徐成剛，李　兵，李尚慶，曾　晨，王小勇

(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　233006)

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便攜式茶園微耕機(jī)的設(shè)計(jì)研究

徐成剛a，李兵a，李尚慶b，曾晨a，王小勇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233006)

摘要：當(dāng)前我國(guó)大力發(fā)展茶園種植業(yè)，以往人力為主要?jiǎng)趧?dòng)力的生產(chǎn)方式滿足不了發(fā)展要求，主要存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)費(fèi)工等許多問題。為此，綜合了我國(guó)耕地的基本國(guó)情及茶園式微耕機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與茶園耕地之間的不匹配的情況，并設(shè)計(jì)制造了便攜式茶園微耕機(jī)。該機(jī)具旋耕刀采用直角刀片，使得入土、碎土能力增強(qiáng)，機(jī)器行走正常不跑偏、旋耕消耗能量較少、工作效率遠(yuǎn)大于人工作業(yè)。該便攜式微耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧便利、生產(chǎn)成本低，投入茶園生產(chǎn)后將大大提高農(nóng)民生產(chǎn)積極性和生產(chǎn)效率。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該微耕機(jī)的平均耕深為130mm,平均耕作幅寬為300mm，各項(xiàng)參數(shù)均符合生產(chǎn)技術(shù)要求，能夠滿足茶園作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：茶園；微耕機(jī)；旋耕刀

0引言

我國(guó)現(xiàn)在有茶園面積達(dá)到170萬hm2，茶區(qū)分布廣泛。我國(guó)茶葉生產(chǎn)由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，但茶園管理機(jī)械發(fā)展緩慢，機(jī)械的生產(chǎn)制造和應(yīng)用水平較低，一直都不能適應(yīng)茶業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展需求[1]。目前，國(guó)內(nèi)一些茶園管理機(jī)械的使用依然以大田機(jī)械來代替或者一些生產(chǎn)廠家改制一些大田機(jī)械來適應(yīng)茶園生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)一些茶園機(jī)械生產(chǎn)廠家，但機(jī)器的作業(yè)能力和作業(yè)效率還達(dá)不到茶葉機(jī)械化生產(chǎn)的要求，國(guó)外廠家生產(chǎn)的機(jī)械又不能很好的適應(yīng)我國(guó)的茶園類型，且價(jià)格較貴。目前，我國(guó)茶園管理機(jī)械化水平較低，人工作業(yè)依然是主要生產(chǎn)方式。近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，農(nóng)村勞動(dòng)力大量外流，在茶葉采摘高峰期，勞力短缺嚴(yán)重，成為阻礙茶葉生產(chǎn)的主要難題。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和大量茶園的快速發(fā)展，解決并提高機(jī)械化生產(chǎn)水平成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題[2]。

長(zhǎng)期以來，茶園耕作一直沿用傳統(tǒng)的手工勞作方式，強(qiáng)度大、效率低，且隨著茶園種植面積的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)械化要求也越來越迫切。微耕機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于田園整地、棚室作業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)等耕耘作業(yè)[3-5]。

在茶園耕作上，本文針對(duì)個(gè)體農(nóng)戶自主經(jīng)營(yíng)、經(jīng)濟(jì)條件有限的情況，充分考慮其承受能力，設(shè)計(jì)普及個(gè)體農(nóng)戶能負(fù)擔(dān)起的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型茶園微耕機(jī)，以提高茶園耕作機(jī)械化水平。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

該機(jī)在大田旋耕機(jī)的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.旋耕刀　2.傳動(dòng)裝置　3.發(fā)動(dòng)機(jī)　4.支撐輪　5.手把

該機(jī)主要由支撐輪、齒輪箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、擋泥板、手把、手柄、手把旋鈕、提把、油門開關(guān)及油門線熄火開關(guān)組成。本機(jī)的顯著特點(diǎn)是：在外型上減小了機(jī)具的尺寸結(jié)構(gòu)，大大提升了操作的方便性；在旋耕刀具上的設(shè)計(jì)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸傳到齒輪箱，齒輪箱將動(dòng)力經(jīng)兩半軸傳到刀片上，使微耕機(jī)的刀片獲得速度；旋耕刀與地面的接觸，即對(duì)地面有剪切破碎作用同時(shí)也給整機(jī)一個(gè)向前的驅(qū)動(dòng)力，保證了整機(jī)的快速前行。操作人員通過操縱油門開關(guān)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制了旋耕刀的轉(zhuǎn)速，以此保證旋耕機(jī)的旋耕深度和碎土能力。

2主要技術(shù)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(dòng)力/kW：1.8

刀輥轉(zhuǎn)速/r·min-1：300～400

3關(guān)鍵部件及關(guān)鍵技術(shù)

3.1旋耕刀

手扶式茶園微耕機(jī)旋耕刀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　便攜式茶園微耕機(jī)旋耕刀結(jié)構(gòu)示意圖

旋耕刀工作時(shí)，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)旋耕刀定位，并帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)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(jī)功率較小，刀片的外形設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

直角刀片正切面幾何參數(shù)主要指切土角γ(刀齒內(nèi)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(guān)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(nèi)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(guān)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(shí)，λ減小而Δε增大，切土角γ和隙角ε與Δε成反比關(guān)系，隨Δε的增大而減小。本機(jī)速比λ=6，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Δεmax=10°左右。正切面最小隙角εmin將有較大的減小，在此基礎(chǔ)上，減小磨刀角i0、適當(dāng)增加刀片靜態(tài)切土角γ0到38°，對(duì)刀片有較好改進(jìn)。

3.1.2直角刀片側(cè)切刃的滑切作用分析

為便于有效切開土壤和斬?cái)嗖萸o，直角刀側(cè)切刃應(yīng)具有一定的滑切作用，草莖在被切時(shí)能沿刃口產(chǎn)生滑動(dòng)。側(cè)切刃滑切作用與滑切角大小有關(guān)，滑切角越大，滑切性能越好，刀片性能越優(yōu)越。

刀片靜止時(shí)，τc(直線刀刃MN上某點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)速度方向與刃口法線方向的夾角)與過刀刃B點(diǎn)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(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑。

當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)時(shí)，合速度ν和刀輥速度rω不重合，形成偏角Δτ，引入動(dòng)態(tài)滑切角τk(刃口上任一點(diǎn)的法線與該點(diǎn)的絕對(duì)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(diǎn)在改瞬時(shí)的轉(zhuǎn)角。

圖5　直角刀片的動(dòng)態(tài)滑切角

則側(cè)切刃在任一點(diǎn)偏角Δτ的大小為

(7)

由式(7)可知：Δτ既與λ和α相關(guān)。

( 8)

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

圖6　R、H和α的關(guān)系圖

3.2傳動(dòng)裝置

3.3機(jī)架與扶手架的調(diào)整范圍

機(jī)架是整個(gè)機(jī)具的支撐部件，其中一部分為機(jī)架的調(diào)整部分，是為了使不同人員操作時(shí)，人手握把手對(duì)機(jī)具的操作和對(duì)旋耕刀與土壤接觸深度的一個(gè)控制。把手架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得整個(gè)機(jī)具使用起來更加輕便，操縱性、穩(wěn)定性更好。機(jī)架部分將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在旋耕刀輥上部，動(dòng)力輸出軸與旋耕刀刀軸成直角，利于蝸輪蝸桿傳動(dòng)在機(jī)架上的布置，使機(jī)具整體更緊湊，更易操作。

本設(shè)計(jì)目的在于不損失機(jī)具效率的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來減小耕作勞動(dòng)強(qiáng)度以及降低微耕機(jī)的整機(jī)重量，從而使機(jī)具方便運(yùn)輸和攜帶[11]。茶園便攜式微耕機(jī)針對(duì)扶手框架等部件與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)。對(duì)扶手可調(diào)節(jié)性的設(shè)計(jì)是基于不同高度操作人員長(zhǎng)時(shí)間操作機(jī)具而容易產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致使用舒適度降低，生產(chǎn)效率下降。因此，扶手設(shè)計(jì)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(jié)合人機(jī)工程學(xué)知識(shí)來設(shè)計(jì)扶手的可調(diào)長(zhǎng)度和角度，并且設(shè)計(jì)了內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)來自行調(diào)節(jié)扶手角度。調(diào)整范圍如圖8所示。

圖7　渦輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)

圖8　扶手調(diào)整范圍

設(shè)Y為可伸縮扶手支架的長(zhǎng)度，Ymax為扶手支架的最大長(zhǎng)度，Ymin為扶手支架的最小長(zhǎng)度。其中，支架到地面有固定高度X0，取X0=300mm；當(dāng)扶手支架達(dá)到最大長(zhǎng)度和最大高度時(shí)，扶手可調(diào)角度在最大值。由圖8幾何關(guān)系得

當(dāng)扶手支架長(zhǎng)度調(diào)到最短并且高度最矮時(shí)，扶手角度為最小值，有

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

3.4支撐輪

支撐輪作為整個(gè)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部件，在工作時(shí)起著重要作用。為了控制整機(jī)行駛阻力、防止因旋耕刀旋耕深度大導(dǎo)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(duì)孔，調(diào)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(yàn)結(jié)果與改進(jìn)

4.1試驗(yàn)情況

該機(jī)在2015年3月下旬開始試驗(yàn)(見圖9)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可看出：該機(jī)主要試驗(yàn)性能指標(biāo)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9　田間試驗(yàn)

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

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(yàn)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(hào)：1003-188X(2016)05-0107-05

中圖分類號(hào)：S222.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303012)

收稿日期：2015-04-11