一种小型茶园中耕机的研制

杨拥军 陈力航 喻季红 刘伟英 罗 意

（1湖南省农业科学院茶叶研究所·长沙·410125；2湖南农业大学工程学院·长沙·410128）

1 目的与意义

由于我国大部分茶园处在丘陵山区，土壤比较贫瘠，茶树管理过程中依赖大量施用化肥来提高茶叶产量，因而出现茶园大面积土壤有机质下降、土壤蓄养能力降低、板结严重等一系列问题，同时由于劳力短缺，茶园未能及时有效耕作，杂草丛生，使得传统茶园耕作机具难以适应现有茶园的作业，严重制约了现代茶业的健康发展。针对我国茶园出现的这一系列问题，为加快产业发展，有必要设计出新的耕作机具来解决这些存在的问题。[1,2]

该小型茶园中耕机是在烟草作物中耕机的基础上进行的改进设计，重点围绕组合刀具设计、整体防护罩优化、底盘优化等展开综合研究，以期进一步提高机具的茶园适应能力，确保工作过程连续、流畅和高效。

2 工作原理及主要设计内容

2.1 工作原理

该茶园中耕机由机架、传动系统、旋耕刀刀轴、旋耕刀片、静刀刀轴、静刀片、限深装置、罩壳安装栓、罩壳等组成，其除缠部分结构见图1、图2。

机器工作时通过柴油机输出动力，由带轮装置转经槽轮将动力传递到一级变速箱，通过一级变速箱的调速后将动力再传递到二级可调速变速箱中，转而传递到旋耕刀刀轴上，提供所需的旋转动力。而中耕除草的过程是通过在旋耕刀旋转机构上方安装一根与之相匹配的带有套管的静止刀轴，使安装在刀轴套管导槽中固定的静刀片与下方的旋耕刀的合理分配，从而使旋耕刀与静刀片配合工作时能与单根杂草之间产生足够的剪切应力，使旋耕刀在旋转工作过程中，利用静刀片上的锯齿形刀刃将缠在旋耕刀上的杂草切断，然后通过旋耕刀翻转土壤的过程，将切断的杂草埋入土壤之中。同时还可以通过调节耕深装置，调节机器的耕作深度，满足不同土质要求和耕作环境要求。

图1 除缠减阻茶园中耕机结构示意图

图2 俯视图

2.2 主要设计内容

2.2.1 旋耕刀动力传动系统分配[3]

动力及传动系统的分配见图3。中耕机通过柴油机传出源动力，通过齿形皮带轮由带轮装置将动力传递到槽轮，槽轮通过与之相连的变速箱将动力传递给中耕机的一级变速箱，然后一级变速箱将动力传递给可调速的二级变速箱，二级变速箱通过内置齿轮传动传递给旋耕刀刀轴合适的旋转速度，然后通过旋耕刀轴传递给安装在其上的旋耕刀驱动旋耕刀进行中耕除草。

图3 动力传动系统示意图

2.2.2 动、静组合刀具的设计

①旋耕刀（动刀）的回转直径的确定[4]

图4 旋耕刀回转直径的确定

旋耕刀刀片的设计见图4、图5，旋耕刀旋转直径为：D≥2（Hmin+hmax）[5,6]。

其中，Hmin-轴心对地面允许的最小距离，hmax-按农艺要求中耕机所能达到的最大耕深。②旋耕刀（动刀）的转速的确定[6]

图5 旋耕刀

旋耕刀的转速要根据茶园作业的环境（主要是指土壤的适度）和农艺要求来进行确定。对于茶园的耕作作业，既要求中耕的耕作深度能达到农艺的规定要求又要求将茶园中的杂草拔除并埋入土中，所以作业过程中的阻力较大，耗能较高。因此要尽量降低刀齿的负荷，所以要确定一个合适的速度既能保证耕深要求，又能减小负荷。同时，为了最大限度的去除杂草，又要求有足够大的齿迹水平拉动距离。设每个刀齿沿土层的进给量为X，机器的前进速度为V0，旋耕刀的刀齿数为Z，转速为n，则综上所述，可得：X=60 V0/(Zn)，所以，n=60 V0/ZX。

其中，X-刀齿沿土层进给量；V0-机器前进方向的速度；Z-旋耕刀的刀齿数；n-旋耕刀的转速。③静刀片的选择和安装

对于静刀片的选择主要考虑了杂草缠绕在旋耕刀上的位置、旋耕刀旋转时与静刀接触的时间和范围，同时也是为了简化静刀片加工工艺与节省加工原材料，以达到最大限度的去除杂草的目的，从而进一步提升机器的工作效率。在本设计中采用的是直条形平面刀刃式静刀片（见图6），并在其工作端添加了锯齿状的刀齿，如此能更有效的去除缠绕在刀片上的杂草及树枝等；使静刀片的安装位置与旋耕刀刀柄之间相隔适当的距离，当旋耕刀刀柄轴套处于水平位置时，静刀片刚好左边缘刚好与导槽边缘在同一平面内（或接近处于同一平面），从而使静刀片刀刃最大限度的与缠绕在旋耕刀上的杂草接触，通过静刀上的刀刃及两刀之间的摩擦使缠草及树枝折断，从而很好的解决杂草缠绕到旋转轴及其旋耕刀上的问题。④罩壳的设计与安装

图6 静刀片

在本方案中，为了体现机具的简洁、美观，便于维修，对于机器的罩壳也进行了整体优化（见图7）。在本设计中将罩壳进行了一体化整合，仅由近似对称的左右两部分构成。同时流线型曲线的融入，使其更加美观大方；合理运用契形结构，并通过使各部分整体连接的罩壳之间平滑过渡，减小了中耕机在中耕作业时因茶树树枝阻碍而造成的行进阻力，同时对称性设计使左右两侧受力均匀，减小了其机器工作过程中的不平稳性，有利于提高中耕机耕作效率；同时罩壳还采取旋转式的安装方式，突破了以往的设计理念，使装卸更加简易方便。罩壳的安装方法是，将1号罩壳安装栓插入12号盲孔中，实现间隙配合，从而使罩壳能绕着此安装栓往两侧灵活转动，同时11号孔通过一根与机架相连的圆柱形套筒机构和插销相配合使用，机器工作时罩壳紧固可靠。

图7 罩壳

⑤刀片和罩壳的选材[7]

静刀片要求强度高、韧性好、耐磨损，碰到树枝甚至石块等硬物时不会发生折断或者弯曲，而弹簧钢65Mn具有较高的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度，同时弹簧钢65Mn还具有足够的韧性和塑性，因此碰到较硬的物体也难以产生不可恢复的变形，综上所述性能能满足静刀片工作要求。

防护罩的材料选择Q235,Q235分A、B、C、D四级(GB/T 700-2006),Q235A级含 C≤0.22%，Mn≤1.4%，Si ≤0.35%，S ≤0.050，P ≤0.045；Q235B 级含 C ≤0.20%，Mn≤1.4%，Si≤0.35%，S≤0.045，P≤0.045；Q235C级含 C≤0.17%，Mn≤1.4%，Si≤0.35% ，S ≤0.040，P ≤0.040；Q235D 级 含 C ≤0.17% ，Mn ≤1.4% ，Si≤0.35% ，S ≤0.035，P ≤0.035。其机械性能为抗拉强度（σb/MPa）：375～500,伸长率（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 为钢材厚度或直径。其用途大量应用于建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。C、D级钢还可作某些专业用钢使用。

3 结论

本机与原型机比较：通过动力选配，优化机体结构，降低了整机重量，方便丘陵山区茶园推广使用；首次采用动刀与静刀结合的旋耕方式，解决了以往茶园中耕机缠草的问题，提高了作业效率，将缠绕在中耕机旋耕刀和旋转主轴上的枯枝、杂草切断，通过旋耕刀的翻转将切断的杂草埋入土壤之中，既起到了埋施绿肥的作用，又节约了种植成本；旋耕刀片的对称安装减少了机器的震动，提升了中耕机工作过程中的平稳性；防护罩采用流线形整体罩壳设计，减少了作业过程中茶树枝杈对机组的阻力，提高了生产效能，快装结构设计便于设备维护与保养；通过静刀组安装位置的合理分配，使机器重心位置向旋耕刀方向前移，进一步增加了机器旋耕刀片与土壤的附着力，确保了机耕的可靠性和安全性。

总之，本防缠减阻茶园中耕机，构思独特新颖，设计及加工工艺、材料选取等都较简单，防缠减阻效果显著，相对于其他的中耕机更加精简、经济、实用，具有广阔的市场前景。

1 李德胜，郭 辉.果园施肥开沟机的研究现状[J].农业科技与装备，2011,06:53～56

2 林宇钢，周益君，张 宪等.茶园中耕机[CNPAT].中国专利网，2011.

3 孙 桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2010.

4 王金武、牛春亮、张春建等.3ZS-150型水稻中耕除草机设计与试验[J].农业机械学报，2011，02：75～79.

5 中国农机研究院主编.农业机械设计手册[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.

6 李宝筏.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.

7 侯书林，徐 杨.机械制造基础[M].北京：中国农业出版社，2010.