茶園微耕機的設計分析

王小勇，李　兵，李尚慶，曾　晨，徐成剛

(安徽農業大學 a.工學院；b.茶與食品科技學院,合肥　230031)

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茶園微耕機的設計分析

王小勇a，李兵a，李尚慶b，曾晨a，徐成剛a

(安徽農業大學 a.工學院；b.茶與食品科技學院,合肥230031)

摘要：茶園的除草、施肥、松土是茶葉生產過程的重要環節，而傳統的工作方式都是人工操作，作業效率低、勞動強度大。為了提高茶園的除草、松土效率，設計制造一種茶園微耕機，并對微耕機進行性能試驗。試驗結果表明：該微耕機耕作幅寬443mm、耕作深度153mm，旋耕刀能夠有效防纏草，松土效果好，滿足了茶園農藝要求；耕后表土細碎，土肥摻和均勻，滿足了茶園管理要求。同時，該機可用于其它菜地、稻田旱地等除草松土作業。

關鍵詞：微耕機；結構設計；運動分析；田間試驗

0引言

隨著經濟的快速發展，對茶葉的需求在不斷地提高，茶園生態旅游也正慢慢帶動茶區農民致富。由于受到茶園的種植模式的影響，導致普通的茶園管理機械受自身體積質量影響無法在山區作業。在茶業的種植和管理的過程中，雜草的存在不僅吸收茶園的養分，還為害蟲的生長提供場所。所以，除草、松土對后期茶葉的生長和品質有很大的影響，而傳統的除草松土都是手工除草松土，不僅勞動強度大，而且工作效率低[1]。

由于受到茶園種植的行距影響，大型機具進入茶園會對茶樹造成損害，為滿足作業后茶園管理的相關要求，及便于操作者使用，設計制造了茶園微耕機，并對其進行試驗研究[2-3]。

1總體結構

1.1工作原理

茶園微耕機主要由機架、傳動裝置、刀軸刀片、耕深調節裝置和擋土裝置等組成，如圖1所示。該傳動系統采用齒輪—鏈輪傳動方式，由柴油機動力輸出軸通過皮帶輪經過變速箱后分為兩路，一路使驅動輪帶動微耕機轉動，一路驅動刀片做回轉運動。

1.柴油機　2.帶輪　3.機架　4.驅動輪　5.刀軸變速箱　6.刀軸

耕深調節裝置由限深輪、調節機構和支撐機構組成。擋土裝置由罩殼、平土板和角度調節機構組成。刀片在切土過程中切下土塊，拋出后撞擊罩殼與平土板細碎后撒向地面。微耕機的深度由限深輪進行控制調節，擋土裝置角度調節機構可以保證土塊在拋向罩殼平土板時細碎程度更大，能夠均勻分散到地面上，并起到安全和防護作用。在進行轉向操作時，通過離合器使驅動輪的動力得以分離，安裝在刀軸下面的培土鏟，可以將微耕機漏耕的土塊進行破碎，從而使土地松土的均勻性更好。通過三維軟件CATIA建立茶園微耕機的實體模型，如圖2所示。

1.2技術參數

在安徽六安部分地區，茶園種植規格采用單株雙條列式種植，行距100～130cm，株距15～25cm。針對茶園的種植特點，結合農業機械相關設計標準，設計確定的微耕機主要技術參數如表1所示[4-10]。

表1　微耕機主要技術參數

圖2　茶園微耕機裝配體模型圖

2關鍵部件設計

2.1刀軸

為了保證微耕機作業達到耕深要求的同時能夠實現旋耕穩定、耗能低的特點，設計刀軸的結構如圖3所示[12-16]。刀軸由45鋼制造而成，軸上焊有刀座，刀座按螺旋線排列焊在刀軸上供安裝刀片；刀片由65Mn鋼鍛壓并經熱處理制造而成，淬火區的硬度為HRC55左右；采用彎形刀片，彎刀有滑切作用且不易纏草。工作時，彎形刀片由離軸心近的側切刃開始沿著縱向切割土壤，能夠實現有支持性的切割雜草。安裝后刀片端點轉動半徑設計為180mm，刀軸的長度設計為660mm，刀軸上安裝有14把刀。在刀軸變速箱體下面設計培土鏟，培土鏟能夠有效地解決箱體產生的漏耕問題。微耕機刀軸的轉速對微耕機工作性能有重要影響，結合試驗情況和農業機械相關設計標準，綜合考慮微耕機機構特點和生產率等因素，設計微耕機刀軸的轉速為250～300r/min。

圖3　刀軸結構示意圖

2.2傳動系統

微耕機傳動系統主要由帶輪傳動系統、鏈輪傳動系統及變速齒輪箱組成。工作時,動力由帶輪傳遞給微耕機驅動輪變速箱，另一方面又將動力傳遞給刀軸變速箱，驅動輪變速箱與刀軸變速箱是由齒輪傳動與鏈條傳動兩部分組成。柴油機的轉速為2 600r/min，考慮到微耕機在運動過程的平穩性及操作者的安全性和適應性，微耕機的前進速度不宜太大，所以微耕機工作時，驅動輪前進的速度為0.55～0.7m/s，刀軸的轉速為250～280r/min，則微耕機驅動輪軸和刀軸所對應的傳動比為

2.2.1驅動輪變速箱

微耕機驅動輪變速系統首先由帶傳動減速，小帶輪直徑為100mm，大帶輪直徑為210mm，傳動比為i3=2.1；再經過驅動輪變速箱減速。微耕機在行走時，理論上傳動比為

驅動輪變速箱設計為4級齒輪減速，驅動輪變速箱原理如圖4所示。微耕機的驅動輪變速箱有Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋和倒擋4個擋位。微耕機工作時，驅動輪以Ⅱ擋進行工作運轉，1軸上面的24齒齒輪與2軸上面的48齒齒輪嚙合，2軸上面的12齒齒輪與3軸上面的48齒相嚙合，3軸上面的12軸齒輪與輸出軸上面的52齒輪嚙合。因此，驅動輪變速箱的Ⅱ檔傳動比為

圖4　驅動輪變速箱原理示意圖

微耕機的Ⅱ擋傳動比與理論設計的傳動比誤差較小，符合設計要求。驅動輪變速箱Ⅰ擋為1軸上面的20齒齒輪與2軸上面的48齒齒輪嚙合，2軸3軸與輸出軸上面的嚙合不變，則Ⅰ擋的傳動比為

驅動輪變速箱Ⅲ擋為1軸上面的32齒齒輪與2軸上面的36齒齒輪嚙合，2軸、3軸與輸出軸上面的嚙合不變，則Ⅲ擋的傳動比為

驅動輪變速箱倒擋為1軸上面的20齒齒輪與4軸上32齒的齒輪嚙合，再由4軸上的24齒齒輪與2軸上48齒齒輪嚙合，2軸上面的12齒齒輪與3軸上面的48齒相嚙合，3軸上面的12軸齒輪與輸出軸上面的52齒輪嚙合。因此，倒擋的傳動比為

2.2.2刀軸變速箱

刀軸變速系統由驅動輪變速箱調節擋位，按照剛啟動以Ⅱ擋運行，驅動輪變速箱上1軸上面的24齒齒輪與2軸上面的48齒齒輪嚙合；然后通過一個離合操作桿的撥動讓刀軸變速箱輸入軸上48齒的齒輪與驅動輪變速箱上2軸的48齒齒輪相嚙合，再由輸入軸通過鏈傳動傳遞給刀軸。小鏈輪齒數為16，大鏈輪齒數為32，則傳動比為

i8=2.4

2.3耕深調節裝置

耕深調節裝置是由限深輪、調節機構和支撐機構組成，如圖5所示。通過旋轉調節機構上面的手柄使得支撐機構上下移動得以改變限深輪的高度，進而控制耕深。旋轉手柄每旋轉1周，限深輪上升或者下降3mm。

1.旋轉手柄　2.軸套　3.內側螺桿　4.限深輪

3微耕機運動分析

3.1旋耕刀運動方程

微耕機在工作過程當中，旋耕刀一邊旋轉，一邊隨微耕機前進，微耕機刀片的絕對運動是刀軸旋轉和微耕機前進兩種運動的合成，運動軌跡圖如圖6所示[17]。運動方程為

x=Rcosωt+vmt

(1)

y=Rsinωt

(2)

式中R—旋耕刀端點轉動半徑；

vm—微耕機前進的速度；

t—時間；

ω—刀軸角速度。

圖6　刀片運動軌跡圖

式(1)與式(2)的方程對時間進行求導，則得出刀片端點在x軸與y軸上面的速度，有

vx=vm-Rωsinωt

(3)

vy=Rωsinωt

(4)

(5)

令λ=Rω/vm，λ稱為旋耕速度比，計算得出λ=1.29>1。則當刀片轉到一定的角度時，vx<0，刀片端點的運動軌跡為余擺線，刀片則可以進行土壤的切削。

3.2耕作深度

令h為耕作深度，由式(1)和圖6可以得出

y=R-h=Rsinωt

(6)

將式(6)帶入式(3)，則

vx=vm-(R-h)ω

(7)

要使vx<0，則h

3.3切土節距

同一縱垂面內相鄰兩把刀相繼切土的時間間隔內微耕機前進的距離稱為切土節距。設計的刀軸在同一平面內均勻安裝4把刀，根據公式有

(8)

計算得出，S=0.22m。

3.4溝底凸起高度

微耕機工作時，耕后的茶園地底層存在部分凸起，不是完全平整，凸起的高度hc與切土節距有關，可以通過式(10)對凸起高度進行近視的計算，而實際上的凸起高度會比理論上所計算的凸起高度要小。則

(9)

計算得出，凸起高度hc=18mm。

4試驗分析

4.1田間試驗

茶園微耕機設計制造完成后，于2014年9月在安徽農業大學農萃園實驗基地進行試驗。圖7為茶園微耕機在農萃園實驗基地實驗的現場。試驗用地前作物為油菜，用土壤堅實度測定儀測得該菜地的平均土壤堅實度為852kPa，測得土壤的相對濕度21.3%。微耕機在作業時候刀片交錯入土，逆向旋轉，將切下來的土塊撞擊擋土罩殼后將土塊進行細碎。試驗后，微耕機的耕深為130mm左右，耕寬為380mm左右[18-24]。

4.2茶園試驗

在六安獨山茶園進行了試驗，茶園土壤的相對濕度為22.1%，平均土壤堅實度為834kPa。40min完成了滿足旋耕深度的茶地大約220m。試驗過程中用到的實驗設備主要有：土壤堅實度測定儀(精確度2kPa)，電子天平(精確度1g)，電子秒表，3m卷尺，30cm鋼尺。測量的項目有微耕機作業距離和時間，耕作深度與寬度，土壤堅實度，土壤相對濕度，微耕刀軸的轉速等。測定的方法根據農業機械行業標準和相關參考文獻。

圖7　茶園微耕機實驗現場圖

試驗結果：微耕機在茶園工作的過程中，工作平穩可靠，測得相關數據如表2所示。采用茶園微耕機進行除草碎土，耕深耕寬都達到了茶園規定的范圍，工作后茶園地表較平整，碎土除草效果好；刀軸的轉速，驅動輪前進的速度能夠達到設計的參數要求；對茶園來回進行4次作業才能滿足耕作深度與除草效果要求，微耕機的工作效率是人工的工作效率的7倍。

表2　試驗測試結果

5結論

所設計的茶園微耕機，滿足在行距100～130cm、株距15～25cm的單株雙條列式種植茶園的耕作要求。該微耕機結構簡單，操作方便，除草的完整度在90%左右，耕作的穩定性為92%。通過運動分析與試驗，該小型微耕機有以下特點：

1)微耕機結構簡單，體積小，工作的穩定性好，便于農戶操作；

2)微耕機適合茶園的直線行走與轉向，刀軸采用逆向旋轉，能夠在保證耕深耕寬的前提下減少能量的損耗；

3)為了滿足茶園耕作深度與除草效果要求，需4次來回作業，微耕機的工作效率達到了0.33m/h，是人工的7倍；

4)在不同擋位的調節下，微耕機能夠實現刀軸轉速的調節與耕深的適當調控，不僅能夠滿足茶園的除草碎土的作業功能，還能廣泛適用于平原山區的旱地、果園等土壤的除草耕耘作業。

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Design and Analysis of Tea Garden Tillers

Wang Xiaoyonga, Li Binga, Li Shangqingb, Zeng Chena, Xu Chengganga

(a.School of Engineering; b.Tea and Food Science and Technology College,Anhui Agricultural University,Hefei 230031,China)

Abstract：Tea garden weeding, fertilizing, scarification is an important part of the process of tea production,the traditional way of weeding,tillage,fertilization are manual, inefficient operations, high-intensity labor. In order to improve the efficiency of weed ripper , design and manufacture of a tea garden tillers, rotary tillers for performance test results show that: the Tiller plowing width 443mm, tillage depth of 153mm, can effectively prevent rotary knife wrapped grass, Cultivators effect, meet the agronomic requirements of tea garden, finely topsoil after farming, soil and fertilizer evenly blended to meet the tea garden management requirements, can also be used for other vegetable, rice and other upland weed ripper operations.

Key words：tillers; tiller structural design; motion analysis; field experiments

文章編號：1003-188X(2016)01-0101-05

中圖分類號：S222.29

文獻標識碼：A

作者簡介：王小勇(1992-)男，安徽黃山人，碩士研究生，(E-mail)763100184@qq.com。通訊作者：李兵(1971-)男，安徽明光人，副教授，博士，(E-mail)libing@ahau.edu.cn。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201303012)；農業部茶園機械專項基金項目(11008702)

收稿日期：2015-01-06