农业机械学三章

1、第三章 整地机械Scarification machine第一节 、引言（introduction）第二节、圆盘耙(disc harrow)第三节、旋耕机(Rotary Tiller /rotary cultivator )第二章 土壤耕作机械Soil tillage machine 第一节 、引言 整地作业包括耙地、平地和镇压。有的地区还包括起垄和作畦。 耕地后土垡间存在着很多大孔隙。土壤的松碎程度与地面的平整度还不能满足播种和栽植的要求。所以必须进行整地，为作物的发芽和生长创造良好的条件。在干旱地区用镇压器压地是抗旱保墒，保证作物丰产的重要农业技术措施之一。有的地区应用钉齿耙进行播前、播后

2、和苗期耙地除草。 整地机械包括耙（圆盘耙、水田耙和钉齿耙）、耢?、镇压器、起垄犁和作畦机等。 整地机械的种类很多，根据不同作业的需要有以下几种类型：钉齿耙、圆盘耙、悬耕机、滚轧耙、镇压器等。其中，钉齿耙目前多用于畜力作业，圆盘耙和悬耕机机械化应用较多。第一节 、引言1、圆盘耙简介2、圆盘耙类型3、圆盘耙的作用与构造4、球面圆盘耙片工作分析和参数确定5、圆盘耙的受力分析第二节 圆盘耙悬挂圆盘耙1、圆盘耙简介牵引圆盘耙齿形耙1、圆盘耙简介1、圆盘耙简介旋耕镇压联合作业机在工作1、圆盘耙简介1、圆盘耙简介 圆盘耙始于40年代，是替代钉齿耙的主要机具之一，目前国内外广泛采用，其主要特点：被动旋转，断草

3、能力较强，具有一定切土、碎土和翻土功能，功率消耗少，作业效率高，既可在已耕地作业又可在未耕地作业，工作适应性较强。1）按与动力的连接方式分： 牵引式、悬挂式和半悬挂式。 2、圆盘耙的类型2）按耙片的直径分： 重型耙（660mm） 中型耙（560mm） 轻型耙（460mm）2、圆盘耙的类型3）按耙片的外缘形状分： 全缘耙 缺口耙 全缘耙片易于加工制造，缺口耙片入土能力强，易于切断杂草、作物残茬等，但成本高。2、圆盘耙的类型4）按耙组的配置方式分 单列耙 、双列耙、组合耙、偏置耙、对置耙。2、圆盘耙的类型3、圆盘耙的作用与构造 犁耕后的碎土和平地，也可用于搅土、除草、混肥，收获后的浅耕、灭茬，播种

4、前的松土，播种后的盖种等。1）作用2）组成：耙组、耙架、牵引架、偏角调节装置等。耙组耙架牵引架偏角调节装置3、圆盘耙的作用与构造3、圆盘耙的作用与构造（1）耙组： 耙组是圆盘耙的主要工作部件，由510片圆盘耙片穿在一根方轴上，耙片之间用间管隔开，保持一定间距，最后用螺母拧紧、锁住而成。如图2-47，耙组通过轴承及其支座与梁架相连接，工作时所有耙片随耙组一起转动。每个耙片的凹面都一个刮土板，安装在刮土器横梁上。 耙片分全缘耙片和缺口耙片两种，缺口耙片在耙片外缘有612个三角形、梯形或半圆形缺口。3、圆盘耙的作用与构造2耙架 用来安装圆盘耙组、调节机构和牵引架（或悬挂架）等部件。有铰接耙架和刚性耙

5、架两种。 有的耙架上还装有载重箱，以便必要时加配重，以增加和保持耙的深度。推移。3、圆盘耙的作用与构造3角度调节器 用于调节圆盘耙的偏角，以适应不同耙深的需要。角度调节器的型式有丝杠式、齿板式、液压式、插销式等。 丝杠式用于部分重耙上。结构复杂，但工作可靠。 齿板式在轻耙上使用，调节比较方便，但杆体容易变形，影响角度调节。 插销式结构简单，工作可靠。调整时，将耙升起，拨出锁定销，推动耕组横梁使其绕转轴旋转，到合适位置时，把锁定销插入定位孔定位，一般在中耙与轻耙上采用。 液压式用于系列重耙上，虽然结构复杂，但工作可靠，操作容易。3、圆盘耙的作用与构造4牵引或挂接装置 对于悬挂式圆盘耙，其悬挂架上

6、有不同的孔位，以改变挂接高度。 对于牵引式圆盘耙，其工作位置和运输位置的转换是通过起落机构实现的。起落过程由液压油缸升降地轮来完成，耙架调平机构与起落机构连动，在起落过程同时改变挂接点的位置，保持耙架的水平。在工作状态，可以转动手柄，改变挂接点的位置，使前后列耙组的耕深一致。3、圆盘耙的作用与构造4、圆盘耙片工作分析和参数确定（一）圆盘耙片作业过程耙片在空间的位置对土壤作用的影响： 以地面为作业面，圆盘回转平面与地面垂直为基本工作条件，则有下列几种作用效果： Vm=0时，只有滚动没有拖动，能切断杂草和土块，但无翻土能力，且难以达到预定的耙深。 =90时，耙片只有拖动没有滚动，有强烈的翻土能力，

7、但断草能力几乎为零，且很容易造成土壤堆积和堵塞现象。 Vm90o4、圆盘耙片工作分析和参数确定 090时，既有滚动又有拖动，是整地过程所需要的工作状态。Vm工作过程： 耙地机组在牵引动力的作用下，圆盘耙片受重力和土壤反力的作用边滚动边切入土壤并达到预定耙深，由于耙片偏角的作用，耙组同时完成了切割土壤，切断杂草和翻扣的工作。4、圆盘耙片工作分析和参数确定（二）圆盘耙片的结构参数和基本计算1）耙片直径：D = k amax 式中：k经验系数，46； amax最大设计耙深，cm； 2）圆盘球面半径：R=D/2sin 式中：扇形半角，21 27 4、圆盘耙片工作分析和参数确定3）耙片厚度 充分考虑直径

8、大小、工作负荷等因素，一般用下式来确定：=（0.008 0.012）D 重耙：=5 mm中耙：=4 mm轻耙：=3.5 mm4、圆盘耙片工作分析和参数确定4）耙片轴向安装间距b的确定 耙片间距对圆盘耙设计安装和使用耙组、保证其正常工作是非常重要的。轴向间距的大小直接影响耙组在耕作横断面内的对土壤加工和处理的程度、碎土质量。间距太小易造成土壤堵塞，太大易产生漏耙。要解决好这一矛盾，耙片轴向安装间距的合理选择是至关重要的。 4、圆盘耙片工作分析和参数确定在横断面内的耙片对土壤的影响区域形状如下： 圆盘耙片在工作时，从其横断面看上去为一椭圆形，由于b的存在，相邻两圆盘加工后的土壤横断面中间有一凸起高

9、度h，当h=a时表示有严重的漏耙现象发生，而h=0又是不可能的，所以，要求ha。因此，b的确定对凸起高度h的大小有直接的影响，必须找出b与h的函数关系，以便保证既不漏耙又不堵塞正确合理的耙片轴向安装间距。 4、圆盘耙片工作分析和参数确定由图所知：b=DhtgDh耙片盘面在凸起高度处的耙片弦长， Dh=？，其大小可通过沿耙片轴向的投影辅助图获得。4、圆盘耙片工作分析和参数确定hAFBCDhDABCACF h（Dh）=Dh2/4， 又 b = Dh tgb =2h（Dh）tg4、圆盘耙片工作分析和参数确定b =2h（Dh）tg注意：该公式只是一定性分析式，它只是说明了b与h函数关系，并没有进行量化

10、处理，我们做如下举例： 设：hmaxa/2，D=kamax=（4-6）amax，取平均值k=5，=140 230，取= 200，a=180mm，D=460mm，h=a/2=180/2=90mm，则有：b=132mm。 4、圆盘耙片工作分析和参数确定b=132mm可以吗？4、圆盘耙片工作分析和参数确定 该值从理论上满足了圆盘耙不产生漏耙的要求，按照这样一个参数进行耙片安装在实践中如何呢？通过田间试验表明，由不产生漏耙所确定的b值过小，极易发生堵塞现象。通过田间试验表明，由不产生漏耙所确定的b值过小，极易发生堵塞现象。在同样结构参数条件下，不产生泥土和杂草堵塞的经验 b 值为： b（1.5 2）a

11、 4、圆盘耙片工作分析和参数确定 如果该经验公式与前面我们已经求得的不产生漏耙现象的耙片最大轴项安装间距： b =2h（Dh）tg等价的话，这是我们最希望出现的结果，这使得理论与实践获得了统一。事实并非如此，将已知量a=180mm经验公式，取系数为1.5，得：b 1.5180270mm。4、圆盘耙片工作分析和参数确定 验证结果表明，不产生漏耙的条件与不产生堵塞的条件不能同时满足，即出现了二种结果： 不漏耙b（1.52）a 不堵塞这是农机具设计和使用中常出现的矛盾！4、圆盘耙片工作分析和参数确定b2 tg问题措施1、如何解决这一矛盾？2、取中间值？1、以不产生堵塞的条件b（1.52）a 确定圆盘

12、耙片的轴向安装间距，保证耙组能入土工作。2、采取配置相互交错排列的前后2列耙组，前耙组产生的漏耙由后列耙组进行处理，保证整台机组既不漏耙又不堵塞。 4、圆盘耙片工作分析和参数确定措施结论：通常在实际生产过程中所应用的圆盘耙均为双列耙。 4、圆盘耙片工作分析和参数确定 圆盘耙工作中受到的外力包括重力、牵引力和土壤阻力。一般认为土壤阻力集中作用于耙组中间耙片上。根据耙片外载的测定结果得出，作用在耙片上的土壤阻力一般为空间力系，可简化两个不相交的力R1和R2，如图2-51a所示。5、圆盘耙的受力分析 力R1作用于耙片的刃口平面上，并与水平面呈一夹角，其作用线通过圆盘轴线后方处。力R2垂直于刃口平面，

13、其作用线通过圆盘入土部分的重心附近，即距沟底h=a/2（a为耙深），离耙片垂直中心线l处。由于与l值很小，为了简化分析，设其为零，则R1和R2的作用线方向如图2-51b所示。5、圆盘耙的受力分析（1）圆盘耙组水平面内的平衡。5、圆盘耙的受力分析（a）由于左右耙组对称，合力位于中心线上，并与牵引线一致。左右耙组的测向力相互抵消，因而不存在片牵引，在水平面内自动平衡，所以这种对置耙具有很好的稳定性。（b）偏置圆盘耙的平衡 由于不对称，前组和后组阻力作用线的交点H偏于一侧（图2-53a）若牵引线通该点则稳定性好，故牵引此种耙工作时，拖拉机的位置可偏于一侧，而耙的位置则偏于另一侧。5、圆盘耙的受力分析

14、5、圆盘耙的受力分析若将悬挂点由F转到F”处，则机具相对拖拉机有个逆时针的阻力矩，结果前面耙片的偏转角变小，后边耙片的偏转角增大，最终会在b所示位置重新达到平衡。这样虽然可以耕作，但是拖拉机悬挂点一直受到一个侧向力的作用，使得耙组相对拖拉机纵轴线的偏移量增大。若悬挂点转到F处，则机具收到一顺时针力矩，促使前面的耙片偏角增大，后边耙组偏角变小，直到图C位置到达平衡位置，显然，这样拖拉机悬挂点也会受到一个侧向力的作用，使得耙组相对拖拉机纵轴线的偏移量减小，有时甚至可以达到无偏置状态。5、圆盘耙的受力分析 从图中还可看出，前后列耙组间的纵向距离对平衡的影响。如将后列耙组向后移L距离，则合力的交点即从

15、H移到H。只有将牵引线也相应地从F0移到F0，才能使耙组保持原有偏角进行工作，并获得平衡。5、圆盘耙的受力分析 使耙组凹端耙深加大，而凸端耙深减小。为此，耙组重心常配置的靠近凸端，或对凸端加压或用吊干将凹端上拉。（2）圆盘耙在垂直面内的平衡：圆盘耙组在垂直面内的受力如图2-54所示，主要作用力是重力G、土壤对耙组的垂直分力Rz、土壤对耙组的轴向反力R2。 由于R2力作用在圆盘耙片下面相当低的位置，而平衡力则通过轴承作用在耙组中心线上，因而形成了一附加力矩5、圆盘耙的受力分析第三节 旋耕机1、旋耕机简介2、旋耕机的类型与一般构造3、横轴式旋耕机械的理论分析4、旋耕机的功率消耗与配置一、旋耕机简介

16、 旋耕机是一种由动力驱动工作部件以切碎土壤的耕作机具。兼有耕翻和碎土功能，一次作业即能达到土碎地平的效果，而犁耕很难一次造成土壤松碎、地表平整而满足播种或插秧的要求，必须再经过整地才能进行种植作业。因此，用旋耕机耕地可大大缩短耕整地的时间，有利于抢农时和提高功效。缺点是功率消耗大，耕层较浅，翻盖质量差。2、旋耕机的类型与一般构造 按旋耕刀轴的位置可分为横轴式（卧式）立轴时（立式）斜轴式按刀轴传动方式可分为中间传动式侧边传动式侧边齿轮传动侧边链传动类型:2、旋耕机的类型与一般构造 卧式旋耕机 图288是钉齿式旋耕机。钉齿为一直圆钢制成，沿辊轴直径方向1800贯穿并予以固定。 图289是星轮式旋耕

17、机。刀辊由多个带钉齿的星轮组成。星轮盘面不与刀辊轴线垂直，每个星轮的偏斜方向均不同。2、旋耕机的类型与一般构造 本图所示的转柄旋耕刀能将切下的土成形垡片翻转约180 ，它的刀柄装在与刀轴一起旋转的套管上，套管的里面还有一个静止的心轴。心轴有导槽，锄柄上的横销嵌入导槽中。当旋耕刀切下土块并将其带到一定高度时，刀柄上的横销就碰到导槽的斜凸部分，迫使刀柄偏转。于是刀面侧倾将土块翻转落下。2、旋耕机的类型与一般构造 还有几种有翻土功能的旋耕刀，如下： 带有托土板的旋耕刀盘。当刀齿切下土块时，托土板正好托住土块的上端将其送到后方翻转落下。2、旋耕机的类型与一般构造 带有弹性拖板的旋耕刀。当刀片切入土中时

18、，弹性拖板随切缝弯曲进入缝中，将切下的土块托带到后方一定高度然后弹片伸直使土块翻转落下。2、旋耕机的类型与一般构造 立式旋耕机：2、旋耕机的类型与一般构造 刀齿或刀片绕立轴旋转的旋耕机，其突出功能就是可以进行深耕，一般都能达到3035cm，较深的能达到40-50cm，而且可使整个耕层土壤疏松细碎，但前进速度较慢。 图295是安装在手扶拖拉机前面的桨叶式旋耕机（亦称旋桨式犁）。它的叶轮象一个竖立着的船用螺旋桨，工作时，叶片旋转将土壤铲起，并向一侧抛出，耕后象铧式犁一样留有耕沟。因其向一侧抛土，故侧向力较大。工作幅宽约等于叶轮的外缘直径，耕作的最大深度可略大于叶轮高度。一般耕深2030cm。2、旋

19、耕机的类型与一般构造 图296所示的这种立轴爪式旋耕机是英国人所制，他们称为“Gyro-tiller”。两个转盘相对旋转，刀齿位于转盘周边，轴向固定（略微前倾），一般耕深3050cm。2、旋耕机的类型与一般构造 图297所示是日本常用的立轴刀笼式旋耕机。25个倾斜的窄条形刀片构成一个圆形刀笼旋转切土。刀笼高度约3035cm，一般耕深2030cm。2、旋耕机的类型与一般构造 立轴转齿式旋耕机： 工作部件由两个钉齿构成“门”字形的转子。多个转子横向排列成一排。两个相邻的转子由两个齿轮直接啮合驱动。故每个转子与左、右相邻转子的旋转方向相反。转子在安装时，相邻转子的“门”形平面均互相垂直，故可互不干扰

20、，并使相邻钉齿的活动范围有较大的重叠量以防止漏耕。由于钉齿的圆周速度比机器前进速度要大得多（2倍以上），故每个钉齿在地面上经过的路线都是长辐摆线，因而钉齿有较好的碎土效果。2、旋耕机的类型与一般构造 3、横轴式旋耕机械的理论分析 各种驱动式耕耘机械，由于其工作原理各不相同，因而工作部件的运动情况，也不相同。下面着重对目前使用较为广泛的横轴类旋耕机械的有关理论进行一些分析。1）刀齿运动轨迹方程 旋转耕耘机的刀齿，无论其为何种形状，它在工作时的绝对运动均系由两种运动合成。如图299所示一种运动是由于安装刀齿的轴转动时刀齿绕轴心旋转所形成的圆周运动，另一种运动是机器不断前进时所具有的直线运动。旋转耕

21、耘机在工作时，这两种运动同时在刀齿上产生，刀齿的绝对运动就是由这两种运动合成的结果。3、横轴式旋耕机械的理论分析3、横轴式旋耕机械的理论分析R。 假设u、vm为等速运动，则刀齿上任意点的运动轨迹均系一有规律的曲线。如图2100所示，在刀齿旋转前进的过程中，设刀齿轴心所在的位置原为O0，某一刀齿(O0m0)的端点为m0。该刀齿按图中箭头方向转过1的角度时，轴的中心由O0前进至O1，此时刀齿端点的位置则由m0移至m1；3、横轴式旋耕机械的理论分析当刀齿连续再转过2时，轴的中心将再前进一段距离而至O2，此时刀齿端点的位置则由m1移至m2，如此继续下去，当机器走过 距离S即刀轴中心经过O1、O2、O3

22、、而至On时，刀齿端的轨迹即为m1、m2、m3、mn所连成的曲线。如果S为旋转轴旋转一周时机器前进的距离，则此时刀齿绕其轴心旋转一周后其运动轨迹亦完成了一个行程周期，当旋转轴继续转动、机器继续前进时，刀齿端点的运动轨迹即为此段曲线的重复出现。显然，在图2100所示情况下，S2R。R。 当刀齿的转动半径R、旋转角速度以及机器的前进速度vm已知时，刀齿的运动轨迹可根据上述原理用作图法绘出。关于刀齿运动轨迹的方程式，可建立如图2101所示的坐标系。 设位于坐标轴y上的刀齿A0O以角速度经过t秒钟转动后，其角位移为，此时刀齿轴心移动的距离为x0，刀齿端点的位置则移至m点，点m的水平位移为x，铅垂位移为

23、y。3、横轴式旋耕机械的理论分析由于 =t故x0=vmt=vm/。又因=u/R，所以x0=Rvm/u 刀齿的轨迹曲线系由运动的m点所形成，故其曲线的方程式为3、横轴式旋耕机械的理论分析此式为参数方程式，消去参变数后得 此曲线即解析几何上的摆线，亦称旋轮线(Cycloid)。将x0代入并整理得：3、横轴式旋耕机械的理论分析（1）当u/vm=1时，方程变为 此式系一标准的摆线，S=2R。具有这种运动特性的刀齿只能象自由轮的轮爪一样刺入土中，不能起到松碎土壤的作用。2）刀齿轨迹的性能特征 从刀齿运动的轨迹方程式得知，刀齿运动轨迹曲线的形状与刀齿的半径R、圆周线速度u以及机器前进速度vm有关。由于R、

24、u和vm的不同，此曲线具有以下的特性：3、横轴式旋耕机械的理论分析（2）当u/vm=1时，刀片端点在任何位置的绝对运动水平位移方向均与机器前进方向相同，故刀齿不能拨土向后。刀齿对土壤的作用还不如被动式牵引机具的作用大。这种曲线数学上称为短辐摆线。S2R。（3）当u/vm=1时，刀齿转动到一定部位，它的端点绝对运动的水平位移就会与机器前进的方向相反，因而能以刀齿的刃口切削土壤。具有这种运动的曲线称长辐摆线（图2102），此种摆线具有一个绕扣。MN为绕扣的横弦。当vm/u值愈小时，绕扣的横弦愈大。若vm=0（即机器停止前进时）则绕扣即为一圆，其最大横弦等于2R。3、横轴式旋耕机械的理论分析3、横轴

25、式旋耕机械的理论分析u/vm=13）刀齿的切削速度 刀齿端点在旋转一周的过程中，所经各处的速度是不同的。将方程对时间求导数得：刀片端点的绝对速度为： 从上式可知，当刀齿端点处于最高位置即t=2n时，绝对速度最小vmin=vmu，在vmu时，方向为水平向后；当刀齿端点处于最低位置即t=(2n+1)时，绝对速度最大，vmax=vm+u，方向为水平向前。3、横轴式旋耕机械的理论分析 刀齿运动轨迹曲线绕扣大小与vm/u有关。vm/u愈大时，绕扣愈小；反之，则绕扣愈大。若vm/u=0（即机器停止前进时），则绕扣与轨迹曲线均为一个半径为R的圆。 绕扣的最大横弦MN可以从图2104中得知，因刀齿在最大横弦N

26、点处其绝对速度的方向是垂直向下。 于是有sin= vm/u 故最大横弦距沟底的高度 Hmax=RRsin=R(1- vm/u) 4）刀齿工作深度3、横轴式旋耕机械的理论分析 可以看出，在最大横弦的N点以上，刀齿沿水平方向的分速度vx为向前，N点以下则向后。因此一般旋耕机刀齿入土处，均在N点以下，以利于向后抛土，减少功耗。为此，旋耕机的工作深度ha，通常是以不超过最大横弦处为度。3、横轴式旋耕机械的理论分析故，要增加耕深，则只有加大刀齿半径R或减小vm/u比值。5）切土进距 在刀齿旋转的同一纵向平面内，前后两相邻刀齿的切土间距，称为进距。亦即在两刀齿相继切土的时间间隔内，机器前进的距离Sx（图2

27、105）。假设某旋耕机的刀盘上均布安装z把刀齿，则刀盘旋转一周时，刀齿相继切土的时间间隔为ts=2/(z)。在此时间内，机器前进的距离Sx即为切土进距。 式中n为刀盘转速。3、横轴式旋耕机械的理论分析3、横轴式旋耕机械的理论分析 旋耕机两个纵向相邻刀齿相继切土后，耕层底部存在一个凸起部分。此凸起部分是没有耕到的生土，其高度与刀齿的运动轨迹和进距有关，而由前后两刀齿轨迹的交点C确定。如图2105所示，在交点C处，凸起高度hc=R(1sinc)此处，前一刀齿转角c=arcsin(1hc/R)后一刀齿转角c=2/z+2c6）沟底凸埂高度此时刀辊中心的移动距离为：此处=u/R3、横轴式旋耕机械的理论分析又因 令上两式相等并整理后得 上式即为凸起高度hc与u、vm、R和z的关系式。但利用此式求hc的数值亦很麻烦，为了简便，沟底凸埂高度也可用下述方法近似地计算，即利用轨迹方程式：3、横轴式旋耕机械的理论分析当的数值不大时，可以认为 sin故因 xc=sx/2, 且sx=2Rvm/(zu)3、横轴