自走式茶園除草機的設計與試驗

曾　晨，李　兵，李尚慶，王小勇

(安徽農業大學a.工學院；b.茶與食品科技學院；c.茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室，合肥　230036)

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自走式茶園除草機的設計與試驗

曾晨a,c，李兵a,c，李尚慶b,c，王小勇a,c

(安徽農業大學a.工學院；b.茶與食品科技學院；c.茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室，合肥230036)

摘要：為了解決現有茶園除草人工除草效率低下、化學除草農殘超標、密植茶園行距較小等問題，設計了一種小型自走式茶園除草機。詳細介紹了機具的基本結構、工作原理和性能參數，重點對該機動力、除草輪和傳動系統進行了選配設計，最后通過4因素3水平的正交試驗，找出影響除草效果的因素。試驗結果表明:對除草率的影響程度大小依次為除草輪轉速、除草深度、除草刀個數、機具前進速度；綜合功率消耗的情況，得出除草效果最優組合為除草輪轉速為350r/min、機具前進速度0.8m/s、除草深度30mm、除草刀個數為6；此時的除草率為80.7%，能夠達到較好的除草和控草效果。

關鍵詞：除草機；動力選配；傳動系統；正交試驗

0引言

茶園雜草是長期適應于當地茶樹生長、氣候、土壤等生態條件和其它社會因素而生存下來的。茶園雜草種類繁多、生長迅速，與茶樹爭奪水分、養分、光照和空間等資源，嚴重影響茶葉的產量和質量，增加了管理費用和生產成本[1]。同時，茶園雜草還是許多農作物病菌、病毒或害蟲(如葉蟬類、蚜蟲、螨類)的中間寄主[2]。因此，茶園除草控草是一項非常重要的工作。

目前，我國茶園除草措施主要有以下3種方法：人工除草、機械除草和化學除草[3]。機械除草一方面解決了人工除草效率低下、勞動力短缺的問題；另一方面解決了化學除草帶來的農藥殘留問題,茶園機械化除草已經成為一個有效措施和趨勢。我國茶葉機械的發展主要側重于茶葉采摘機械和加工機械，而茶園田間管理機械的研發、推廣工作相對滯后，如茶園開溝、覆土、培土及除草等作業[4]。

我國茶園管理還存在茶樹種植不規范及密植茶園行距較小的問題，市場上主流除草機寬度較大，無法在作物行中作業。為此，筆者根據密植茶園除草的相關農藝技術要求，設計了一種小型自走式茶園除草機。

1除草機總體結構與工作原理

茶園除草機主要是由發動機、傳動系統、行走機構、除草部件、限深裝置、操縱系統及機架等組成[5]，結構如圖1所示，技術參數如表1所示。

1.發動機　2.帶傳動　3.后機架　4.行走輪　5.行走輪變速箱

田間作業時，動力傳遞線路有兩條[6]：一是通過帶傳動和行走輪變速箱將動力傳到行走輪，使機具獲得不同的行駛速度；二是通過帶傳動、鏈傳動和除草輪變速箱將動力傳到除草部件，驅動除草輪旋轉作業。作業過程中，可以通過高度調節裝置的升降調節除草效果,也可以選擇不同的擋來位調節除草機前進速度。

表1　除草機主要技術參數

2關鍵部件選配與設計

2.1　發動機的選取與匹配

發動機的選配要考慮到除草機在工作過程中所消耗的總功率，主要包括除草輪除草、驅動除草機前進及傳動部分消耗的功率組成。

參照《農業機械設計手冊》中關于計算旋耕機功耗的第1種經驗公式方法，并且優先滿足功率的要求，在各參數及修正系數均取較大值的條件下計算除草輪的功耗[7]，公式為

N1=0.1×KλdvmB

(1)

式中d—除草輪最大除草深度(cm)；

B—除草輪最大除草寬度(m)；

vm—除草機最大前進速度(m/s)；

Kλ—旋耕比能耗，Kλ=KgK1K2K3K4。

除草機在田間作業過程中需要克服地面的滾動阻力Ff、傳動系統內部阻力以及空氣阻力等，在此利用施加修正系數的方法略去機器內部阻力和空氣阻力。因此，茶園除草機行走輪功耗為

N2=Fvm=fmgvm×10-3

(2)

式中η—阻力修正系數；

f—輪胎滾動摩擦因數；

m—整機質量(kg)。

由式(1)、式(2)可得到自走式茶園除草機總功耗計算公式為

N=0.1KλdvmB+ηfmgvm×10-3

(3)

除草機相關技術參數如表2所示。計算得自走式茶園除草機總功耗總功耗為2.599kW，所以發動機選用額定功率為3.7kW的178F型單缸立式風冷四沖程柴油機，額定轉速為3 000r/min。

表2　功耗計算參數

2.2　除草部件的計算與設計

除草部件作為除草機的重要工作部件，主要是由除草輪、除草輪刀片及刀軸組成。由于此茶園除草機主要是針對南方丘陵小田塊茶園作業環境設計的，所以除草部件的設計要和當地的農藝要求相符。根據試驗地茶樹種植相關農藝要求，茶樹種植行距約為600mm,故設計除草輪的寬度B=280mm。理論上，除草輪直徑增大，除草效果越好，功率消耗也越大。綜合兩者因素，擬定除草輪的直徑D=270mm。

除草刀片是按照螺旋線的形式均勻安裝在除草輪圓柱上，相鄰的除草刀片順序入土，左右兩側除草輪對稱安裝[8]。刀軸受力均勻，徑向受力平衡，使軸兩端軸承所承受的側向力較為平衡，除草過程工作穩定，除草刀偏角為α，一般取67°。除草輪安裝軸測圖如圖2所示，刀片布置展開圖如圖3所示。

圖2　除草輪安裝軸測圖

圖3　刀片布置展開圖

2.3　傳動系統的計算與設計

自走式茶園除草機的傳動系統主要由帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動構成。自走式茶園除草機設計了空擋、前進擋和倒退擋3個行駛擋位[9]。

發動機轉速為3 000r/min；前進低速擋和高速擋速度分別設定為3.6km/h和4.5km/h，傳動比為50和40；倒退低速擋和高速擋速度分別設定為1.8km/h和2.25km/h，傳動比為100 和80；除草輪低速擋和高速擋速度分別設定為300r/min和400r/min，傳動比為10和7.5。設計自走式茶園除草機的傳動系統如圖4所示，傳動系統各參數如表3所示。

1.發動機　2.帶傳動　3.行走輪變速箱　4.鏈傳動　5.除草輪變速箱　6、7.除草輪　8、9.行走輪

名稱代號參數名稱代號參數帶輪D180mmD2200mm齒輪Z124Z228Z360Z456Z518Z618Z718Z872Z972Z1018齒輪Z1172Z1218Z1336Z1624Z1748Z1820Z1924Z2040Z2136鏈輪Z1418Z1518

在傳動系統(圖4)行走輪變速箱中，此時擋位為空擋；當Ⅱ軸上滑動雙聯齒輪B向右滑動，滑動雙聯齒輪A不變，行走輪前進低速擋位傳動路線為1→D1→D2→Z1→Z3→Z6→Z9→Z10→Z12→Z13，傳動比為50；當Ⅱ軸上滑動雙聯齒輪B向右滑動，滑動雙聯齒輪A向右滑動，行走輪前進高速擋位傳動路線為1→D1→D2→Z2→Z4→Z6→Z9→Z10→Z12→Z13，傳動比為40；當Ⅱ軸上滑動雙聯齒輪B向左滑動，滑動雙聯齒輪A不變，行走輪倒退低速擋位傳動路線為1→D1→D2→Z1→Z3→Z5→Z8→Z7→Z11，傳動比為100；當Ⅱ軸上 滑動雙聯齒輪B向左滑動，滑動雙聯齒輪A向右滑動，行走輪倒退低速擋位傳動路線為1→D1→D2→Z2→Z4→Z5→Z8→Z7→Z11，傳動比為80。

在傳動系統(圖4)除草輪變速箱中，此時擋位為空擋；當Ⅶ軸上滑動雙聯齒輪C向左滑動，除草低速擋位傳動路線為1→D1→D2→Z14→Z15→Z16→Z17→Z19→Z21，傳動比為10；當Ⅶ軸上滑動雙聯齒輪C向右滑動，除草高速擋位傳動路線為1→D1→D2→Z14→Z15→Z16→Z17→Z18→Z20，傳動比為7.5。

以上計算結果表明：傳動系統各擋傳動比與理論傳動比一致，故符合設計要求。

2.4　限深裝置

限深裝置用于控制除草機的除草深度，主要由旋轉手柄、螺紋桿、螺紋套筒及導向輪等組成，可通過手柄的旋轉改變螺紋桿相對于固定套筒的高度，從而調節導向輪高度以控制除草深度。

3試驗驗證

3.1　試驗方案與結果

為了測試自走式茶園除草機的工作性能，樣機于2015年3月下旬在安徽農業大學農萃園茶樹種植區進行試驗[10]。試驗地土壤類型為黃棕壤，茶樹行距為600mm，株距為330mm。土壤堅實度為19.5kg/cm3，相對濕度為22.3%。

茶樹行間雜草分布不規則，為了準確統計雜草數量，采用W型9點取樣方法，采用0.25m2的樣方面積，逐一記錄每個樣方中雜草數量，計算平均值得到雜草密度。針對作業前和作業后分別統計雜草數量，除草率計算公式為

式中y—除草率(%)；

X1—作業前行間雜草數(株)；

X2—作業后行間雜草數(株)。

通過4因素3水平的正交試驗，找出影響除草效果的因素[11]。影響除草效果的因素有除草輪的轉速、機具前進速度、除草深度及除草刀個數4個因素。4因素3水平設計方案:A為除草輪轉速，取300r/min和400r/min；B為機組前進速度，取0.8、1.0、1.2m/s；C為除草深度，取10、20、30mm；D為除草刀個數，取4、5、6。同時，根據功耗檢測原理，利用傳感器測出除草輪轉速、刀軸所受扭矩和機具前進速度，然后采用Labwindows軟件對信號進行實時分析，得出工作過程中所消耗的功率[10]。試驗結果分析如表4所示。

表4　試驗結果分析

續表4

3.2　試驗結果分析

1)根據極差大小可以判斷試驗指標下的因素主次順序。影響除草率的因素主次順序為A>C>D>B，影響功耗的因素主次順序為A>B>C>D。

2)初選優化工作條件。根據各指標不同水平指標之和確定各因素的優化水平組合。除草率優組合為A3B1C3D3，功耗優組合為A1B1C1D1。

3)綜合平衡確定最優工作條件。對于因素A，其對除草率影響大小排在第1位，此時取A3，其對功耗影響也是最大的；A2除草率較A3下降了2.9%，但是功耗減少了22.6%，綜合指標選取A2。對于因素B，其對除草率影響大小排在第4位，此時取B1，消耗的功率也最小，綜合取B1。對于因素C，其對除草率影響大小排在第2位，此時取C3，其對功耗影響排在第3位，為次要因素，綜合取C3。對于因素D，其對除草率影響大小排在第3位，此時取D3，其對功耗影響也排第4位，為次要因素，綜合取D3。因此，最終優組合為A2B1C3D3。

4結論

1)設計的自走式茶園除草機行距為600mm，適用于現有的大部分密植茶園，能夠在茶樹行距內作業，通過性好。

2)自走式茶園除草機選用額定功率為3.7kW的178F型單缸立式風冷四沖程柴油機作為動力?？梢愿鶕鳂I條件的不同，通過調節擋位控制工作效率，整體結構簡單，操作容易，符合茶園相關農藝要求。

3)試驗結果表明：對除草率的影響程度大小依次為除草輪轉速、除草深度、除草刀個數、機具前進速度。綜合功率消耗的情況，得出除草效果最優組合為：除草輪轉速為350r/min，機具前進速度0.8m/s，除草深度30mm，除草刀個數為6。

4)采用最終優組合進行作業，經過田間試驗，計算得到此時的除草率為80.7%，符合整機技術參數的要求。

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Design and Experiment on Small Self-propelled Tea Garden Weeder

Zeng Chena,c, Li Binga,c, Li Shangqingb,c, Wang Xiaoyonga,c

(a.Engineering College；b.Tea and Food Science College; c.State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization，Anhui Agriculture University,Hefei 230036,China)

Abstract：In order to solve artificially weeding with low efficiency, pesticide residues exceeded, and close planting tea garden with smaller Row spacing, Small Self-propelled Tea garden weeder was designed. The basic structure, working principle and parameters of the machine were introduced in detail. The emphasis is focused on the design of the mobile power, the weeding wheel and the transmission system. Finally through the orthogonal experiment of "4 factor 3 level", factors affecting the weeding effect were found. Test results show that the degree of the effect of weeding rate as follows: weed number of wheel speed, depth of weeding, weeding knife, machine speed. Integrated power consumption at the same time, the optimal combination of the weeding effect is: the rotation speed of the weeding wheel with 350r/min, implement speed with 0.8m/s, weeding depth with 30 mm, 6 weed cutters. At this time the weeding rate was 80.7%, it can achieve better weeding and weed control effect.

Key words：weeder; power matching; transmission system; orthogonal experiment

中圖分類號：S224.1+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0101-06

作者簡介：曾晨(1992-)，男，安徽宿州人，碩士研究生，(E-mail)729292150@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(11004544)

收稿日期：2015-11-10