园犁刀 13 主犁体 14 地轮 15小前犁特点：与拖拉机单点挂接，拖拉机只对犁有牵引作用，重量由本身的轮子承受。悬挂式——运输状态下，机具的重量全部由拖拉机来承担。图4-2 悬挂犁结构图4-3半悬挂犁结构特点：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。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。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。二、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4-4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。图4-4 三面楔的工作原理图4-5 滚垡犁工作过程翻筏原理：（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4-5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。（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4-5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，如图4-6a所示；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。图4-6a 土垡稳定翻转情况图4-6b 土垡不稳定平衡状态图4-6c 土垡回垡情况三、犁面形成原理㈠几个概念： 1.元线：犁面可以看作是由直线或曲线在空间按照一定的规律运动而成，这些构成犁面的直线或曲线称为元线。 2.导线、导面：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~。 3.样板曲线：用一条垂直于铧刃线的平面剖切犁面所得的交线，称为~。 4.导曲线：水平直元线犁体曲面的准线，是样板曲线族中的一条，称为~。 5. 剖面曲线族：利用平行于坐标平面的一组平面剖切犁体曲面，所得交线即为~。坐标面有三个，所得的相应剖面曲线族也有等高、纵剖、横剖三组。习惯上纵剖曲线族又称碎土曲线族；横剖曲线族有称翻土曲线族。（二）犁面形成原理 1. 水平直元线法形成犁面的原理水平直元线法形成犁面的原理就是以直元线MN沿准线AB运动，并始终平行于水平面，且不断改变直元线MN与W平面（即沟墙平面）的夹角所形成的曲面。如图示 2. 倾斜直元线法形成犁面的原理

倾斜直元线法形成犁面的原理是以直元线AB的端点P，沿准线CD，按与三个投影面的夹角成一定规律运动所形成的曲面。如图示 3. 曲元线法形成犁面的原理曲元线法形成犁面的原理就是以曲元线AA1B沿准线CC1.C1D运动而形成犁面，如图示。（三）水平直元线犁面的设计方法在上世纪30年代，前苏联学者郭略契金等人，测绘了世界各地的200余种机力犁犁体，提出了这一设计方法。由水平直元线法形成的犁体曲面，其曲面形状和工作性能主要由导曲线参数、位置和元线角变化规律所决定。 1. 导曲线参数导曲线一般由抛物线和一段直线组成。导曲线参数确定如图 2．导曲线位置翻土型犁体的导曲线平面多位于犁铧末端，翻土性 ↑ 碎土性↓，而碎土型犁体的导曲线平面距铧尖较近，位于铧刃长度的2／3处。翻土性 ↓碎土性 ↑ 3．元线角的变化规律导曲线的形状只是确定元线在空间位置的一个方面，要将水平元线在空间的位置完全确定下来，还需要知道元线沿导曲线运动过程中的方向变化，也就是确定元线与沟墙的夹角θ（元线角）沿高度Z的变化规律。总结：水平直元线法设计犁面的优点：（1）设计参数比较容易控制；（2）有规律地改变参数，可得到不同类型的犁面；（3）作图步骤简便，从图上可直观分析、估计犁体的性能。第五章犁体外载犁体外载：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。（即在耕作过程中，土壤施加于犁体上的阻力）一、犁体外载的特点、研究目的及方法 1.特点：由于犁体是一个形状复杂的物体，作用于犁体上的力包括作用在犁铧、犁壁以及犁侧板上的力。犁体外载是一个空间非汇交力系，不能简化为一个力；犁体外载是时间的随机函数。 2.研究目的： ⑴为犁面设计和改进及减小犁的阻力提供依据； ⑵为犁耕机组的配套设计和使用提供依据； ⑶为犁的零部件结构强度计算和疲劳寿命试验提供依据。 3.表示方法：由于犁体曲面的非对称性和曲面形状的不规则，作用在犁面上的单元阻力是一个空间任意力系，不能合成为一个力。按测量方法或不同的分析要求，用以下几种方法表示 ⑴ 分力法：将犁体外载放在空间坐标系中，将X、Y、Z三个方向测得的外载用其对某简化中心（铧尖）的主矢量的三个分量Rx、Ry、Rz和主矩的三个分量Mx、My、Mz来表示。向理论铧尖简化的六个分量 ⑵ 坐标平面法：是将外载用三个坐标平面内的分阻力表示。即在六分力的基础上，将各坐标平面内的分力进行合成，使其成为一个单一的合力

罪用于某表尖)上的一个主矢量和一个主矩业三：处款别农有法及装置零或负值。四、士壤对梨体申面反作用位的反作用力体曲面上的运动方向在不斯改变数是用尘的摩擦的依据合力的大分情用正车种耶损部位。以便进行犁柱及休曲面各部位所和经济性算，不仅是强度核算的依据，同时也是合理配置机组动力的依据。的题，过去和现在世界各国都进行了大量的工作，目前在理论研究上和生产实际上所探讨和采用的方法和措施，有以下几方面： .机务技期选择士境含水量适宜、残根腐烂适度的时间进行耕地。此时士案的强度较小，易于松散防此，持样悦特梨的程刀初碎的能力爱入并切开士壤时所受的阻方较小，因 3)减少摩擦力保持犁体曲面以及侧板、犁底、轮等写土接触的部分光洁平滑（例如，犁闲置时，在这些地方涂上废机油或黄油，不使生锈：不以铁锤敲击犁体曲面等)。减少犁与士案之间的摩擦，可以减少犁的牵引 (4)正确装配零件型伴、犁壁、犁侧板等工作部件安装的位置正确，接缝严密，犁体上埋头螺钉与安装件表面平坦光滑，减少大的阻，生利滑线在更年设们和水平面的角我冷引力的重要方法方面的从设计制造方减少犁的阻力，现有方法有三个方面少阻力面除了重因素果曲面形状得好务项参数选择得：对减少的阻力化对士转过程中发生需的牵引力也就使刃口始终保持锋锐。用属殊材料的晶前有些国家己用特制的塑料薄膜贴在奉上，此种塑料与士境的摩擦系数很所方法和新理的操理来减少犁的阻力，目前也有进动部件上加润滑剂准种方法十有将成由许多组成的是犁体的曲面因制造复杂。他的牵引力以功源装可小这种方法在透水性差的粘士中效果较好士界名件在频率较高日花侯的内草装分闲南尚天天牌腊奇改以破坏土 1有人认为土时发器动李所质航先。醇定高著德很据初步试验发 ,应随机组前进速度增加而增加当犁的前进速度小于1m

⑶力螺旋法：将犁体外载用一个力和垂直于该力的一个力偶表示。即在六分力的基础上，将犁体外载进一步变换为作用于某点（如铧尖）上的一个主矢量R和一个主矩M。二、外载测定方法及装置三、犁体外载测定结果国内外的测试资料表明，在各种土壤条件下，随着a ↑，则Rx ↑、Ry ↑ ，但Rz则不同，除了与犁铧安置角有关外，还与犁铧刃口的锋锐程度有关。若犁铧锋锐，则Rz为正值，且随a ↑ 而 ↑ ；若铧刃磨钝，Rz可能为零或负值。四、土壤对犁体曲面的反作用力土壤施加于犁体曲面上各部位的反作用力，其大小和方向是随犁体曲面的部位而变化的。由于土垡在犁体曲面上的运动方向在不断改变，因而曲面各处所产生的摩擦力的大小和方向也各不相同。因此要想求出犁体曲面上的受力分布情况，无论是用计算方法或是用实验方法都有一定的困难。但是土壤对犁体曲面上的反作用力又极为重要，不仅在设计犁时作为零件强度计算和总体受力平衡的依据，而且在使用犁时也是操作调节的依据。目前，对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上总的受力情况，找出它的合力的大小、方向及其作用线，以便进行犁柱及犁梁的强度校核和犁的牵引平衡；二是探求犁体曲面各部位所受土壤反力的分布情况，用来确定犁壁和犁铧的磨损部位。这两方面的研究，目前都是用实验方法进行测定。前者采用六分力测定法，后者常采用电阻应变仪测定。（一）犁的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。这部分阻力直接关系到耕地机组的动力性和经济性。所以它是犁的主要性能指标之一。在满足作业要求的情况下，应尽量减小牵引阻力。犁的牵引阻力的计算，不仅是强度核算的依据，同时也是合理配置机组动力的依据。（二）减少牵引阻力的途径关于减少犁的牵引阻力的问题，过去和现在世界各国都进行了大量的工作，目前在理论研究上和生产实际上所探讨和采用的方法和措施，有以下几方面： 1.机务技术措施（1）选择适耕期选择土壤含水量适宜、残根腐烂适度的时间进行耕地。此时土壤的强度较小，易于松散破碎，可减少牵引力。（2）保持铧尖和铧刃锐利锐利的铧尖和铧刃，切割破碎的能力强，刺入并切开土壤时所受的阻力较小，因此，勤摩铧刃和勤换犁铧，保持铧尖和铧刃锋利，可以显著地减少犁的牵引力。（3）减少摩擦力保持犁体曲面以及侧板、犁底、轮子等与土壤接触的部分光洁平滑（例如，犁闲置时，在这些地方涂上废机油或黄油，不使生锈；不以铁锤敲击犁体曲面等）。减少犁与土壤之间的摩擦，可以减少犁的牵引力。（4）正确装配零件犁铧、犁壁、犁侧板等工作部件安装的位置正确，接缝严密，犁体上埋头螺钉与安装件表面平坦光滑，减少对土垡的阻碍，让土垡顺利滑动，可以减少犁的牵引力。（5）正确调整牵引线在前面曾阐明当牵引线在纵向铅垂面上的倾角T和水平面上的偏角T，调整到一适宜的位置，即调整到使T和T分别等于其摩擦角时，犁的牵引阻力最小。因此，在耕地时，正确调整牵引线，也是减少牵引力的重要方法之一。 2.设计制造方面的措施从设计制造方面来减少犁的阻力，现有方法有三个方面：（1）良好的犁体曲面设计是减少阻力的重要因素。曲面形状塑造得好，各项参数选择得当，对减少犁的阻力有很大的影响。犁体曲面除了满足翻土、碎土等性能要求而外，欲使其阻力较小，还须1）对土壤的挤压较小，土垡能在犁面上顺利滑过；2）在翻垡过程中，垡片重心的提升高度小，因而位能变化小；3）土垡在翻转过程中发生的位移小；4）土垡运动时的绝对速度小，所消耗的动能小。这样，所需的牵引力也就较小。（2）用两种软硬不同的材料制造犁铧，使刃口能够自己磨锐，这种自磨刃犁铧经过热处理后，表面部分的材料硬度和耐磨性很大，背面的材料则较软，不耐磨。这样，当犁铧在耕地时，表面磨损慢，背面磨损快，因而可以使刃口始终保持锋锐。（3）采用非金属特殊材料。目前有些国家已用特制的塑料薄膜敷贴在犁壁上，此种塑料与土壤的摩擦系数很小，且甚耐磨，这样可以减少犁的阻力。 3.新方法和新原理的探讨探讨一些新方法和新原理来减少犁的阻力，目前也有一些进展。（1）在减少摩擦阻力方面有两种方法。一是改固定部件为转动部件，使滑动摩擦变为滚动摩擦；一是犁体曲面上加润滑剂。在前一种方法中有将犁壁制成由许多滚柱组成的曲面；有的曲面上嵌设滚珠者，但因制造复杂及其他技术问题没有解决，现在尚未推广。利用滚轮来代替犁侧板的犁，则已在生产中使用。匈牙利曾设计了一种利用一个能够转动的锥形滚筒来代替犁壁翼部的滚子犁。滚筒系同不粘土的材料作成。据试验这种犁可以减少10－15％的牵引力。在犁曲面上加水作润滑剂以减少阻力的办法，据试验可以减少阻力30％。加水的方法是将犁体曲面上的螺钉中央通一小孔，孔的开口处是一向土垡运动方向倾斜的缝，（倾斜是为了避免为泥土堵塞）。水箱置于机架上，用软管在犁壁背面与螺钉连通。据实验，这种方法在透水性差的粘土中效果较好，在砂土中则较差。（2）应用振动技术。世界各国在对土壤加工时，应用振动技术已逐渐广泛。根据各国的试验表明，在铧式犁的犁铧或其他耕作土壤机具的工作件上加装振动器，可以减轻牵引阻力约5－25％，并且改善碎土质量。振动式的犁可以减轻阻力的原因是因为振动件在频率较高时，它强大的振动力可以破坏土壤分子的粘结力。也有人认为土壤在受到较高频率的振动之后，会发生"振动液化现象"，使土壤的内摩擦力和抗剪强度均大大降低，因而可以减少阻力。根据初步试验发现：振动犁所需的振动频率和振幅，应随机组前进速度增加而增加。当犁的前进速度小于1m／ s时效果较好，振动频率以2000－3000Hs，振幅以0.5－3mm为宜。至于工作件的定向振动问题（即振动件的振动方

向问题），目前尚在研究中。振动犁的振动件因需要消耗动力，故在总的能量消耗上是否经济亦无定论。（3）电渗作用的试验。电渗作用的原理是将犁刀和犁铧作为直流电的正极（＋）和负极（－），通以直流电，因为土壤是导体，故电流在土中通过后由于电渗作用，土壤中的毛细管水向负极集结使犁铧表面形成一层水膜，起着润滑剂的作用，减少了摩擦阻力。同样，土壤由于有电流通过，土壤中的凝胶体变为溶胶体，降低了土壤分子的凝结力，因而降低了它的强度。根据国内外的实验结果，此法在潮湿土壤中效果较好，当水分为20％左右，电压为12－60V时，阻力减少约20％。第六章犁耕机组分析机组的受力平衡，是研究犁的工作性能，合理使用、调整以及设计犁耕机组的前提。由于悬挂犁和拖拉机联系紧密，耕作时相互影响较大，为此，本章主要分析悬挂犁机组的理论问题。悬挂犁一般采用后悬挂型式，通常以三点悬挂方式和拖拉机相结合。所谓三点悬挂，就是用三根杆分别把拖拉机后部的三个点和犁上的三个点铰接起来，而使二者成为一体。一、悬挂犁的受力在稳定工作时，作用于悬挂犁上的外力有 1.犁的重量 2.土壤对犁的阻力 3.拖拉机的牵引力三者处于相对的平衡状态。为满足耕地要求，减小阻力，并改善拖拉机的牵引和操作性能，必须研究悬挂犁及机组的受力和平衡问题，以指导悬挂犁的设计和挂结调整。研究方法：图解法因图解法比较直观方便，并与实际情况接近（一）悬挂犁在纵垂面内的受力悬挂犁采用高度调节时的受力该机组工作时，拖拉机上的液压操纵手柄放在浮动位置，犁与拖拉机液压系之间没有力的联系，犁处于浮动状态，拖拉机的两个下拉杆为二力杆。犁的耕深由限深轮控制。因拖拉机的右轮一般走在犁沟中，左右下拉杆不重合,故用假设下拉杆CD代替之，延长上拉杆AB和假想下拉杆 CD交于点π1，该点即为犁在纵垂面内的瞬时回转中心，简称瞬心。先按比例绘出悬挂犁工作状态的机构简图。悬挂犁在纵垂面内的受力（二）悬挂犁在水平面内的受力悬挂犁机组在水平面内的受力，不论是高度调节、力调节还是位调节机组，因两个提升臂近似地垂直于水平面，且限位链不拉紧，允许犁在一定的范围内摆动，故上、下拉杆均可视为二力杆，将两个下拉杆延长，其延长线交于π2点，该点为犁在水平面内的瞬心。如图示。悬挂犁在水平面内的受力二、悬挂犁的悬挂参数选择犁与拖拉机通过悬挂机构结成一个悬挂犁机组，进行耕地作业，目前三点悬挂机构的应用较广泛。悬挂犁的悬挂参数有下悬挂轴至犁体支持面的距离h，上下悬挂点的距离H（犁架立柱高度），悬挂轴的长度B以及两下悬挂点与犁梁的相对位置。在设计或挂结调整悬挂犁时，合理地选择这些参数，对保证犁耕质量，提高机组的牵引性能有很大的影响。在选择悬挂参数时，应满足以下要求： ·在犁入土时，能使犁平稳而迅速地达到预定的耕深，入土行程短； ·在犁耕过程中，当土质不均匀或地表起伏时，犁具有良好的耕深耕宽稳定性。如有偏差，迅速地自动纠正； ·机组有良好的牵引性能和直线行驶性； ·能进行耕深耕宽等调整，犁的纵轴与机组前进方向一致，多铧犁前后犁体耕深相同； ·在运输状态，有足够的运输高度，纵向稳定性和通过性好。 1.纵垂面悬挂参数的选择纵垂面悬挂参数的选择对犁体耕作性能的影响 (1) 入土性能 (2) 耕深稳定性 (3) 牵引性能 (4) 运输通过性 2.水平面悬挂参数的选择在水平面内的悬挂参数，应满足耕宽稳定、机组直线行驶和操作省力的要求。（1）耕宽稳定性