第二章 整地机械.docx

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第二章整地机械

第二章整地机械

耕地后土垡间有很大的空间，土块较大、地表不平，尚不能进行播种作业，须进行松碎平整作业，以达到地表平整、上松下实的农作物栽培要求。

这项工作一般由整地机械来完成。

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，钉齿耙目前多用于蓄力作业，圆盘耙和悬耕机机械化应用较多。

本章的重点是圆盘耙和悬耕机的类型、结构、工作原理、理论分析和基本计算。

第一节圆盘耙及其理论计算

圆盘耙始用于40年代，是替代钉齿耙的主要机具之一，目前国内外已广泛采用，他的主要特点是：

被动旋转，断草能力较强，具有一定的切土、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。

一、圆盘耙的类型和表达方式

1、按与动力的连接方式分：

牵引式、悬挂式和半悬挂式。

2、按耙片的直径分：

重型耙（660mm）、中型耙（560mm）、轻型耙（460mm）。

3、按耙片的外缘形状分：

全缘耙、缺口耙

4、按耙组的配置方式分：

单列耙、双列耙、组合耙、偏置耙、对置耙等。

一般表达：

1B字母——数字，字母代表耙的特性，如：

QX——轻型悬挂耙，JX——中型悬挂耙，J—中型耙，Z——重型耙。

数字代表耙的工作幅宽（米），如：

1.52.03.0。

二、一般结构和工作过程

1、结构组成：

耙组、耙架、牵引架、偏角调节装置等

2、工作过程

⑴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：

α=00α=9000＜α＜900

α=00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。

α=900时，耙片只有拖动没有滚动，有强烈的翻土能力，但断草能力几乎为零，且很容易造成土壤堆积和堵塞现象。

0＜α＜900时，既有滚动又有拖动，是整地过程所需要的工作状态。

⑵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。

三、圆盘耙片的结构参数和基本计算

1、耙片直径：

D=kamax，k—经验系数，4-6；amax—最大设计耙深cm。

2、耙片厚度：

选择时要充分考虑直径的大小、工作负荷等因素，一般用下式来确定圆盘厚度的大小。

δ=（0.008—0.012）D，重耙：

δ=5mm，中耙：

δ=4mm，轻耙：

δ=3.5mm。

3、圆盘球面半径：

R=D/2sinψ，ψ—扇形半角，21~270

4、耙片轴向安装间距确定（b）：

耙片间距圆对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。

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度c，当c=a时表示有严重的漏耙现象发生，而c=0又是不可能的，所以，要求c≤

a。

因此，b的确定对凸起高度c的大小有直接的影响，必须找出b与c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。

由图所知：

b=Dctgα，Dc为耙片盘面在凸起高度处的耙片玄长，其大小可通过沿耙片轴向的投影辅助图获得：

Dc=？

△ABC∽△ACF，故有：

=

，∴c（D-c）=Dc2/4，

Dc=2

，

b=2

tgα

该公式定性分析式，只是说明了b与c函数关系，并没有进行量化处理，我们做如下处理：

设cmax≤

a，D=kamax=（4~6）amax，取平均值k=5，α=140~230，取α=200，a=180mm，D=460mm，

c=a/2=180/2=90mm，则b=132mm。

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。

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，将上述已知量代入该经验公式得：

b=2×180=360mm，这就给b的确定带来了困难，所产生的矛盾是：

不产生漏耙的条件与不产生堵塞的条件不能同时满足，即：

不产生漏耙的条件——b=2

tgα，

不产生堵塞的条件——b≥（1.5~2）a。

如何解决好这一矛盾？

不可能用取中间值的办法。

常用的方法是：

首先以不产生堵塞的条件b≥（1.5~2）a确定圆盘耙片的轴向安装间距，保证耙组能入土工作，然后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。

所以，通常在生产实际过程中所应用的圆盘耙均为双列耙。

四、圆盘耙的牵引阻力

Rx=kbaB（N）

式中：

kb—耙地比阻，（N/cm2）

未耕地（灭茬耙）：

粘土：

5.5

壤土：

3.5

已耕地：

粘土：

2.8

壤土：

2.1

a—耙深（cm）

B—总工作幅宽（cm）

注意：

请自学圆盘耙的受力与机组平衡P55~58。

第二节旋耕机及其理论分析

旋耕机应用的历史较短，在我国应用量逐年增加，尤其是北方干旱地区。

旋耕机——他是一种工作部件主动旋转，以铣切原理加工土壤的耕耘机械。

碎土能力强、整平效果好，一次作业能达到黎耙几次作业的效果。

一、基本构成：

机架、传动装置、刀辊、挡土罩、平地拖板等。

二、主要类型：

1、按与动力连接方式分：

牵引式、悬挂式、直连式。

2、按刀轴安置方向分：

横轴式、立轴式、斜轴式。

3、按动力传递路线分：

侧边传动、中间传动。

三、作业特点：

碎土能力强、平整度高、对土壤的适应性好、纵向尺寸短、耕深小、功耗大、幅宽小、效率低。

四、工作过程：

旋耕机刀片在动力的驱动下一边旋转，一边随机组直线前进，在旋转中切入土壤，并将切下的土块向后抛掷，与挡土板撞击后进一步破碎并落向地表，然后被拖板拖平。

五、旋耕机刀片的运动分析

旋耕机工作时，刀片一边绕轴正向旋转，一边随机组作直线运动，因此，刀片的绝对运动轨迹是一条由旋转运动与直线运动合成的数学摆线，但是，由于二者之间的数值组合不同，其合成后的摆线形状存在较大的差异，并且对旋耕机最终的工作结果产生不同的影响，我们研究并分析旋耕机刀片的运动轨迹的目的就在于确定适用于旋耕机正常工作的条件及其量化指标。

1、刀片的绝对运动轨迹（定性分析）

设：

R—旋耕机刀片端点的最大回转半径

Vm—机组前进速度

ω—刀片回转角速度

t—时间函数

则有：

Vd—刀片端点的切向速度，Vd=Rω，令速比为：

λ=Vd/Vm。

我们通过作图的方式确定刀片的绝对运动轨迹。

作图步骤如下：

首先取0点为刀片回转中心，以R为回转半径作一圆，以机组前进方向为x轴，以耕深方向为y轴，以刀片与x轴重合（ωt=0）为起始位置，等速度（距离）移动0点、并相应地等角度旋转半径R，将这些半径的端点连接起来既为刀片的绝对运动轨迹。

m点的运动方程为：

x=Rcosωt+Vmt

y=Rsinωt

由于速比λ的不同，其运动轨迹形状也不同，有3种情况：

λ＜1、λ＞1、λ＝1。

我们考察一下这3种情况分别对旋耕机正常工作有那些影响，从而定性地决定旋耕机正常工作的基本条件。

根据旋耕机工作的特点我们了解到，旋耕机刀片先是切土，然后向后抛土，这一基本动作就需要旋耕机刀片从入土开始到抛土结束并抬离地面，其绝对运动轨迹上的任意一点的绝对速度的水平分速Vx指向后方，既Vx＜0，3种速比下的刀片绝对运动轨迹是否都能满足上述要求呢？

我们做一下对比分析：

λ＜1，短摆线λ＝1滚摆线λ＞1余摆线

Vx＞0Vx＞0Vx＜0

通过做图分析发现，只有λ＞1余摆线时刀片才能满足向后抛土的条件，并且只是轨迹最大玄长以下部分才能满足，设计和应用时要特别注意，刀片的工作深度不能超过这个范围。

影响最大玄长高度的因素主要是刀片的尺寸、机组的前进速度和刀片的回转速度，既λ值。

在结构参数不变的情况下，λ值越大，轨迹最大玄长的值越大，其位置就越靠上，当λ=∞时，刀片端点的绝对运动轨迹为一数学圆，最大玄长在横轴处，耕深可达最大值，但这是不可能的，因为此时机组不在前进。

而是原地扒窝。

因此，λ＞1是旋耕机正常工作的定性条件。

2、机组速度Vm与刀片旋转速度ω的配合（定量分析）

上述分析只是定性的确定了刀片满足旋耕机正常工作的基本条件，λ＞1，实际上，λ的数值不同其形状差别很大，对工作质量和工作性能也有较大的影响，主要影响因素是机组速度Vm与刀片旋转速度ω的大小和配合程度，必须找出他们之间的函数关系，然后加以量化处理。

设：

m点为刀片入土点，从开始入土到抛土结束并抬离地面均满足旋耕机正常工作的条件，则有：

x=Rcosωt+Vmt

y=Rsinωt=R－h

要满足向后抛土的条件，刀片绝对运动轨迹上任意一点的绝对速度的水平分速Vx＜0，根据上述方程，我们不难得出：

x/=Vx=Vm+Rωsinωt＜0

sinωt=（R—h）/R，代入上式得：

Vm—Rω（R—h）/R＜0

∴Vm＜（R—h）ω

这就是旋耕机正常工作的定量条件。

该公式也可用下列公式表述：

h＜R—Vm/ω，h＜R（1—1/λ）。

该公式反映了结构参数与运动参数对耕深的影响。

如：

R的变化对耕深的影响，我们很容易理解，但ω、Vm对h的影响就有些抽象了。

实际上，前面我们已经做过解释：

ω和Vm决定了λ值的大小，决定了刀片运动轨迹的形状。

λ越大，其形状的最大玄长值也就越大，位置也越靠上，能满足耕深的轨迹高度越大，当λ—∞时，Vm=0，（λ=Rω/Vm），能满足向后抛土的轨迹高度为半径R。

既h=R，反之，耕深就小，当λ—0时，Vm—∞，ω=0，绝对运动轨迹为一条直线，没有环扣，也就无法向后抛土。

一般的取值范围：

Vm=0.5~1.5m/s，n=190~280r/min，或λ=4~10，h=8~16cm。

由于国外多采用大功率拖拉机，刀片材料好，旋耕机的工作深度可达20~25cm，完全可以取代犁耙作业，减少拖拉机的进地次数，保护土壤不受更大的破坏。

六、旋耕机作业质量控制——刀片切土节距

由于旋耕机工作时是以铣切原理加工土壤的，这就使得刀轴上同一个回转平面内的刀片在相继入土和切削土壤的过程是间歇的。

设：

安装在刀轴上的同一个回转平面内的刀片数量为Z，随着第一把刀在A点入土，刀片一面旋转，一面随机组直线前进，t时刻后，安装在同一个回转平面内的第二把刀开始在B点入土，那么，AB=S，定义为旋耕机刀片的切土节距。

△x—一把刀在纵垂面内所能切土的厚度。

定义——安装在同一回转平面内的刀片在转过相应安装角时间内机组所前进的距离。

设：

θ—同一安装平面内相邻刀片的安装角；

Z—同一安装平面内均匀安装的刀片数；则有：

θZ=2π，

θ=ωt，同一安装平面内相邻二刀片相继入土的时间间隔为　　t=θ/ω=2π/Zω；

Vm—机组前进速度，m/s

ω—刀片回转角速度，r/s

S=Vmt=Vm2π/Zω=60Vm/Zn（m）；（ω=2πn/60）；

由上式可以看出，改变Z、ω、Vm均可使S发生变化。

一般来说，S越小越好，若使S小，可通过增加Z、n或减少Vm的方法获得，但是，Z的过分增加易造成土壤杂草的堵塞，n的增加也将造成功率的消耗，Vm的减少使生产效率下降，所以，在确定各个参数时要通盘考虑，一般情况下，通过适当的改变n和Vm来达到不同整地要求的作业。

目前，国产旋耕机的结构参数和运动参数均有一定的确定范围，以免在使用过程中出现不必要的失误。

具体如下：

Z=2~4

S=10~12cm旱地作业

S=4~6cm粘重土壤和杂草地

S=8~9cm水田地

七、旋耕机的功率消耗

旋耕机的功率消耗主要包括刀片的土壤切削、土块抛掷、传动等，其中，切土和抛土所消耗的功率占总功率消耗的80%以上，功率消耗表达式如下：

设：

kr—旋耕土壤比阻，（kg/cm2），1.2~1.6，与耕深有关，耕深大选大值。

B—工作幅宽，m

h—工作深度，cm

Vm—机组速度，m/s

则有：

N=FVm=krBhVm（统一单位）

=100krBhVm（kgm/s），

=

krBhVm（PS），1PS=75kgm/s；

=

krBhVm，（kw），1kw=102kgm/s；

≈krBhVm（kw）。

工作幅宽与功率消耗的关系：

B=k

；（m）

N—拖拉机发动机额定功率，（kw）。

k—修正系数，北方旱地：

0.22~0.25

南方水田：

0.26~0.29。