茶园微耕机的设计与试验研究

张晓龙 伍德林 高发允 刘尧尧

摘要：随着茶园种植业的发展壮大，以人工为主的种植模式早已不能适应发展需求，存在效率低、劳动强度大、费时费工等诸多问题。基于这样的现实问题并且综合了我国耕地的基本国情以及茶园式微耕机的发展现状与茶园耕地之间的不匹配的情况，我们设计制造了便携式茶园微耕机。该机具旋耕刀采用直角刀片，使得入土、碎土能力增强、机器行走正常不跑偏、旋耕消耗能量较少、工作效率等远远大于人工作业。整个机具结构简单、设计巧妙、造价低，该机具的投入使用将大大减轻农民的劳动强度。田间试验结果表明微耕机的平均耕深为120mm，平均耕作幅宽为270mm，各项参数均高于技术要求，能够满足茶园作业要求。

关键词：茶园；微耕机；旋耕刀；田间试验

0引言

我国现在有茶园面积达到170万公顷，茶区分布广泛。茶树是多年生常绿植物，每年的采收时间长达6～9个月。茶叶生产由劳动密集型向技术密集型转变，我国茶园管理机械发展缓慢，机械的生产制造和应用水平较低，一直达不到茶产业的发展需求[1]。目前，国内茶园管理机械的使用大多与大田机械通用或者经大田机械改制过来，国内虽然有少数茶园机械生产厂家，但机器的作业能力和作业效率还达不到茶叶机械化生产的要求，国外厂家生产的机械又不能很好的适应我国的茶园类型，且价格较贵。当前状况下，我国的茶园管理机械化水平较低，人工作业还处于主导地位。随着我国近年来城镇化建设的不断推进，农村劳动力大量的转移外出，劳力缺口问题严重，成为很多茶叶生产的主要难题，随着经济社会和大量茶园的快速发展，解决并提高机械化生产水平成为不可回避的现实问题[2]。

长期以来，茶园耕作一直沿用传统的手工劳作方式，强度大效率低，随着茶园种植面积的不断扩大，对机械化要求也越来越迫切。微耕机具有体积小、重量轻、机动灵活性强等特点，主要用于田园整地、棚室作业和设施农业等耕耘作业[3-5]。

在茶园耕作上，本文针对个体农户自主经营、经济条件有限的情况，充分考虑其承受能力，设计普及个体农户能负担的起的经济实用型茶园微耕机，提高茶园耕作机械化水平，使得小型耕作设备不断深入到实际生产，从而促进茶叶生产全程机械化。

1 总体结构及工作原理

1.1 主要结构组成及特点

该机在大田旋耕机的基础上研究开发的，总体设计如图1所示。

图1 便携式茶园微耕机结构示意图

1.旋耕刀 2传动装置 3发动机 4支撑轮 5手把

该机主要由支撑轮、齿轮箱、发动机、挡泥板、手把、手柄、手把旋钮，提把，油门开关、油门线熄火开关。本机的显著特点是：在外型上减小了机子的尺寸结构，大大提升了操作的方便性，在旋耕刀具上的设计更加符合茶园微耕需求，防止了缠草，旋耕深度一致性得到保障。

1.2工作原理

该机的工作原理是在田间作业时，发动机的动力经传动轴传到齿轮箱，齿轮箱将动力经两半轴传到刀片上，使微耕机的刀片获得速度，旋耕刀与地面的接触既对地面有剪切破碎作用同时也给整机一个向前的驱动力，保证了整机的快速前行。操作人员通过操纵油门开关来控制发动机转速从而控制了旋耕刀的转速，来保证旋耕机的旋耕深度和碎土能力。

2.主要技术参数

工作幅宽/mm：270

工作效率/km2.h-1 ：0.24

碎土率/%：80

旋耕深度/mm：120

作业速度/km.h-1：3-5

配套动力/kw：1.8

3.关键部件及关键技术

3.1旋耕刀

旋耕刀工作时，由发动机传过来的动力经涡轮减速后传到旋耕刀轴上，刀轴上有一定位销对旋耕刀进行定位，并带动刀片旋转碎土。由于茶园微耕机土壤较疏松，土面上杂草杆茎较少。其次，微耕机功率较小，刀片的外形应能在有效入土、减小阻力和有效的降低能耗等方面入手，在刀片的设计上选择直角刀能满足以上要求[6]。

3.1.1直角刀正切面的设计

直角刀片正切面几何参数主要指切土角γ（刀齿内刃面与余摆线切线的夹角）和隙角ε（刀齿外刃面和余摆线切线的夹角）[7]，如图1所示。图中几何关系有；

γ=γ0 — Δε=ε+i （1）

ε=ε0 —Δε （2）

式中：γ0为静态切土角（刀齒正切刃内刃面与刀齿半径R所做圆弧的切线的夹角）；ε0 为静态隙角（刀齿正切刃外刃面与刀齿半径R所做圆弧的切线的夹角）；i为磨刀角；Δε为圆周切线和余摆线切线之间的夹角。

刀片的静态切土角γ0 和静态隙角ε0 是定值。由式（1）（2）可知Δε的数值直接决定γ和ε。

由图刀齿速度关系可知：

Δε=arctg （3）

式中： 为刀齿位置角；λ为速比系数。由式得到Δε随 变化而变化，在相同的 下，Δε随λ的减小而增大，切土角γ和隙角ε则随Δε的增大而减小。按设计要求，刀片γmin 和εmin 取值要适中。本机速比λ=6，此时对应的Δεmax =10o 左右。正切面最小隙角εmin 将有较大的减小。在此基础上，还做了进一步改进，减小磨刀角i0 、适当增加刀片静态切土角γ0 到38o 为宜。

3.1.2 直角刀片侧切刃的滑切性能分析

直角刀侧切刃应有一定的滑切作用以便于切开土壤和斩断草茎等，草茎在被切时能沿刃口滑动。侧切刃滑切性能的优劣与滑切角大小有关，滑切角越大，滑切性能越好。

在机器静止时，τc （直线刀刃MN上某点B的运动速度方向与刃口法线方向的夹角）与过刀刃B点极径OB和刀刃切线t-t之间的夹角相等[8]。

Sinτc = （4）

式中：e为刀片安装的偏心距；r为B点的回转半径；

当机器前进时，合速度ν和刀辊速度rω 不重合，形成Δτ的偏角。在此，引入动态滑切角τk （刃口上任一点的法线与该点的绝对速度方向上的夹角）。

τk =τc –Δτ （5）

由图3得到在A处的Δτ为：

ΔτA =tg-1 = （6）

式中：λ为速比系数；α为刀片A点在改瞬时的转角。

则侧切刃在任一点Δτ值得大小为：

Δτ=tg-1 （7）

式7可知：Δτ既与λ和α相关。

3.3机架与扶手架的调整范围

机架是整个机具的支撑部件，其中一部分为机架的调整部分，是为了使不同人员操作时，人手握把手对机具的操作和对旋耕刀与土壤接触深度的一个控制。调整结构的设计对整个机具的机构更加紧密，操纵性、稳定性更好。机架部分将整个零部件固定在一起，使整个机具更紧凑，更易操作。

提升机具效率，减小耕作强度是本设计的主要目的。茶园便携式微耕机针对扶手框架等部件与实际情况进行对比设计。由于操作人员高度不同，扶手的高度对操作人员在工作时的方便工作和舒适程度尤其重要。

人体的平均身高在170cm左右，扶手最合适高度在800～1100mm，根据这一数据以及人机工程学知识，设计扶手的长度和角度，并且设计了可自行调节的装置。调整范围如图所示。

设定Ymax为扶手支架的最大长度，Ymin为扶手支架的最小长度。其中支架到地面有固定高度X0，取X0为一值；当X1=Ymax时，扶手为最大高度，此时θ值为最大。设定最大值为α=arcsinX1-X0/Ymax

当X2为800mm时，扶手为最大高度，此时θ值最小；设定最小值为β=arcsinX2-X0/Ymin

由此可知，当设定扶手高度在Ymin～Ymax之间时，扶手架的调整角度范围在α～β间。所以可在扶手长度和高度之间去任意调整一配备不同操作人员的高度，以达到最佳舒适组合。

4试验结果与改进

4.1 试验情况，

该机在2014年9月下旬开始试验，试验结果见表1所示。有表1可看出，该机主要试验性能指标能达到设计要求。

4.2 存在问题及解决方案

（1）机具配重与耕深之间有关联。旋耕刀在土壤较硬的地块上，耕作效果较差。主要是实际工作中机具重量较轻，旋耕刀速度较大，切削土壤的力达不到要求，有待进一度改进。

（2）支撑轮中间轴在行走过程中容易剐蹭土壤造成行驶阻力加大。实验过程中出现轮轴剐蹭地面以及耕深不一致现象。解决的方法是有在不同土壤平整度情况下使用不同大小的支撑轮，以便防止轮轴有行驶阻力和旋耕刀旋耕深度不一致。

参考文献

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[3]闫国琦，张铁民，徐相华，李继宇. 我国微耕机技术现状与发展趋势[J]. 安徽农業科学，2008.36（25）：11137-11139.

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