丘陵山區小型自走式茶園中耕機設計與試驗

摘要 針對我國丘陵山區茶園中耕松土、碎土作業效果差等難題，設計了一種小型自走式茶園中耕機。構建了中耕機碎土機構運動位置數學模型，通過運動學分析優化了碎土機構關鍵參數設計；同時還對中耕機碎土刀、傳動系統、限深輪以及機架等關鍵部件進行了設計，以確保整機的作業效率和穩定性。以碎土率和耕深穩定系數為試驗指標，以前進速度和入土角為試驗因素，進行全面隨機田間試驗。結果表明，隨著前進速度的增加，碎土率逐漸降低；固定前進速度，隨著入土角的增大，耕深穩定系數整體呈下降趨勢。在保證作業效果的同時不應選擇過大的前進速度和入土角。較優的作業組合為前進速度1.5 km/h，入土角45°。

關鍵詞 丘陵山區；中耕機；碎土作業；結構設計；田間試驗

中圖分類號 S224.1 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2025）06-0185-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.06.043

Design and Experiment of Small Self-propelled Tea Garden Tillage Machine in Hilly and Mountainous Areas

WANG Wen-ming， TAO Ye

（Taizhou Vocational College of Science and Technology， Taizhou， Zhejiang 318020）

Abstract Aiming at the difficulties of poor performance of soil tillage and soil breaking operations in tea gardens in hilly and mountainous areas of China， a small self-propelled tea garden tillage machine was designed.A mathematical model for the motion position of the soil breaking mechanism of tillage machine was established， the key parameter design of the soil breaking mechanism was optimized by the kinematic analysis.In addition， the key components of the tiller such as the soil breaking blade， transmission system， depth limit wheel， and frame were designed in detail， so to ensure the operational efficiency and stability of the entire machine.Taking the soil breaking rate and the stability coefficient of the tilling depth as the test indicators， and taking the forward speed and the angle of penetration as the test factors， a comprehensive randomized field experiment was conducted.The results showed that the soil breaking rate of the machine gradually decreased with the increase of forward speed.When the forward speed was fixed， the stability coefficient of the tilling depth showed a downward trend as the angle of penetration increased.At the time of ensuring the operational efficiency， excessive forward speed and angle of penetration should not be selected.The optimal operation combination was forward speed of 1.5 km/h， and the angle of penetration of 45°.

Key words Hilly and mountainous areas;Tillage machine;Soil-crushing operation;Structural design;Field trial

近年來，我國茶產業迅速發展，茶園種植面積及茶葉總產量均已位居世界前列，然而我國茶園機械化作業水平卻不高，尤其是丘陵山區茶園，目前整體機械化率不足20%［1-5］。中耕管理是茶園生產中較為關鍵的環節，及時進行茶園中耕管理可以有效清除茶行雜草、提高地溫、改善土壤營養環境，從而改善和提高茶葉的品質，因此研發一種高效的茶園中耕機械代替人工作業對于提高茶葉生產效率和質量都具有重要意義［6］。針對茶園中耕管理機，國內外開展了大量研究。國外研究以日本技術最為成熟，日本是世界上最早實現茶葉生產全程機械化的國家，采用標準化茶園種植，更適合大中型機器作業［7］。國內，楊擁軍等［8］研制了小型除纏減阻式茶園中耕機，通過動刀與鋸齒形靜刀的配合，有效切斷纏在旋耕機上的雜草，再通過旋耕機翻耕作業將雜草、樹枝埋入土壤；徐良等［9］設計了3ZFC-40型茶園中耕機，田間試驗表明其除草及施肥效果良好；程方平等［10］設計了手扶式茶園除草機，田間試驗表明使用刀片偏角70°的除草輪可以有效防止纏草，且除草率在90％以上，在行距1.5 m茶園中作業效率可達972 m2/h；李坤等［11-12］設計了針式仿生茶園耕作機，土槽試驗表明與旋耕機相比，針式仿生茶園耕作機碎土率較低且能耗高，但耕作深度更深，更容易滿足硬質土壤作業。筆者設計了一種小型自走式茶園中耕機，構建了中耕機碎土機構運行位置數學模型，并設計了碎土刀、傳動系統等關鍵部件，最后進行了田間性能試驗，以期解決當前丘陵山區茶園中耕作業松土、碎土效果差的難題。

1 整機結構及工作原理

小型自走式茶園中耕機主要由機架、行走輪、限深輪、碎土機構、行走撥桿、油門等構成，如圖1所示。作業時，啟動機器，人工手扶操作機器沿茶行自主行走，通過行走撥桿和油門控制機器的行進速度，撥動離合機構可接通動力向碎土機構傳動，碎土刀在碎土機構帶動下切入土壤，然后對土壤進行推拋，以完成碎土動作。碎土機構轉速可通過切換耕作撥桿不同檔位調整。

整機主要技術參數如表1所示，該機配置4.4kW汽油機提供動力，采用輪式行走方式，最大耕深達20 cm，耕寬達40 cm。

2 關鍵部件設計

2.1 碎土機構

根據茶園中耕機作業要求，查閱農業機械設計手冊，采用帶有曲柄的四桿機構設計碎土機構，如圖2所示。對碎土機構運動位移進行分析，以O點為坐標原點，建立碎土機構的直角坐標系。

通過公式（4）可知，碎土機構的運動情況與各桿長度及與機架初始位置角有關系，根據《農業機械設計手冊》設計OE之間距離為200.4 mm，桿OA長68 mm，桿BE長260 mm。根據曲柄搖桿機構成立條件，得到：

綜合考慮設計桿AC長240 mm，AB長150 mm，根據耕深要求設計桿CD長214 mm。茶園中耕碎土機作業過程中，連桿要承受機構支撐力、機構推力、土壤反作用力等復雜動載荷，因此設計結構上要同時滿足強度及剛度要求，材料選擇ZG45鋼，并進行調質處理。

2.2 碎土刀

為了增強中耕機的破土性能以及減小破土阻力，將碎土刀設計成U形鏟刀，如圖3所示。其主要結構尺寸包括刀長（l）和刀寬（wd），根據茶園中耕碎土作業要求，參考《農業機械設計手冊》，確定l為120 mm，wd為15 mm。為了降低破土阻力以及防止刀尖纏草，碎土刀應滑切破土［13］，將碎土刀切刃曲線設計為正弦指數曲線。同時，為了更容易破土，將其兩側側刃角設計為45°，刃口寬度為2 mm，同時為增強其強度，刀厚度設計為20 mm，選用45Mn為材料，對整個刀體進行淬火處理，以提高其硬度。

2.3 傳動系統

茶園中耕機的整機傳動系統如圖4所示。整個傳動方案安排五級齒輪傳動，輸出軸Ⅰ為翻耕機構曲柄軸，輸出軸Ⅱ為翻耕機構搖桿軸，輸出軸Ⅲ為機器驅動輪軸。根據機械設計手冊并結合茶園中耕機實際作業要求，從左至右設計其傳動比分別為1.4、1.8、2.5、2.1和2.3。

2.4 限深輪

由于整機重心在機器中心偏后部位，故在機器后部設計添加可調節式限深輪，承擔機器后部重載的同時，可調節控制碎土機構入土深度?？烧{節式限深輪的結構如圖5所示，其主要由調節把手、外套筒、內桿、固定片、支架、小輪組成。其外套筒與內桿之間為螺紋配合，旋轉把手固裝在內桿上，可通過旋轉調節把手調節地輪的高度，固定片與地輪外套筒固裝，其上開有4個U形螺栓孔，整個地輪通過2個U形螺栓固裝在機器后部。

2.5 機架

如圖6所示，設計機架主要由縱梁、后橫梁、加強梁組成。兩側縱梁及加強梁的材質均為35×35角鋼，后橫梁材質為45×45方鋼，整體機架由各梁焊接組合在一起。

對機架進行受力分析，如圖7所示。機架主要受到作用于A2點的變速箱重力G1，作用于A3點的機架自身重力G2，作用于A4點的汽油機重力G3以及作用于A1點的前端支撐力F1和作用于A5點的后端支撐力F2。

變速箱重量為200 N，汽油機重量為1 800 N，機架自身重量為600 N，A1A2、A2A3、A3A4、A4A5之間的距離分別為160、200、40、300 mm。將上述參數代入式（6），可得到作用于機架A1和A5處的支撐力分別為1.36和1.24 kN，其左右兩側支撐力接近，且都在結構鋼需用最大應力承受范圍之內。機架各個位置彎矩如圖8所示。其最大彎矩點在機架A4處，即安放汽油機的位置，根據彎矩計算公式求得彎矩為0.37 kN·m，故設計在機架后半部添加2根加強梁，以有效防止機架產生彎曲變形。

3 田間性能試驗與結果分析

3.1 試驗條件與設備

田間試驗地點在浙江省南部地區，試驗地土壤為典型南方硬質土壤，含有部分砂礫，且多年未進行翻耕，經實地測量，其土壤堅實度在1～20 cm深度的平均值為883 kPa，土壤含水率在1～25 cm深度的平均值為21.1%，土壤容重在1～25 cm深度的平均值為1.7 g/cm3。試驗主要設備包括土壤監測設備、土壤堅實程度測試設備、卷尺、環刀、電子秤等。

3.2 試驗設計

采用全面隨機試驗（3×3）方案，試驗因素選擇前進速度和入土角，其中前進速度分別為1.0、1.5、2.0 km/h，入土角分別為40°、45°、50°，共9個處理，每個處理重復3次，共進行27個試驗小區。按照試驗要求對試驗地進行劃分，每個茶行分為3段，前后5 m各設2個緩沖區，中間段為試驗段，試驗茶樹品種為“中黃1號”，茶行間距為600 mm。選取碎土率和耕深穩定系數為試驗指標，進行田間試驗。

碎土率的測定方法：隨機選取作業行程中0.2 m×0.2 m區域，測定全松層內土塊最小邊長小于5 cm的土塊質量及土塊總質量，其計算公式如下：

式中：GS為全松層碎土率；Gz為全松層小于5 cm土塊的質量，單位kg；G為全松層土塊總質量，單位kg。

耕深穩定系數測量方法：使用鋼尺插入測量區中耕后土壤，讀取耕深數值，每組試驗沿機器前行茶行隨機測量5處，取平均值。耕深及耕深穩定系數計算公式如下：

式中，h代表耕深，單位cm；hi代表第i點的耕作深度，單位cm；U代表耕深穩定系數，單位%；n代表測點個數。

3.3 試驗方案與結果分析

試驗方案與結果分析如表2所示，采用 SPSS 23軟件進行試驗數據方差分析，各處理平均數間差異顯著性采用LSD檢驗。使用Origin 2021軟件進行數據計算和繪圖。

由表3可知，前進速度、入土角及兩因素之間的交互作用對碎土率的影響均極顯著（Plt;0.01）。由表4可知，前進速度、入土角對耕深穩定系數的影響均極顯著（Plt;0.01），但兩因素的交互作用對耕深穩定系數的影響不顯著（P=0.337）。

由圖9可知，當前進速度一定時，不同入土角條件下碎土率大小順序均為入土角45°gt;入土角50°gt;入土角40°，且不同入土角之間差異顯著。當入土角為40°時，隨著前進速度的增加，碎土率呈下降趨勢；當前進速度為2.0 km/h時，碎土率最低；當入土角分別為45°和50°時，隨著前進速度的增加，碎土率先下降后緩慢上升；當前進速度為1.0 km/h時碎土率最高。作業時，為保證碎土效果，前進速度不應過高，前進速度1.0 km/h、入土角45°條件下碎土率最高。

由圖10可知，當前進速度分別為1.0和2.0 km/h時，各入土角處理間無顯著差異；當前進速度為1.5 km/h時，入土角為40°和50°處理間存在顯著差異（Plt;0.05）；當入土角分別為40°和45°時，隨著機器前進速度的增大，耕深穩定系數整體呈先增加后減小的趨勢，入土角為50°時耕深穩定系數幾乎不變。在固定前進速度的條件下，隨著入土角的增大，耕深穩定系數整體呈下降趨勢，作業時不應選擇過大的入土角。前進速度1.5 km/h、入土角45°條件下耕深穩定系數最高。

茶園中耕機作業時，在滿足碎土率和耕深穩定性前提下，應盡量高速作業，以提高效率，因此前進速度1.5 km/h、入土角45°為較優的作業組合。

4 結論

（1）該試驗設計了一種可滿足丘陵山區作業的小型自走式茶園中耕機，對其工作原理進行了分析，優化了其關鍵部件結構參數，以增強其碎土作業效果。

（2）采用全面隨機試驗（3×3）方案進行試驗，運用SPSS23軟件對試驗結果進行方差顯著性分析，結果表明當前進速度一定時，不同入土角條件下碎土率大小順序均為入土角45°gt;入土角50°gt;入土角40°，且不同入土角之間差異顯著。整體上，前進速度越慢，機器碎土率越高；固定前進速度，隨著入土角的增大，耕深穩定系數整體呈下降趨勢，作業時不應選擇過大的入土角。較優的作業組合為前進速度1.5 km/h、入土角45°，在此條件下耕深穩定系數大于80%，優化后的茶園中耕機滿足中耕作業要求。

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基金項目 農業農村部重點實驗室項目（NYZS2023006）；臺州市科技計劃項目（23nya20）。

作者簡介 王文明（1991—），男，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，從事農業機械化研究。

收稿日期 2024-04-18