一种小型除草施肥机的设计

水存勖

（芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241002）

1 研究背景

1.1 我国茶叶产业发展现状及问题

我国是世界最大的茶叶生产国和消费国，中国茶叶流通协会发布的《2022 年中国茶叶产销形势报告》显示，2022 年全国茶园面积达4 995.40 万亩，干毛茶总产值再创历史新高，达到3 180.68亿元[1]。近年来，茶叶的价格不断攀升，主要原因是随着我国城镇化进程不断加快，大量劳动力涌向城市，青壮年劳动力的匮乏使得种茶成本持续上升。在高昂的价格之下，茶农的利润萎缩，消费者的负担加重，劳动力问题引起的成本增加已经成为影响茶产业发展的主要因素。

1.2 茶园机械发展概况

在茶园中采用机械化生产是解决目前问题的最佳方案[2]，但我国茶叶主产区大多位于山区和丘陵地带，难以使用大型机具，体积小、功能多的小型机械设备是首选。目前，国内生产茶园机械的企业有很多，但是他们的产品主要是采收机、喷药机、修剪机、灌溉机等，很少有企业生产除草施肥机。绝大多数茶园还是人工除草施肥，成本较高，效率低下，劳动强度大。但如果为了高效率使用农药除草，茶叶中又会有残留物。因此，使用机械除草能成功解决以上两个突出问题。

茶园土地比较贫瘠，每年需施肥三次，还要根据杂草长势进行除草，在土壤出现板结时还要进行中耕松土。这些工作如果都由人工来完成，将是一笔茶农难以承受的支出。目前，市场上常见的除草机有背负式和自走式两种，功率都很小。基本没有茶园专用的施肥机，大部分都是果园中的开沟施肥机[3]。根据这些需要，可以设计一款小型机械，集中耕、除草、施肥于一体。

中国的茶园很多位于山区，坡度大，种植杂乱无序，只能由人工完成各项工作。在很长一段时间内，中国的茶园机械还局限于坡度小于10°的茶园中，应用面太狭窄，根本无法满足广大茶园的需求。21 世纪开始，我国的茶园机械呈现出多样化、小型化的发展趋势，演化出一系列配套机械，几乎涵盖了茶叶生产的所有环节[4]。已经研制出松土施肥机，可以在中耕时利用旋耕刀一并完成除草作业，刀具也有所改进。但是受于地形限制，这些机械的应用范围较窄，虽然整体效率比人工高，但仍有可以改进的地方。

2 整机结构及工作原理

茶园除草施肥机主要由限深轮、旋耕刀、减速器、发动机、行走机构、深松铲、肥料斗、覆土轮、机架、操作系统等组成，整机结构如图1 所示。

图1 整机结构示意图

工作时，通过调节最前端限深轮的高度，可以改变旋耕深度，具体情况可以根据需要自行调节。动力系统有2 条传递路线：1）发动机—带传动—变速箱—旋耕刀，进行除草作业；2）发动机—带传动—变速箱—行走轮，将动力传递给行走轮，可以使机具以不同速度前进，并带动深松铲前进。为了减轻机具重量，缩小体积，旋耕刀和行走轮共用一个变速箱。深松铲柱使用空心钢管，方便肥料下落，最后的覆土轮将耕完的松软泥土压实。除草时，握紧离合器把手，慢慢提起车把手，旋耕刀逐渐进入土下开始工作，机具在发动机的动力供给下自动向前行走，左右转动车把即可换向。停止工作时，轻压车把，将旋耕刀抬离地面，松开离合器，旋耕刀即停止运转。

3 各部件选配与设计

茶树标准行距为1.3 m～1.5 m，但实际种植时，很多茶农为了增加收益选择密植，使得茶蓬间距狭小。除草时应注意不能伤到茶树的根，因此除草施肥机不宜过宽，宽度60 cm左右即可。

按照农艺要求，幼龄茶树除了定植肥外，每年至少要施4 次肥[5]，分别是春季的2 月至3 月、4 月底至5月初、7月、9月；成年茶树在每年春茶采收后的4月底施春季肥，6 月下旬施追肥，10 月至11 月施基肥。为保证养分充足，应将有机肥和复合肥混合使用，有利于茶树生长。幼龄茶树每次施肥需要有机肥100 kg/亩以及复合肥5 kg/亩～10 kg/亩，成年茶树需要施有机肥150 kg/亩～200 kg/亩以及复合肥20 kg/亩～30 kg/亩。施肥方法要求深施20 cm～30 cm，施肥后覆土。

3.1 发动机的选择

发动机的选择主要应考虑除草施肥机工作过程中的总功率，包括旋耕刀中耕除草的动力、驱动除草施肥机前进的动力、深松铲阻力以及传动过程中的损耗。

根据《农业机械学》中关于计算旋耕机功率消耗的公式[6]，在各项参数均取较大值的情况下计算旋耕部分的功率，公式为：

式中，N1——旋耕机消耗的总功率，kW；Nq——切土功率消耗，kW；Np——抛土功率消耗，kW；Nt——旋耕机前进功率消耗，kW；Nf——传动及摩擦功率消耗，kW；Nn——克服土壤水平反力的功率消耗，kW。

茶园除草施肥机工作时还会受到地面阻力、空气阻力等的影响，这些阻力已经被取较大值的各项参数包含在内，不需要再详细计算。因此，行走轮功耗为：

式中，N2——行走轮功率消耗，kW；f——轮胎滚动摩擦因数；m——整机质量，kg；g——重力加速度，m/s2；V1——整机最大前进速度，m/s。

由于大部分茶园还是传统的管理模式，土壤板结严重，这就使得施肥部分需要增加深松铲。经计算，得出深松部分阻力约为2.9 kN。

将以上所有数据相加可以得出茶园除草施肥机总功耗约为6.8 kW，所以选择的柴油机额定功率为7.5 kW，额定转速为3 600 r/min。

3.2 变速箱的主要技术参数

茶园除草施肥机的变速箱有两根动力输出轴，一个将动力传递给旋耕刀，另一个将动力传递给行走轮。除了前进挡之外，为了安全起见还设计了空挡和倒退挡。

根据《农业机械设计手册》，选用微型耕作机[7]，其刀辊转速为240 r/min～480 r/min，选取转速300 r/min，工作深度3 cm～28 cm，作业幅宽0.3 m～1 m，需要设计配套的变速器使机具正常工作。

机具前进速度设计为1 m/s，倒退速度为0.5 m/s，传动比分别为60 和120，旋耕刀的传动比为12。考虑到传动效率以及结构需紧凑的问题，可采用三级齿轮减速器。

根据《农业机械设计手册》，旋耕刀功耗计算公式为：

式中，N——旋耕刀功耗，kW；Kλ——旋耕比能耗，kW·h/m3；h——最大除草深度，cm；v——最大前进速度，m/s；B——最大除草宽度，cm。

由此，可计算得出旋耕刀所需功率约为3.7 kW。功率的计算公式为：

式中，P——功率，kW；F——力，N；v——最大前进速度，m/s。

根据《机械设计手册》选用45 号钢作为材料，调制处理[8]。选取[τ]=33 MPa，A0=110。轴的扭转强度条件为：式中，τT——扭转切应力，MPa；T——轴所受的扭矩，N·mm；WT——轴的抗扭截面系数，mm3；P——轴传递的功率，kW；n——轴的转速，r/min；d——轴的截面直径，mm；[τT]——许用扭转切应力，MPa。

轴为阶梯轴，可近似计算其当量直径，公式为：

式中，dV——当量直径，mm；L——阶梯轴的计算长度，mm；z——阶梯轴计算长度以内的轴段数；li——阶梯轴第i段的长度，mm；di——阶梯轴第i段的直径，mm。

轴的计算应力为：

式中，σca——轴的计算应力，MPa；M——轴所受的弯矩，N·mm；W——轴的抗弯截面系数，mm3；T——轴所受的扭矩，N·mm；[σ-1]——对称循环变应力时轴的许用弯矩应力，MPa。

根据式（7）可求出σca=7.36 MPa＜[σ-1]。

3.3 除草装置的设计

茶园除草施肥机设计最大耕深为18 cm，可基本满足坡度25°以下各类茶园的需求。芜湖职业技术学院的几位老师曾经制作过一种自走式茶园除草机，该机具使用的是长方形刀片安装在除草轮上的工作原理，最大除草深度只有3 cm，且只有除草这一个功能。但茶园的地形复杂，不利于多次机械化作业，而且为了降低土壤板结程度，还要考虑到成本的问题，减少机械作业次数，所以应尽量增加功能，提高效率[10]。

我国的茶园大多历史悠久且多在山区，以前也没有条件开展机械化作业，因此园中土壤板结，需要中耕松土，每年还需要根据草的长势除草数次。对比这些工作的时间段，发现很多工作的时间前后相隔不长，有很多时间段是重复的，可以将这些工作放在一起同时进行。多数茶园的地理条件也不利于大量肥料的使用，很多茶农鲜少打理，人为因素加上自然限制导致茶园土壤贫瘠，进而给茶叶的产量和品质带来了负面影响。土壤肥力不够，就需要不断施肥，每次施肥量都很大，如此大量的肥料用人工搬运是一件耗时费力的事。

使用旋耕刀可以增加除草深度，同时完成中耕松土作业，在机具护罩上安装静止刀片，可以将长草切断，使旋耕刀不会被草缠住，也有利于将草埋入土壤，提高土壤肥力。考虑到除草效果的问题，应合理配置刀片，采用4 片一组，共4 组16 个刀片，还要增加机具护罩以便于碎土和保护人员安全。

3.4 施肥装置的设计

施肥机的肥料斗容量应尽可能大，可以减少肥料的搬运次数。现在的茶园很少有松软的土地，施肥器难以将肥料施到要求的深度。为了让茶树更好地吸收养分，施肥要深施，一般为20 cm～30 cm 深。现设计2 个深松铲，左右对称分布，深松铲柱采用空心钢管，将输肥管插入柱内，在重力的作用下，肥料落入土中。每个深松铲后都带一个覆土轮，可以将施过肥的土压实。

根据《农业机械设计手册》，肥料箱容积的计算公式为：

式中，V2——肥料箱容积，m3；D——装满一箱肥料可保证的施肥距离，m；E——工作幅宽，m；Q——单位面积最大施肥量，kg；γ——肥料的密度，kg/m3。

3.5 限深装置的设计

旋耕刀的设计为除草中耕两用，工作时将土块抛洒，旋耕刀给土块向上的力，所以旋耕刀也会受到土块向下的反力，深松铲结构上就要设计成入土方便的形状。它们都会使整台机具受到向下的力，如果不采取措施，机具会陷在土中，最终导致其无法工作。需要设计一个限深轮置于机具最前方，防止机具下陷，也能让旋耕刀和深松铲在一定深度工作，使其作业均匀。限深轮用于控制旋耕刀和深松铲的工作深度，主要结构有导向轮、螺纹套筒、螺纹杆、转动手柄等，可以通过转动手柄来改变螺纹杆在套筒中的位置，从而改变导向轮的高度，进而调节耕深。

4 结论

1）通过查询市场上的茶园机械产品，发现市场上的小型机械有很多种，但都大同小异，功能较为单一。茶园工作复杂，劳动强度大，亟需一种小型多功能机械来代替人工完成这些工作。

2）设计的茶园除草施肥机具有体积小、功能多的优点，适用于密植茶园，可以一次完成除草、中耕、施肥三项任务，能够减轻工作人员的劳动强度，节约生产成本。

3）茶园除草施肥机采用了较大功率的柴油机，额定功率为7.5 kW，可以在疏于耕作、土壤板结的茶园中工作自如，还可以根据实际需要拆装工作部件，实现功能的适当增减。

4）采用目前比较先进的结构设计，可减小阻力，提高工作效率，改善耕地效果。采用仿生减阻深松铲可明显降低耕地阻力；旋耕刀上方机罩加装固定刀片，可以将长草切断，防止旋耕刀被缠住，方便将断草埋入土中。