第二章土壤耕作机械

第二章 土壤耕作机械
【主要内容】
1、概述 2、耕层土壤的物理学性质 3、铧式犁的构造与原理 4、旋耕机的构造与原理 5、灭茬机和秸秆还田机的构造与原理 6、深松机具 7、整地机械
第二节 耕层土壤的物理学性质
耕层土壤的组成包括： 固相：矿物质和有机质； 液相：水，存在于小孔隙中； 气相：空气，存在于大孔隙中。 耕层土壤的分类：按土壤颗粒的大小及含量分：
p 犁踵：在犁侧板的末端，以便磨 损后更换。
p 尾轮：用以替代犁侧板，降低摩 擦阻力。
p 犁侧板要求耐磨、强度高，一般 采用锰钢或45号钢经热处理而成。 犁踵也可用白口铸铁制造。
3.2.1 犁体
p （4）犁托为一联结件，犁铧、犁壁、犁侧板、犁柱通过犁 托联成一体，起承托和传力作用。犁托可用钢板冲压而成， 也可焊合或铸造。也有些犁托与犁柱造成一体。
Micklethwaite最早把土壤强度与机具联系起来，应用摩 尔库伦定律建立了车辆前进推力或附着力模型：
P Fc G tan
Pφ：土壤对车辆的最大推力或附着力 F：车轮的接地面积 c：土壤的黏结力 G：法相载荷（或法向压力） φ：土壤间的内摩擦角
2.2 土壤坚实度
p 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。
3.3 铧式犁的翻垡原理
p 垡片翻转后能否处于稳定状态 （即原土壤表面向下覆盖在前 一垡片的底面上，而其底面向 上），取决于垡片的宽深比k 值。对于翻垡型犁，在犁耕不 易松散的土壤时，要获得稳定 状态的条件是： k=b/a > 1.27
p 否则， ü k=b/a=1.27时为临界状态； ü k=b/a < 1.27 时为回垡（立
垡）状态。
3.3 铧式犁的翻垡原理
p 窜垡方式工作时，土垡沿犁体 曲面上窜一定高度后悬空扣翻， 其过程分为：切土、窜垡、扣 垡三个阶段。
p 对于窜垡型犁，其翻转是悬空 扣翻，故宽深比k可不受太多 限制，一般为0.75~1.25。
p 当加装了犁刀或覆茬器时，土 垡重心改变，能提高翻土性能， 可加大耕深，故k可以小于1。
砂土0.2~0.5；壤土0.3~0.65；粘土0.35~0.8。
此数值与含水量有关，通常（在一定范围内）含 水量越高则’值越大。聚四氟乙烯等塑料的’ 值比钢材低得多。
2.5 土壤的凝聚力和附着力
p 当土壤与耕作部件表面的摩擦力和附着力大于土壤的凝聚力 和土粒之间的摩擦力时，耕作部件的工作表面就会粘土。工 作表面粘土，不但会使耕作质量变坏，而且会增加牵引阻力。
砂土 砂壤土 壤土 粘壤土 易碎性： 易
粘土 难
耕作阻力： 小
大
耕层土壤的物理学性质大多与粘粒、有机质含量、含水量等的大 小、多少以及外界环境的影响有关。实际土壤结构组成往往是 不规则的，随机性强，很难作出精确的物理学性质描述。
2.1 土壤强度
土壤强度：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。
W＝ q q' 100 % q'
p 土壤的相对湿度：土壤绝对湿度与田间持水量之比。
Wo

W Wn
100 %
2.5 土壤的凝聚力和附着力
p 土壤的凝聚力：指土粒之间的结合力，其大小与土壤质地、 含水量等因素有关。
p 土壤与耕作部件接触面之间的黏着力称为附着力，几乎完全 是因水膜的表面张力所造成的。附着力与土壤质地、含水量、 接触面的材料和粗糙度等因素有关。土壤沿着耕作部件表面 的滑移阻力可表示为：
第二章 土壤耕作机械
主讲人：叶进
第二章 土壤耕作机械
第二章 土壤耕作机械
【主要内容】
1、概述 2、耕层土壤的物理学性质 3、铧式犁的构造与原理 4、旋耕机的构造与原理 5、灭茬机和秸秆还田机的构造与原理 6、深松机具 7、整地机械
第二章 土壤耕作机械
【主要内容】
1、概述 2、耕层土壤的物理学性质 3、铧式犁的构造与原理 4、旋耕机的构造与原理 5、灭茬机和秸秆还田机的构造与原理 6、深松机具 7、整地机械
c tani
τ：土壤的剪切强度 c：土壤的黏结力 σ：土壤的正应力 φi：土壤间的内摩擦角 上式表明土壤产生剪切破坏时， τ与σ成正变关系。
• 抗拉：抗剪：抗弯：抗压=1：1.98：7.9：17.5
2.4 土壤含水量
p 土壤中所能保持的最大含水量称为田间持水量。 p 土壤的绝对湿度：土壤中水分含量与干土质量之比。
第一节 概
述
土壤耕作机械分类：
Primary tillage equipment
Secondary tillage equipment
Combined tillage equipment
第一节 概 述
对耕作机械的农业技术要求：
1、应有良好的翻土和覆盖能力； 2、应有良好的碎土性能； 3、耕深应均匀一致，沟底平整； 4、不重耕，不漏耕，地头、地边要整齐，垄沟少而小； 5、能满足畦作的要求。
3.3 铧式犁的翻垡原理
p 犁体曲面按其形状和工作性能不同分为：翻垡型、窜垡型、
通用型和碎土型四种。
短片 犁体曲面
3.3 铧式犁的翻垡原理
p 1、翻垡型（犁体曲面特征代号：F） ü 性能特点：碎土性能较差，翻土性能好，对土垡挤压变形小，
数常达7~10次。 2、少耕法 Minimum tillage
减少耕作次数和强度的一类耕作体系。机具进地次数 减为4~6次。 3、免耕法 No-tillage (Zero tillage)
直接播种农作物的一类耕作体系。机具仅进地2~4次， 主要从事播种、喷药、收获等。 还有保水耕作、联合耕作、虚实并存耕作法 （影片）
3.2.1 犁体
p （1）犁铧主要起入土、切土作用。
Trapezoidal share
Chisel-point share
Triangular share
3.2.1 犁体
p 犁铧是犁体上承受载荷最大的部件，也是磨损最严重的消耗 件。因此，一般用65Mn或65号钢制作，刃口需热处理。它与 犁壁分开制作以便维修和更换。
滚垡过程
滚垡过程三个阶段：切土、抬垡、 翻垡。不同土壤的垡片翻转后， 其形状不同。除轻松砂质土壤的 垡片在翻转过程中容易松散，不 能保持原有的矩形断面外，其它 一般壤土的垡条断面变形不大， 大致保持矩形。矩形的宽度b为 犁的工作幅宽，高度a为犁的耕 深。滚垡的结果理想与否，与土 垡的宽深比k=b/a有关。
T N NS
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 ' ：由水膜吸附作用产生的法向载荷 S ' ：吸附水膜的面积
对土壤耕作性质的表述有弹性、塑性、流变、 凝聚、摩擦、粘附等参数，这些参数对耕作有 直接影响。其中粘附作用影响最大。粘附作用 用表观摩擦系数’表示。土壤在一般性磨光的 钢面上的表观摩擦系数’值的范围是：
p 目前降阻减黏的技术和方法： ü 充注气体或液体 ü 振动法 ü 电渗法 ü 表面改性 ü 表面改形 ü 仿生法
第二章 土壤耕作机械
【主要内容】
1、概述 2、耕层土壤的物理学性质 3、铧式犁的构造与原理 4、旋耕机的构造与原理 5、灭茬机和秸秆还田机的构造与原理 6、深松机具 7、整地机械
第三节 铧式犁的构造与原理
ü 1、凿形犁铧的特点：铧刃为曲线，形状复杂，入土性能好， 耕深稳定，使用寿命长，但耕作阻力较梯形犁铧大。
ü 2、梯形犁铧的特点：结构简单，宽度相等，便于制造，入 土性能较差，铧尖易磨损，寿命短。
ü 3、三角形犁铧的特点：有两个对称刃口，入土性能好，承 受的侧向压力小，水平和垂直切土均由犁铧完成，故犁壁磨 损小。但沟壁倾斜，沟底不平整。
3.2.5 安全装置
p 安全装置是当犁碰到意外障碍时，为防止犁损坏而设置的超载保护装置。 常用于在多石地或开荒地上的犁以及高速作业机组。
p 安全装置有整体式和单体式两类。
3.2.5 安全装置
3.3 铧式犁的翻垡原理
p 三面楔原理：
碎土角 推土角
翻土角
3.3 铧式犁的翻垡原理
p 翻垡原理：土垡的翻转过程分为滚垡和窜垡两种。
p 以犁铧为主要耕作部件的犁称为铧式犁。铧式犁是 最古老的耕地机具，最常用耕地机具。
3.1 铧式犁的种类及特点
p 牵引犁：与拖拉机单点挂接。在工作或运输时，犁的重 量全由犁轮支承。
3.1 铧ຫໍສະໝຸດ Baidu犁的种类及特点
p 悬挂犁：与拖拉机三点液压悬挂机械连接。运输时， 犁的重量全由拖拉机承担。
短片
悬挂铧式犁 升降工作过程
Plow leg
Moldboard 犁体曲面
犁 翼
犁 胸
铧刃Cutting edge
Landside
Share 胫刃Shin
Frog Gross slide board
3.2.1 犁体
p 犁体各部位主要功能简介： ü 犁铧的作用：入土、切割土壤，升起土壤。 ü 犁胸的作用：破碎土壤。 ü 犁翼的作用：翻转土壤。 ü 铧刃的作用：水平切土。 ü 胫刃的作用：垂直切土。 ü 犁托的作用：安装犁铧、犁壁和犁侧板。 ü 犁侧板的作用：支持犁体；平衡侧向力；防止沟墙倒塌。 ü 滑草板的作用：避免犁柱缠草。 ü 犁柱的作用：连接犁体和犁架。
3.2.1 犁体
p （4）犁柱用来将犁体固定在犁架上，并将动力有犁架传给 犁体，带动犁体工作。犁柱的类型有：整体式（高犁柱）、 直犁柱、弯犁柱。
3.2.2 小前犁
p 小前犁位于主犁体左前方，将土垡上层部分土壤、杂草耕起，并先于 土垡片的翻转落入沟底，从而改善了主犁体的翻垡覆盖质量。
短片 小前犁
3.2.3 犁刀
3.1 铧式犁的种类及特点
p 半悬挂犁：适于大马力拖拉机的宽幅多铧犁。其前端与拖拉 机液压悬挂机构连接，后端有尾轮和尾轮起落机构。运输时， 犁的重量由拖拉机和犁的尾轮共同承担。
3.2 铧式犁的主要部件
p 铧式犁的主要部件有犁体、小前犁、犁刀和犁架等。
p 犁体的功用是切土、破碎和翻转土壤。
Extension
p 犁刀安装在主犁体和小前犁的前方，垂直切出沟壁，减轻犁体切土阻 力，减少土壤对胫刃的压力和磨损，保持沟墙平整和沟底清洁，并能 切断残根和杂草，减轻堵塞，改善覆盖质量。
短片 圆犁刀的安装
3.2.4 犁架
p 犁的绝大多数零部件都直接或间接地装在犁架上，犁架应有 足够的强度来传递动力。常见犁架为空心矩形管焊接架，其 结构简单、强度好、重量轻、制造容易。
ü 2、组合式犁壁：胫刃和前壁磨损较快，单独制作，可分别 更换。
ü 3、对称式犁壁：考虑到犁体换向需要，只用在双向犁上。 ü 4、栅条式犁壁Slat moldboard：利于脱土和减轻犁的工作
阻力。短片 犁壁的形式
3.2.1 犁体
p （3）犁侧板位于犁铧的后上方， 耕地时紧贴沟壁，承受并平衡耕 作时产生的侧向力和部分垂直压 力。在多铧犁上，前犁体犁侧板 短，后犁体的长。
3.2.1 犁体
p （2）犁壁分为：整体式、组合式、对称式以及栅条式。犁 壁与土壤处于滑动摩擦状态，故犁壁表面要求光洁平滑， 坚硬耐磨，一般用65Mn、高碳钢或合金钢制成，或者用B 2低碳钢经热处理或渗碳处理制造。
ü 1、整体式犁壁Solid moldboard：用得最多，结构简单， 安装方便，表面光滑无接缝。
第一节 概 述
土壤耕作的目的： 1、改善土壤结构； 2、消灭杂草和害虫； 3、将残茬、肥料、农药等混合在土壤中； 4、将地表弄平或作成某种形状； 5、将过于疏松的土壤压实到疏密适度； 6、将质地不同的彼此易位，改良土壤； 7、清除田间的石块、灌木根或其他杂物。
第一节 概 述
土壤耕作方法：
1、常规耕作法 Traditional tillage 由耕翻、耙压和中耕等组成的耕作体系。机具进地次
2.2 土壤坚实度
p Bekker首次建立了土壤承载能力与下陷深度的数学模型：
P


K

Kc b

Z
n
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 b：矩形平板的宽度 Z：土壤下陷深度 n：土壤的变形指数
2.3 土壤的抗剪强度
p 耕地机械作业时引起的土壤变形，在大多数情况下属于剪切 变形，即在外力作用下土粒之间会出现相对位移。阻止这种 相对位移的土壤内部阻力称为土壤的抗剪强度，它在很大程 度上决定着耕作质量和能量的消耗。