王小勇，李　兵，李尚慶，曾　晨，徐成剛

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.茶與食品科技學(xué)院,合肥　230031)

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茶園微耕機的設(shè)計分析

王小勇a，李兵a，李尚慶b，曾晨a，徐成剛a

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.茶與食品科技學(xué)院,合肥230031)

摘要：茶園的除草、施肥、松土是茶葉生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的工作方式都是人工操作，作業(yè)效率低、勞動強度大。為了提高茶園的除草、松土效率，設(shè)計制造一種茶園微耕機，并對微耕機進行性能試驗。試驗結(jié)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(nóng)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(yè)。

關(guān)鍵詞：微耕機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；運動分析；田間試驗

0引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對茶葉的需求在不斷地提高，茶園生態(tài)旅游也正慢慢帶動茶區(qū)農(nóng)民致富。由于受到茶園的種植模式的影響，導(dǎo)致普通的茶園管理機械受自身體積質(zhì)量影響無法在山區(qū)作業(yè)。在茶業(yè)的種植和管理的過程中，雜草的存在不僅吸收茶園的養(yǎng)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(zhì)有很大的影響，而傳統(tǒng)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(yè)后茶園管理的相關(guān)要求，及便于操作者使用，設(shè)計制造了茶園微耕機，并對其進行試驗研究[2-3]。

1總體結(jié)構(gòu)

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(diào)節(jié)裝置和擋土裝置等組成，如圖1所示。該傳動系統(tǒng)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(jīng)過變速箱后分為兩路，一路使驅(qū)動輪帶動微耕機轉(zhuǎn)動，一路驅(qū)動刀片做回轉(zhuǎn)運動。

1.柴油機　2.帶輪　3.機架　4.驅(qū)動輪　5.刀軸變速箱　6.刀軸

耕深調(diào)節(jié)裝置由限深輪、調(diào)節(jié)機構(gòu)和支撐機構(gòu)組成。擋土裝置由罩殼、平土板和角度調(diào)節(jié)機構(gòu)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(diào)節(jié)，擋土裝置角度調(diào)節(jié)機構(gòu)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(zhuǎn)向操作時，通過離合器使驅(qū)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(shù)參數(shù)

在安徽六安部分地區(qū)，茶園種植規(guī)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(jié)合農(nóng)業(yè)機械相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計確定的微耕機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[4-10]。

表1　微耕機主要技術(shù)參數(shù)

圖2　茶園微耕機裝配體模型圖

2關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1刀軸

為了保證微耕機作業(yè)達到耕深要求的同時能夠?qū)崿F(xiàn)旋耕穩(wěn)定、耗能低的特點，設(shè)計刀軸的結(jié)構(gòu)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(jīng)熱處理制造而成，淬火區(qū)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(cè)切刃開始沿著縱向切割土壤，能夠?qū)崿F(xiàn)有支持性的切割雜草。安裝后刀片端點轉(zhuǎn)動半徑設(shè)計為180mm，刀軸的長度設(shè)計為660mm，刀軸上安裝有14把刀。在刀軸變速箱體下面設(shè)計培土鏟，培土鏟能夠有效地解決箱體產(chǎn)生的漏耕問題。微耕機刀軸的轉(zhuǎn)速對微耕機工作性能有重要影響，結(jié)合試驗情況和農(nóng)業(yè)機械相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮微耕機機構(gòu)特點和生產(chǎn)率等因素，設(shè)計微耕機刀軸的轉(zhuǎn)速為250～300r/min。

圖3　刀軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.2傳動系統(tǒng)

微耕機傳動系統(tǒng)主要由帶輪傳動系統(tǒng)、鏈輪傳動系統(tǒng)及變速齒輪箱組成。工作時,動力由帶輪傳遞給微耕機驅(qū)動輪變速箱，另一方面又將動力傳遞給刀軸變速箱，驅(qū)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(zhuǎn)速為2 600r/min，考慮到微耕機在運動過程的平穩(wěn)性及操作者的安全性和適應(yīng)性，微耕機的前進速度不宜太大，所以微耕機工作時，驅(qū)動輪前進的速度為0.55～0.7m/s，刀軸的轉(zhuǎn)速為250～280r/min，則微耕機驅(qū)動輪軸和刀軸所對應(yīng)的傳動比為

2.2.1驅(qū)動輪變速箱

微耕機驅(qū)動輪變速系統(tǒng)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(jīng)過驅(qū)動輪變速箱減速。微耕機在行走時，理論上傳動比為

驅(qū)動輪變速箱設(shè)計為4級齒輪減速，驅(qū)動輪變速箱原理如圖4所示。微耕機的驅(qū)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(qū)動輪以Ⅱ擋進行工作運轉(zhuǎn)，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(qū)動輪變速箱的Ⅱ檔傳動比為

圖4　驅(qū)動輪變速箱原理示意圖

微耕機的Ⅱ擋傳動比與理論設(shè)計的傳動比誤差較小，符合設(shè)計要求。驅(qū)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(qū)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(qū)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(tǒng)由驅(qū)動輪變速箱調(diào)節(jié)擋位，按照剛啟動以Ⅱ擋運行，驅(qū)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(qū)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(shù)為16，大鏈輪齒數(shù)為32，則傳動比為

i8=2.4

2.3耕深調(diào)節(jié)裝置

耕深調(diào)節(jié)裝置是由限深輪、調(diào)節(jié)機構(gòu)和支撐機構(gòu)組成，如圖5所示。通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)上面的手柄使得支撐機構(gòu)上下移動得以改變限深輪的高度，進而控制耕深。旋轉(zhuǎn)手柄每旋轉(zhuǎn)1周，限深輪上升或者下降3mm。

1.旋轉(zhuǎn)手柄　2.軸套　3.內(nèi)側(cè)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(dāng)中，旋耕刀一邊旋轉(zhuǎn)，一邊隨微耕機前進，微耕機刀片的絕對運動是刀軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)，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(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)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(jié)距

同一縱垂面內(nèi)相鄰兩把刀相繼切土的時間間隔內(nèi)微耕機前進的距離稱為切土節(jié)距。設(shè)計的刀軸在同一平面內(nèi)均勻安裝4把刀，根據(jù)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(jié)距有關(guān)，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(shè)計制造完成后，于2014年9月在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園實驗基地進行試驗。圖7為茶園微耕機在農(nóng)萃園實驗基地實驗的現(xiàn)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(yè)時候刀片交錯入土，逆向旋轉(zhuǎn)，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(shè)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(yè)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(zhuǎn)速等。測定的方法根據(jù)農(nóng)業(yè)機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)參考文獻。

圖7　茶園微耕機實驗現(xiàn)場圖

試驗結(jié)果：微耕機在茶園工作的過程中，工作平穩(wěn)可靠，測得相關(guān)數(shù)據(jù)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(guī)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(zhuǎn)速，驅(qū)動輪前進的速度能夠達到設(shè)計的參數(shù)要求；對茶園來回進行4次作業(yè)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(jié)果

5結(jié)論

所設(shè)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(jié)構(gòu)簡單，操作方便，除草的完整度在90%左右，耕作的穩(wěn)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(jié)構(gòu)簡單，體積小，工作的穩(wěn)定性好，便于農(nóng)戶操作；

2)微耕機適合茶園的直線行走與轉(zhuǎn)向，刀軸采用逆向旋轉(zhuǎn)，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(yè)，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(diào)節(jié)下，微耕機能夠?qū)崿F(xiàn)刀軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與耕深的適當(dāng)調(diào)控，不僅能夠滿足茶園的除草碎土的作業(yè)功能，還能廣泛適用于平原山區(qū)的旱地、果園等土壤的除草耕耘作業(yè)。

參考文獻：

[1]徐華勤,肖潤林,向佐湘,等.不同生態(tài)管理措施對丘陵茶園雜草生物多樣性的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2010,26(4): 283-286.

[2]朱留憲，楊玲，楊明金，等.我國微型耕耘機的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農(nóng)機化研究，2011,33(7):236-239.

[3]王帥,曹磊,劉欣,等.微耕機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢探討[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010(12)：63-64,68.

[4]葉強,謝方平,孫松林,等.葡萄園反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開溝機的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013,3(29):9-15.

[5]夏曉東,吳崇友,張瑞林,等.加大耕深型正轉(zhuǎn)旋耕機研究設(shè)計初探[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1995，15(1):69-72.

[6]JB/T10266.1-2001,微型耕耘機技術(shù)條件[S].

[7]李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[8]張毅.1WG-4型多用微耕機的研制與實驗[J].中國農(nóng)機化,2003(5):41-42.

[9]武廣偉,宋建農(nóng).草地振動式間隔松土機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2010(2):42-46.

[10]Asl J H. Surendra Singh. Optimization and evaluation of rotary tiller blades. Computer solution of mathematical relations [J].Soil & Tillage Research, 2010,106(1):1-7.

[11]丁為民.正、反轉(zhuǎn)旋耕刀性能分析及切土扭矩比較試驗[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,24(1): 113-117.

[12]徐紅光,朱茂桃,耿松.1GF-170型滅茬旋耕機刀具排列方法設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011,39(34),21495-21496.

[13]徐良.茶園中耕機械雜草纏繞力計算與分析[J].茶葉科學(xué)，2014，34(4)：396-400.

[14]GB/T5669-2008,旋耕機械刀和刀座[S].

[15]Saimbhi V S,Wadhwa D S,Grewal P S. Development of a rotary tiller blade using three-dimensional computer graphics [J].BiosystemsEngineering,2004,89(1):47-58.

[16]Ryozo N. CAD system for Agricultural Machinery-CAD Program Applied to Rotary blade Design[J].Agricultural Information Technology in Asia and Ociania, 1998: 103-106.

[17]西涅阿科夫TH,潘諾夫HM.土壤耕作機械的理論和計算[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1981.

[18]GB/T56683-1995,旋耕機械實驗方法[S].

[19]國家標(biāo)準(zhǔn)局.農(nóng)業(yè)機械實驗條件測定方法的一般規(guī)定.BG/T5262-1985[S].

[20]孔令德,桑正中.旋耕實驗建模方法的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2001,32(5):34-36.

[21]中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊(上冊)[K].北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[22]朱留憲,楊玲,朱超,等.基于SPH算法的微耕機旋耕切土仿真研究[J].農(nóng)機化研究，2014，36(6):19-22.

[23]方在華,張文春,劉夫云.拖拉機旋耕機組旋耕速比的確定[J].農(nóng)業(yè)機械報,1997,28(1): 24-28.

[24]姚禹肅.力學(xué)與農(nóng)業(yè)工程[M].北京:科學(xué)出版社,1994：116-122.

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(biāo)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(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303012)；農(nóng)業(yè)部茶園機械專項基金項目(11008702)

收稿日期：2015-01-06