張曉龍 伍德林 高發(fā)允 劉堯堯

摘要：隨著茶園種植業(yè)的發(fā)展壯大，以人工為主的種植模式早已不能適應發(fā)展需求，存在效率低、勞動強度大、費時費工等諸多問題?；谶@樣的現(xiàn)實問題并且綜合了我國耕地的基本國情以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，我們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、工作效率等遠遠大于人工作業(yè)。整個機具結構簡單、設計巧妙、造價低，該機具的投入使用將大大減輕農(nóng)民的勞動強度。田間試驗結果表明微耕機的平均耕深為120mm，平均耕作幅寬為270mm，各項參數(shù)均高于技術要求，能夠滿足茶園作業(yè)要求。

關鍵詞：茶園；微耕機；旋耕刀；田間試驗

0引言

我國現(xiàn)在有茶園面積達到170萬公頃，茶區(qū)分布廣泛。茶樹是多年生常綠植物，每年的采收時間長達6～9個月。茶葉生產(chǎn)由勞動密集型向技術密集型轉變，我國茶園管理機械發(fā)展緩慢，機械的生產(chǎn)制造和應用水平較低，一直達不到茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求[1]。目前，國內(nèi)茶園管理機械的使用大多與大田機械通用或者經(jīng)大田機械改制過來，國內(nèi)雖然有少數(shù)茶園機械生產(chǎn)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(chǎn)的要求，國外廠家生產(chǎn)的機械又不能很好的適應我國的茶園類型，且價格較貴。當前狀況下，我國的茶園管理機械化水平較低，人工作業(yè)還處于主導地位。隨著我國近年來城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，農(nóng)村勞動力大量的轉移外出，勞力缺口問題嚴重，成為很多茶葉生產(chǎn)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(chǎn)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，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、重量輕、機動靈活性強等特點，主要用于田園整地、棚室作業(yè)和設施農(nóng)業(yè)等耕耘作業(yè)[3-5]。

在茶園耕作上，本文針對個體農(nóng)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(nóng)戶能負擔的起的經(jīng)濟實用型茶園微耕機，提高茶園耕作機械化水平，使得小型耕作設備不斷深入到實際生產(chǎn)，從而促進茶葉生產(chǎn)全程機械化。

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。

圖1 便攜式茶園微耕機結構示意圖

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、油門線熄火開關。本機的顯著特點是：在外型上減小了機子的尺寸結構，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

該機的工作原理是在田間作業(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既對地面有剪切破碎作用同時也給整機一個向前的驅(qū)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，來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：270

工作效率/km2.h-1 ：0.24

碎土率/%：80

旋耕深度/mm：120

作業(yè)速度/km.h-1：3-5

配套動力/kw：1.8

3.關鍵部件及關鍵技術

3.1旋耕刀

旋耕刀工作時，由發(fā)動機傳過來的動力經(jīng)渦輪減速后傳到旋耕刀軸上，刀軸上有一定位銷對旋耕刀進行定位，并帶動刀片旋轉碎土。由于茶園微耕機土壤較疏松，土面上雜草桿莖較少。其次，微耕機功率較小，刀片的外形應能在有效入土、減小阻力和有效的降低能耗等方面入手，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(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1所示。圖中幾何關系有；

γ=γ0 — Δε=ε+i （1）

ε=ε0 —Δε （2）

式中：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 是定值。由式（1）（2）可知Δε的數(shù)值直接決定γ和ε。

由圖刀齒速度關系可知：

Δε=arctg （3）

式中： 為刀齒位置角；λ為速比系數(shù)。由式得到Δε隨 變化而變化，在相同的 下，Δε隨λ的減小而增大，切土角γ和隙角ε則隨Δε的增大而減小。按設計要求，刀片γmin 和εmin 取值要適中。本機速比λ=6，此時對應的Δεmax =10o 左右。正切面最小隙角εmin 將有較大的減小。在此基礎上，還做了進一步改進，減小磨刀角i0 、適當增加刀片靜態(tài)切土角γ0 到38o 為宜。

3.1.2 直角刀片側切刃的滑切性能分析

直角刀側切刃應有一定的滑切作用以便于切開土壤和斬斷草莖等，草莖在被切時能沿刃口滑動。側切刃滑切性能的優(yōu)劣與滑切角大小有關，滑切角越大，滑切性能越好。

在機器靜止時，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之間的夾角相等[8]。

Sinτc = （4）

式中：e為刀片安裝的偏心距；r為B點的回轉半徑；

當機器前進時，合速度ν和刀輥速度rω 不重合，形成Δτ的偏角。在此，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3得到在A處的Δτ為：

ΔτA =tg-1 = （6）

式中：λ為速比系數(shù)；α為刀片A點在改瞬時的轉角。

則側切刃在任一點Δτ值得大小為：

Δτ=tg-1 （7）

式7可知：Δτ既與λ和α相關。

3.3機架與扶手架的調(diào)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(diào)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。調(diào)整結構的設計對整個機具的機構更加緊密，操縱性、穩(wěn)定性更好。機架部分將整個零部件固定在一起，使整個機具更緊湊，更易操作。

提升機具效率，減小耕作強度是本設計的主要目的。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。由于操作人員高度不同，扶手的高度對操作人員在工作時的方便工作和舒適程度尤其重要。

人體的平均身高在170cm左右，扶手最合適高度在800～1100mm，根據(jù)這一數(shù)據(jù)以及人機工程學知識，設計扶手的長度和角度，并且設計了可自行調(diào)節(jié)的裝置。調(diào)整范圍如圖所示。

設定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為一值；當X1=Ymax時，扶手為最大高度，此時θ值為最大。設定最大值為α=arcsinX1-X0/Ymax

當X2為800mm時，扶手為最大高度，此時θ值最??；設定最小值為β=arcsinX2-X0/Ymin

由此可知，當設定扶手高度在Ymin～Ymax之間時，扶手架的調(diào)整角度范圍在α～β間。所以可在扶手長度和高度之間去任意調(diào)整一配備不同操作人員的高度，以達到最佳舒適組合。

4試驗結果與改進

4.1 試驗情況，

該機在2014年9月下旬開始試驗，試驗結果見表1所示。有表1可看出，該機主要試驗性能指標能達到設計要求。

4.2 存在問題及解決方案

（1）機具配重與耕深之間有關聯(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。實驗過程中出現(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。

參考文獻

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