一種小型茶園中耕機(jī)的研制

楊擁軍 陳力航 喻季紅 劉偉英 羅 意

（1湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所·長(zhǎng)沙·410125；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院·長(zhǎng)沙·410128）

1 目的與意義

由于我國(guó)大部分茶園處在丘陵山區(qū)，土壤比較貧瘠，茶樹管理過程中依賴大量施用化肥來提高茶葉產(chǎn)量，因而出現(xiàn)茶園大面積土壤有機(jī)質(zhì)下降、土壤蓄養(yǎng)能力降低、板結(jié)嚴(yán)重等一系列問題，同時(shí)由于勞力短缺，茶園未能及時(shí)有效耕作，雜草叢生，使得傳統(tǒng)茶園耕作機(jī)具難以適應(yīng)現(xiàn)有茶園的作業(yè)，嚴(yán)重制約了現(xiàn)代茶業(yè)的健康發(fā)展。針對(duì)我國(guó)茶園出現(xiàn)的這一系列問題，為加快產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有必要設(shè)計(jì)出新的耕作機(jī)具來解決這些存在的問題。[1,2]

該小型茶園中耕機(jī)是在煙草作物中耕機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)圍繞組合刀具設(shè)計(jì)、整體防護(hù)罩優(yōu)化、底盤優(yōu)化等展開綜合研究，以期進(jìn)一步提高機(jī)具的茶園適應(yīng)能力，確保工作過程連續(xù)、流暢和高效。

2 工作原理及主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 工作原理

該茶園中耕機(jī)由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕刀刀軸、旋耕刀片、靜刀刀軸、靜刀片、限深裝置、罩殼安裝栓、罩殼等組成，其除纏部分結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

機(jī)器工作時(shí)通過柴油機(jī)輸出動(dòng)力，由帶輪裝置轉(zhuǎn)經(jīng)槽輪將動(dòng)力傳遞到一級(jí)變速箱，通過一級(jí)變速箱的調(diào)速后將動(dòng)力再傳遞到二級(jí)可調(diào)速變速箱中，轉(zhuǎn)而傳遞到旋耕刀刀軸上，提供所需的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。而中耕除草的過程是通過在旋耕刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上方安裝一根與之相匹配的帶有套管的靜止刀軸，使安裝在刀軸套管導(dǎo)槽中固定的靜刀片與下方的旋耕刀的合理分配，從而使旋耕刀與靜刀片配合工作時(shí)能與單根雜草之間產(chǎn)生足夠的剪切應(yīng)力，使旋耕刀在旋轉(zhuǎn)工作過程中，利用靜刀片上的鋸齒形刀刃將纏在旋耕刀上的雜草切斷，然后通過旋耕刀翻轉(zhuǎn)土壤的過程，將切斷的雜草埋入土壤之中。同時(shí)還可以通過調(diào)節(jié)耕深裝置，調(diào)節(jié)機(jī)器的耕作深度，滿足不同土質(zhì)要求和耕作環(huán)境要求。

圖1 除纏減阻茶園中耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 俯視圖

2.2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.2.1 旋耕刀動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)分配[3]

動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)的分配見圖3。中耕機(jī)通過柴油機(jī)傳出源動(dòng)力，通過齒形皮帶輪由帶輪裝置將動(dòng)力傳遞到槽輪，槽輪通過與之相連的變速箱將動(dòng)力傳遞給中耕機(jī)的一級(jí)變速箱，然后一級(jí)變速箱將動(dòng)力傳遞給可調(diào)速的二級(jí)變速箱，二級(jí)變速箱通過內(nèi)置齒輪傳動(dòng)傳遞給旋耕刀刀軸合適的旋轉(zhuǎn)速度，然后通過旋耕刀軸傳遞給安裝在其上的旋耕刀驅(qū)動(dòng)旋耕刀進(jìn)行中耕除草。

圖3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.2.2 動(dòng)、靜組合刀具的設(shè)計(jì)

①旋耕刀（動(dòng)刀）的回轉(zhuǎn)直徑的確定[4]

圖4 旋耕刀回轉(zhuǎn)直徑的確定

旋耕刀刀片的設(shè)計(jì)見圖4、圖5，旋耕刀旋轉(zhuǎn)直徑為：D≥2（Hmin+hmax）[5,6]。

其中，Hmin-軸心對(duì)地面允許的最小距離，hmax-按農(nóng)藝要求中耕機(jī)所能達(dá)到的最大耕深。②旋耕刀（動(dòng)刀）的轉(zhuǎn)速的確定[6]

圖5 旋耕刀

旋耕刀的轉(zhuǎn)速要根據(jù)茶園作業(yè)的環(huán)境（主要是指土壤的適度）和農(nóng)藝要求來進(jìn)行確定。對(duì)于茶園的耕作作業(yè)，既要求中耕的耕作深度能達(dá)到農(nóng)藝的規(guī)定要求又要求將茶園中的雜草拔除并埋入土中，所以作業(yè)過程中的阻力較大，耗能較高。因此要盡量降低刀齒的負(fù)荷，所以要確定一個(gè)合適的速度既能保證耕深要求，又能減小負(fù)荷。同時(shí)，為了最大限度的去除雜草，又要求有足夠大的齒跡水平拉動(dòng)距離。設(shè)每個(gè)刀齒沿土層的進(jìn)給量為X，機(jī)器的前進(jìn)速度為V0，旋耕刀的刀齒數(shù)為Z，轉(zhuǎn)速為n，則綜上所述，可得：X=60 V0/(Zn)，所以，n=60 V0/ZX。

其中，X-刀齒沿土層進(jìn)給量；V0-機(jī)器前進(jìn)方向的速度；Z-旋耕刀的刀齒數(shù)；n-旋耕刀的轉(zhuǎn)速。③靜刀片的選擇和安裝

對(duì)于靜刀片的選擇主要考慮了雜草纏繞在旋耕刀上的位置、旋耕刀旋轉(zhuǎn)時(shí)與靜刀接觸的時(shí)間和范圍，同時(shí)也是為了簡(jiǎn)化靜刀片加工工藝與節(jié)省加工原材料，以達(dá)到最大限度的去除雜草的目的，從而進(jìn)一步提升機(jī)器的工作效率。在本設(shè)計(jì)中采用的是直條形平面刀刃式靜刀片（見圖6），并在其工作端添加了鋸齒狀的刀齒，如此能更有效的去除纏繞在刀片上的雜草及樹枝等；使靜刀片的安裝位置與旋耕刀刀柄之間相隔適當(dāng)?shù)木嚯x，當(dāng)旋耕刀刀柄軸套處于水平位置時(shí)，靜刀片剛好左邊緣剛好與導(dǎo)槽邊緣在同一平面內(nèi)（或接近處于同一平面），從而使靜刀片刀刃最大限度的與纏繞在旋耕刀上的雜草接觸，通過靜刀上的刀刃及兩刀之間的摩擦使纏草及樹枝折斷，從而很好的解決雜草纏繞到旋轉(zhuǎn)軸及其旋耕刀上的問題。④罩殼的設(shè)計(jì)與安裝

圖6 靜刀片

在本方案中，為了體現(xiàn)機(jī)具的簡(jiǎn)潔、美觀，便于維修，對(duì)于機(jī)器的罩殼也進(jìn)行了整體優(yōu)化（見圖7）。在本設(shè)計(jì)中將罩殼進(jìn)行了一體化整合，僅由近似對(duì)稱的左右兩部分構(gòu)成。同時(shí)流線型曲線的融入，使其更加美觀大方；合理運(yùn)用契形結(jié)構(gòu)，并通過使各部分整體連接的罩殼之間平滑過渡，減小了中耕機(jī)在中耕作業(yè)時(shí)因茶樹樹枝阻礙而造成的行進(jìn)阻力，同時(shí)對(duì)稱性設(shè)計(jì)使左右兩側(cè)受力均勻，減小了其機(jī)器工作過程中的不平穩(wěn)性，有利于提高中耕機(jī)耕作效率；同時(shí)罩殼還采取旋轉(zhuǎn)式的安裝方式，突破了以往的設(shè)計(jì)理念，使裝卸更加簡(jiǎn)易方便。罩殼的安裝方法是，將1號(hào)罩殼安裝栓插入12號(hào)盲孔中，實(shí)現(xiàn)間隙配合，從而使罩殼能繞著此安裝栓往兩側(cè)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)11號(hào)孔通過一根與機(jī)架相連的圓柱形套筒機(jī)構(gòu)和插銷相配合使用，機(jī)器工作時(shí)罩殼緊固可靠。

圖7 罩殼

⑤刀片和罩殼的選材[7]

靜刀片要求強(qiáng)度高、韌性好、耐磨損，碰到樹枝甚至石塊等硬物時(shí)不會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲，而彈簧鋼65Mn具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，同時(shí)彈簧鋼65Mn還具有足夠的韌性和塑性，因此碰到較硬的物體也難以產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，綜上所述性能能滿足靜刀片工作要求。

防護(hù)罩的材料選擇Q235,Q235分A、B、C、D四級(jí)(GB/T 700-2006),Q235A級(jí)含 C≤0.22%，Mn≤1.4%，Si ≤0.35%，S ≤0.050，P ≤0.045；Q235B 級(jí)含 C ≤0.20%，Mn≤1.4%，Si≤0.35%，S≤0.045，P≤0.045；Q235C級(jí)含 C≤0.17%，Mn≤1.4%，Si≤0.35% ，S ≤0.040，P ≤0.040；Q235D 級(jí) 含 C ≤0.17% ，Mn ≤1.4% ，Si≤0.35% ，S ≤0.035，P ≤0.035。其機(jī)械性能為抗拉強(qiáng)度（σb/MPa）：375～500,伸長(zhǎng)率（δ5/%）：≧26（a≦16mm）,≧25（a〉16～40mm）,≧24（a〉40～60mm）,≧23（a〉60～100mm）,≧22（a〉100～150mm）,≧21（a〉150mm）,其中 a 為鋼材厚度或直徑。其用途大量應(yīng)用于建筑及工程結(jié)構(gòu)。用以制作鋼筋或建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器、船舶等，也大量用作對(duì)性能要求不太高的機(jī)械零件。C、D級(jí)鋼還可作某些專業(yè)用鋼使用。

3 結(jié)論

本機(jī)與原型機(jī)比較：通過動(dòng)力選配，優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)，降低了整機(jī)重量，方便丘陵山區(qū)茶園推廣使用；首次采用動(dòng)刀與靜刀結(jié)合的旋耕方式，解決了以往茶園中耕機(jī)纏草的問題，提高了作業(yè)效率，將纏繞在中耕機(jī)旋耕刀和旋轉(zhuǎn)主軸上的枯枝、雜草切斷，通過旋耕刀的翻轉(zhuǎn)將切斷的雜草埋入土壤之中，既起到了埋施綠肥的作用，又節(jié)約了種植成本；旋耕刀片的對(duì)稱安裝減少了機(jī)器的震動(dòng)，提升了中耕機(jī)工作過程中的平穩(wěn)性；防護(hù)罩采用流線形整體罩殼設(shè)計(jì)，減少了作業(yè)過程中茶樹枝杈對(duì)機(jī)組的阻力，提高了生產(chǎn)效能，快裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)；通過靜刀組安裝位置的合理分配，使機(jī)器重心位置向旋耕刀方向前移，進(jìn)一步增加了機(jī)器旋耕刀片與土壤的附著力，確保了機(jī)耕的可靠性和安全性。

總之，本防纏減阻茶園中耕機(jī)，構(gòu)思獨(dú)特新穎，設(shè)計(jì)及加工工藝、材料選取等都較簡(jiǎn)單，防纏減阻效果顯著，相對(duì)于其他的中耕機(jī)更加精簡(jiǎn)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 李德勝，郭 輝.果園施肥開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011,06:53～56

2 林宇鋼，周益君，張 憲等.茶園中耕機(jī)[CNPAT].中國(guó)專利網(wǎng)，2011.

3 孫 桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2010.

4 王金武、牛春亮、張春建等.3ZS-150型水稻中耕除草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，02：75～79.

5 中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院主編.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

6 李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

7 侯書林，徐 楊.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010.