徐成剛，李　兵，李尚慶，曾　晨，王小勇

(安徽農業(yè)大學 a.工學院；b.茶與食品科技學院，合肥　233006)

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便攜式茶園微耕機的設計研究

徐成剛a，李兵a，李尚慶b，曾晨a，王小勇a

(安徽農業(yè)大學 a.工學院；b.茶與食品科技學院，合肥233006)

摘要：當前我國大力發(fā)展茶園種植業(yè)，以往人力為主要勞動力的生產方式滿足不了發(fā)展要求，主要存在效率低、勞動強度大、耗時費工等許多問題。為此，綜合了我國耕地的基本國情及茶園式微耕機的發(fā)展現(xiàn)狀與茶園耕地之間的不匹配的情況，并設計制造了便攜式茶園微耕機。該機具旋耕刀采用直角刀片，使得入土、碎土能力增強，機器行走正常不跑偏、旋耕消耗能量較少、工作效率遠大于人工作業(yè)。該便攜式微耕機結構簡單、輕巧便利、生產成本低，投入茶園生產后將大大提高農民生產積極性和生產效率。田間試驗結果表明：該微耕機的平均耕深為130mm,平均耕作幅寬為300mm，各項參數(shù)均符合生產技術要求，能夠滿足茶園作業(yè)要求。

關鍵詞：茶園；微耕機；旋耕刀

0引言

我國現(xiàn)在有茶園面積達到170萬hm2，茶區(qū)分布廣泛。我國茶葉生產由勞動密集型向技術密集型轉變，但茶園管理機械發(fā)展緩慢，機械的生產制造和應用水平較低，一直都不能適應茶業(yè)產業(yè)化生產的發(fā)展需求[1]。目前，國內一些茶園管理機械的使用依然以大田機械來代替或者一些生產廠家改制一些大田機械來適應茶園生產。國內也出現(xiàn)一些茶園機械生產廠家，但機器的作業(yè)能力和作業(yè)效率還達不到茶葉機械化生產的要求，國外廠家生產的機械又不能很好的適應我國的茶園類型，且價格較貴。目前，我國茶園管理機械化水平較低，人工作業(yè)依然是主要生產方式。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，農村勞動力大量外流，在茶葉采摘高峰期，勞力短缺嚴重，成為阻礙茶葉生產的主要難題。隨著經(jīng)濟社會和大量茶園的快速發(fā)展，解決并提高機械化生產水平成為不可回避的現(xiàn)實問題[2]。

長期以來，茶園耕作一直沿用傳統(tǒng)的手工勞作方式，強度大、效率低，且隨著茶園種植面積的不斷擴大，對機械化要求也越來越迫切。微耕機具有體積小、質量輕、機動靈活等優(yōu)點，被廣泛應用于田園整地、棚室作業(yè)和設施農業(yè)等耕耘作業(yè)[3-5]。

在茶園耕作上，本文針對個體農戶自主經(jīng)營、經(jīng)濟條件有限的情況，充分考慮其承受能力，設計普及個體農戶能負擔起的經(jīng)濟實用型茶園微耕機，以提高茶園耕作機械化水平。

1總體結構及工作原理

1.1主要結構組成及特點

該機在大田旋耕機的基礎上研究開發(fā)的，總體設計如圖1所示。

1.旋耕刀　2.傳動裝置　3.發(fā)動機　4.支撐輪　5.手把

該機主要由支撐輪、齒輪箱、發(fā)動機、擋泥板、手把、手柄、手把旋鈕、提把、油門開關及油門線熄火開關組成。本機的顯著特點是：在外型上減小了機具的尺寸結構，大大提升了操作的方便性；在旋耕刀具上的設計更加符合茶園微耕需求，防止了纏草，旋耕深度一致性得到保障。

1.2工作原理

在田間作業(yè)時，發(fā)動機的動力經(jīng)傳動軸傳到齒輪箱，齒輪箱將動力經(jīng)兩半軸傳到刀片上，使微耕機的刀片獲得速度；旋耕刀與地面的接觸，即對地面有剪切破碎作用同時也給整機一個向前的驅動力，保證了整機的快速前行。操作人員通過操縱油門開關來控制發(fā)動機轉速，從而控制了旋耕刀的轉速，以此保證旋耕機的旋耕深度和碎土能力。

2主要技術參數(shù)

工作幅寬/mm：280～350

工作效率/km2·h-1:0.24

碎土率/%：80

旋耕深度/mm：100～160

作業(yè)速度/km·h-1：3～5

配套動力/kW：1.8

刀輥轉速/r·min-1：300～400

3關鍵部件及關鍵技術

3.1旋耕刀

手扶式茶園微耕機旋耕刀結構如圖2所示。

圖2　便攜式茶園微耕機旋耕刀結構示意圖

旋耕刀工作時，動力由發(fā)動機經(jīng)蝸輪蝸桿減速后傳到旋耕刀軸上，刀軸上裝有定位銷，對旋耕刀定位，并帶動刀片旋轉碎土。茶園土壤較疏松，土面上粗大雜草稈莖較少。由于微耕機功率較小，刀片的外形設計應注重于有效入土、減小土壤阻力及降低油耗等方面，在刀片的設計上選擇直角刀能滿足以上要求[6]。

3.1.1直角刀正切面的設計

直角刀片正切面幾何參數(shù)主要指切土角γ(刀齒內刃面與余擺線切線的夾角)和隙角ε(刀齒外刃面和余擺線切線的夾角)[7]，如圖3所示。

圖3　刀片正切面幾何參數(shù)

圖3中幾何關系有

γ=γ0— Δε=ε+i

(1)

ε=ε0—Δε

(2)

其中，γ0為靜態(tài)切土角(刀齒正切刃內刃面與刀齒半徑R所做圓弧的切線的夾角)；ε0為靜態(tài)隙角(刀齒正切刃外刃面與刀齒半徑R所做圓弧的切線的夾角)；i為磨刀角；Δε為圓周切線和余擺線切線之間的夾角。

刀片的靜態(tài)切土角γ0和靜態(tài)隙角ε0都是定值。由式(1)、式(2)可知：Δε的數(shù)值直接決定γ和ε。

由圖3幾何關系可得

(3)

式中,φ為刀齒位置角；λ為速比系數(shù)。由式(3)得到Δε是φ的函數(shù)，φ一定時，λ減小而Δε增大，切土角γ和隙角ε與Δε成反比關系，隨Δε的增大而減小。本機速比λ=6，此時對應的Δεmax=10°左右。正切面最小隙角εmin將有較大的減小，在此基礎上，減小磨刀角i0、適當增加刀片靜態(tài)切土角γ0到38°，對刀片有較好改進。

3.1.2直角刀片側切刃的滑切作用分析

為便于有效切開土壤和斬斷草莖，直角刀側切刃應具有一定的滑切作用，草莖在被切時能沿刃口產生滑動。側切刃滑切作用與滑切角大小有關，滑切角越大，滑切性能越好，刀片性能越優(yōu)越。

刀片靜止時，τc(直線刀刃MN上某點B的運動速度方向與刃口法線方向的夾角)與過刀刃B點極徑OB和刀刃切線t-t之間的夾角是相等的[8]，如圖4所示。

圖4　直角刀的靜態(tài)滑切角

(4)

其中，e為刀片安裝的偏心距；r為B點的回轉半徑。

當?shù)镀D時，合速度ν和刀輥速度rω不重合，形成偏角Δτ，引入動態(tài)滑切角τk(刃口上任一點的法線與該點的絕對速度方向上的夾角)。

τk=τc-Δτ

(5)

由圖5得到在A處的Δτ為

(6)

其中，λ為速比系數(shù)；α為刀片A點在改瞬時的轉角。

圖5　直角刀片的動態(tài)滑切角

則側切刃在任一點偏角Δτ的大小為

(7)

由式(7)可知：Δτ既與λ和α相關。

( 8)

式(8)中，取R=145mm，H=140mm時，在λ=6時Δτ隨r的增大而減小。取r一個值可得到Δτ，Δτ越小τk越大，性能越好，此時r也加大。

圖6　R、H和α的關系圖

3.2傳動裝置

3.3機架與扶手架的調整范圍

機架是整個機具的支撐部件，其中一部分為機架的調整部分，是為了使不同人員操作時，人手握把手對機具的操作和對旋耕刀與土壤接觸深度的一個控制。把手架結構的設計使得整個機具使用起來更加輕便，操縱性、穩(wěn)定性更好。機架部分將發(fā)動機固定在旋耕刀輥上部，動力輸出軸與旋耕刀刀軸成直角，利于蝸輪蝸桿傳動在機架上的布置，使機具整體更緊湊，更易操作。

本設計目的在于不損失機具效率的前提下，通過優(yōu)化設計方法來減小耕作勞動強度以及降低微耕機的整機重量，從而使機具方便運輸和攜帶[11]。茶園便攜式微耕機針對扶手框架等部件與實際情況進行對比設計。對扶手可調節(jié)性的設計是基于不同高度操作人員長時間操作機具而容易產生疲勞，導致使用舒適度降低，生產效率下降。因此，扶手設計尤為重要。

人體的平均身高在1.7m左右，扶手最合適高度在80cm～100cm之間，結合人機工程學知識來設計扶手的可調長度和角度，并且設計了內嚙合棘輪機構來自行調節(jié)扶手角度。調整范圍如圖8所示。

圖7　渦輪蝸桿傳動系統(tǒng)

圖8　扶手調整范圍

設Y為可伸縮扶手支架的長度，Ymax為扶手支架的最大長度，Ymin為扶手支架的最小長度。其中，支架到地面有固定高度X0，取X0=300mm；當扶手支架達到最大長度和最大高度時，扶手可調角度在最大值。由圖8幾何關系得

當扶手支架長度調到最短并且高度最矮時，扶手角度為最小值，有

其中，扶手長度Y可以根據(jù)具體的耕作環(huán)境來設置長度，由上式得到，扶手的長度以及配合內嚙合棘輪機構可以調整扶手架的角度范圍在α～β間。所以，可在扶手長度和高度之間去任意調整一配備不同操作人員的高度，以達到最佳舒適組合。

3.4支撐輪

支撐輪作為整個機器的運動部件，在工作時起著重要作用。為了控制整機行駛阻力、防止因旋耕刀旋耕深度大導致支撐輪下限，支撐輪輪軸上焊接有梯形折彎鋼板，板的另一頭上開有幾對孔，調節(jié)到所需高度后與擋泥板用螺栓擰緊，且輪胎直徑可以改變。

4試驗結果與改進

4.1試驗情況

該機在2015年3月下旬開始試驗(見圖9)，試驗結果如表1所示。由表1可看出：該機主要試驗性能指標能達到設計要求。

圖9　田間試驗

項目單位參數(shù)工作效率km2/h0.24平均耕深mm130平均耕寬mm300碎土率%85除草率%90 穩(wěn)定性系數(shù)%92

4.2存在問題及解決方案

1)機具配重與耕741深之間有關聯(lián)。旋耕刀在土壤較硬的地塊上，耕作效果較差，主要是實際工作中機具重量較輕，旋耕刀速度較大，切削土壤的力達不到要求，有待進一度改進。

2)支撐輪中間軸在行走過程中容易剮蹭土壤造成行駛阻力加大。試驗過程中出現(xiàn)輪軸剮蹭地面以及耕深不一致現(xiàn)象，解決的方法是有在不同土壤平整度情況下使用不同大小的支撐輪，以便防止輪軸有行駛阻力和旋耕刀旋耕深度不一致。

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Design and Study of Portable Tea Garden Micro Cultivator

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

(a.Engineering College；b.Tea and Food Science College，Anhui Agriculture University,Hefei 230300,China)

Abstract：With the development and expansion of the tea planting,artificial-based cropping pattern already can not adapt the development needs,which has low efficiency，labor-intensive，time consuming，and many other issues.Based on this reality,combining the basic national conditions of China’s arable land and the development ftatus that tea micro farming machines mismatch tea farmland.We design and manufacture portable tea micro cultivator.The rotary knife of this equipment apply right angle blade,which can enhance capacity of buried and pulverizer,the machine does not walk normal deviation,rotary consume less energy,work efficiency is more greater than the manual work.The structure is very simple,cleverly designed and lower cost,it will greatly reduce the labor intensity of farmers when the machine could be put into use.Field experiment results show us the average farming micro-cultivator depth is 130mm and the average tillage width is 300mm.All the parameters above can meet the technical requirements, such as tea garden, orchard, farmland and other operational requirements.

Key words：tea garden; micro cultivator; rotary knife

文章編號：1003-188X(2016)05-0107-05

中圖分類號：S222.2

文獻標識碼：A

作者簡介：徐成剛(1989-)，男，安徽肥西人，碩士研究生，(E-mail)1171497821@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)(農業(yè))科研專項(201303012)

收稿日期：2015-04-11