小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的設(shè)計(jì)和仿真

李　競(jìng)，葉自旺，胡樹良，梁　策，李昊達(dá)

(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。全國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)。由于廣西為丘陵地帶，且自然條件惡劣，使得茶葉的種植工作主要依靠手工的方法進(jìn)行。另外，茶樹主要種植在丘陵山地等地帶，土地緊實(shí)，不易進(jìn)行開溝工作，單純依靠手工進(jìn)行開溝和施肥顯然勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響了茶葉的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使得純手工的茶樹開溝和施肥難以滿足日益增長的茶葉需求。

為了解決純手工的茶樹開溝和施肥勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，本文提出了一種小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)，為解決茶樹開溝和施肥過程中純手工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題提供了新思路，并為應(yīng)對(duì)實(shí)際開溝和施肥過程中存在的問題提供了解決方案。在小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的刀具升降功能及在開溝過程中進(jìn)行自動(dòng)施肥的功能。同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，確定該機(jī)械的可行性設(shè)計(jì)方案，避免產(chǎn)生干涉等問題。另外，對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)，以此來優(yōu)化小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的結(jié)構(gòu)及零部件的尺寸，在滿足社會(huì)需求的情況下實(shí)現(xiàn)小型茶樹開溝和施肥一體化。

1　裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理分析

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

小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)主要由3大部分組成，分別為車架、升降機(jī)構(gòu)及電機(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)開溝刀具升降運(yùn)動(dòng)的原理，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)行開溝刀具的定位，開溝刀具則在轉(zhuǎn)盤的調(diào)節(jié)下處于開溝和不開溝狀態(tài)。在電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，通過減速機(jī)和皮帶的帶動(dòng)，使得電機(jī)可以通過驅(qū)動(dòng)開溝刀具進(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)際工作中的開溝作業(yè)；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進(jìn)行三維造型，具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

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

本文主要針對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)中的電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來保證小型茶樹開溝和施肥一體機(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，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)，選擇的皮帶輪包角都大于120°，可保證皮帶與帶輪的接觸面產(chǎn)生的總摩擦力很大，使皮帶的傳動(dòng)能力提高，保證了開溝需求。

圖1　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的三維造型

1.轉(zhuǎn)動(dòng)手盤　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.開溝刀片　9.機(jī)底架　10.滾動(dòng)軸承座 11.前輪　12.把手　13.減速機(jī)　14.大帶輪　15.電機(jī)　16.皮帶 17.后輪　18.開溝刀具　19.小帶輪　20.肥料收集箱　21.肥料輸出管

1.3　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的工作原理分析

小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)茶樹開溝和施肥一體化、同時(shí)具有刀具升降功能及在開溝的過程中進(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)是靠電機(jī)在驅(qū)動(dòng)開溝刀具旋轉(zhuǎn)過程中推動(dòng)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)開溝刀具不工作時(shí)，可通過推動(dòng)把手使得小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)手盤，使得升降機(jī)構(gòu)在套筒升降導(dǎo)槽的滾動(dòng)輔助作用下讓開溝刀具進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)手盤的下方通過螺桿上螺紋的自鎖作用能夠?qū)崿F(xiàn)開溝刀具的定位作用，使得開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、肥料收集箱及肥料輸出管組成。其中，升降固定架和前輪位于小型茶樹開溝和施肥一體機(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，在升降固定架上開有4處升降導(dǎo)槽，使得升降機(jī)構(gòu)上的升降架能夠在上面進(jìn)行豎直升降運(yùn)動(dòng)；把手和后輪安裝在小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的后方，機(jī)底架位于整體裝置的底部，起到支撐的作用；車架起支撐作用，主要用來放置電機(jī)及開溝刀具等機(jī)構(gòu)。

升降機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)手盤、螺桿、升降桿、升降架、升降桿套筒、開溝刀片、滾動(dòng)軸承座及開溝刀具組成。轉(zhuǎn)動(dòng)手盤位于裝置的最上方，轉(zhuǎn)動(dòng)手盤下連接有螺桿，螺桿穿過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，其中間分布有開溝刀具，開溝刀具由4片開溝刀片組成，4片開溝刀呈現(xiàn)“T”字形分布，在橫向方向上左右兩邊分別分布有1片開溝刀，在縱向方向上同向分布有兩片開溝刀。升降機(jī)構(gòu)是小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)重要組成部分，主要通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)手盤穿過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)開溝刀具的調(diào)節(jié)定位作用，使得開溝刀具可以按照預(yù)定的高度進(jìn)行開溝，保證了小型茶樹開溝和施肥一體機(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)、皮帶及小帶輪組成，電機(jī)通過螺栓和螺母固定在車架上，減速機(jī)也通過螺栓和螺母固定在車架上，電機(jī)和減速機(jī)通過套筒連接在一起。在減速機(jī)的輸出軸上安轉(zhuǎn)有大帶輪，小帶輪安裝在開溝刀具的同軸上，大帶輪通過皮帶可以帶動(dòng)小帶輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)開溝刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的動(dòng)力部分，主要通過電機(jī)和減速機(jī)的作用帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，使得開溝刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的功能。

2　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真

在UG中做好三維造型后直接在UG中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，目的在于驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)械的可運(yùn)行性及是否存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的零件干涉問題。對(duì)該裝置的整體進(jìn)行仿真約束，模擬該裝置在實(shí)際使用過程中的運(yùn)動(dòng)情況，從而優(yōu)化小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的結(jié)構(gòu)。對(duì)裝置的整體進(jìn)行了仿真約束(見圖3)，主要對(duì)其在實(shí)際工作中所具有的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，真實(shí)再現(xiàn)了小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的工作環(huán)境。

圖3　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的仿真約束圖

2.1　開溝刀的仿真

對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)進(jìn)行整體仿真運(yùn)動(dòng)約束之后，現(xiàn)在著重對(duì)升降機(jī)構(gòu)的開溝刀具在x、y和z方向上的位移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。由于其在x軸方向的坐標(biāo)是不變的，因此在這里省略了對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的開溝刀在x軸方向的坐標(biāo)變化圖。在仿真運(yùn)動(dòng)的過程中，充分考慮了零件干涉及實(shí)際工況會(huì)出現(xiàn)的各種問題，以此來確定升降機(jī)構(gòu)的開溝刀具在y和z方向上的位移量，確保運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。通過對(duì)這兩個(gè)方向上的位移量的分析，可確定小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的開溝范圍，從而驗(yàn)證該小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠性和實(shí)用性。

這里選擇開溝刀尖上的一個(gè)點(diǎn)來研究小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的開溝刀具進(jìn)行自身旋轉(zhuǎn)時(shí)在z方向上位移量的運(yùn)動(dòng)仿真。小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的開溝刀具進(jìn)行自身旋轉(zhuǎn)時(shí)在z方向上的位移范圍圖如圖4所示。

小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀具在z方向上的最大位移量為：z=396.08-141.29=254.79mm。

此時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)刀具在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)y軸和z軸方向的位移量是一樣的，因而省略了小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀具在y方向上的運(yùn)動(dòng)位移量圖。

圖4　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的開溝刀在z方向上的位移量

2.2　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的升降架的仿真

對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)進(jìn)行整體仿真運(yùn)動(dòng)約束確定其運(yùn)動(dòng)狀況之后，著重研究升降機(jī)構(gòu)上的升降架在x、y和z方向上的位移運(yùn)動(dòng)。由于其在x和z軸方向的坐標(biāo)是不變的，因此省略了對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的升降架在x和z軸方向的坐標(biāo)變化圖。在仿真運(yùn)動(dòng)的過程中，充分考慮了零件干涉及實(shí)際工況會(huì)出現(xiàn)的各種問題，以此來確定升降機(jī)構(gòu)的升降架在y方向上的位移量，確保運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。通過對(duì)這一個(gè)方向上的位移量的分析，可確定小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)做升降運(yùn)動(dòng)的范圍，從而驗(yàn)證該小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠性和實(shí)用性。

通過仿真運(yùn)動(dòng)約束，限制了升降機(jī)構(gòu)的上升高度，因?yàn)檫^高的上升高度對(duì)開溝的范圍沒有太大的影響。由于主要的工作機(jī)構(gòu)是開溝刀具，因此選擇開溝刀尖上的一個(gè)點(diǎn)來研究小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的升降架在y方向上的位移量的運(yùn)動(dòng)仿真。小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的升降架在y方向上的位移范圍圖如圖5所示。

小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)升降架在y方向上的最大位移量為：y=-15.80-(-165.80)=150.00mm。

通過對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的開溝刀具的運(yùn)動(dòng)仿真，可以確定其開溝刀具在y和z軸方向上的最大位移量為257.79mm，升降架在y軸方向上的最大位移量為150mm。

圖5　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的升降架在y方向上的位移量Fig.5　The amount of displacement of the small tea tree ditch and fertilizers of the lift frame in the y direction

3　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)仿真結(jié)果分析

在上面對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真中可以得知裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，在仿真運(yùn)動(dòng)的過程中充分考慮了零件干涉及實(shí)際工況會(huì)出現(xiàn)的各種問題，確定了小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的開溝刀具及升降架在x、y、z方向上的位移量。

以車輪的最低點(diǎn)作為地面的高度，同時(shí)以升降架的最低點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，此時(shí)可以得到開溝刀在進(jìn)行工作時(shí)的開溝范圍及開溝深度。圖6為小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)開溝刀具的開溝范圍及開溝深度圖。

圖6　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的最大開溝深度圖

由以上各圖可以得到開溝刀具的開溝最大深度h=86.17-(-18.48)=104.65mm，能夠滿足生產(chǎn)需要。

4　試驗(yàn)及分析

由仿真可知：小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)是可行的。經(jīng)過對(duì)茶樹生活環(huán)境及生長規(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，并進(jìn)行試驗(yàn)和效率測(cè)試，以保證小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的工作效率明顯高于人工開溝和施肥，并最大限度地減輕農(nóng)民們的勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，可得到小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)的強(qiáng)度滿足實(shí)際要求，且具有很好的開溝和施肥效率，同時(shí)開溝和施肥的速度比純手工作業(yè)快將近2倍。小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，開溝效率高，對(duì)茶樹的開溝和施肥有很好的適應(yīng)性及良好的應(yīng)用前景，其實(shí)物圖如圖7、圖8所示。

圖7　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)整體實(shí)物圖

圖8　小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)部分實(shí)物圖

5　結(jié)論

經(jīng)過仿真及實(shí)地測(cè)試可知：小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)具有良好的工作可靠性和適應(yīng)性，實(shí)際工作效率是純手工作業(yè)的將近2倍。小型茶樹開溝和施肥一體機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，開溝效率高，對(duì)茶樹的開溝和施肥有很好的適應(yīng)性，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工的優(yōu)勢(shì)，可滿足社會(huì)生產(chǎn)需要，極具發(fā)展前景。