自走式茶园除草机的设计与试验

曾　晨，李　兵，李尚庆，王小勇

(安徽农业大学a.工学院；b.茶与食品科技学院；c.茶树生物学与资源利用国家重点实验室，合肥　230036)



自走式茶园除草机的设计与试验

曾晨a,c，李兵a,c，李尚庆b,c，王小勇a,c

(安徽农业大学a.工学院；b.茶与食品科技学院；c.茶树生物学与资源利用国家重点实验室，合肥230036)

摘要：为了解决现有茶园除草人工除草效率低下、化学除草农残超标、密植茶园行距较小等问题，设计了一种小型自走式茶园除草机。详细介绍了机具的基本结构、工作原理和性能参数，重点对该机动力、除草轮和传动系统进行了选配设计，最后通过4因素3水平的正交试验，找出影响除草效果的因素。试验结果表明:对除草率的影响程度大小依次为除草轮转速、除草深度、除草刀个数、机具前进速度；综合功率消耗的情况，得出除草效果最优组合为除草轮转速为350r/min、机具前进速度0.8m/s、除草深度30mm、除草刀个数为6；此时的除草率为80.7%，能够达到较好的除草和控草效果。

关键词：除草机；动力选配；传动系统；正交试验

0引言

茶园杂草是长期适应于当地茶树生长、气候、土壤等生态条件和其它社会因素而生存下来的。茶园杂草种类繁多、生长迅速，与茶树争夺水分、养分、光照和空间等资源，严重影响茶叶的产量和质量，增加了管理费用和生产成本[1]。同时，茶园杂草还是许多农作物病菌、病毒或害虫(如叶蝉类、蚜虫、螨类)的中间寄主[2]。因此，茶园除草控草是一项非常重要的工作。

目前，我国茶园除草措施主要有以下3种方法：人工除草、机械除草和化学除草[3]。机械除草一方面解决了人工除草效率低下、劳动力短缺的问题；另一方面解决了化学除草带来的农药残留问题,茶园机械化除草已经成为一个有效措施和趋势。我国茶叶机械的发展主要侧重于茶叶采摘机械和加工机械，而茶园田间管理机械的研发、推广工作相对滞后，如茶园开沟、覆土、培土及除草等作业[4]。

我国茶园管理还存在茶树种植不规范及密植茶园行距较小的问题，市场上主流除草机宽度较大，无法在作物行中作业。为此，笔者根据密植茶园除草的相关农艺技术要求，设计了一种小型自走式茶园除草机。

1除草机总体结构与工作原理

茶园除草机主要是由发动机、传动系统、行走机构、除草部件、限深装置、操纵系统及机架等组成[5]，结构如图1所示，技术参数如表1所示。

1.发动机　2.带传动　3.后机架　4.行走轮　5.行走轮变速箱

田间作业时，动力传递线路有两条[6]：一是通过带传动和行走轮变速箱将动力传到行走轮，使机具获得不同的行驶速度；二是通过带传动、链传动和除草轮变速箱将动力传到除草部件，驱动除草轮旋转作业。作业过程中，可以通过高度调节装置的升降调节除草效果,也可以选择不同的挡来位调节除草机前进速度。

表1　除草机主要技术参数

2关键部件选配与设计

2.1　发动机的选取与匹配

发动机的选配要考虑到除草机在工作过程中所消耗的总功率，主要包括除草轮除草、驱动除草机前进及传动部分消耗的功率组成。

参照《农业机械设计手册》中关于计算旋耕机功耗的第1种经验公式方法，并且优先满足功率的要求，在各参数及修正系数均取较大值的条件下计算除草轮的功耗[7]，公式为

N1=0.1×KλdvmB

(1)

式中d—除草轮最大除草深度(cm)；

B—除草轮最大除草宽度(m)；

vm—除草机最大前进速度(m/s)；

Kλ—旋耕比能耗，Kλ=KgK1K2K3K4。

除草机在田间作业过程中需要克服地面的滚动阻力Ff、传动系统内部阻力以及空气阻力等，在此利用施加修正系数的方法略去机器内部阻力和空气阻力。因此，茶园除草机行走轮功耗为

N2=Fvm=fmgvm×10-3

(2)

式中η—阻力修正系数；

f—轮胎滚动摩擦因数；

m—整机质量(kg)。

由式(1)、式(2)可得到自走式茶园除草机总功耗计算公式为

N=0.1KλdvmB+ηfmgvm×10-3

(3)

除草机相关技术参数如表2所示。计算得自走式茶园除草机总功耗总功耗为2.599kW，所以发动机选用额定功率为3.7kW的178F型单缸立式风冷四冲程柴油机，额定转速为3 000r/min。

表2　功耗计算参数

2.2　除草部件的计算与设计

除草部件作为除草机的重要工作部件，主要是由除草轮、除草轮刀片及刀轴组成。由于此茶园除草机主要是针对南方丘陵小田块茶园作业环境设计的，所以除草部件的设计要和当地的农艺要求相符。根据试验地茶树种植相关农艺要求，茶树种植行距约为600mm,故设计除草轮的宽度B=280mm。理论上，除草轮直径增大，除草效果越好，功率消耗也越大。综合两者因素，拟定除草轮的直径D=270mm。

除草刀片是按照螺旋线的形式均匀安装在除草轮圆柱上，相邻的除草刀片顺序入土，左右两侧除草轮对称安装[8]。刀轴受力均匀，径向受力平衡，使轴两端轴承所承受的侧向力较为平衡，除草过程工作稳定，除草刀偏角为α，一般取67°。除草轮安装轴测图如图2所示，刀片布置展开图如图3所示。

图2　除草轮安装轴测图

图3　刀片布置展开图

2.3　传动系统的计算与设计

自走式茶园除草机的传动系统主要由带传动、链传动和齿轮传动构成。自走式茶园除草机设计了空挡、前进挡和倒退挡3个行驶挡位[9]。

发动机转速为3 000r/min；前进低速挡和高速挡速度分别设定为3.6km/h和4.5km/h，传动比为50和40；倒退低速挡和高速挡速度分别设定为1.8km/h和2.25km/h，传动比为100 和80；除草轮低速挡和高速挡速度分别设定为300r/min和400r/min，传动比为10和7.5。设计自走式茶园除草机的传动系统如图4所示，传动系统各参数如表3所示。

1.发动机　2.带传动　3.行走轮变速箱　4.链传动　5.除草轮变速箱　6、7.除草轮　8、9.行走轮

名称代号参数名称代号参数带轮D180mmD2200mm齿轮Z124Z228Z360Z456Z518Z618Z718Z872Z972Z1018齿轮Z1172Z1218Z1336Z1624Z1748Z1820Z1924Z2040Z2136链轮Z1418Z1518

在传动系统(图4)行走轮变速箱中，此时挡位为空挡；当Ⅱ轴上滑动双联齿轮B向右滑动，滑动双联齿轮A不变，行走轮前进低速挡位传动路线为1→D1→D2→Z1→Z3→Z6→Z9→Z10→Z12→Z13，传动比为50；当Ⅱ轴上滑动双联齿轮B向右滑动，滑动双联齿轮A向右滑动，行走轮前进高速挡位传动路线为1→D1→D2→Z2→Z4→Z6→Z9→Z10→Z12→Z13，传动比为40；当Ⅱ轴上滑动双联齿轮B向左滑动，滑动双联齿轮A不变，行走轮倒退低速挡位传动路线为1→D1→D2→Z1→Z3→Z5→Z8→Z7→Z11，传动比为100；当Ⅱ轴上 滑动双联齿轮B向左滑动，滑动双联齿轮A向右滑动，行走轮倒退低速挡位传动路线为1→D1→D2→Z2→Z4→Z5→Z8→Z7→Z11，传动比为80。

在传动系统(图4)除草轮变速箱中，此时挡位为空挡；当Ⅶ轴上滑动双联齿轮C向左滑动，除草低速挡位传动路线为1→D1→D2→Z14→Z15→Z16→Z17→Z19→Z21，传动比为10；当Ⅶ轴上滑动双联齿轮C向右滑动，除草高速挡位传动路线为1→D1→D2→Z14→Z15→Z16→Z17→Z18→Z20，传动比为7.5。

以上计算结果表明：传动系统各挡传动比与理论传动比一致，故符合设计要求。

2.4　限深装置

限深装置用于控制除草机的除草深度，主要由旋转手柄、螺纹杆、螺纹套筒及导向轮等组成，可通过手柄的旋转改变螺纹杆相对于固定套筒的高度，从而调节导向轮高度以控制除草深度。

3试验验证

3.1　试验方案与结果

为了测试自走式茶园除草机的工作性能，样机于2015年3月下旬在安徽农业大学农萃园茶树种植区进行试验[10]。试验地土壤类型为黄棕壤，茶树行距为600mm，株距为330mm。土壤坚实度为19.5kg/cm3，相对湿度为22.3%。

茶树行间杂草分布不规则，为了准确统计杂草数量，采用W型9点取样方法，采用0.25m2的样方面积，逐一记录每个样方中杂草数量，计算平均值得到杂草密度。针对作业前和作业后分别统计杂草数量，除草率计算公式为

式中y—除草率(%)；

X1—作业前行间杂草数(株)；

X2—作业后行间杂草数(株)。

通过4因素3水平的正交试验，找出影响除草效果的因素[11]。影响除草效果的因素有除草轮的转速、机具前进速度、除草深度及除草刀个数4个因素。4因素3水平设计方案:A为除草轮转速，取300r/min和400r/min；B为机组前进速度，取0.8、1.0、1.2m/s；C为除草深度，取10、20、30mm；D为除草刀个数，取4、5、6。同时，根据功耗检测原理，利用传感器测出除草轮转速、刀轴所受扭矩和机具前进速度，然后采用Labwindows软件对信号进行实时分析，得出工作过程中所消耗的功率[10]。试验结果分析如表4所示。

表4　试验结果分析

续表4

3.2　试验结果分析

1)根据极差大小可以判断试验指标下的因素主次顺序。影响除草率的因素主次顺序为A>C>D>B，影响功耗的因素主次顺序为A>B>C>D。

2)初选优化工作条件。根据各指标不同水平指标之和确定各因素的优化水平组合。除草率优组合为A3B1C3D3，功耗优组合为A1B1C1D1。

3)综合平衡确定最优工作条件。对于因素A，其对除草率影响大小排在第1位，此时取A3，其对功耗影响也是最大的；A2除草率较A3下降了2.9%，但是功耗减少了22.6%，综合指标选取A2。对于因素B，其对除草率影响大小排在第4位，此时取B1，消耗的功率也最小，综合取B1。对于因素C，其对除草率影响大小排在第2位，此时取C3，其对功耗影响排在第3位，为次要因素，综合取C3。对于因素D，其对除草率影响大小排在第3位，此时取D3，其对功耗影响也排第4位，为次要因素，综合取D3。因此，最终优组合为A2B1C3D3。

4结论

1)设计的自走式茶园除草机行距为600mm，适用于现有的大部分密植茶园，能够在茶树行距内作业，通过性好。

2)自走式茶园除草机选用额定功率为3.7kW的178F型单缸立式风冷四冲程柴油机作为动力。可以根据作业条件的不同，通过调节挡位控制工作效率，整体结构简单，操作容易，符合茶园相关农艺要求。

3)试验结果表明：对除草率的影响程度大小依次为除草轮转速、除草深度、除草刀个数、机具前进速度。综合功率消耗的情况，得出除草效果最优组合为：除草轮转速为350r/min，机具前进速度0.8m/s，除草深度30mm，除草刀个数为6。

4)采用最终优组合进行作业，经过田间试验，计算得到此时的除草率为80.7%，符合整机技术参数的要求。

参考文献：

[1]徐华勤,肖润林,向佐湘,等.不同生态管理措施对丘陵茶园杂草生物多样性的影响[J].中国农学通报,2010(4):283-286.

[2]朱文伟,郑汉智,陈凌文.福建茶园主要杂草及其无公害防治方法[J].福建茶叶,2009(2):26-28.

[3]韩敏,李粉华,张海艳,等.不同控草措施对丘陵茶园杂草的防除技术研究[J].江西农业学报，2014,26(7)：55-58.

[4]韩余,肖宏儒,秦广明,等.我国茶园机械研究新动态[J].中国农机化学报,2013(3):13-16.

[5]吴崇友,张敏,金诚谦,等.2BYS-6型水田中耕除草机设计与试验[J].农业机械学报,2009(7):51-54.

[6]李宝筏.农业机械学[M].北京:中国农业出版社,2003.

[7]中国农业机械化科学研究院.农业机械手册[M].北京:中国农业科学技术出版社,2007.

[8]秦贵,张艳红.蔬菜设施小型除草机的研制[J].中国蔬菜，2010(21)：46-48.

[9]叶强，谢方平，孙松林,等.葡萄园反转双旋耕轮开沟机的研制[J].农业工程学报，2013,29(3):9-15.

[10]南京农业机械化科学研究院.GB/T 5668.3-1995旋耕机械试验方法[S].北京:中国标准出版社,1996.

[11]韩豹,吴文福,申建英.水平圆盘式苗间除草装置试验台优化试验[J].农业工程学报，2010(2):142-146.

[12]李兵,李洪文,王丽洁.小麦对行免耕播种机粉碎刀轴功耗模型的研究[J].农机化研究，2004(2):179-182.

[13]Turk M A,Tawaha A M.Weed control in cereals in Jordan[J].Crop Protection,2003,22(2):239-246.

[14]Kouwenhoven J K. Intra-raw mechanical weed control-possibilities and problems[J].Soil and Tillage Research,1997,41:87-104.

[15]Buhler D D，Liebaman M，Obrycki JJ． Theoretical and practical challenges to an IPM approach to weed management[J]．Weed Science，2000，48(3):274-280．

Design and Experiment on Small Self-propelled Tea Garden Weeder

Zeng Chena,c, Li Binga,c, Li Shangqingb,c, Wang Xiaoyonga,c

(a.Engineering College；b.Tea and Food Science College; c.State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization，Anhui Agriculture University,Hefei 230036,China)

Abstract：In order to solve artificially weeding with low efficiency, pesticide residues exceeded, and close planting tea garden with smaller Row spacing, Small Self-propelled Tea garden weeder was designed. The basic structure, working principle and parameters of the machine were introduced in detail. The emphasis is focused on the design of the mobile power, the weeding wheel and the transmission system. Finally through the orthogonal experiment of "4 factor 3 level", factors affecting the weeding effect were found. Test results show that the degree of the effect of weeding rate as follows: weed number of wheel speed, depth of weeding, weeding knife, machine speed. Integrated power consumption at the same time, the optimal combination of the weeding effect is: the rotation speed of the weeding wheel with 350r/min, implement speed with 0.8m/s, weeding depth with 30 mm, 6 weed cutters. At this time the weeding rate was 80.7%, it can achieve better weeding and weed control effect.

Key words：weeder; power matching; transmission system; orthogonal experiment

中图分类号：S224.1+5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0101-06

作者简介：曾晨(1992-)，男，安徽宿州人，硕士研究生，(E-mail)729292150@qq.com。通讯作者：李兵(1971-)，男，安徽明光人，副教授，博士，(E-mail)libing@ahau.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201303012);农业部茶园机械专项基金(11004544)

收稿日期：2015-11-10