一種小型茶園中耕機的研制

楊擁軍 陳力航 喻季紅 劉偉英 羅 意

（1湖南省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所·長沙·410125；2湖南農(nóng)業(yè)大學工程學院·長沙·410128）

1 目的與意義

由于我國大部分茶園處在丘陵山區(qū)，土壤比較貧瘠，茶樹管理過程中依賴大量施用化肥來提高茶葉產(chǎn)量，因而出現(xiàn)茶園大面積土壤有機質(zhì)下降、土壤蓄養(yǎng)能力降低、板結(jié)嚴重等一系列問題，同時由于勞力短缺，茶園未能及時有效耕作，雜草叢生，使得傳統(tǒng)茶園耕作機具難以適應現(xiàn)有茶園的作業(yè)，嚴重制約了現(xiàn)代茶業(yè)的健康發(fā)展。針對我國茶園出現(xiàn)的這一系列問題，為加快產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有必要設計出新的耕作機具來解決這些存在的問題。[1,2]

該小型茶園中耕機是在煙草作物中耕機的基礎(chǔ)上進行的改進設計，重點圍繞組合刀具設計、整體防護罩優(yōu)化、底盤優(yōu)化等展開綜合研究，以期進一步提高機具的茶園適應能力，確保工作過程連續(xù)、流暢和高效。

2 工作原理及主要設計內(nèi)容

2.1 工作原理

該茶園中耕機由機架、傳動系統(tǒng)、旋耕刀刀軸、旋耕刀片、靜刀刀軸、靜刀片、限深裝置、罩殼安裝栓、罩殼等組成，其除纏部分結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

機器工作時通過柴油機輸出動力，由帶輪裝置轉(zhuǎn)經(jīng)槽輪將動力傳遞到一級變速箱，通過一級變速箱的調(diào)速后將動力再傳遞到二級可調(diào)速變速箱中，轉(zhuǎn)而傳遞到旋耕刀刀軸上，提供所需的旋轉(zhuǎn)動力。而中耕除草的過程是通過在旋耕刀旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上方安裝一根與之相匹配的帶有套管的靜止刀軸，使安裝在刀軸套管導槽中固定的靜刀片與下方的旋耕刀的合理分配，從而使旋耕刀與靜刀片配合工作時能與單根雜草之間產(chǎn)生足夠的剪切應力，使旋耕刀在旋轉(zhuǎn)工作過程中，利用靜刀片上的鋸齒形刀刃將纏在旋耕刀上的雜草切斷，然后通過旋耕刀翻轉(zhuǎn)土壤的過程，將切斷的雜草埋入土壤之中。同時還可以通過調(diào)節(jié)耕深裝置，調(diào)節(jié)機器的耕作深度，滿足不同土質(zhì)要求和耕作環(huán)境要求。

圖1 除纏減阻茶園中耕機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 俯視圖

2.2 主要設計內(nèi)容

2.2.1 旋耕刀動力傳動系統(tǒng)分配[3]

動力及傳動系統(tǒng)的分配見圖3。中耕機通過柴油機傳出源動力，通過齒形皮帶輪由帶輪裝置將動力傳遞到槽輪，槽輪通過與之相連的變速箱將動力傳遞給中耕機的一級變速箱，然后一級變速箱將動力傳遞給可調(diào)速的二級變速箱，二級變速箱通過內(nèi)置齒輪傳動傳遞給旋耕刀刀軸合適的旋轉(zhuǎn)速度，然后通過旋耕刀軸傳遞給安裝在其上的旋耕刀驅(qū)動旋耕刀進行中耕除草。

圖3 動力傳動系統(tǒng)示意圖

2.2.2 動、靜組合刀具的設計

①旋耕刀（動刀）的回轉(zhuǎn)直徑的確定[4]

圖4 旋耕刀回轉(zhuǎn)直徑的確定

旋耕刀刀片的設計見圖4、圖5，旋耕刀旋轉(zhuǎn)直徑為：D≥2（Hmin+hmax）[5,6]。

其中，Hmin-軸心對地面允許的最小距離，hmax-按農(nóng)藝要求中耕機所能達到的最大耕深。②旋耕刀（動刀）的轉(zhuǎn)速的確定[6]

圖5 旋耕刀

旋耕刀的轉(zhuǎn)速要根據(jù)茶園作業(yè)的環(huán)境（主要是指土壤的適度）和農(nóng)藝要求來進行確定。對于茶園的耕作作業(yè)，既要求中耕的耕作深度能達到農(nóng)藝的規(guī)定要求又要求將茶園中的雜草拔除并埋入土中，所以作業(yè)過程中的阻力較大，耗能較高。因此要盡量降低刀齒的負荷，所以要確定一個合適的速度既能保證耕深要求，又能減小負荷。同時，為了最大限度的去除雜草，又要求有足夠大的齒跡水平拉動距離。設每個刀齒沿土層的進給量為X，機器的前進速度為V0，旋耕刀的刀齒數(shù)為Z，轉(zhuǎn)速為n，則綜上所述，可得：X=60 V0/(Zn)，所以，n=60 V0/ZX。

其中，X-刀齒沿土層進給量；V0-機器前進方向的速度；Z-旋耕刀的刀齒數(shù)；n-旋耕刀的轉(zhuǎn)速。③靜刀片的選擇和安裝

對于靜刀片的選擇主要考慮了雜草纏繞在旋耕刀上的位置、旋耕刀旋轉(zhuǎn)時與靜刀接觸的時間和范圍，同時也是為了簡化靜刀片加工工藝與節(jié)省加工原材料，以達到最大限度的去除雜草的目的，從而進一步提升機器的工作效率。在本設計中采用的是直條形平面刀刃式靜刀片（見圖6），并在其工作端添加了鋸齒狀的刀齒，如此能更有效的去除纏繞在刀片上的雜草及樹枝等；使靜刀片的安裝位置與旋耕刀刀柄之間相隔適當?shù)木嚯x，當旋耕刀刀柄軸套處于水平位置時，靜刀片剛好左邊緣剛好與導槽邊緣在同一平面內(nèi)（或接近處于同一平面），從而使靜刀片刀刃最大限度的與纏繞在旋耕刀上的雜草接觸，通過靜刀上的刀刃及兩刀之間的摩擦使纏草及樹枝折斷，從而很好的解決雜草纏繞到旋轉(zhuǎn)軸及其旋耕刀上的問題。④罩殼的設計與安裝

圖6 靜刀片

在本方案中，為了體現(xiàn)機具的簡潔、美觀，便于維修，對于機器的罩殼也進行了整體優(yōu)化（見圖7）。在本設計中將罩殼進行了一體化整合，僅由近似對稱的左右兩部分構(gòu)成。同時流線型曲線的融入，使其更加美觀大方；合理運用契形結(jié)構(gòu)，并通過使各部分整體連接的罩殼之間平滑過渡，減小了中耕機在中耕作業(yè)時因茶樹樹枝阻礙而造成的行進阻力，同時對稱性設計使左右兩側(cè)受力均勻，減小了其機器工作過程中的不平穩(wěn)性，有利于提高中耕機耕作效率；同時罩殼還采取旋轉(zhuǎn)式的安裝方式，突破了以往的設計理念，使裝卸更加簡易方便。罩殼的安裝方法是，將1號罩殼安裝栓插入12號盲孔中，實現(xiàn)間隙配合，從而使罩殼能繞著此安裝栓往兩側(cè)靈活轉(zhuǎn)動，同時11號孔通過一根與機架相連的圓柱形套筒機構(gòu)和插銷相配合使用，機器工作時罩殼緊固可靠。

圖7 罩殼

⑤刀片和罩殼的選材[7]

靜刀片要求強度高、韌性好、耐磨損，碰到樹枝甚至石塊等硬物時不會發(fā)生折斷或者彎曲，而彈簧鋼65Mn具有較高的抗拉強度、屈服強度和疲勞強度，同時彈簧鋼65Mn還具有足夠的韌性和塑性，因此碰到較硬的物體也難以產(chǎn)生不可恢復的變形，綜上所述性能能滿足靜刀片工作要求。

防護罩的材料選擇Q235,Q235分A、B、C、D四級(GB/T 700-2006),Q235A級含 C≤0.22%，Mn≤1.4%，Si ≤0.35%，S ≤0.050，P ≤0.045；Q235B 級含 C ≤0.20%，Mn≤1.4%，Si≤0.35%，S≤0.045，P≤0.045；Q235C級含 C≤0.17%，Mn≤1.4%，Si≤0.35% ，S ≤0.040，P ≤0.040；Q235D 級 含 C ≤0.17% ，Mn ≤1.4% ，Si≤0.35% ，S ≤0.035，P ≤0.035。其機械性能為抗拉強度（σb/MPa）：375～500,伸長率（δ5/%）：≧26（a≦16mm）,≧25（a〉16～40mm）,≧24（a〉40～60mm）,≧23（a〉60～100mm）,≧22（a〉100～150mm）,≧21（a〉150mm）,其中 a 為鋼材厚度或直徑。其用途大量應用于建筑及工程結(jié)構(gòu)。用以制作鋼筋或建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器、船舶等，也大量用作對性能要求不太高的機械零件。C、D級鋼還可作某些專業(yè)用鋼使用。

3 結(jié)論

本機與原型機比較：通過動力選配，優(yōu)化機體結(jié)構(gòu)，降低了整機重量，方便丘陵山區(qū)茶園推廣使用；首次采用動刀與靜刀結(jié)合的旋耕方式，解決了以往茶園中耕機纏草的問題，提高了作業(yè)效率，將纏繞在中耕機旋耕刀和旋轉(zhuǎn)主軸上的枯枝、雜草切斷，通過旋耕刀的翻轉(zhuǎn)將切斷的雜草埋入土壤之中，既起到了埋施綠肥的作用，又節(jié)約了種植成本；旋耕刀片的對稱安裝減少了機器的震動，提升了中耕機工作過程中的平穩(wěn)性；防護罩采用流線形整體罩殼設計，減少了作業(yè)過程中茶樹枝杈對機組的阻力，提高了生產(chǎn)效能，快裝結(jié)構(gòu)設計便于設備維護與保養(yǎng)；通過靜刀組安裝位置的合理分配，使機器重心位置向旋耕刀方向前移，進一步增加了機器旋耕刀片與土壤的附著力，確保了機耕的可靠性和安全性。

總之，本防纏減阻茶園中耕機，構(gòu)思獨特新穎，設計及加工工藝、材料選取等都較簡單，防纏減阻效果顯著，相對于其他的中耕機更加精簡、經(jīng)濟、實用，具有廣闊的市場前景。

1 李德勝，郭 輝.果園施肥開溝機的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011,06:53～56

2 林宇鋼，周益君，張 憲等.茶園中耕機[CNPAT].中國專利網(wǎng)，2011.

3 孫 桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2010.

4 王金武、牛春亮、張春建等.3ZS-150型水稻中耕除草機設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，02：75～79.

5 中國農(nóng)機研究院主編.農(nóng)業(yè)機械設計手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2007.

6 李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

7 侯書林，徐 楊.機械制造基礎(chǔ)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010.