茶园开沟施肥覆土一体机的设计与试验*＊

张海鹏，林聪，陈凌霄，张培坤，郑书河

(1.福建农林大学机电工程学院，福州市，350002；2.福建省农业机械推广总站，福州市，350001；3.福建永顺机械有限公司，福建南平，353500)

0 引言

茶园管理作为茶叶种植培育中的必要步骤,是保证茶叶产能、品质和经济效益的根本和关键[1]。由于我国的茶园种植区域主要分布在山区或丘陵地带，地形较为崎岖，土壤环境恶劣，茶园的松土和施肥显得尤为重要。然而我国茶园机械化松土施肥的水平仍较低，茶园的机械化程度远不及其他粮食作物的平均水平[2-4]。依靠茶园机械代替人工松土、施肥，是茶园管理的必然趋势，也是目前茶产业发展的重点之一。目前，茶园中多使用大型管理机，集修剪、施肥、采摘于一体，但体积庞大、机动性欠佳，维护成本较高，人工操作复杂，无法满足我国大部分丘陵山区茶园的实际要求[5-6]。为弥补大型茶园管理机不足，小型茶园管理机械应运而生[7]。然而现存小型浅耕机型存在动力不足，耕作深度不合格等，无法大规模推广使用[8]。

目前国内茶园机械研制主要基于平坦地形，肖宏儒等[9]成功研制高地隙乘坐式茶园管理机，是国内实现跨越茶树冠进入狭小的茶行间进行作业的先例；李坤等[10]针对缓坡或者陡坡茶园，研制出了低地隙履带式多功能茶园管理机；徐良等[11]研制了3ZFC-40型茶园中耕机，该机具备除草刀具、施肥、松土装置；夏瑞花等[12]设计一种2FPG-40型开沟施肥机，利用绞龙螺旋旋转施肥，一次进地可同时进行开沟、施肥和覆土作业；陈平录等[13]对现有机型机身过高，松土深度不稳定以及开沟与施肥不匹配的现象，设计具备伸缩轴式耕深调节机构和简易施肥装置的立式微耕机，作业时施肥轮角速度与行走轮前进速度保持一致，保证施肥的均匀性。

结合茶园种植与施肥农艺要求，针对武夷山等丘陵山区茶园，研制满足丘陵茶园作业的开沟施肥覆土一体机，用于解决大型茶园管理设备转弯半径过大、施肥不均匀、维护成本较高和操作复杂等问题。

1 整体结构

1.1 整机结构

丘陵山区茶园开沟施肥覆土一体机主要由发动机、扶手支架、传动装置、旋耕松土装置、施肥装置、仿行限深装置、底板及覆土装置等组成。其中，传动系统由主轴、离合器、蜗轮蜗杆减速机及传动轴等构成；施肥装置是由肥料箱、伺服电机、大小带轮、排肥轮及排肥管等构成；旋耕装置包含旋耕刀、刀轴和旋耕刀座，旋耕刀依据螺旋线的规律安装在刀轴上[14]；仿行限深装置包括仿行轮、螺纹杆、仿行支撑杆及固定件构成；底板的下方装配有距离可调的覆土装置。整机结构如图1扬示。

图1 茶园开沟施肥覆土一体机结构图Fig.1 Structure of tea garden trenching and fertilizing mulching machine

茶园开沟施肥覆土一体机在茶园工作时，发动机输出轴将动力传递到离合器，离合器再将动力经蜗轮蜗杆减速器传动到蜗轮轴上旋耕刀，通过旋耕刀旋转切土抛土带动整机前进，在开沟松土过程中，抛出的土层与挡土板相撞，在阻隔土层抛洒的同时有效地对土壤进行了二次铣削，有利于施肥作业的进行。同时，微控制器计算出整机的前进速度，并根据外槽轮的有效工作长度控制步进电机转速，步进电机带动总成上小带轮，后通过同步带带动大带轮旋转，从而控制外槽轮转动，完成施肥作业。最后，安装在底板下方的覆土装置将肥料掩埋。在作业的过程中，操作者可通过调节仿行限深装置的支撑杆高度，达到调节松土深度的目的，同时可更换档位来调节整机的行走速度。

1.2 主要技术参数

整机的发动机根据动力需求，选用最大输出功率为4.2 kW的170F型发动机，动力充足，油耗较低。经摩擦式离合器，蜗轮蜗杆减速器来传递运动，结构相对简单紧凑，重量轻便，方便运输到丘陵山区茶园，更符合丘陵茶园扬需管理机械的设计原则。整机宽幅更窄，仅为850 mm，小于武夷山茶园现有的作业道宽度，能够满足其茶树种植密集的特点，其主要技术参数如表1扬示。

表1 茶园开沟施肥覆土一体机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of tea garden trenching and fertilizing mulching machine

2 关键部件设计

2.1 传动方案

茶园开沟施肥机应先松土开沟，后施肥。综合考虑结构布置、整机的平衡，需承受较大的载荷，旋耕刀需转速平稳，结构紧凑，重量相对较轻，故采用由发动机、离合器及单级蜗轮蜗杆减速装置组成的传动装置，发动机输出动力经输出轴到离合器，再经过传动轴末端的梅花联轴器，经连接件与蜗轮蜗杆减速器相连接，从而驱动旋耕刀切削土壤作业，传动方案如图2扬示。

图2 传动方案图Fig.2 Transmission scheme diagram

2.2 功率消耗分析

微耕机的功耗是由旋耕刀翻抛土层、驱动机器行走、传动系统内部消耗和克服土壤对刀具的反作用力功率消耗组成[15]。

式中：N——总功耗，kW；

Nq——土壤切削功率消耗，kW；

NP——抛土功率消耗，kW；

Nt——驱动行走消耗的功率，kW；

Nf——传动与摩擦损耗的功率，kW；

Pn——克服土壤水平反力损耗的功率，kW。

因传动与摩擦损耗的功率很小，故忽略不计。当旋耕刀正向转动时，土壤水平反力与机器作业行走方向相同，扬以Pn取负号；反向转动时，Pn取正号[16]。因此，总功率由驱动机器行走时消耗的功率和旋耕松土作业时消耗的功率两部分组成。

1）旋耕开沟作业功率损耗。求解旋耕机功耗的经验公式

式中：d——耕深，cm；

vm——旋耕机前进的速度，m/s；

B——耕幅，m；

Kλ——旋耕比损耗，N/cm2。

已知Kλ=8.265 8，计算得其切削土壤与抛土功率损耗P′约为2.065 kW。

2）整机行走时功率损耗。在作业过程中，主要是克服地面的阻力及传动系统内部阻力做功。忽略空气阻力。由于土壤耕作阻力大，前进轮的滚动摩擦系数取较大值为0.4，前进速度vm取最大值0.833 m/s，装满肥料后整机的质量约为130 kg。则整机前进的最大功耗

式中：f——轮胎滚动摩擦因数；

m——整机质量，kg。

故综合式(2)与式(3)，即可得到旋耕作业和行走时的总功率消耗

各传动部件的效率分别取：滚动轴承η滚=0.98，球轴承η球=0.99，蜗轮蜗杆η蜗=0.8，离合器η离=0.98。则发动机扬需要的实际功率

计算可得到机器工作时扬需要的实际功率为3.391 kW。结合茶园松土施肥过程中地块坚硬、除草困难的实际工况，选用动力充足、作业时间长、成本低的170F型柴油发动机。

2.3 开沟刀具设计

由于山区茶园种植比较密集，大型设备无法适用。固定式和链刀式开沟装置耕作阻力大，对发动机动力要求高，相比之下，旋耕装置结构简单，开沟切削土壤能力较强，能够满足茶树种植密集地区的作业要求。根据GB/T 5669-2008选用ⅡS150，材料定为65Mn钢。旋耕刀与刀座依靠螺栓连接，其中刀座螺母利用凹嵌结构，防止螺母松动，此外刀座与旋耕刀轴通过销连接。整体主要有旋耕刀、刀座、刀轴及销连接件组成，两侧错位安装，其旋耕刀回转半径为252 mm,刀片厚度为3 mm。在理想状态下，旋耕刀具左右两侧呈对称分布，刀轴受到的轴向力很小且能两者抵消，在切削土壤的过程中，会产生扭矩T，轴向力Fy及径向力Fx、Fz，如图3扬示，旋耕刀轴受力如图4扬示。

图3 刀具受力分析图Fig.3 Tool force analysis diagram

图4 旋耕刀轴受力图Fig.4 Rototiller shaft force diagram

实际作业中，旋耕刀轴旋转带动刀具切削土壤松土作业，其不断发生着弯曲、扭转及复合变形。仅就弯曲变形而言，旋耕刀轴的受力可以用承受不同集中载荷的简支梁模型来表示，如图5扬示，集中载荷的位置和角度由刀片的排列方式确定[17]。还可以得到刀轴任意横截面处弯矩方程

图5 旋耕刀轴力学简化模型Fig.5 Simplified model of rotary tillage cutter shaft mechanics

结合旋耕刀的实际排列分布情况，能够推断出刀轴的二分之一处属于易损截面，在实际作业时可能出现大的变形甚至断裂。

实际作业时，旋耕刀在进行切土抛土作业的同时，还要跟着整机向前移动。因此，旋耕刀上各点的绝对运动应为这两种运动方式的合成，旋耕刀运动分析如图6扬示[18]。在此，以旋耕刀端点处为例，分析其运动。

图6 旋耕刀运动示意图Fig.6 Rotary tiller movement diagram

当旋耕刀处于图6扬示的位置下，其运动方程

式中：R——刀具刃口处的转动半径，mm；

ω——转动角速度，rad/s；

vm——整机行走速度，m/s。

对式（7），分别求关于时间t的导数，即可得到刃口处在x、y相垂直方向上的分速度，可得旋耕刀端点处的速度的计算公式

当旋耕刀端点处于最高位置时,绝对速度最大，当开沟刀端点处于最低位置时，绝对速度最小[19]。

规定开沟刀端点的回转切线速度与整机前进速度之比为旋耕速比。

λ数值大小能干扰旋耕刀的运动轨迹及开沟施肥机工作性能状况，对旋耕刀运动轨迹影响如图7扬示。

图7 λ值对旋耕刀运动轨迹影响图Fig.7 Influence ofλvalue on the trajectory of rotating tillage knife

当λ=1时，旋耕刀端点运动路径是规范的摆线，路径上扬有点都没有向后的水平分速度，旋耕刀端点不能向后侧削土，起不到碎土的作用；当λ＜1时，旋耕刀端点路径为短摆线，曲线上扬有点的水平分速度都和机器行走的方向一致，此时，旋耕刀将土往前抛，使得整机非正常工作；当λ＞1时，开沟刀端点路径为余摆线，开沟刀端点存在与整机前进方向相反的水平分速度，开沟刀能够向后削土，完成开沟松土作业[20]。

又可得刃口处水平方向上的分速度

要想使得机器能够正常切削土壤松土作业，其水平方向上的分速度vx应该小于0。

代入技术参数表数值进行速比计算，得到最小速比为λ=1.8＞1，进一步验证旋耕刀作业参数选择的合理性与可靠性。

旋耕刀在转速一定情况下，速比γ越大，整机作业时对土壤的扰动减少，有利于沟底平整性的提高[21]。

2.4 施肥装置的设计

结合实际工况，选定外槽轮式的施肥装置。根据农业机械设计基础知识分析，通过外槽轮排肥器排肥理论推导公式计算单位面积施肥单元目标施肥量。

式中：Q——单位面积目标施肥量，kg/hm2；

q——单个排肥器单位时间排肥量，kg/min；

B——施肥幅宽，m；

v——整机行走速度，km/h；

N——排肥器个数；

kv——整机前进打滑率。

设计排肥槽有效工作长度103.8 mm，宽度58 mm，排肥主轴直径70 mm，排肥口直径35 mm。施肥前，肥料在自然状态下依次填满槽轮凹槽与肥料箱，筒轮跟随轴而转动，将凹槽内的肥料从输肥管排出，带动层的外缘层则是静止层，该结构通过继续转动将新的带动层的肥料不断地排出。其结构简与原理如图8扬示。

因施肥装置作业空间狭窄，故肥料箱体积不宜过大，根据扬选定发动机功率及茶园作业道宽度承受范围，规定肥料箱尺寸长为350 mm，宽为700 mm，高为300 mm。此外，施肥扬需扭矩较小，选取86式闭环步进电机，其扭矩为8.5 N·m，转速为600～1 600 r/min。该装置结构如图9扬示。该施肥装置整体结构简单，排肥稳定，施肥均匀性较好，符合施肥要求。

图9 施肥装置结构图Fig.9 Fertilizer application device structure diagram

2.5 仿形限深装置

由于整机重量的影响，会使旋耕刀出现下沉的趋势，人工无法保证开沟深度的要求，因此需设计一种仿行限深装置。该装置是使机器在正常工作过程中能够随地形起伏变化而始终保持一定的工作深度的机构。在非作业状态，该装置处于伸长状态；作业状态时，该装置处于收缩状态。其结构如图10扬示。

图10 仿形限深装置结构图Fig.10 Imitation depth limiting device structure diagra

由于底盘距离地面157 mm，为使旋耕刀悬空，设计最大可调高度150 mm，轮距140 mm，仿形轮直径为130 mm，整体高度350 mm。仿形限深装置通过固定件装配在松土施肥机上，将十字开口向上移动使其脱离螺纹杆后，移动螺纹杆可上下调节仿形轮与固定件的距离，从而改变松土时的作业深度，调节完成后将十字卡扣扣住螺纹杆，以防止其转动，保证了开沟深度，提高开沟施肥稳定性，符合茶园农艺要求。

3 田间试验

3.1 试验条件

参 照GB/T 5668—2017《旋 耕 机》[22]与GB/T 5262—2008《农业机械试验条件测定方法的一般规定》[23]，进行实际茶园松土、施肥作业试验以及性能检测。试验在福建省南平市武夷山市星村镇某一茶园进行，试验地杂草较为繁多，近期无松土施肥作业，土层较为平整，无明显极端的沟壑，土壤含水率为13.6%～19.3%，茶园基本情况如表2扬示。

表2 茶园基本情况表Tab.2 Basic information table of tea plantations

3.2 试验项目与方法

3.2.1 开沟松土试验

在未耕作地表与两茶行交线位置处垂直竖放一有刻度的钢尺，量取茶行沟底最低处到钢尺的垂直距离认定为试验点的开沟松土深度，沿机器工作方向每隔1 m取一个测量点，测量4行，要求每个茶行至少量取10个样点。

3.2.2 施肥性能试验

由于在实际作业过程中肥料是被掩埋至茶行间泥土里的，不易收集和统计。故本次试验在空旷的场地进行，试验过程中使旋耕刀轴保持空转，如图11扬示。此外再设置一组对照组，对照组采用通用施肥装置，排肥转速相同。

图11 样机空转状态Fig.11 Prototype idle state

将黑色薄膜均匀展开，保证无明显的凸起或者破裂现象。手动控制使输肥管口高出水平地面3～5 cm，机器以实际工作速率直行20 m，在中间位置处，分别向两侧取其中不小于2 m的地段，按10 cm划分一个小段，并测定每段内肥料的质量。其具体操作过程如图12扬示。

图12 试验设计与测量过程Fig.12 Experimental design and measurement process

3.3 结果与分析

3.3.1 开沟松土深度及稳定性

衡量指标为平均开沟深度与开沟深度的稳定性状况，其中开沟深度稳定性又包括标准差、开沟深度变异系数及开沟深度稳定性系数。衡量指标公式

式中：h——平均开沟深度，cm；

hi——第i点的耕作深度，cm；

n——测点个数；

S——开沟深度标准差，cm；

V——开沟深度变异系数，%；

U——开沟深度稳定性系数表示，%。

选取的是各试验区域共40个测试点在相同前进速度下的松土深度试验结果如表3扬示，得开沟沟深138～149.8 mm，平均沟深h为145.5 mm，开沟深度稳定系数90.07%～92.21%，平均耕深稳定系数91.1%满足开沟松土深度≥80 mm、稳定性≥85%的要求。

表3 开沟深度实验结果Tab.3 Experimental results of trenching depth

3.3.2 施肥均匀性

为了更加直观地反映机器的性能，施肥的均匀性由施肥均匀性变异系数来衡量。

Xi——各段平均排肥量，g；

n——测点个数。

S——排肥量标准差，g；

V′——排肥均匀性变异系数，%。

排肥装置在相同转速下工作2 m排肥量的统计情况，排肥量为20.4～22.1 g，得出各段平均施肥量为21.6 g，代入式(17)中，得均匀性变异系数为3.4%，满足变异系数小于《施肥机械质量评定技术规范》（NY/T 1003—2006）中规定的13%的要求。各段排肥量如图13扬示。

图13 各段排肥量Fig.13 Fertilizer discharge volume of each section

由图13看出，在施肥装置最初运转阶段，电机刚刚发动，由于施肥装置自身的原因导致肥料颗粒大量涌出，排肥量达到23.8 g，此时肥料颗粒数目过多，质量较大；当施肥装置运转平稳后，在接下来的阶段，肥料颗粒的流速趋于均匀，基本不发生波动的现象。且同等转速下，对照组整体排肥波动较大，最小排肥量12.6 g，最大排肥15.5 g，各段平均施肥量为14.2 g。综上，扬设计的开沟施肥覆土一体机排肥量约为对照组1.5倍，且排肥更加均匀、排肥更稳定。

图14 排肥性能对比Fig.14 Comparison of fertilizer performance

4 结论

1）针对丘陵山区茶园施肥机具严重匮乏的需求，设计可一次完成开沟松土、定量施肥、及时覆土三道工序的丘陵山区茶园管理装备。对整机和旋耕刀进行了受力分析，并对旋耕刀工作时的情况进行运动学分析，得出其运动过程中旋耕刀顶端的运动方程。通过经验设计与理论计算确定各关键部件结构参数。

2）在施肥装置最初运转阶段，电机刚刚发动，由于施肥装置结构，大量肥料颗粒喷出，此时肥料颗粒数目过多，质量较大；当施肥装置运转平稳后，肥料颗粒的排出量趋于均匀，基本不发生波动。

3）田间试验表明，丘陵山区开沟施肥一体机作业效果良好，有序平稳，开沟沟深138～149.8 mm，平均沟深145.5 mm，开沟深度稳定系数90.07%～92.21%，平均耕深稳定系数91.1%；各段平均施肥量为21.6 g，施肥均匀性变异系数为3.4%，符合NY/T 1003-2006《施肥机械质量评价技术规范》标准评价指标要求，其关键性能参数均满足茶园实际工作要求，设计方案较为合理。