謝紅梅，葉自旺，梁 策

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

茶葉是世界著名的三大飲料之一，具有清頭目、醒精神、解煩渴、利小便、消食積及解毒等功效，一直深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。全國(guó)分布有幾大茶葉種植區(qū)，廣西就是其中一個(gè)重要的茶葉生產(chǎn)區(qū)；但由于廣西丘陵地帶以及惡劣的自然條件，使得茶葉的種植工作主要依靠手工的方法進(jìn)行。由于茶樹(shù)主要種植在丘陵山地等地帶，土地緊實(shí)，不易進(jìn)行開(kāi)溝工作，單純依靠手工進(jìn)行開(kāi)溝和施肥顯然勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響了茶葉的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使得純手工的茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥難以滿足日益增長(zhǎng)的茶葉需求。

為了解決純手工的茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，本文提出了一種小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)，為解決茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥過(guò)程中純手工開(kāi)溝和施肥及勞動(dòng)強(qiáng)度大等的問(wèn)題提供了新的思路及解決方案。本文在小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中做出了較好的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的刀具升降功能及在開(kāi)溝的過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)施肥功能，并為需要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)有限元分析，避免產(chǎn)生干涉等問(wèn)題。最后，實(shí)際環(huán)節(jié)中對(duì)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此來(lái)優(yōu)化小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的結(jié)構(gòu)以及零部件的尺寸，保證小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的開(kāi)溝和施肥一體化，在滿足社會(huì)需求的情況下，實(shí)現(xiàn)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體化。

1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理分析

1.1 小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)主要由3大部分組成，分別為車架、升降機(jī)構(gòu)和電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，升降機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用升降桿上的套筒在升降導(dǎo)槽上做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)而使得升降架進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)開(kāi)溝刀具的升降運(yùn)動(dòng)的原理，這里同時(shí)應(yīng)用了螺紋自鎖的原理使得升降架在螺桿的自鎖作用下進(jìn)行開(kāi)溝刀具的定位，使得開(kāi)溝刀具能夠在轉(zhuǎn)盤(pán)的調(diào)節(jié)下處于開(kāi)溝和不開(kāi)溝狀態(tài)。在電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，通過(guò)減速機(jī)和皮帶的帶動(dòng)，使得電機(jī)可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)開(kāi)溝刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮到實(shí)際工作過(guò)程中動(dòng)力因素，為電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配備了減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)力的傳動(dòng)，起到減速增距的作用，從而保證實(shí)際工作中的開(kāi)溝作業(yè)；同時(shí)為了保持皮帶的張緊力，需要增加張緊輪，以保證皮帶的傳輸效率。運(yùn)用三維造型軟件UG對(duì)其進(jìn)行三維造型，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

主要針對(duì)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)中的電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此保證小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)獲得足夠的動(dòng)力，滿足生產(chǎn)需要。

此處選擇的皮帶類型為普通A型V帶，在這里設(shè)置兩皮帶輪的距離為a=500mm,大帶輪的直徑為d2=315mm，小帶輪直徑d1=90mm,由此可計(jì)算出小帶輪與大帶輪的包角分別為?1和?2，即

此時(shí)，選擇的皮帶輪包角均大于120°，可保證皮帶與帶輪的接觸面產(chǎn)生的總摩擦力很大，以此保證了皮帶的傳動(dòng)能力提高及滿足開(kāi)溝需求。

(a) 小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的三維造型

(b) 1.轉(zhuǎn)動(dòng)手盤(pán) 2.螺桿 3.升降導(dǎo)槽 4.升降固定架 5.升降桿 6.升降架 7.升降桿套筒 8.開(kāi)溝刀片 9.機(jī)底架 10.滾動(dòng)軸承座 11.前輪 12.后輪 13.肥料輸出管 14.皮帶 15.電機(jī) 16.大帶輪 17.減速機(jī) 18.肥料收集箱 19.把手 20.開(kāi)溝刀具 21.小帶輪圖1 小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的升降機(jī)構(gòu)的三維造型Fig.1 Three - Dimensional modeling of lifting mechanism of small - size Tea tree ditching and fertilizer

1.3 小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的工作原理分析

小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體化同時(shí)具有刀具升降功能及在開(kāi)溝的過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)施肥功能的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，其整體的運(yùn)動(dòng)靠電機(jī)在驅(qū)動(dòng)開(kāi)溝刀具旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中推動(dòng)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)開(kāi)溝刀具不工作時(shí)，可通過(guò)推動(dòng)把手使得小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手盤(pán)，使得升降機(jī)構(gòu)在套筒在升降導(dǎo)槽滾動(dòng)的輔助作用下進(jìn)行開(kāi)溝刀具升降運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)手盤(pán)的下方通過(guò)螺桿上螺紋的自鎖作用能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)溝刀具的定位作用，使得開(kāi)溝刀具能夠懸停在一定的高度，方便進(jìn)行作業(yè)。

車架由升降導(dǎo)槽、升降固定架、機(jī)底架、前輪、把手、后輪、肥料收集箱，以及肥料輸出管組成。其中，升降固定架和前輪位于小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的前方，升降固定架豎直安裝，與肥料收集箱焊接在一起，肥料輸出管安裝在肥料收集箱的底部，在升降固定架上開(kāi)有4處升降導(dǎo)槽，使得升降機(jī)構(gòu)上的升降架能夠進(jìn)行豎直升降運(yùn)動(dòng)；把手和后輪安裝在小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的后方，機(jī)底架位于整體裝置的底部，起到支撐的作用。車架主要起到支撐的作用，用來(lái)放置電機(jī)、開(kāi)溝刀具等機(jī)構(gòu)。

升降機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)手盤(pán)、螺桿、升降桿、升降架、升降桿套筒、開(kāi)溝刀片、滾動(dòng)軸承座，以及開(kāi)溝刀具組成。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)手盤(pán)位于裝置的最上方，轉(zhuǎn)動(dòng)手盤(pán)下連接有螺桿，螺桿穿過(guò)帶有螺孔的升降固定架，可利用螺紋的自鎖作用實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝刀具在豎直方向上的定位；在螺桿的底部用螺母連接有升降架，升降架上平行分布有兩根升降桿，在每根升降桿的首尾兩端上安裝有套筒，通過(guò)套筒的滾動(dòng)作用可以實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)；在升降架的底端安裝有兩個(gè)滾動(dòng)軸承座，在這兩個(gè)滾動(dòng)軸承座的中間分布有開(kāi)溝刀具，開(kāi)溝刀具由4片開(kāi)溝刀片組成，4片開(kāi)溝刀在開(kāi)溝刀具上呈現(xiàn)“T”字形分布，在橫向方向上左右兩邊各分布有一片開(kāi)溝刀，在縱向方向上同向分布有兩片開(kāi)溝刀。升降機(jī)構(gòu)是小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)重要組成部分，此處主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)手盤(pán)穿過(guò)帶有螺孔的升降固定架從而使得機(jī)構(gòu)作上下升降運(yùn)動(dòng)，以及螺紋的自鎖功能，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝刀具的調(diào)節(jié)定位作用，使得開(kāi)溝刀具可以按照預(yù)定的高度進(jìn)行開(kāi)溝，保證了小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)工作的可靠性。

電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由減速機(jī)、大帶輪、電機(jī)、皮帶，以及小帶輪組成。其中，電機(jī)通過(guò)螺栓和螺母固定在車架上，減速機(jī)也通過(guò)螺栓和螺母固定在車架上，電機(jī)和減速機(jī)通過(guò)套筒連接在一起；在減速機(jī)的輸出軸上安裝有大帶輪，小帶輪安裝在開(kāi)溝刀具的同軸上，大帶輪通過(guò)皮帶可以帶動(dòng)小帶輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以帶動(dòng)開(kāi)溝刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的動(dòng)力部分，主要通過(guò)電機(jī)和減速機(jī)的作用帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得開(kāi)溝刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的功能。

2 有限元分析

在UG中做好三維造型后直接在UG中進(jìn)行有限元分析，目的在于驗(yàn)證機(jī)械的可運(yùn)行性及材料是否滿足實(shí)際的工作需要。首先對(duì)該裝置的整體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，以此來(lái)模擬該裝置在實(shí)際使用過(guò)程中的受力情況(見(jiàn)圖2)，從而驗(yàn)證小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的材料是否滿足實(shí)際的工作需要。在圖2中對(duì)裝置的整體進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格尺寸為8mm，定義網(wǎng)格的劃分方法以六面體為主，即讓有限元模型具有盡量多的六面體網(wǎng)格，最后生成網(wǎng)格。

圖2 小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh patterns of ditching and fertilizing machines for small tea trees

2.1 開(kāi)溝刀的有限元分析

對(duì)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)進(jìn)行整體的網(wǎng)格劃分之后，著重對(duì)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的開(kāi)溝刀進(jìn)行有限元分析，以此來(lái)驗(yàn)證開(kāi)溝刀的材料強(qiáng)度是否滿足實(shí)際的生產(chǎn)需要。由有限元分析得出了小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的開(kāi)溝刀的等效應(yīng)力云圖及等效位移云圖，如圖3和圖4所示。

根據(jù)具體的工作情況進(jìn)行詳細(xì)的分析，小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的零部件需要有足夠的韌性、耐磨性及強(qiáng)度，因此材料使用中碳馬氏體鋼。中碳馬氏體鋼的彈性模量E=32GPA，屈服極限δs=380MPa，泊松比μ=0.3。在進(jìn)行有限元分析中，通過(guò)UG的指派材料功能進(jìn)行材料屬性編輯。

開(kāi)溝刀作為小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的最重要的受力部件，著重對(duì)開(kāi)溝刀進(jìn)行力學(xué)分析。對(duì)開(kāi)溝刀的垂直面上向外施加100N的作用力以此來(lái)模擬開(kāi)溝刀在實(shí)際的工作中的受力情況，由此可得出了如圖3、4所示的小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的等效應(yīng)力云圖及等效位移云圖。

圖3 開(kāi)溝刀的等效應(yīng)力云圖Fig.3 The equivalent stress cloud of the ditch knife

圖4 開(kāi)溝刀的等效位移云圖Fig.4 The equivalent displacement cloud diagram of the ditch knife

2.2 有限元結(jié)果

經(jīng)有限元計(jì)算，開(kāi)溝刀最大應(yīng)力發(fā)生在開(kāi)溝刀接近轉(zhuǎn)軸的位置，其最大應(yīng)力為3.559MPa，因此可認(rèn)定小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

3 試驗(yàn)分析

由上述的力學(xué)分析可知小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的零部件滿足強(qiáng)度和剛度的要求，且具有可行性。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格對(duì)茶樹(shù)生活環(huán)境及生長(zhǎng)規(guī)律的研究，不斷優(yōu)化產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)，確定各零件的具體數(shù)值及裝配工藝，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和開(kāi)溝和施肥效率測(cè)試，以保證小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的工作效率明顯高于人工開(kāi)溝和施肥，以及能夠最大限度地減輕農(nóng)民們的勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明：小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)的零部件滿足強(qiáng)度和剛度的要求，具有很好的開(kāi)溝和施肥效率；開(kāi)溝和施肥一體機(jī)工作速度比純手工作業(yè)快將近兩倍。且小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，開(kāi)溝效率高，對(duì)茶樹(shù)的開(kāi)溝和施肥有很好的適應(yīng)性以及很好的應(yīng)用前景，其實(shí)物圖如圖5、圖6所示。

圖5 小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)整體實(shí)物圖Fig.5 The graph of the small tea tree all-in-one trenching and fertilizer application

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)有限元分析及對(duì)一體機(jī)的實(shí)地測(cè)試可知：小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)具有很好的工作可靠性和安全性，其實(shí)際工作效率更是純手工作業(yè)的將近兩倍。小型茶樹(shù)開(kāi)溝和施肥一體機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，開(kāi)溝效率高，適應(yīng)性好，明顯具有優(yōu)于傳統(tǒng)手工的優(yōu)勢(shì)，滿足了生產(chǎn)需要，極具發(fā)展前景。