茶园微耕机的设计分析

王小勇，李　兵，李尚庆，曾　晨，徐成刚

(安徽农业大学 a.工学院；b.茶与食品科技学院,合肥　230031)



茶园微耕机的设计分析

王小勇a，李兵a，李尚庆b，曾晨a，徐成刚a

(安徽农业大学 a.工学院；b.茶与食品科技学院,合肥230031)

摘要：茶园的除草、施肥、松土是茶叶生产过程的重要环节，而传统的工作方式都是人工操作，作业效率低、劳动强度大。为了提高茶园的除草、松土效率，设计制造一种茶园微耕机，并对微耕机进行性能试验。试验结果表明：该微耕机耕作幅宽443mm、耕作深度153mm，旋耕刀能够有效防缠草，松土效果好，满足了茶园农艺要求；耕后表土细碎，土肥掺和均匀，满足了茶园管理要求。同时，该机可用于其它菜地、稻田旱地等除草松土作业。

关键词：微耕机；结构设计；运动分析；田间试验

0引言

随着经济的快速发展，对茶叶的需求在不断地提高，茶园生态旅游也正慢慢带动茶区农民致富。由于受到茶园的种植模式的影响，导致普通的茶园管理机械受自身体积质量影响无法在山区作业。在茶业的种植和管理的过程中，杂草的存在不仅吸收茶园的养分，还为害虫的生长提供场所。所以，除草、松土对后期茶叶的生长和品质有很大的影响，而传统的除草松土都是手工除草松土，不仅劳动强度大，而且工作效率低[1]。

由于受到茶园种植的行距影响，大型机具进入茶园会对茶树造成损害，为满足作业后茶园管理的相关要求，及便于操作者使用，设计制造了茶园微耕机，并对其进行试验研究[2-3]。

1总体结构

1.1工作原理

茶园微耕机主要由机架、传动装置、刀轴刀片、耕深调节装置和挡土装置等组成，如图1所示。该传动系统采用齿轮—链轮传动方式，由柴油机动力输出轴通过皮带轮经过变速箱后分为两路，一路使驱动轮带动微耕机转动，一路驱动刀片做回转运动。

1.柴油机　2.带轮　3.机架　4.驱动轮　5.刀轴变速箱　6.刀轴

耕深调节装置由限深轮、调节机构和支撑机构组成。挡土装置由罩壳、平土板和角度调节机构组成。刀片在切土过程中切下土块，抛出后撞击罩壳与平土板细碎后撒向地面。微耕机的深度由限深轮进行控制调节，挡土装置角度调节机构可以保证土块在抛向罩壳平土板时细碎程度更大，能够均匀分散到地面上，并起到安全和防护作用。在进行转向操作时，通过离合器使驱动轮的动力得以分离，安装在刀轴下面的培土铲，可以将微耕机漏耕的土块进行破碎，从而使土地松土的均匀性更好。通过三维软件CATIA建立茶园微耕机的实体模型，如图2所示。

1.2技术参数

在安徽六安部分地区，茶园种植规格采用单株双条列式种植，行距100～130cm，株距15～25cm。针对茶园的种植特点，结合农业机械相关设计标准，设计确定的微耕机主要技术参数如表1所示[4-10]。

表1　微耕机主要技术参数

图2　茶园微耕机装配体模型图

2关键部件设计

2.1刀轴

为了保证微耕机作业达到耕深要求的同时能够实现旋耕稳定、耗能低的特点，设计刀轴的结构如图3所示[12-16]。刀轴由45钢制造而成，轴上焊有刀座，刀座按螺旋线排列焊在刀轴上供安装刀片；刀片由65Mn钢锻压并经热处理制造而成，淬火区的硬度为HRC55左右；采用弯形刀片，弯刀有滑切作用且不易缠草。工作时，弯形刀片由离轴心近的侧切刃开始沿着纵向切割土壤，能够实现有支持性的切割杂草。安装后刀片端点转动半径设计为180mm，刀轴的长度设计为660mm，刀轴上安装有14把刀。在刀轴变速箱体下面设计培土铲，培土铲能够有效地解决箱体产生的漏耕问题。微耕机刀轴的转速对微耕机工作性能有重要影响，结合试验情况和农业机械相关设计标准，综合考虑微耕机机构特点和生产率等因素，设计微耕机刀轴的转速为250～300r/min。

图3　刀轴结构示意图

2.2传动系统

微耕机传动系统主要由带轮传动系统、链轮传动系统及变速齿轮箱组成。工作时,动力由带轮传递给微耕机驱动轮变速箱，另一方面又将动力传递给刀轴变速箱，驱动轮变速箱与刀轴变速箱是由齿轮传动与链条传动两部分组成。柴油机的转速为2 600r/min，考虑到微耕机在运动过程的平稳性及操作者的安全性和适应性，微耕机的前进速度不宜太大，所以微耕机工作时，驱动轮前进的速度为0.55～0.7m/s，刀轴的转速为250～280r/min，则微耕机驱动轮轴和刀轴所对应的传动比为

2.2.1驱动轮变速箱

微耕机驱动轮变速系统首先由带传动减速，小带轮直径为100mm，大带轮直径为210mm，传动比为i3=2.1；再经过驱动轮变速箱减速。微耕机在行走时，理论上传动比为

驱动轮变速箱设计为4级齿轮减速，驱动轮变速箱原理如图4所示。微耕机的驱动轮变速箱有Ⅰ挡、Ⅱ挡、Ⅲ挡和倒挡4个挡位。微耕机工作时，驱动轮以Ⅱ挡进行工作运转，1轴上面的24齿齿轮与2轴上面的48齿齿轮啮合，2轴上面的12齿齿轮与3轴上面的48齿相啮合，3轴上面的12轴齿轮与输出轴上面的52齿轮啮合。因此，驱动轮变速箱的Ⅱ档传动比为

图4　驱动轮变速箱原理示意图

微耕机的Ⅱ挡传动比与理论设计的传动比误差较小，符合设计要求。驱动轮变速箱Ⅰ挡为1轴上面的20齿齿轮与2轴上面的48齿齿轮啮合，2轴3轴与输出轴上面的啮合不变，则Ⅰ挡的传动比为

驱动轮变速箱Ⅲ挡为1轴上面的32齿齿轮与2轴上面的36齿齿轮啮合，2轴、3轴与输出轴上面的啮合不变，则Ⅲ挡的传动比为

驱动轮变速箱倒挡为1轴上面的20齿齿轮与4轴上32齿的齿轮啮合，再由4轴上的24齿齿轮与2轴上48齿齿轮啮合，2轴上面的12齿齿轮与3轴上面的48齿相啮合，3轴上面的12轴齿轮与输出轴上面的52齿轮啮合。因此，倒挡的传动比为

2.2.2刀轴变速箱

刀轴变速系统由驱动轮变速箱调节挡位，按照刚启动以Ⅱ挡运行，驱动轮变速箱上1轴上面的24齿齿轮与2轴上面的48齿齿轮啮合；然后通过一个离合操作杆的拨动让刀轴变速箱输入轴上48齿的齿轮与驱动轮变速箱上2轴的48齿齿轮相啮合，再由输入轴通过链传动传递给刀轴。小链轮齿数为16，大链轮齿数为32，则传动比为

i8=2.4

2.3耕深调节装置

耕深调节装置是由限深轮、调节机构和支撑机构组成，如图5所示。通过旋转调节机构上面的手柄使得支撑机构上下移动得以改变限深轮的高度，进而控制耕深。旋转手柄每旋转1周，限深轮上升或者下降3mm。

1.旋转手柄　2.轴套　3.内侧螺杆　4.限深轮

3微耕机运动分析

3.1旋耕刀运动方程

微耕机在工作过程当中，旋耕刀一边旋转，一边随微耕机前进，微耕机刀片的绝对运动是刀轴旋转和微耕机前进两种运动的合成，运动轨迹图如图6所示[17]。运动方程为

x=Rcosωt+vmt

(1)

y=Rsinωt

(2)

式中R—旋耕刀端点转动半径；

vm—微耕机前进的速度；

t—时间；

ω—刀轴角速度。

图6　刀片运动轨迹图

式(1)与式(2)的方程对时间进行求导，则得出刀片端点在x轴与y轴上面的速度，有

vx=vm-Rωsinωt

(3)

vy=Rωsinωt

(4)

(5)

令λ=Rω/vm，λ称为旋耕速度比，计算得出λ=1.29>1。则当刀片转到一定的角度时，vx<0，刀片端点的运动轨迹为余摆线，刀片则可以进行土壤的切削。

3.2耕作深度

令h为耕作深度，由式(1)和图6可以得出

y=R-h=Rsinωt

(6)

将式(6)带入式(3)，则

vx=vm-(R-h)ω

(7)

要使vx<0，则h

3.3切土节距

同一纵垂面内相邻两把刀相继切土的时间间隔内微耕机前进的距离称为切土节距。设计的刀轴在同一平面内均匀安装4把刀，根据公式有

(8)

计算得出，S=0.22m。

3.4沟底凸起高度

微耕机工作时，耕后的茶园地底层存在部分凸起，不是完全平整，凸起的高度hc与切土节距有关，可以通过式(10)对凸起高度进行近视的计算，而实际上的凸起高度会比理论上所计算的凸起高度要小。则

(9)

计算得出，凸起高度hc=18mm。

4试验分析

4.1田间试验

茶园微耕机设计制造完成后，于2014年9月在安徽农业大学农萃园实验基地进行试验。图7为茶园微耕机在农萃园实验基地实验的现场。试验用地前作物为油菜，用土壤坚实度测定仪测得该菜地的平均土壤坚实度为852kPa，测得土壤的相对湿度21.3%。微耕机在作业时候刀片交错入土，逆向旋转，将切下来的土块撞击挡土罩壳后将土块进行细碎。试验后，微耕机的耕深为130mm左右，耕宽为380mm左右[18-24]。

4.2茶园试验

在六安独山茶园进行了试验，茶园土壤的相对湿度为22.1%，平均土壤坚实度为834kPa。40min完成了满足旋耕深度的茶地大约220m。试验过程中用到的实验设备主要有：土壤坚实度测定仪(精确度2kPa)，电子天平(精确度1g)，电子秒表，3m卷尺，30cm钢尺。测量的项目有微耕机作业距离和时间，耕作深度与宽度，土壤坚实度，土壤相对湿度，微耕刀轴的转速等。测定的方法根据农业机械行业标准和相关参考文献。

图7　茶园微耕机实验现场图

试验结果：微耕机在茶园工作的过程中，工作平稳可靠，测得相关数据如表2所示。采用茶园微耕机进行除草碎土，耕深耕宽都达到了茶园规定的范围，工作后茶园地表较平整，碎土除草效果好；刀轴的转速，驱动轮前进的速度能够达到设计的参数要求；对茶园来回进行4次作业才能满足耕作深度与除草效果要求，微耕机的工作效率是人工的工作效率的7倍。

表2　试验测试结果

5结论

所设计的茶园微耕机，满足在行距100～130cm、株距15～25cm的单株双条列式种植茶园的耕作要求。该微耕机结构简单，操作方便，除草的完整度在90%左右，耕作的稳定性为92%。通过运动分析与试验，该小型微耕机有以下特点：

1)微耕机结构简单，体积小，工作的稳定性好，便于农户操作；

2)微耕机适合茶园的直线行走与转向，刀轴采用逆向旋转，能够在保证耕深耕宽的前提下减少能量的损耗；

3)为了满足茶园耕作深度与除草效果要求，需4次来回作业，微耕机的工作效率达到了0.33m/h，是人工的7倍；

4)在不同挡位的调节下，微耕机能够实现刀轴转速的调节与耕深的适当调控，不仅能够满足茶园的除草碎土的作业功能，还能广泛适用于平原山区的旱地、果园等土壤的除草耕耘作业。

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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

文章编号：1003-188X(2016)01-0101-05

中图分类号：S222.29

文献标识码：A

作者简介：王小勇(1992-)男，安徽黄山人，硕士研究生，(E-mail)763100184@qq.com。通讯作者：李兵(1971-)男，安徽明光人，副教授，博士，(E-mail)libing@ahau.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201303012)；农业部茶园机械专项基金项目(11008702)

收稿日期：2015-01-06