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1、第二章耕地机械第一节概述土壤耕作是对土壤进行耕翻和疏松。其目的是为农作物的种植和生长创造良好基本的环境条件，主要包括：(1)通过翻耕、疏松土壤，改善土壤中的水分、空气和土粒间的结构状况，增强土壤吸水及透水透气的能力。(2)通过翻耕，铲除并覆盖杂草、绿肥、作物残茬及肥料等，增加耕层的腐殖质和肥力。(3)将土层下面的虫卵翻至地表消灭，防除病虫害。耕地机械主要是铧式犁和圆盘犁，尤以铧式犁因其优良的翻土和覆盖性能得到最广泛的应用。另外，为深松土壤，深松犁也日益得到广泛应用。人类应用犁已有数千年的历史。刘仙洲教授在中国古代农业机械发明史中认为中国在3200年前已经用牛拉铧式犁进行耕作。虽然犁可算得上是最
2、古老的农具之一，但对犁的研究在今天仍是令人感兴趣的课题。世界各地的大农机公司每年都要推出一批新种类的铧式犁供农民选用。世界土壤耕作研究组织(IsTRO)则每两年都要组织一次大型国际会议，探讨耕作中出现的各种问题。一个不了解土壤的物理力学性质、不懂得犁是如何对土壤起作用的人，可能认为犁是一种非常简单的工具，不需要什么研究。然而事实是，要设计、调整好一架符合要求的犁，取得最佳的耕作效果是不容易的，需要考虑许多因素。典型的铧式犁工作过程如图21所示。犁通过拖拉机的液压悬挂机构挂接在拖拉机后面，其犁体工作面上的胫刃和底边的铧刃将土壤沿左边的垂直方向与底面的水平方向切开并翻转、破碎。农业技术对犁耕质量的
3、要求各地不尽相同，但一般可归纳为如下几点：(1)良好的翻垡和覆盖性能；旱耕后土层松碎，水耕后断条长度小，土垡架空，以利晒垡。图2-l犁耕作业(2)耕深一致、沟底平整。(3)不漏耕、不重耕、耕后地表平整。第二节犁的类型一、普通铧式犁1一般构造普通铧式犁是指具有铧式犁基本工作部件，用于一般目的的旱地、水田犁等。图22为一普通铧式犁，具有犁架、圆犁刀、小前铧、主犁体等主要部件。圆犁刀协助犁体切出侧面沟壁；小前铧将表层右前方的表土层和残茬杂草翻至沟底，提高复盖性能；主犁体和圆犁刀、小前铧一起，完成对土壤的切割与翻转工作。主犁体是铧式犁不可缺少的主要工作部件。有些犁为了结构紧凑，没有圆犁刀和小前犁。除了
4、以上部件外，铧式犁还可有限深轮、调节机构、安全机构、升降机构等附件。2铧式犁的挂接方式(1)牵引犁这种犁是拖拉机最早发展的机型。它和拖拉机间是以单点挂接，拖拉机的挂接装置对犁只起牵引作用。这种挂接方式对拖拉机和犁之间的配合要求较少，所以发展最早。牵引犁由牵引架、犁架、犁体、机械或液压升降机构、调节机构、行走轮、安全装置等部件组成(图23)。耕地时，借助机械或液压机构来控制地轮相对犁体的高度，从而达到控制耕深及水平的目的。图22普通铧式犁1犁架2圆犁刀3小前铧4主犁体图23牵引犁1尾轮拉杆2水平调节手轮3深浅调节手轮4牵引杆5沟轮6地轮7犁架8犁体9尾轮（2)悬挂犁悬挂犁通过悬挂架与拖拉机的三点
5、悬挂机构联接，靠拖拉机的液压提升机构升降。悬挂犁结构紧凑、机动性强，是生产中应用最广的类型。除了部分旱地犁外，南方的水田犁由于水田田块一般较小，故都采用悬挂犁。图24所示为南方系列水田犁。有的悬挂犁设有支地撑杆，而用一限深轮保持停放稳定，在拖拉机液压悬挂机构采用高度调节时，限深轮还用来控制耕深。手扶拖拉机犁也都采用悬挂式，结构紧凑，重量轻，靠手动升降机构控制犁的升降。(3)半悬挂犁半悬挂犁是在悬挂犁基础上发展起来的新机型。随着现代拖拉机功率的不断提高，所配的犁越来越宽，纵向长度也越来越长，这就使得拖拉机在田头提升悬挂犁转弯以及路上行走时的纵向稳定性和操向性受到影响。为了解决这个问题，出现了介于
6、悬挂犁与牵引犁之间的半悬挂犁。如图26所示。这种犁的前部象悬挂犁，通过悬挂架与拖拉机液压悬挂系统相连，但悬挂架与犁架之间不是固定在一起而是杆件绞接。因此液压提升机构提起时，只是犁的前端被提起。犁的后端象牵引犁一样设有限深轮及尾轮机构，通过液压油缸来改变尾轮相对于犁架的高度。前后液压机构配合，就能改变犁的工作深度及实现工作位置与运输位置的转换。机组转弯时，尾轮在操向杆件控制下自动操向。半悬挂犁的优点也是介于牵引犁与悬挂犁之间。它比牵引犁结构简单、重量轻、机动灵活、易操向；比悬挂犁能配置更多犁体，稳定性，操向性好。图24南方系列悬挂水田犁1犁架2悬挂架3悬挂轴调节丝杆4悬挂轴5支撑杆6犁体3旱地及
7、水田铧式犁通用系列我国地域辽广，各地的耕作要求不同，生产和使用的铧式犁也各不相同。在长期的实践中，形成了北方旱地犁和南方水田犁两大类别。旱地犁的犁体幅宽较大，适应的比阻也较大。水田犁则一般采用窄幅多铧的形式，由于水耕比阻较小，机体可做得较轻便，一般也不需要圆犁刀和小前犁。两种犁体的曲面也有所不同。图25手扶拖拉机悬挂犁图26半悬挂犁1液压油缸2机架3悬挂架4地轮5犁体6限深尾轮70年代中期，国家组织设计了旱地及水田两大系列铧式犁，与当时各地生产的1459千瓦(2080马力)拖拉机配套，并考虑了以后拖拉机的发展，满足了不同地区的要求，又使我国拖拉机犁实现了“三化”，提高了产品质量，收到很好效果。
8、(1)北方旱地系列犁此系列共有20种型号。犁体有25、30、35cm三种幅宽，耕深为1630cm，其中有两种属深耕犁，耕深可达42cm，其基本参数见表21。(2)南方水田系列犁此系列有12种型号。犁体有20、25cm两种幅宽，耕深为1222cm，基本参数见表22。(3)80年代以来换代产品的开发80年代以来，随着改革开放的发展，为了缩小与发达国家农机具技术水平的差距，我国有关部门先后组织进行了多种具有较先进水平的铧式犁产品的研究与开发。如：中国农机院等单位吸收国内外先进技术，研制了95118kW(130160马力)级轮式拖拉机配套的悬挂、半悬挂大型旱地犁。以及单体幅宽40、45cm，适应工作速
9、度6lOkmh的高速犁。填补了我国大型耕地机械及高速犁的空白。85年以来，在上述大马力新机具开发的基础上，又开发了2974kW(40100马力)中型拖拉机配套的新式调幅犁、翻转犁等新产品，以及中型高速犁。福建省机械院等单位联合开发了85系列水田犁。包括悬挂偏置犁、垂直翻转犁、悬挂双层犁和悬挂五铧犁等。总之，经过几十年的发展，我国的铧式犁已形成了与大、中、小型拖拉机配套，能满足旱地、水田不同耕作要求的完整系列。在农业生产中发挥了很大的作用。80年代随着农村体制的改革，我国铧式犁的销售量曾大幅度下降。但90年代以来，随着生产发展，需求量又开始上升。现在除了将80年代开发的新系列犁投入批量生产外，还
10、需进一步开发各种新品种，并在整机技术水平、产品质量方面努力赶上世界先进水平。二、双向犁普通铧式犁只能向一个方向翻垡，而双向犁可向左右两个方向翻土。当犁在机组的往返行程中分别向左和右翻土时，则实际上土垡均向一侧翻转，耕后地表平整，没有沟垄。另外，在斜坡耕作时，沿等高线向下翻土，可减少坡度。图27翻转双向犁1悬挂架2机架3限深轮4犁体5翻转机构要实现双向翻土，方法很多。在过去也曾出现过各种类型的双向犁，但近年来很多已被逐渐淘汰，故不再赘述。日前常用的是在犁架上下装两组不同方向的犁体，通过翻转机构在往返行程中分别使用，达到向一侧翻土的目的。这种犁在发达国家的大型拖拉机上得到广泛应用，其结构如图27所
11、示。这种双向犁有两组分别使用的犁体，结构重量大，加重了提升时液压提升机构的负荷。故犁体较多时多做成半悬挂式的。国外近年来推出一种方形双向犁，如图28所示。这种犁的犁体是一块卷成圆弧形的平板，两边是对称的，因此只要通过涮节机构改变板与前进方向的夹角，就能使犁向左或右边翻土。这种犁由于犁体形状非常简单，又可以很容易地在表面复盖上耐磨塑料板，使得犁的制造及使用成本都降低。图2-8方形双向犁1机架2悬挂架3方形犁体4尾轮三、栅条犁普通犁的犁壁是由整块钢板制成，在耕粘重的土壤时，不容易脱土，因此有些犁的犁壁制成栅条式，如图29所示。这种犁由于犁壁与土壤的接触面较小且不连续，比较容易脱土，工作阻力也比较小
12、。另外，栅条犁的犁壁往往是可调节的，如图210所示，只要改变插孔，即可改变犁壁的曲率。插入A、B两孔时，曲面变陡，碎土性能好；插入c、D两孔时，性能则相反；插入B、c孔，曲面扭曲小，垡片翻转较少，抛得较远；插入A、D孔则相反，曲面扭曲大，覆盖性能好。图29栅条犁图210栅条犁犁体 曲面的调整四、调幅犁普通铧式犁本身总的工作幅宽除了增减犁体数目之外是不能改变的。所以普通铧式犁工作时所谓调节幅宽实际上只是改变第一个犁体与已耕地的重叠量，这个问题将在后面讨论。这种调节方法，不论是从理论上还是实际应用上来说，都是不够理想的。调幅犁能改变犁组本身总幅宽，以适应土壤条件及耕作要求改变时，对拖拉机牵引力要求
13、的变化。提高拖拉机的工作效率，降低油耗。这是一种很有特色、有用处的耕作机具。调幅犁的基本原理如图211所示。犁的工作幅宽的调节是通过改变犁体间的重叠量来实现的。通过调节机构改变犁的主梁与前进方向的夹角a就能改变犁间的重叠量。a减小，重叠量增加，耕宽减小；a增大时，重叠量减小，耕宽增加。当主梁夹角a变化时，安装在主梁上的犁体与主梁的夹角也必须作相应的同步变化，以保持犁的设计工作状态。图212所示为我国独创的悬挂调幅犁的调幅控制机构。是以平行四杆机构及导向滑板来控制犁体相对于犁主梁的角位移，使犁体在调幅过程中始终保持设计工作状态(犁体铧刃角不变)。作业时机构保持锁定状态。犁主梁的转动是由液压油缸来
14、推动的，并同时带动犁体相对于犁主梁的角位移。图2一ll调幅犁的调节原理图212调幅犁的调幅机构五、圆盘犁圆盘犁是以球面圆盘作为工作部件的耕作机械。圆盘犁由圆盘、刮土板、犁架、悬挂架及尾轮等组成(图213)。圆盘犁工作时，由于刀盘盘面与前进方向和垂直面都成一定的角度，在牵引动力和土壤反力的作用下，刀盘绕自己的轴回转，土壤被切割和移动，沿盘面升起，并在刮土板的辅助作用下翻转(图214)。土壤作用在圆盘上的侧向力依靠其尾轮来平衡。通常尾轮的高低和偏角可以调整。圆盘犁体是一球面圆盘，盘直径一般为600800mm，曲率半径450650mm。其安装角可调节，圆盘面与前进方向的偏角为3545，与垂直面的倾角
15、为1525(图215)。圆盘犁工作时，是依靠其重量强制入土的，入土性能比铧式犁差，因此其重量一般要求较大，通常配用重型机架，有时还要加配重，来使其获得较好的入土性能。1犁架2悬挂架3圆盘4刮土器5尾轮图2一14圆盘犁的工作过程当圆盘被调节到较为垂直的位置，即倾角较小时，圆盘犁较容易入土。倾角越大，则切入土壤越难。需要加大耕深时，也应减小倾角。而倾角大，耕深稳定较好，工作质量提高。圆盘与前进方向的水平偏角影响垡片的宽度。圆盘偏角越大，垡片越宽，但圆盘片自由转动的可能性减少，增加工作阻力。偏角越小，垡片宽度越小。如圆盘沿前进方向转动，则失去切割起土的作用。与铧式犁相比，圆盘犁有其特点，可用于铧式犁
16、不能很好工作的情况。(1)因圆盘工作时转动，与土壤摩擦较小，刀刃摩损也较小，故可用于研磨性强的土质中。(2)同样由于转动的原故，圆盘能越过或避开土中过硬的异物，防止损坏，因此它较适用于垦荒用。(3)刮土板可将土、草和秸秆从圆盘上刮下，减少附着与缠绕，故适用于重粘土、种植绿肥和采用稻草还田的地方。但圆盘犁也有其缺点：(1)圆盘犁靠刮土板辅助翻转土垡，故翻垡及覆盖性能比铧式犁差。(2)土垡面成波状，且难以形成硬底层。(3)虽然圆盘转动时与土壤摩擦力较小，但由于入土性能差，要求圆盘犁重量大于铧式犁，故其牵引力往往比铧式犁还要大。(4)价格比铧式犁高约40。由于这些原因，使圆盘犁普及性比铧式犁差，只在
17、某些地区使用。图2一15圆盘犁的安装角第三节 铧式犁的构造上一节讲述了铧式犁的类型和一般构造，这一节将进一步讨论其各主要零部件的构造特点和使用性能。一、犁体犁体是犁的主要工作部件，一般由犁铧、犁壁、犁侧板及犁柱、犁托等组成(图216)，通过犁柱顶部平面以带螺纹的u型卡固定在犁架主梁上。图216犁体1犁铧2犁壁3延长板4犁柱5滑草板6犁侧板7犁托犁铧和犁壁共同组成犁的工作曲面，起切土和翻垡的作用，从工作上来说是一个整体。由于工作时犁铧承受较大负荷，磨损较大，所以犁铧与犁壁应分开制造，以便于修理和更换犁铧。犁侧板在工作中靠在沟墙上，平衡土壤对犁的侧向力，保持耕宽稳定。犁托是一连接件，将犁铧、犁壁、
18、犁柱等主要零件固定在一起。有的犁体上有延长板，增强翻土效果。南方水田犁上装有滑草板，防止杂草、绿肥等缠在犁柱上。1犁铧犁铧主要起入土、切土作用。常用的有凿形、梯形、三角形三种(图217)。(1)凿形犁铧：分为铧尖、铧翼、铧刃、铧面等部分。铧尖呈凿形，向下延伸1014ram，有的还向未耕地偏出510mm，构造较复杂。工作时，铧尖首先入土，然后铧刃水平切土，土垡沿铧面上升到犁壁。铧刃的后端是铧翼，是犁体着地点之一，从此点向犁侧板作垂线，其距离即为单铧犁幅宽。凿形铧入土较容易，工作较稳定，因而可用于较粘重土壤，有的背部贮有备料，以便磨损后修复。图217常用犁铧型式(a)凿形铧(b)梯形铧(c)三角形
19、犁铧(2)梯形犁铧铧刃为一直线，整个外形呈梯形。与凿形铧相比，入土性较差，铧尖易磨损，但结构简单，制造较容易。(3)三角形犁铧一般呈等腰三角形，有两个对称的铧刃。这种铧是我国畜力犁的最常用型式，因为它的侧压力小，有助于扶犁，并可摇动手柄来调节耕深、耕宽和便于脱土。手扶拖拉机的栅条犁也采用这种犁铧。这种铧的缺点是耕后地底面容易呈波浪状，形成沟底不平。犁铧材料一般采用坚硬、耐磨，即具有高强度和韧性的钢材，如65锰钢或65硅锰稀土钢。刃口部分须经热处理。2犁壁犁壁与犁铧一起构成工作曲面，将犁铧移来的土垡加以破碎和翻转。犁壁与犁铧前缘一起组成犁胫，是犁体工作时切出侧面犁沟墙的垂直切土刃。胫刃线一般为曲
20、线，有的犁也采用一外凸曲线，对沟墙起挤压作用，以利于沟墙稳定(图216)。犁壁的前部称为犁胸，后部称为犁翼，这两部分的不同形状，可便犁壁达到滚、碎、翻、窜等不同的碎土、翻垡较果，满足农艺的不同要求。犁壁一般是由钢板冲压而成。我国多采用5mm厚的65锰钢或B2低碳钢经热处理或渗碳处理制造，由于犁壁前部磨损较快，有时将犁壁分两部分制造，前部磨损后可单独更换。图218犁侧板的常用形式(a)平板形(b)刀形3犁侧板犁侧板的基本作用是平衡侧向力，因此其最常用的形式就是平板式的(图218a)。由于犁侧板在工作中始终与沟墙摩擦，单铧犁和多铧犁最后一犁的犁侧板除了承受侧向力外，往往还要承受一定的垂直压力，犁侧
21、板的后端极易磨损。因此有的犁除了后犁的犁侧板较长外，还在后端装有可更换的犁踵。由于水田耕作时沟墙的承受压力很小，故水田犁的犁侧板多采用刀形(图218b)。刀刃在耕作时插入沟底，得到足够的土壤反力来平衡侧压力。犁侧板安装时，一般使其与沟底和沟壁成一角度，而构成只有铧尖与犁踵接触土壤的情况，增加了犁铧刃对沟底的压力及犁胫刃对沟墙的压力，从而使犁在工作时始终有一种增大耕深与耕宽的趋势，这样犁侧板和其它触地部分才能起到稳定耕宽及耕深的作用。这两个安装角度由犁体的水平间隙和垂直间隙度量。犁体的水平间隙一般指由犁侧板前端至沟墙平面的水平距离；垂直间隙一般指犁侧板前端下边缘至沟底平面的距离(有的犁如北方系列
22、犁，其犁侧板前后端高度一致)，如图219所示。图2-19犁体的水平间隙及垂直间隙(d)南方系列犁“翻20”(6)北方系列犁“BT30”图220空心直犁柱犁侧板要求耐磨、强度高，一般采用锰钢或45号钢经热处理制成。犁踵也可用白口铸铁制造。4犁柱犁柱连接犁体和犁架，是犁的传力构件。通常做成空心圆或椭圆直犁柱(图220)或实心扁钢弯犁柱。空心犁柱一般用球墨铸铁或铸钢制成，重量较轻、强度好、安装简便。5犁托犁托是一联结件，把犁铧、犁壁、犁侧板、犁柱组成犁体总成。犁托可用钢板冲压成，也可焊合或铸造。也有些犁托与犁柱造成一体(图221)。图221犁托和犁柱一犁托组合(a)犁托(6)犁柱一犁托组合二、犁刀犁
23、刀在主犁体前切出垂直沟壁，减轻主犁体胫刃上的压力。最常用的犁刀是圆犁刀。如图222所示，圆犁刀由刀柄、叉架、刀盘等构成。刀柄的上端卡板固定在犁架上，下端通过叉架与刀盘相连。一般刀盘中心应位于主犁尖垂直线的上面，在水平面内，圆犁刀平面应在犁胫线外侧13cm处，以便切出整齐沟墙。松开刀柄固定卡，转动刀柄即可获得所需的位置。图222圆犁刀三、犁架犁架是犁的主要部件，犁的绝大多数零部件都直接或间接地装在犁架上，因此犁架应有足够的强度来传递动力。最常见的犁架是空心矩形管焊接架(图223)。这种犁架结构简单、强度好、重量轻、制造容易，故得到广泛应用。除此之外，用扁钢制造的钩形犁架，螺栓固定的可折式犁架在某
24、些犁上也有采用。四、安全装置安全装置是当犁碰到意外的障碍时，为防止犁损坏而设置的超载保护装置。并不是所有犁都需要设安全装置，因为这样做增加制造成本，使犁变得复杂。一般轻型犁、在没有障碍物的地上使用的犁都不设安全装置。而在多石地或开荒地上使用的犁，特别是高速作业机组，则有设置的必要。安全装置有整体式和单体式两类。整体式装在整台犁的牵引装置上，而单体式则装在每个犁上。图224摩擦销式安全装置图223空心矩形管焊接犁架1摩擦销式安全装置如图224所示，当障碍物的阻力与工作阻力之和大于销子的剪应力及纵拉板与挂钩间的摩擦力时，销子被剪断，犁与拖拉机脱开。这种装置是牵引犁上广泛采用的一种整体性安全装置，结
25、构简单可靠。2单体式犁体安全装置随着犁的耕地速度提高及工作幅度增加(犁体数增加)，单一犁体超载对总体的影响减小，整体式安全装置对单个犁体的保护作用降低。因此有必要在每个犁体上装设超载安全装置。常用的有：(1)销钉式(图225a)，当碰到障碍物引起异常载荷时，销钉被剪断，起到保护作用；(2)弹簧式和液力式(图225b、c)，犁体在障碍的异常载荷作用下会克服弹簧或液力油缸的力而升起，越过障碍后，自动复位。销钉式安全装置在销钉被剪断后必须停车更换，弹脱式和液力式则可以连续工作，工效较高，但结构复杂得多。图225单体式犁体安全装置(a)销钉式b)弹簧式(c)液力式图226一步式快速连接装置1操纵杆2上
26、挂接钩3形架4锁定销5吊杆6下拉杆7下挂接钩五、快速挂接装置如前所述，犁和拖拉机的挂接方式，有牵引式、悬挂式、半悬挂式几种，那些挂接方法一般都需要两个人操作，很不方便，这里介绍两种快速挂接方式。图227三角形快速挂接装置1外三角架2拉绳3内三角架4锁定销1一步式快速挂接装置这是一个“”字形架，安装在拖拉机悬挂机构上下拉杆的后端(图226)。挂接时，农具悬挂轴将锁定销4压下而进入挂钩7内，销子靠弹簧的弹力复位，而把悬挂轴卡住，完成挂接工作。卸下农具时，机手先把操纵杆1提起，销子则缩入槽中。然后，降下悬挂机构，悬挂轴即可脱出。2三角形快速挂接装置图227所示为三角形快速挂接装置。挂接时，将固定在拖
27、拉机升降机构上的三角形插入装在犁架上的三角形框内，由锁定销锁定，卸下农具时，拉绳松开锁定销，即可将三角架从框中退出。第四节铧式犁的翻垡原理一、三面楔原理铧式犁工作时，首先由犁铧切出土垡，然后土垡沿犁壁破碎翻转，将地表的残茬和杂草复盖到下面。为了说明犁体的工作过程，首先考察一个简单的两面楔的作用。如图228所示，当两面楔以图中a、b、c三个不同位置切人土壤时，它将分别对土壤产生起土(图228a)、侧向推土(图228b)和翻土(图228c)作用。如图228d所示，犁铧就相当于一个偏斜放置的两面楔，楔角为卢，楔刃AC与前进方向偏斜一矽角，形成三面楔，同时起到起土、侧向推土和翻土作用。如图228d所示
28、，将三面楔ABC放人坐标系OXYZ中，平面BDO垂直于楔刃AC，由图可知三个楔角间的关系：图228两面楔和三面楔对土壤的作用(a)两面楔起土(b)两面楔侧向推土(c)两面楔翻土(d)三面楔对土垡的作用所以有从工作过程来看，可以认为“为载荷角，为切土角，为犁铧安装角，由于所以二、翻垡原理土垡的翻转过程，大致上可分为滚垡和窜垡两种形式。下面分别解释这两种翻垡的过程，为简单起见，假设土垡在翻转过程中不发生变形。1滚垡滚垡就是假设土垡在被翻转的过程中只有纯粹的翻滚而没有侧移。如图229所示，其过程可分为三个阶段：(1)切土铧刃与胫刃分别沿水平面和垂直面切出土垡的底面和左侧面，其耕宽为b，耕深为a。图2
29、29滚垡过程(2)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。(3)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C回转，最后靠在前一行程的土垡上。整个翻转过程相当于一个物体的纯滚动，故称为滚垡。滚垡的结果理想与否，和土垡的宽深比k=ba有关。如图230所示，土垡被翻转后的重心线应落在支撑点的右方才得到稳定(图230a)，如落在支撑点上，则处于不能稳定状态(图230b)，如落在支撑点左边，则土垡在犁通过后又会重新翻回犁沟中，成为回垡或立垡，影响翻耕质量。下面进一步从土垡的不稳定平衡状态(临界状态)来分析土垡正确的宽深比k。如图230b所示，这时土垡
30、的对角线BD垂直于地面，重力线通过支持点。因为所以得又所以解此方程得又所以图230土垡翻转的三种状态(a)稳定状态(b)不稳定平衡状态(c)回垡状态图23l窜垡过程因此，宽深比k值应大于127或临界复土角应小于52。实际设计时，k值的选择因犁的类型、土壤性质而有所不同。这是因为以上分析是以土垡断面不变形为基础的，而实际耕作时，土垡是会变形的，特别是砂土、砂壤土等松散土壤。根据经验，宽幅的犁一般取k=133，土壤越粘重，k值越大。一般窄幅犁k=114。2窜垡以这种方式工作时，土垡沿犁体曲面上窜一定高度后悬空扣翻，其过程也可分为三个阶段(图231)。(1)切土与滚垡时一样。(2)窜垡被切离的土垡沿
31、犁体曲面往上窜起，同时在向犁翼部转移时被翻转。(3)扣垡由于土垡是在悬空状态下被翻转，在重力作用下，土垡沿背面不断撕裂成断条落下，扣翻在前一行程土垡上。这种翻土方法土垡被架空较多，比较适合南方水田地区晒垡的要求。另外，由于这种方法是悬空翻扣，所以其宽深比k可不受太多限制，一般可取k=O75125。第五节犁体曲面上节讨论了土垡的翻转过程，而土垡翻转和破碎性能，则由犁体曲面的性质和参数决定。一、犁体曲面的类型及对工作性能的影响犁体曲面的类型很多，旱地犁最常用的是滚垡型犁体。由于犁体曲面的参数及其变化规律不同，又可分为熟地型、半螺旋性和螺旋型三种(图232)。熟地型的特点是犁胸部较陡，而犁翼部则扭曲
32、不大，所以碎土能力较强而翻土能力适中，一般用于耕普通的熟地。半螺旋型的犁胸较平缓，而翼部扭曲较大，所以碎土性能较差，但翻土性能很好，适于较粘重的土壤和荒地。螺旋型犁胸更加平缓，犁翼扭曲度也更大，所以人土容易，翻土性能好，但碎土能力很小，耕后土垡基本不碎，仅适用于多草、潮湿及粘重的生荒地。图232犁体曲面的类型及其性能(a)熟地型(b)半螺旋型(c)螺旋型南方水田地区的犁体曲面与旱地犁不同，根据农艺要求和土壤条件不同，有滚、碎、翻、窜等不同类型。通用型犁体曲面是凸胸短翼的扭曲面型。土垡沿曲面的运动具有窜翻结合，先窜后翻的特点，使土垡既适度架空又能满足翻垡覆盖的要求。由于土垡在运动中变形较大，因此
33、会产生断条，碎垡性能也良好。这种曲面因此具有较好的综合性能，在水田水、旱耕中得到广泛应用。、碎土型曲面又叫熟地型，其曲面是扭柱形，土垡在运动中变形大，有利于破碎断条，特别适应稻麦两熟地区和种双季稻地区冬种作业。翻垡型曲面凸胸扭翼，覆盖性能强，但断条、架空性能较差。因此较适合于春耕绿肥田和其它要求覆盖性能好的地方使用。窜垡型犁体曲面是我国传统的犁体曲面。这种曲面使土垡窜起较高，然后腾空翻转，架在前一条垡上。这种曲面如上节所述，不受土垡宽深比的限制，所以可以窄幅深耕，适应稻麦两熟地区稻茬地作畦和冬翻晒白的双季稻地区。以上几种水田犁的曲面型式的特点见图233。从图上可以看出，犁翼的扭曲程度和长度，以
34、翻垡型最大，碎土型次之，通用型较短小，窜垡型最小。而曲面的高度，则以窜垡型最高，通用型次之，碎土型较低，翻垡型最低。另外，犁胫线的形状，翻垡型和碎土型的是一直线，而通用型、窜垡型都是外凸的，以利于水耕时使沟墙不易倒塌。二、犁体曲面的形成原理犁体曲面的形状决定了它的工作性能。有必要搞清曲面形成的原理。犁体曲面的形成方法很多，但其理论和设计方法却还是不完善的，有待进一步研究。下面简介几种曲面的形成方法。图2-33犁体曲面形状与翻土碎土性能的关系(a)碎20(b)翻20(c)窜20(d)通20(e)通25图234水平直元线形成犁体曲面(a)原理(b)南方系列犁中的窜垡型犁体曲面的形成1水平直元线法犁
35、体曲面可以看作是由直线或曲线在空间按一定规律运动形成的。这种直线或曲线就叫“元线”。一条直元线若以固定半径绕轴心平行运动，可形成圆柱面。如图234所示，若这条直元线AB平行于水平面xoy，它沿着一条位于铅垂面内的圆弧曲线MM自下而上移动，并且AB与沟壁平面XOZ构成的元线角也按一定规律变化，则曲面变成扭柱形曲面。曲线MM称为导线，一般取为抛物线，而夹角则按一定的变化规律变化=f(z)。因此，当(1)导线MM的形状及其所取的位置；(2)直元线的起始角及角沿高度的变化规律确定之后，水平直元线的运动即可唯一地确定。这类曲面的特点是，如果将犁体放在工作位置，并用一保持水平的直尺去靠贴它，则直尺边会与曲
36、面完全贴合。我国系列犁中的南方水田犁的碎土型犁体曲面、窜垡型犁体曲面以及一些北方旱地犁的曲面都是以这种方法形成的。2倾斜动线法如图235所示，若在水平面xoy(沟底面)内确定一条导线S，令直元线AB一端沿S按一定规律移动，而直元线的方位角亦按一定规律变化，则也能构成犁体曲面。这类曲面易做到凸胸、扭翼，有一定碎土能力，翻土性能强。南方系列犁中的通用型犁体即属此类。这种曲线，直尺要处于某一倾斜位置，才能与相应的曲面靠贴住，而要按一定的规律移动才能扫描出曲面来。若直元线垂直于另一条倾斜轴线，并且直元线一方面绕轴线作等速旋转运动，另一方面又沿轴线作等速轴向移动，则形成一螺旋面，也是一种倾斜直元线面。此
37、外，若倾斜动线采用曲线，按一定规律运动，也可得到不同性能的犁体曲面。形成犁体曲面的方法是多种多样的。在设计上，常采用选型与创型相结合。所谓选型就是选几种性能较好的犁体，进行对比和修整，找出符合生产要求的新机型。创型则是应用几何原理或数学关系设计犁体，再通过试验反复修改，以得到满意的结果。图235倾斜直元线构成犁体曲面三、犁体曲面的测绘测绘已有犁体的曲面，绘出曲面视图，可以使我们对已有犁体有更深的了解。更重要的是为改进犁体性能，或设计新犁体提供技术资料。犁体很多是属于直纹面，包括水平直元线和倾斜直元线形成的曲面两类。对于前者，将犁体放置于工作位置，测量各不同高度的水平面与犁体曲面交线上两端到某一
38、纵垂面的距离，即可确定曲面的形状。另外，犁体曲面上的各特殊点，如犁壁与犁铧接缝线的起点和终点，也需测出，才能绘出完整的犁体曲面。对于倾斜直元线，则需要先用直尺贴靠犁体曲面的方法寻找出各直元线的位置，在犁体上画出来，然后测定各元直线在犁体轮廓上的两端点坐标值就能确定犁体曲面。主要的测绘仪有：1机械接触式测绘仪(图236)包括测绘桌、测针以及可升降的犁体固定平台。图纸贴在测绘桌上，测针一端紧贴曲面，另一端固定一绘图笔。当测针沿犁体曲面某一高度作水平运动时，绘图笔即在纸上绘出一条直元线(或一曲线，如果曲面不是由水平直元线形成的话)。升降犁体固定平台，重复以上测量步骤，即可得到绘图纸上的一族等高直元线
39、或其它剖面曲线。图2-36机械接触式测绘仪1测针2铅笔3绘图纸4测绘平台5被测犁体若已知曲面是倾斜直元线组成，并已在曲面上绘出了一族倾斜直元线，则可在绘图纸上确定各倾斜直元线两点的位置，然后画出曲面图。2轻便测绘仪(图237)仪器由底座、动尺、立柱等组成，结构简单，便于携带。用直尺即可测得曲面上各水平直线的尺寸，如果犁体的等高剖面线不是直线，则还要另外再测量犁体曲面上各点到直线的距离，即可确定各等高曲线的形状。3光切断面绘犁仪(图238)该仪器由摄影机(或照相机)、幻灯机、犁体固定平台组成。幻灯机的光线经过一条狭窄的缝隙形成一条光束投到犁体曲面上，在犁体上形成一条光亮的截面线，摄影机(相机)将
40、此光截线照下。连续摄得曲面上不同位置的光截曲线即可得到犁体曲面的视图。图2-37轻便测绘仪1水平直尺(动尺)2三角立柱3固定套4平衡重5直角底座图238光切断面绘犁仪1底座2导轨3丝杆4幻灯机5台架6摄影机第六节铧式犁的外载特性一、作用在犁体上的外载在犁耕过程中，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。研究犁体外载，对犁的合理使用和改进，减轻犁耕阻力，提高犁的使用寿命，都有重要的指导意义。犁体是一个形状复杂的物体，作用在犁体上的力包括作用在犁铧、犁壁、犁翼、犁侧板等上面的力，是一个空间汇交力系。由于在耕作过程中影响犁体外载的因素十分复杂，作用在犁体各部分的
41、力也很难分别准确地测得。因此，虽然经过各国研究人员的长期努力，对犁体的外载计算还不成熟，不能在实际中有效地应用。目前犁体外载的取得，主要还是靠实际测量，从总体上把握。犁体外载可按测量方法或不同的分析要求，用以下几种方法表示：图239作用在犁上的力的六个分量1六分量法如图239所示，将沿x、y、z三个方向测得的外载向某点简化，用主矢量的三个分量和主矩的三个分量来表示。例如，将力向铧尖A简化，得到主矢量三个分量Rx、Ry、Rz和主矩的三个分量Mx、My、Mz。这种表示方法适用于解析法分析耕作机组性能。2坐标平面分阻力法所得外载可用三个坐标平面内的三个分阻力表示。图239中的三个分力Rx,Ry、Rz
42、及三个力矩Mx、My、Mz向三个坐标平面简化时，如图240所示，可在三个坐标平面XOZ、XOY、YOZ中得到三个分阻力：这三个分阻力作用线的位置可这样确定：它们对简化中心(本例中为铧尖)的力矩应与该平面内原有力矩My、M和M相平衡。这种方法主要用于图解法分析犁耕机组性能。图2-40土壤阻力在三个坐标面上的分量3力螺旋法图239中的三个分力和三个分力矩的合力及合力矩(作用于铧尖)、组成一个力螺旋(通常R与M不垂直，即RM0)，它们的模和方向余弦分别是：图241作用在犁体曲面上的力螺旋如图241所示，这种方法易给人比较直观的空间概念。二、犁耕的牵引阻力在作用于犁的土壤阻力中，我们特别重视沿犁前进方
43、向牵引阻力的分析。这对分析犁的动力性能，机组总体配套是很重要的。1牵引阻力公式哥略契金推导的犁的牵引阻力公式一直被认为是经典的公式。在这个方程中，第一项mdvdt确定产生质量为m的土垡并将土垡加速(加速度为dvdt)所需的力，第二项vdmdt则确定了在单位时间t内产生的土垡m以一定的速度通过犁体所需的力。哥略契金认为式中f无效阻力系数，一般为03O5；G犁重(kg)；k。静态阻力系数(kgcm2)；a耕深(cm)；b耕宽(cm)。而第二项中式中)土垡的密度；g重力加速度；v1土垡在犁体上的速度，且则这样，犁的阻力公式为式中动态阻力系数，v一一前进速度(ms)。式中的静态阻力系数k。与犁体有关，
44、更与土壤的强度有关。一般可取：轻质土壤:k0=0203kgcm2；中等土壤：k。=O305kgcm2；粘重土壤：k=0507kgcm2；极粘重土壤：k007kgcm2。而动态阻力系数与犁壁翼部的平均斜角c有关。研究资料表明，在不同的土壤条件下，值都随c的减小而大大降低。由经验可知，当耕速为812kmh，c=4550时，值约为250400kgs2cm4。2犁的效率上述的阻力公式中，第一项是表示各种摩擦阻力之和，包括犁体与沟底、沟壁和土垡间的摩擦力，犁轮的滚动阻力及轴承的摩擦力等。这些都是无效阻力。第二、第三项是切割土垡、碎土、翻土、以及使土垡加速及抛出所需的力，是犁耕中的有效阻力。阻力公式可改写
45、为：即将总阻力表示为有效阻力与无效阻力之和。犁的有效阻力与总阻力之比可定义为犁的效率。犁的效率是评价犁的性能指标之一。例如，悬挂犁由于结构比牵引犁简单，重量轻，且经常可省去地轮，无效阻力fG小得多，因此效率比牵引犁高。同一类型的犁，由于结构和配置的不同，或设计制造的质量不同，磨损程度不一样，其效率都可能有较大差异。3犁的比阻由以上的分析可知，影响犁体牵引阻力的因素是很多的，它们之间的关系也很复杂，用上式计算牵引阻力，系数f、k。、并不容易确定。因此在生产实践中，常用比阻尼来作为犁的阻力指标。式中Px由拉力试验测得的平均牵引阻力(kg)；ac平均耕深(cm)；Bc犁的总幅宽(cm)。比阻k是土壤
46、条件、犁体参数和耕速等因素的综合反映。根据经验，在一般条件下(常用耕速46kmh，常用耕深)，可认为土壤的比阻见表23。表23土壤比阻土壤砂土沙壤土壤土粘土重粘土水耕水稻土比阻k(kgcmz)O2O2O3O3O5O5O8O8O1O3查得比阻后，由即可估算出某块地的牵引阻力。4减少牵引阻力的途径(1)减少牵引阻力，从上面阻力公式来看，当然首先是要尽量降低无效的摩擦阻力。可以考虑减轻犁重；采用带滚动轴承的充气轮作为犁轮；采用耐磨或自磨刃的犁铧，使铧刃保持锋利；采用低摩擦系数的材料作犁壁的覆盖层以减小摩擦力等。(2)在实现农艺要求的翻土效果的前提下，通过设计合理的犁体曲面等措施，减小所需的有效阻力。例如，窜垡犁如设计不当，土垡窜得太高，将增加不必要的消耗；与大马力拖拉机配套的高速作业犁，其曲面形状必须适应高速作业要求，否则阻力会大大增加。(3)合理设计机组参数和挂接参数，也将有效地减小牵引阻力。有关机组的问题下面还要专门讨论。第七节悬挂犁耕机组的受力分析由犁和拖拉机组成的耕地作业整体，叫做“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
