自走式茶園微耕機的設計

王小勇，李 兵*，徐成剛，李尚慶，孫長應

(1.安徽農業大學工學院，安徽合肥 230031；2.安徽農業大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室，安徽合肥 230031；3.安徽農業大學茶與食品科技學院，安徽合肥 230031)

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自走式茶園微耕機的設計

王小勇1，2，李 兵1，2*，徐成剛1，2，李尚慶2，3，孫長應2，3

(1.安徽農業大學工學院，安徽合肥 230031；2.安徽農業大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室，安徽合肥 230031；3.安徽農業大學茶與食品科技學院，安徽合肥 230031)

茶園的除草、碎土是茶園管理的重要環節，傳統的除草碎土方式都是人工操作，作業效率低，勞動強度大。為了提高茶園的除草碎土效率，設計制造一種自走式茶園微耕機，使用ansys軟件對刀片和刀軸進行靜力學分析，得出刀片刀軸的最大應力與最大應變的位置。最后對微耕機進行性能實驗，結果表明，該微耕機耕作幅寬365 mm，耕作深度118 mm，穩定性系數達91.6%，能夠有效滿足茶園耕作的需求并保證工作的穩定性。

微耕機；力學分析；茶園

茶葉含有大量對人體有益的有機化學成分和無機礦物元素，營養價值和藥用價值較高，社會需求量不斷增大。在茶樹的種植和管理過程中，雜草的存在不僅吸收茶園的養分，還為害蟲的生長提供場所，因此在茶樹生長過程中必須進行除草碎土。傳統的除草碎土方式主要以人工除草為主，該方式勞動強度大，作業效率低[1-2]，利用機械除草碎土能夠提高作業效率，并且利于茶樹生長，因此機械化除草碎土在茶園生產中得到大力推廣[3]。由于茶園種植模式的限制，普通的茶園管理機械因體積、重量的影響，無法在山區作業。筆者結合茶園管理除草碎土作業的農藝技術要求、茶園種植的行距要求以及方便操作者使用等，設計了一款自走式茶園微耕機，并進行了實地驗證，效果較好。

1 總體結構設計

1.1 工作原理 自走式茶園微耕機主要由機架、發動機、操作架、限深調節裝置、傳動系統和旋耕刀輥組成，如圖1所示。動力的傳遞主要通過發動機產生，由帶傳動將動力傳遞到旋耕刀，中間由齒輪箱實現變速調節；旋耕刀等間距地安裝在刀軸上，在不作業的情況下可以更換驅動輪，便于行走；操作架可以根據操作者的身高實行調節，限深裝置通過限深輪的高度控制微耕機的耕作深度以及微耕機在工作過程中的阻力[4-5]。通過三維軟件catia建立自走式茶園微耕機的三維模型，如圖2所示。

注：1.機架；2.柴油機；3.操作架；4.限深調節裝置；5.刀軸變速箱；6.旋耕刀輥。Note：1.Frame；2.Diesel emgine；3.Handling frame；4.Depth regulating device；5.Arbor gearbox；6.Rotary tillage knife roller.圖1 自走式茶園微耕機結構示意Fig.1 Structure of tea garden self-propelled tiller

圖2 茶園微耕機裝配體模型Fig.2 Assembly model of tea garden tiller

1.2 技術參數 結合安徽省六安市獨山茶園的種植模式和農業機械設計手冊標準，設計自走式茶園微耕機的技術參數，如表1所示。

表1 自走式茶園微耕機主要技術參數

2 力學分析

2.1 自走式茶園微耕機整機受力分析 自走式茶園微耕機在工作時，刀片在切削土壤的過程中會產生推動機器前進的動力，土壤又會對刀片產生阻力，阻力的大小對機器的壽命有至關重要的作用。刀片的安裝方式、操作者的操作水平、刀片的旋轉，以及土壤的堅實度、硬度都會影響微耕機工作的切削阻力。如圖3所示，G為茶園微耕機的重力，ω為刀軸旋轉的角速度，P為茶園微耕機操作者施加的力，Vm為微耕機前進的速度，FX、FY為旋耕刀受到的阻力的分力，RX、RY為限深輪受到阻力的分力[6]。

圖3 微耕機整機受力簡圖Fig.3 Stress of the whole machine

根據受力平衡原則：

FX-RX=0

(1)

FY+RY-G-P=0

(2)

FYXA+FXYA-GXC+PXD-RYXB-RXYB=0

(3)

根據公式(1)、(2)、(3)，可以得出，通過操作者施加的壓力來調節耕深，耕深過大時，增加操作者施加的壓力來改變阻力，從而使耕深降低；同理，當耕深降低時，降低操作者施加的壓力來改變阻力，使耕深增加。

2.2 耕刀與刀軸的受力分析 根據微耕機刀片在工作過程中不斷重復地與土壤進行接觸，位置、方向、面積以及作用點都在發生變化，因此簡化耕刀的受力過程，如圖4所示[7]。

圖4 刀片受力簡圖Fig.4 Stress of blade

(4)

(5)

將阻力F沿作用點的法線、切線方向分解后得到法向的Fn和切向的Ft，從而

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(7)

此時，在刀輥的旋轉中心位置由于Ft的作用產生一阻力矩M，其大小為：

M=Ft·R

(8)

式中，R為力F的作用點到旋轉中心的距離。

刀軸在工作的過程中會發生彎曲以及扭轉，刀軸上面均勻安裝刀片，以刀片的排列來確定受力的方向，結合圖5可以得到如下方程：

圖5 刀軸受力簡圖Fig.5 Stress of blade carrying axle

2.3 耕刀與刀軸的有限元分析 在三維軟件下建立刀片與刀軸的三維模型，將模型導入ansys軟件，對刀軸與刀片進行網格劃分，建立有限元分析模型。刀片材料選用65Mn鋼，刀軸材料選用結構鋼，結合微耕機工作原理，在刀片側切刃、正切刃以及過渡方向上分別施加450 N的力，對刀軸模型簡化右端固定，左端約束的模型，在中間部位施加400 N的力，最后進行求解。刀片結果如圖6～8所示：刀片正切刃部分發生最大變形，最小變形發生在刀柄處；最大應力發生在刀柄與刀背連接處，最小應力發生在正切刃與刀柄部位。刀軸結果如圖9～11所示：刀軸受到應力最大位置在中間部位，中部為載荷集中部位，應力由中間向兩邊遞減，到達兩邊約束位置變化最小[8-10]。

圖6 刀片變形分析結果Fig.6 Blade deformation analysis results

圖7 刀片應力分析結果Fig.7 Blade stress analysis results

圖8 刀片應變分析結果Fig.8 Blade strain analysis results

圖9 刀軸變形分析結果Fig.9 Arbor deformation analysis results

圖10 刀軸應力分析結果Fig.10 Arbor stress analysis results

圖11 刀軸應變分析結果Fig.11 Arbor stress analysis results

3 實例分析

該微耕機在耕深調節裝置的控制下可以實現深度的調節，深度越深，能量的損耗也會增大[11]。根據茶園的種植特點，為了使微耕機在作業過程中能夠靈活轉彎的同時減少在作業時能量的消耗，使用微耕機對茶園來回4次作業，滿足耕作深度要求，選擇了柴油機作為動力源，同時在六安獨山茶園進行了實驗，茶園土壤的相對濕度為22.1%，平均土壤堅實度為834 kPa[12]。實驗主要設備有：土壤堅實度測定儀，電子天平，電子秒表，卷尺和鋼尺。20 min完成了滿足旋耕深度的茶地大約100 m，在100 m內隨機取10個點，茶園微耕機的耕作深度110～130 mm為合格，人工扒開土層測量微耕機的耕作深度，100個取樣點中有89個合格，工作后合格率為89%[13-16]，實驗數據如表2所示。微耕機的平均耕作深度為：

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式中，xi為每個取樣點的耕作深度(mm)；n為取樣點的總數。

實驗結果：微耕機在茶園工作的過程中，工作平穩可靠，實驗測得相關數據如表3所示。由此可知，采用自走式茶園微耕機對茶園進行除草碎土，耕深耕寬都達到了茶園規定的范圍，工作后茶園地表較平整，碎土除草效果好，刀軸的轉速能夠滿足設計的相關要求。

4 結論

該研究所設計的茶園微耕機結構簡單，便于操作，耕深與耕寬滿足茶園碎土除草作業要求并且符合農藝要求，降低了操作者的工作強度并且提高了作業效率。

表2 茶園微耕機耕作深度

表3 實驗測試結果

實驗結果表明，自走式茶園微耕機平均耕深為118 mm，平均耕寬為365 mm，穩定性系數達91.6%，能夠有效滿足茶園耕作的需求和保證工作的穩定性。了操作者的工作強度并且提高了作業效率。

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Design of Tea Garden Self-propelled Tillers

WANG Xiao-yong1,2, LI Bing1,2*, XU Cheng-gang1,2et al

(1. Engineering College, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230031; 2. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230031)

Tea garden weeding, pulverizer is an important part of tea garden management, the traditional way of weeding and pulverizer is manually, low operating efficiency, labor-intensive. In order to improve the efficiency of weeding and pulverizer, a self-propelled tea garden tiller was designed and manufactured, ansys software was used to deal with blade and arbor statics, the position of the maximum stress and the maximum strain in the blade arbor was obtained. Finally tiller performance test results showed that: the tillers tillage width 365 mm, tillage depth of 118 mm, stability factor reached 91.6%, effectively met the needs of tea cultivation and guarantee the stability of work.

Tiller; Mechanical analysis; Tea garden

農業部茶園機械科研項目(11008702)；安徽農業大學研究生創新基金項目(2015-43)。

王小勇(1992- )，男，安徽黃山人，碩士研究生，研究方向：茶葉機械。*通訊作者，副教授，博士，從事農業機械、茶葉機械研究。

2016-10-12

S 224

A

0517-6611(2016)33-0239-04