第三章犁耕原理与犁面形成

1、第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-301第二节第二节 犁体曲面的形成原理犁体曲面的形成原理第一节第一节 犁耕原理犁耕原理 耕地的主要任务是碎土、翻土和覆盖残茬。这些任务均由犁体耕地的主要任务是碎土、翻土和覆盖残茬。这些任务均由犁体来完成。为了阐明犁体的工作过程，首先分析来完成。为了阐明犁体的工作过程，首先分析 两面楔沿水平方向两面楔沿水平方向运动对土壤的作用。运动对土壤的作用。如下图所示如下图所示目前，我国常用的铧式犁的土垡运动过程大致有目前，我国常用的铧式犁的土垡运动过程大致有滚垡滚垡、窜垡窜垡和和滚窜结合滚窜结合三类。三类。二、土垡运动过程及宽深比的确定二、

2、土垡运动过程及宽深比的确定（二）土垡宽深比（二）土垡宽深比（一）土垡的翻转一）土垡的翻转一、三面楔的工作原理一、三面楔的工作原理第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-302对于凝聚性小的对于凝聚性小的砂土和砂壤土砂土和砂壤土，土壤在两面楔作用下发生破裂，土壤在两面楔作用下发生破裂，主要是由于主要是由于楔刃的直切楔刃的直切和和楔面上土垡受挤压楔面上土垡受挤压所致。随着压力增大，所致。随着压力增大，土垡应力增大，当应力达到破坏极限时，即出现剪切裂纹，其方土垡应力增大，当应力达到破坏极限时，即出现剪切裂纹，其方向约垂直于工作面向约垂直于工作面AB，并与水平面成，并与水平面

3、成角。土垡沿角。土垡沿AB面上升而面上升而渐裂成梯形，若楔子入土较浅，出现剪切裂纹较密而梯形土块较渐裂成梯形，若楔子入土较浅，出现剪切裂纹较密而梯形土块较小。（如图小。（如图b）第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-303对于对于粘性土壤粘性土壤，土垡在楔子作用下所产生的破裂主要是由于，土垡在楔子作用下所产生的破裂主要是由于楔刃楔刃的直切的直切和和楔面的撕裂所致楔面的撕裂所致。(如图示如图示)当楔子开始切入土中时，在当楔子开始切入土中时，在楔刃前方出现裂纹，当楔子继续前进，裂纹扩大并向上延伸，直楔刃前方出现裂纹，当楔子继续前进，裂纹扩大并向上延伸，直达地表，形成不规

4、则的土块。达地表，形成不规则的土块。第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-304 对于对于潮湿的粘性土壤潮湿的粘性土壤，在楔子作用下土垡虽出现裂纹，但由于这，在楔子作用下土垡虽出现裂纹，但由于这种土壤有较大的塑性，当土垡沿楔面运动时，裂纹会逐渐弥合，而不种土壤有较大的塑性，当土垡沿楔面运动时，裂纹会逐渐弥合，而不能形成土块。能形成土块。 楔子在土壤中的位置不同，它对土壤的作用也不同，下图分别表楔子在土壤中的位置不同，它对土壤的作用也不同，下图分别表示两面楔的示两面楔的起土、侧向推土和翻土起土、侧向推土和翻土作用及三面楔对土壤的作用。作用及三面楔对土壤的作用。第三章第

5、三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-305返回返回两面楔和三面楔对土垡的作用两面楔和三面楔对土垡的作用侧向推土侧向推土起土起土翻土翻土第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-306 早在早在1832年，意大利的兰姆勃洛新年，意大利的兰姆勃洛新(Lambru Schini)和里德和里德尔费尔费(Ridolphi)就提出了就提出了滚垡型犁体滚垡型犁体的假想翻转过程。他们将的假想翻转过程。他们将土垡抽象为呈矩形断面的土垡条，在翻转过程中，把土垡断面土垡抽象为呈矩形断面的土垡条，在翻转过程中，把土垡断面形状看作是形状看作是既不变形又不破裂既不变形又不破裂

6、的刚体。因此，将犁面抽象为由的刚体。因此，将犁面抽象为由垂直于以矩形断面的土垡条的一棱边为轴线的直元线，在其作垂直于以矩形断面的土垡条的一棱边为轴线的直元线，在其作等距移动和等速转动时而形成的曲面。这样的土垡翻转过程称等距移动和等速转动时而形成的曲面。这样的土垡翻转过程称为为“假想土垡翻转过程假想土垡翻转过程。”（一）土垡的翻转一）土垡的翻转（假想土垡翻转过程假想土垡翻转过程）第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-307土垡在回转过程中，通过直立状态，然后在犁翼土垡在回转过程中，通过直立状态，然后在犁翼作用下继续绕点作用下继续绕点C回转，最后靠在前一行程的土回转，最

7、后靠在前一行程的土垡上。如图示：垡上。如图示：“假想土垡翻转过程假想土垡翻转过程”中的中的假定假定：土垡断面（矩形）在翻转中：土垡断面（矩形）在翻转中：不变形；不变形； 不破裂；不破裂； 无侧移。无侧移。其工作过程为：其工作过程为：切垡切垡铧刃和径刃分别沿水平面和垂直面切出土垡的底面铧刃和径刃分别沿水平面和垂直面切出土垡的底面和左侧面，其耕宽为和左侧面，其耕宽为b,耕深为耕深为a；推垡推垡被切出的土垡在铧面和犁胸的作用下，左边被抬被切出的土垡在铧面和犁胸的作用下，左边被抬起，绕右下角起，绕右下角D点回转；点回转；翻垡翻垡第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-308滚

8、滚 垡垡 过过 程程第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-309相邻土垡支承点相邻土垡支承点D 和和D 之间的距离等于耕宽之间的距离等于耕宽b；翻转后土垡的棱角翻转后土垡的棱角C 或或C 必然位于地表的水平线必然位于地表的水平线CC 上；上；土垡表面与沟底的倾角为土垡表面与沟底的倾角为。即土垡自初始位置。即土垡自初始位置翻转至终了位置翻转至终了位置所所翻转的角度为翻转的角度为180- 。由于假定土垡在翻转过程中不变形、无侧移并且始终绕一棱角由于假定土垡在翻转过程中不变形、无侧移并且始终绕一棱角转动，所以每一土垡在翻转后均保持确定的几何位置，即：转动，所以每一土垡在翻

9、转后均保持确定的几何位置，即：土垡铺放位置土垡铺放位置返回返回第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3010 在耕地作业中，有时已经翻转的土垡，并不能稳定地铺放在前一在耕地作业中，有时已经翻转的土垡，并不能稳定地铺放在前一土垡上面，而是当犁体通过后，被翻过的土垡又重新翻回到犁沟中，土垡上面，而是当犁体通过后，被翻过的土垡又重新翻回到犁沟中，这种现象称为这种现象称为回垡回垡。（二）土垡宽深比（二）土垡宽深比K第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3011下面分析临界状态（如上图下面分析临界状态（如上图b所示）所示）22babbaabk 01

10、24kk11112kk5227.11arcsinarcsin0ba因此，要使土垡稳定铺放，宽深比因此，要使土垡稳定铺放，宽深比应大于应大于1.27 BCD DAD设临界宽深比设临界宽深比则有则有整理得整理得解之得：解之得： K=1.27临界覆土角临界覆土角第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3012K=1，C第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3013南方水田有晒垡要求，希望暴露在空气中的土垡表面积最大，即南方水田有晒垡要求，希望暴露在空气中的土垡表面积最大，即m+n最大。最大。.414. 12222sin45cossin0)sin(

11、cos)cos(sinsincosabkbabsbnmsbnbm则。时，有最大的暴晒面积即则令返回返回第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3014第二节第二节 犁体曲面的犁体曲面的 形成原理形成原理几个概念：几个概念：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倾斜元线法形成犁面的原理倾斜元线法形成犁面的原理曲元线法形成犁面的原理曲元线法形成犁面的原理一、犁面形成原理一、犁面形成原理二、水平直元线犁面的设计方法二、水平直元线犁面的设计方法第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3015坐标面有三个，所得的相应剖面曲线族也有等高、纵

12、剖、横剖三组。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。族。返回返回犁面可以看作是由直线或曲线在空间按照一定的规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，律运动而成， 这些构成犁面的直线或曲线称为元线。这些构成犁面的直线或曲线称为元线。元线：元线：元线在空间的运动，可由直线、曲线或平面来控制，这元线在空间的运动，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些控制元线运动规律的几何要素称为。导线、导面：导线、导面：样板曲线：样板曲线

13、：用一条垂直于铧刃线的平面剖切犁面所得的交线，称为用一条垂直于铧刃线的平面剖切犁面所得的交线，称为。导曲线：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，称为水平直元线犁体曲面的准线，是样板曲线族中的一条，称为。剖面曲线族：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。第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3016 倾斜直元线法形成犁面的原理是以直元线倾斜直元线法形成犁面的原理是以直元线AB的端点的端点P，沿准，沿准线线CD，按与三个投影面的夹角成一定规律运动所形成的曲面。，按与三

14、个投影面的夹角成一定规律运动所形成的曲面。如图示如图示返回返回水平直元线法水平直元线法形成犁面的原理就是以直元线形成犁面的原理就是以直元线MN沿准线沿准线AB运动，运动，并始终平行于水平面，且不断改变直元线并始终平行于水平面，且不断改变直元线MN与与W平面（即沟平面（即沟墙平面）的夹角所形成的曲面。如图示墙平面）的夹角所形成的曲面。如图示曲元线法形成犁面的原理就是以曲元线曲元线法形成犁面的原理就是以曲元线AA1B沿准线沿准线CC1、C1D运动而形成犁面。如图示运动而形成犁面。如图示第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3017水平直元线形成的犁体曲面水平直元线形成的

15、犁体曲面返回返回第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3018返回返回第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3019返回返回第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3020 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在在30年代，苏联的年代，苏联的郭略契金郭略契金等人，测绘了世界各地的等人，测绘了世界各地的200余余种机力犁犁体，提出了这一设计方法。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由水平直元线法

16、形成的犁体曲面，其曲面形状和工作性能主要由导曲线参导曲线参数、位置和元线角变化规律数、位置和元线角变化规律所决定。所决定。元线角的变化规律元线角的变化规律导曲线参数导曲线参数导曲线位置导曲线位置翻土型犁体的导曲线平面多位于犁铧末端，翻土性翻土型犁体的导曲线平面多位于犁铧末端，翻土性 碎土性碎土性，而碎，而碎土型犁体的导曲线平面距铧尖较近，位于铧刃长度的土型犁体的导曲线平面距铧尖较近，位于铧刃长度的23处。翻土性处。翻土性 碎土性碎土性 第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3021导曲线的形状只是确定元线在空间位置的一个方面，要将水平元线在导曲线的形状只是确定元线在

17、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向变化，也就是确定元线与沟墙的夹角（元线角元线角）沿高度）沿高度Z的变化规的变化规律。律。 maxmin0碎土型和翻土型犁体的水平元线在沿导曲线上升时，都是由碎土型和翻土型犁体的水平元线在沿导曲线上升时，都是由1.水平元线的三个特征角水平元线的三个特征角2.元线角的变化规律元线角的变化规律第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-3022 max ：在最高一条元线处。：在最高一条元线处

18、。max02)42(210min0min翻土型）（碎土型)157(420max0max翻土型）（碎土型0 ：初始元线角：初始元线角(铧刃角铧刃角)：铧刃线与沟墙的夹角。：铧刃线与沟墙的夹角。作用：保证土垡自未耕地一侧首先劈开，并逐渐升起，滑切作物残茬和土壤。作用：保证土垡自未耕地一侧首先劈开，并逐渐升起，滑切作物残茬和土壤。滑切条件滑切条件：max :土壤与铧刃的最大摩擦角土壤与铧刃的最大摩擦角 min ：在犁铧和犁壁接缝线处。（：在犁铧和犁壁接缝线处。（Z=50100mm处）处）可避免犁壁翼边线刮擦已翻土垡，便于土垡的上升和翻转。可避免犁壁翼边线刮擦已翻土垡，便于土垡的上升和翻转。返回返回第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、犁面形成2021-10-30232.元线角的变化规律元线角的变化规律min0maxmin0maxmin1002 . 622zzypzy22碎土型和翻土型犁体的元线角多按直线规律变化。碎土型和翻土型犁体的元线角多按直线规律变化。对于碎土型犁体，按二次曲线变化，其方程为：对于碎土型犁体，按二次曲线变化，其方程为：对于翻土型，按抛物线规律变化。如图示：对于翻土型，按抛物线规律变化。如图示：第三章第三章 犁耕原理、犁面形成犁耕原理、