4.5切削
切削或切割是人類最古老、也是最普遍的一種加工工藝。必須依照材料的性質（脆性抑塑性，層狀抑均勻）及加工要求，采取不同的切削方式和刀具形狀尺寸及作業參數（切割方向、速度和切割液），才能實現目標，獲得所需要的加工質量和達到省力節能。
切削刀具通常以刃口和刃麵所組成的兩麵楔為基礎，有時在刃麵後邊還附有與，切削方向平行的刃頰。切削過程通常包含兩個主要階段：刃口前方沿切削方向對材料聯結的破壞和切開後物體分為兩部分沿刃麵的繼續擴大分離。
除了通過鋸齒尖端的較小麵積起到以較小鉛垂力而獲得較高的貫入壓力的作用外，主要由於拉鋸的方向與正壓力垂直，拉鋸行距很大，而正壓力方向進矩很小，從而減少切幽阻力獲得較大的機械效益。滑切是一種常被利用的土壤切削方式。
在土壤機器係統領域裏，工作部件的刃口和刀麵往往與後續部分聯接在一起，在切削中對已經切開的土條或土體繼續施加作用，從而反過來影響切削開始時的受力條件，使得過程複雜化。對此，需要結合刀刃和刀麵以外的後續結構來考慮和分析。實際工作中土壤機器工作部件的結構總是千變萬化的，刀刃的作用往往與聯結部位的作用難以分開。在本書中將土壤切削過程分為幾種基本類型來討論--以刃口貫入和切開阻力為主的純切削；以刀具楔麵壓開土垡所造成阻力為主的兩麵楔切削；以側刃和後續結構阻力為主的寬齒切削和窄齒切削；以極限承載剪裂區阻力和拉張破壞阻力為主的鑿削等。下麵將討論這些典型狀態下的刀具切削計算，對於岩.石和凍土等極脆性材料的鑿削在第六章土石挖掘中討論。
當刀具刃角和刀麵尺寸較小，在切開和分離土壤的過程中，隻在切刀附近產生切開、壓縮、塑流等局部失效而不在較大範圍內發生其它重要失效，這種切削通常稱為純切削。比如剪裂時的切削阻力主要由刃口的切開和貫入阻力組成。Kostritsyn對純切削所建立的計算模型的特點在於隻考慮土壤變形破壞後對刀具所起反力的平衡，而不過多陷人變形和破壞的細節。
在水平方向純切削的前提下，切削平麵的深度，即使不再考慮對垡條是否會產生剪裂等影響，也會與純切削的阻力有關係。
在平麵兩麵楔作用下，楔尖刃端處的土壤被純切削分離；同時，由於土垡沿楔麵抬高，周期性地出現土垡沿與溝底成角方向的平麵產生剪切破壞。
與沿地麵前進方向垂直的直立窄齒，其切削與上節討論的寬齒有所不同。由於齒窄通常指寬度小於兩倍作業深度，則端效應就不能忽略不計，因而不能作為平麵問題處理。窄齒的剪切失效將沿著窄齒的底麵和兩側同時產生沿兩個不同方向發展的剪裂麵相互交叉形成窄齒前方不同的破壞區域。研究者一般先確定破壞區域的形狀和尺寸，然後按塑性平衡，從滑裂區土體的受力平衡計算刀齒阻力。
一、失效類型
許多實驗都已證實，同貫入壓頭一樣，窄齒前方亦往往形成壓實土核。刀齒從開始位置前進一定距離後，土核逐步形成並保持其形狀穩定，但土核中的土可能是不斷變更的；從齒尖進入，沿齒麵上升，然後分開滑過齒兩個側麵。
從這些比較係統的實驗的結果得出，破裂基本上可分為三種類型：塑性流動、壓縮剪裂、破碎性顆粒流動。而破裂型式改變時，比阻力有較大的漲落。在定量分析中如能用一破裂指數F來表示發生不同破裂類型時的尺度，則F將為所有影響因素的函數。
Potamias經實驗證明，非飽和土亦存在有臨界狀態，但其臨界狀態線（CSL）受含水量的影響，即不同含水量的線不同。幹土隨著含水量的增加，水膜張力將增加，效果相當於球麵應力P的增加；含水量進一步增加，水膜張力減少，相當於的減小。
一些研究者的實驗結果表明，豎直窄齒在含水量低於下塑限的土壤中工作時，土壤持有脆性，但在臨界深度以下，不論傾角多少，刀齒隻造成周圍土體的向前向側塑流，而不發生向上移動或隆起，其形狀如同含水量很高那樣。
二、豎直窄齒的三維受力計算
許多研究者采取按土壤失效形狀和尺寸，利用塑性極限平衡理論來計算刀具阻力。為了計算的方便。
三、刀板切削動力模型
上麵所介紹各種寬、窄齒的阻力預測模型，都沒有計人耕作速率對土壤剪強和對土壤-金屬粘附摩擦阻力的效應；都是以一定的經驗性失效破裂形式，以及極限平衡計算為依據，因而隻能應用於破裂麵明確的土壤而不能應用於塑性流動性土壤；對複雜形狀工具，由於破裂形式不易預測，也就難於應用；又由於這些模型是將寬齒（HAB
1）分開處理的，深寬比在此之間就成為空白區，而實際工作中這個範圍卻是常見的。
為此曾德超和姚禹肅發展了一種刀板切削動力模型。在該模型中，應用了塑性力學中的虛功率原理，將接觸土壤的部件在半無限連續土體中行進時所遇阻力歸結為土壤變形阻力、慣性阻力和所有土-機交界麵速度不連續處所形成的阻力；而土-機交界麵速度不連續範圍在各種土壤狀況下要比破裂形式容易確定得多。
4.6破碎
4.6.1破碎理論
在許多場合下，尤其是在耕作中，破碎土壤的目的是疏鬆土層、造成孔隙度或容重均勻而合宜的土體。土壤作為顆粒團聚體的集合，其團聚體之間的聯結力往往小於團聚體內部的聯結力。土壤的破碎常是希望造成團聚體之間的大量而普遍的鬆碎。
製造土層普遍的鬆碎有時不一定采用機械作業；比如曬幹、曬透的粘性土垡，經泡水能起很好的普遍而均勻疏鬆的作用。凍土經溶化亦起鬆漲作用。在采取機械措施時最好同時在土體中形成眾多的剪裂麵。蘇聯熱裏果夫斯基曾提出在犁耕過程中，將曲麵設計成能封閉土壤內部空氣，使之受到壓縮，當土垡到達一定應力狀態後，高壓空氣即可爆破而出，從而破壞團聚體之間的聯結，造成土體的普遍鬆碎。可惜這理論未能得到實際實現。
在采用機械作業對土層進行普遍鬆碎時，首先土壤的水分必須適當，在不過濕或過幹的稠度下進行作業、水分高於塑性上限，塑性變形漸占優勢，顆粒發生相對位移而顆粒之間的凝聚力沒有完全破壞，土體不破碎；水分過低雖然發生脆性破壞，但粘聚強度高、破碎能耗高、普遍粉碎程度差。在水分適當的情況下對土層的普遍疏鬆，往往先用犁、鬆土齒或旋轉鋤將垡條或垡塊自半無限土體切出，這時所產生垡條和垡塊的最大尺寸與耕寬、耕深的大小有關，亦與切出過程中的彎擠、衝擊、拋擲等有關。垡條或垡塊需要及時進一步耙耱或輾碎，這時壓擠拋擲或衝擊易於造成普遍鬆碎。如水分過幹則粘性土將形成難於粉碎的坷垃。
土坷垃的粉碎與石料、礦石、飼料的粉碎原理相似。土壤粉碎與一般物料粉碎的最大區別，除了土壤的稠度關係大之外，還在於機器是田間行駛而不是固定作業。一般物料的粉碎，無論采取壓碎，撞擊或盤磨、球磨等哪種形式，主要都是通過擠壓產生張力，利用剪切和衝擊作用，並反複循環。同樣，土坷垃的粉碎亦須通過耙、耪、耱、輾、撞擊、拋擲等聯合、複式或重複作業。此外，彈性碎土部件的應用可提高撞擊速度和衝量，往往有利於擴大碎土範圍，提高碎土功效。
幹硬土坷垃的破碎與一般脆性材料，如岩石、凍土等的破碎機製相似。至今，硬土、凍土方麵的研究較少，而岩石破碎方麵的研究相對較多。在岩石的破碎過程中，薄弱麵通過裂縫、細縫及孔伸展而形成新的表麵。根據能量守恒並忽略熱能波動能等的損失，可以認為，裂縫發展所消耗的能量等於新增表麵麵積與固體的表麵張力之乘積。Griffith對材料的脆性破壞提出如下理論：在拉力作用下，脆性物質在應變中所儲存的能量，當裂縫發展時，轉變為表麵能。這樣，生長一裂縫所需要的臨界拉應力取決於裂縫的長度。
Marshall和Qwrk發現，用落下累計距離所代表的一定輸入能量對土壤體積的破碎效應不會因變化而差別很大。但如果落下高度A與每次落下即可發生裂隙的高度相對對比過小時，則按Griffith關於裂隙發展須達到臨界抗拉長度的理論，這時破碎效率將會降低。
土壤是發生碎裂抑發生塑性變形，依土壤的稠度而定；如遇破裂則可用上麵嬌述落散法測量破碎所需能量。Griffkh破碎理論利用斷裂力學的斷裂韌性來確立破碎失效判據時，它隻研究了單個裂縫的擴展和開裂，對整個土塊或岩塊的破碎，還需利用統計強度理論來描述。