第二章 第五节犁体曲面.docx

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第二章第五节犁体曲面

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2—32）。

熟地型的特点是犁胸部较陡，而犁翼部则扭曲不大，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2—32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2—33。

从图上可以看出，犁翼的扭曲程度和长度，以翻垡型最大，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2～34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2—34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2—35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2—35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2—36）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2—37）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2—38）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2—38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2—39作用在犁上的力的六个分量

1．六分量法如图2—39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2—39中的三个分力Rx,Ry、Rz及三个力矩Mx、My、Mz向三个坐标平面简化时，如图2—40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2—39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R·M≠0），它们的模和方向余弦分别是：

图2—41作用在犁体曲面上的力螺旋

如图2—41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mdv／dt确定产生质量为m的土垡并将土垡加速（加速度为dv／

dt）所需的力，第二项vdm／dt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0．3～O．5；

G——犁重（kg）；

k。

——静态阻力系数（kg／cm2）；

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（m／s）。

式中的静态阻力系数k。

与犁体有关，更与土壤的强度有关。

一般可取：

轻质土壤:

k0=0．2～0．3kg／cm2；中等土壤：

k。

=O．3～0．5kg／cm2；粘重土壤：

k=0．5～0．7kg／cm2；极粘重土壤：

k0>0．7kg／cm2。

而动态阻力系数ε与犁壁翼部的平均斜角θc有关。

研究资料表明，在不同的土壤条件下，ε值都随θc的减小而大大降低。

由经验可知，当耕速为8～12km／h，θc=45～50゜时，ε值约为250～400kg·s2／cm4。

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。

、ε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4～6km／h，常用耕深），可认为土壤的比阻见表2—3。

表2—3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（kg／cmz）

O．2

O．2～O．3

O．3～O．5

O．5～O．8

>O．8

O．1～O．3

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