茶園開溝施肥覆土一體機的設計與試驗*＊

張海鵬，林聰，陳凌霄，張培坤，鄭書河

(1.福建農林大學機電工程學院，福州市，350002；2.福建省農業機械推廣總站，福州市，350001；3.福建永順機械有限公司，福建南平，353500)

0 引言

茶園管理作為茶葉種植培育中的必要步驟,是保證茶葉產能、品質和經濟效益的根本和關鍵[1]。由于我國的茶園種植區域主要分布在山區或丘陵地帶，地形較為崎嶇，土壤環境惡劣，茶園的松土和施肥顯得尤為重要。然而我國茶園機械化松土施肥的水平仍較低，茶園的機械化程度遠不及其他糧食作物的平均水平[2-4]。依靠茶園機械代替人工松土、施肥，是茶園管理的必然趨勢，也是目前茶產業發展的重點之一。目前，茶園中多使用大型管理機，集修剪、施肥、采摘于一體，但體積龐大、機動性欠佳，維護成本較高，人工操作復雜，無法滿足我國大部分丘陵山區茶園的實際要求[5-6]。為彌補大型茶園管理機不足，小型茶園管理機械應運而生[7]。然而現存小型淺耕機型存在動力不足，耕作深度不合格等，無法大規模推廣使用[8]。

目前國內茶園機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園管理機，是國內實現跨越茶樹冠進入狹小的茶行間進行作業的先例；李坤等[10]針對緩坡或者陡坡茶園，研制出了低地隙履帶式多功能茶園管理機；徐良等[11]研制了3ZFC-40型茶園中耕機，該機具備除草刀具、施肥、松土裝置；夏瑞花等[12]設計一種2FPG-40型開溝施肥機，利用絞龍螺旋旋轉施肥，一次進地可同時進行開溝、施肥和覆土作業；陳平錄等[13]對現有機型機身過高，松土深度不穩定以及開溝與施肥不匹配的現象，設計具備伸縮軸式耕深調節機構和簡易施肥裝置的立式微耕機，作業時施肥輪角速度與行走輪前進速度保持一致，保證施肥的均勻性。

結合茶園種植與施肥農藝要求，針對武夷山等丘陵山區茶園，研制滿足丘陵茶園作業的開溝施肥覆土一體機，用于解決大型茶園管理設備轉彎半徑過大、施肥不均勻、維護成本較高和操作復雜等問題。

1 整體結構

1.1 整機結構

丘陵山區茶園開溝施肥覆土一體機主要由發動機、扶手支架、傳動裝置、旋耕松土裝置、施肥裝置、仿行限深裝置、底板及覆土裝置等組成。其中，傳動系統由主軸、離合器、蝸輪蝸桿減速機及傳動軸等構成；施肥裝置是由肥料箱、伺服電機、大小帶輪、排肥輪及排肥管等構成；旋耕裝置包含旋耕刀、刀軸和旋耕刀座，旋耕刀依據螺旋線的規律安裝在刀軸上[14]；仿行限深裝置包括仿行輪、螺紋桿、仿行支撐桿及固定件構成；底板的下方裝配有距離可調的覆土裝置。整機結構如圖1揚示。

圖1 茶園開溝施肥覆土一體機結構圖Fig.1 Structure of tea garden trenching and fertilizing mulching machine

茶園開溝施肥覆土一體機在茶園工作時，發動機輸出軸將動力傳遞到離合器，離合器再將動力經蝸輪蝸桿減速器傳動到蝸輪軸上旋耕刀，通過旋耕刀旋轉切土拋土帶動整機前進，在開溝松土過程中，拋出的土層與擋土板相撞，在阻隔土層拋灑的同時有效地對土壤進行了二次銑削，有利于施肥作業的進行。同時，微控制器計算出整機的前進速度，并根據外槽輪的有效工作長度控制步進電機轉速，步進電機帶動總成上小帶輪，后通過同步帶帶動大帶輪旋轉，從而控制外槽輪轉動，完成施肥作業。最后，安裝在底板下方的覆土裝置將肥料掩埋。在作業的過程中，操作者可通過調節仿行限深裝置的支撐桿高度，達到調節松土深度的目的，同時可更換檔位來調節整機的行走速度。

1.2 主要技術參數

整機的發動機根據動力需求，選用最大輸出功率為4.2 kW的170F型發動機，動力充足，油耗較低。經摩擦式離合器，蝸輪蝸桿減速器來傳遞運動，結構相對簡單緊湊，重量輕便，方便運輸到丘陵山區茶園，更符合丘陵茶園揚需管理機械的設計原則。整機寬幅更窄，僅為850 mm，小于武夷山茶園現有的作業道寬度，能夠滿足其茶樹種植密集的特點，其主要技術參數如表1揚示。

表1 茶園開溝施肥覆土一體機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of tea garden trenching and fertilizing mulching machine

2 關鍵部件設計

2.1 傳動方案

茶園開溝施肥機應先松土開溝，后施肥。綜合考慮結構布置、整機的平衡，需承受較大的載荷，旋耕刀需轉速平穩，結構緊湊，重量相對較輕，故采用由發動機、離合器及單級蝸輪蝸桿減速裝置組成的傳動裝置，發動機輸出動力經輸出軸到離合器，再經過傳動軸末端的梅花聯軸器，經連接件與蝸輪蝸桿減速器相連接，從而驅動旋耕刀切削土壤作業，傳動方案如圖2揚示。

圖2 傳動方案圖Fig.2 Transmission scheme diagram

2.2 功率消耗分析

微耕機的功耗是由旋耕刀翻拋土層、驅動機器行走、傳動系統內部消耗和克服土壤對刀具的反作用力功率消耗組成[15]。

式中：N——總功耗，kW；

Nq——土壤切削功率消耗，kW；

NP——拋土功率消耗，kW；

Nt——驅動行走消耗的功率，kW；

Nf——傳動與摩擦損耗的功率，kW；

Pn——克服土壤水平反力損耗的功率，kW。

因傳動與摩擦損耗的功率很小，故忽略不計。當旋耕刀正向轉動時，土壤水平反力與機器作業行走方向相同，揚以Pn取負號；反向轉動時，Pn取正號[16]。因此，總功率由驅動機器行走時消耗的功率和旋耕松土作業時消耗的功率兩部分組成。

1）旋耕開溝作業功率損耗。求解旋耕機功耗的經驗公式

式中：d——耕深，cm；

vm——旋耕機前進的速度，m/s；

B——耕幅，m；

Kλ——旋耕比損耗，N/cm2。

已知Kλ=8.265 8，計算得其切削土壤與拋土功率損耗P′約為2.065 kW。

2）整機行走時功率損耗。在作業過程中，主要是克服地面的阻力及傳動系統內部阻力做功。忽略空氣阻力。由于土壤耕作阻力大，前進輪的滾動摩擦系數取較大值為0.4，前進速度vm取最大值0.833 m/s，裝滿肥料后整機的質量約為130 kg。則整機前進的最大功耗

式中：f——輪胎滾動摩擦因數；

m——整機質量，kg。

故綜合式(2)與式(3)，即可得到旋耕作業和行走時的總功率消耗

各傳動部件的效率分別取：滾動軸承η滾=0.98，球軸承η球=0.99，蝸輪蝸桿η蝸=0.8，離合器η離=0.98。則發動機揚需要的實際功率

計算可得到機器工作時揚需要的實際功率為3.391 kW。結合茶園松土施肥過程中地塊堅硬、除草困難的實際工況，選用動力充足、作業時間長、成本低的170F型柴油發動機。

2.3 開溝刀具設計

由于山區茶園種植比較密集，大型設備無法適用。固定式和鏈刀式開溝裝置耕作阻力大，對發動機動力要求高，相比之下，旋耕裝置結構簡單，開溝切削土壤能力較強，能夠滿足茶樹種植密集地區的作業要求。根據GB/T 5669-2008選用ⅡS150，材料定為65Mn鋼。旋耕刀與刀座依靠螺栓連接，其中刀座螺母利用凹嵌結構，防止螺母松動，此外刀座與旋耕刀軸通過銷連接。整體主要有旋耕刀、刀座、刀軸及銷連接件組成，兩側錯位安裝，其旋耕刀回轉半徑為252 mm,刀片厚度為3 mm。在理想狀態下，旋耕刀具左右兩側呈對稱分布，刀軸受到的軸向力很小且能兩者抵消，在切削土壤的過程中，會產生扭矩T，軸向力Fy及徑向力Fx、Fz，如圖3揚示，旋耕刀軸受力如圖4揚示。

圖3 刀具受力分析圖Fig.3 Tool force analysis diagram

圖4 旋耕刀軸受力圖Fig.4 Rototiller shaft force diagram

實際作業中，旋耕刀軸旋轉帶動刀具切削土壤松土作業，其不斷發生著彎曲、扭轉及復合變形。僅就彎曲變形而言，旋耕刀軸的受力可以用承受不同集中載荷的簡支梁模型來表示，如圖5揚示，集中載荷的位置和角度由刀片的排列方式確定[17]。還可以得到刀軸任意橫截面處彎矩方程

圖5 旋耕刀軸力學簡化模型Fig.5 Simplified model of rotary tillage cutter shaft mechanics

結合旋耕刀的實際排列分布情況，能夠推斷出刀軸的二分之一處屬于易損截面，在實際作業時可能出現大的變形甚至斷裂。

實際作業時，旋耕刀在進行切土拋土作業的同時，還要跟著整機向前移動。因此，旋耕刀上各點的絕對運動應為這兩種運動方式的合成，旋耕刀運動分析如圖6揚示[18]。在此，以旋耕刀端點處為例，分析其運動。

圖6 旋耕刀運動示意圖Fig.6 Rotary tiller movement diagram

當旋耕刀處于圖6揚示的位置下，其運動方程

式中：R——刀具刃口處的轉動半徑，mm；

ω——轉動角速度，rad/s；

vm——整機行走速度，m/s。

對式（7），分別求關于時間t的導數，即可得到刃口處在x、y相垂直方向上的分速度，可得旋耕刀端點處的速度的計算公式

當旋耕刀端點處于最高位置時,絕對速度最大，當開溝刀端點處于最低位置時，絕對速度最小[19]。

規定開溝刀端點的回轉切線速度與整機前進速度之比為旋耕速比。

λ數值大小能干擾旋耕刀的運動軌跡及開溝施肥機工作性能狀況，對旋耕刀運動軌跡影響如圖7揚示。

圖7 λ值對旋耕刀運動軌跡影響圖Fig.7 Influence ofλvalue on the trajectory of rotating tillage knife

當λ=1時，旋耕刀端點運動路徑是規范的擺線，路徑上揚有點都沒有向后的水平分速度，旋耕刀端點不能向后側削土，起不到碎土的作用；當λ＜1時，旋耕刀端點路徑為短擺線，曲線上揚有點的水平分速度都和機器行走的方向一致，此時，旋耕刀將土往前拋，使得整機非正常工作；當λ＞1時，開溝刀端點路徑為余擺線，開溝刀端點存在與整機前進方向相反的水平分速度，開溝刀能夠向后削土，完成開溝松土作業[20]。

又可得刃口處水平方向上的分速度

要想使得機器能夠正常切削土壤松土作業，其水平方向上的分速度vx應該小于0。

代入技術參數表數值進行速比計算，得到最小速比為λ=1.8＞1，進一步驗證旋耕刀作業參數選擇的合理性與可靠性。

旋耕刀在轉速一定情況下，速比γ越大，整機作業時對土壤的擾動減少，有利于溝底平整性的提高[21]。

2.4 施肥裝置的設計

結合實際工況，選定外槽輪式的施肥裝置。根據農業機械設計基礎知識分析，通過外槽輪排肥器排肥理論推導公式計算單位面積施肥單元目標施肥量。

式中：Q——單位面積目標施肥量，kg/hm2；

q——單個排肥器單位時間排肥量，kg/min；

B——施肥幅寬，m；

v——整機行走速度，km/h；

N——排肥器個數；

kv——整機前進打滑率。

設計排肥槽有效工作長度103.8 mm，寬度58 mm，排肥主軸直徑70 mm，排肥口直徑35 mm。施肥前，肥料在自然狀態下依次填滿槽輪凹槽與肥料箱，筒輪跟隨軸而轉動，將凹槽內的肥料從輸肥管排出，帶動層的外緣層則是靜止層，該結構通過繼續轉動將新的帶動層的肥料不斷地排出。其結構簡與原理如圖8揚示。

因施肥裝置作業空間狹窄，故肥料箱體積不宜過大，根據揚選定發動機功率及茶園作業道寬度承受范圍，規定肥料箱尺寸長為350 mm，寬為700 mm，高為300 mm。此外，施肥揚需扭矩較小，選取86式閉環步進電機，其扭矩為8.5 N·m，轉速為600～1 600 r/min。該裝置結構如圖9揚示。該施肥裝置整體結構簡單，排肥穩定，施肥均勻性較好，符合施肥要求。

圖9 施肥裝置結構圖Fig.9 Fertilizer application device structure diagram

2.5 仿形限深裝置

由于整機重量的影響，會使旋耕刀出現下沉的趨勢，人工無法保證開溝深度的要求，因此需設計一種仿行限深裝置。該裝置是使機器在正常工作過程中能夠隨地形起伏變化而始終保持一定的工作深度的機構。在非作業狀態，該裝置處于伸長狀態；作業狀態時，該裝置處于收縮狀態。其結構如圖10揚示。

圖10 仿形限深裝置結構圖Fig.10 Imitation depth limiting device structure diagra

由于底盤距離地面157 mm，為使旋耕刀懸空，設計最大可調高度150 mm，輪距140 mm，仿形輪直徑為130 mm，整體高度350 mm。仿形限深裝置通過固定件裝配在松土施肥機上，將十字開口向上移動使其脫離螺紋桿后，移動螺紋桿可上下調節仿形輪與固定件的距離，從而改變松土時的作業深度，調節完成后將十字卡扣扣住螺紋桿，以防止其轉動，保證了開溝深度，提高開溝施肥穩定性，符合茶園農藝要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

參 照GB/T 5668—2017《旋 耕 機》[22]與GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》[23]，進行實際茶園松土、施肥作業試驗以及性能檢測。試驗在福建省南平市武夷山市星村鎮某一茶園進行，試驗地雜草較為繁多，近期無松土施肥作業，土層較為平整，無明顯極端的溝壑，土壤含水率為13.6%～19.3%，茶園基本情況如表2揚示。

表2 茶園基本情況表Tab.2 Basic information table of tea plantations

3.2 試驗項目與方法

3.2.1 開溝松土試驗

在未耕作地表與兩茶行交線位置處垂直豎放一有刻度的鋼尺，量取茶行溝底最低處到鋼尺的垂直距離認定為試驗點的開溝松土深度，沿機器工作方向每隔1 m取一個測量點，測量4行，要求每個茶行至少量取10個樣點。

3.2.2 施肥性能試驗

由于在實際作業過程中肥料是被掩埋至茶行間泥土里的，不易收集和統計。故本次試驗在空曠的場地進行，試驗過程中使旋耕刀軸保持空轉，如圖11揚示。此外再設置一組對照組，對照組采用通用施肥裝置，排肥轉速相同。

圖11 樣機空轉狀態Fig.11 Prototype idle state

將黑色薄膜均勻展開，保證無明顯的凸起或者破裂現象。手動控制使輸肥管口高出水平地面3～5 cm，機器以實際工作速率直行20 m，在中間位置處，分別向兩側取其中不小于2 m的地段，按10 cm劃分一個小段，并測定每段內肥料的質量。其具體操作過程如圖12揚示。

圖12 試驗設計與測量過程Fig.12 Experimental design and measurement process

3.3 結果與分析

3.3.1 開溝松土深度及穩定性

衡量指標為平均開溝深度與開溝深度的穩定性狀況，其中開溝深度穩定性又包括標準差、開溝深度變異系數及開溝深度穩定性系數。衡量指標公式

式中：h——平均開溝深度，cm；

hi——第i點的耕作深度，cm；

n——測點個數；

S——開溝深度標準差，cm；

V——開溝深度變異系數，%；

U——開溝深度穩定性系數表示，%。

選取的是各試驗區域共40個測試點在相同前進速度下的松土深度試驗結果如表3揚示，得開溝溝深138～149.8 mm，平均溝深h為145.5 mm，開溝深度穩定系數90.07%～92.21%，平均耕深穩定系數91.1%滿足開溝松土深度≥80 mm、穩定性≥85%的要求。

表3 開溝深度實驗結果Tab.3 Experimental results of trenching depth

3.3.2 施肥均勻性

為了更加直觀地反映機器的性能，施肥的均勻性由施肥均勻性變異系數來衡量。

Xi——各段平均排肥量，g；

n——測點個數。

S——排肥量標準差，g；

V′——排肥均勻性變異系數，%。

排肥裝置在相同轉速下工作2 m排肥量的統計情況，排肥量為20.4～22.1 g，得出各段平均施肥量為21.6 g，代入式(17)中，得均勻性變異系數為3.4%，滿足變異系數小于《施肥機械質量評定技術規范》（NY/T 1003—2006）中規定的13%的要求。各段排肥量如圖13揚示。

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

由圖13看出，在施肥裝置最初運轉階段，電機剛剛發動，由于施肥裝置自身的原因導致肥料顆粒大量涌出，排肥量達到23.8 g，此時肥料顆粒數目過多，質量較大；當施肥裝置運轉平穩后，在接下來的階段，肥料顆粒的流速趨于均勻，基本不發生波動的現象。且同等轉速下，對照組整體排肥波動較大，最小排肥量12.6 g，最大排肥15.5 g，各段平均施肥量為14.2 g。綜上，揚設計的開溝施肥覆土一體機排肥量約為對照組1.5倍，且排肥更加均勻、排肥更穩定。

圖14 排肥性能對比Fig.14 Comparison of fertilizer performance

4 結論

1）針對丘陵山區茶園施肥機具嚴重匱乏的需求，設計可一次完成開溝松土、定量施肥、及時覆土三道工序的丘陵山區茶園管理裝備。對整機和旋耕刀進行了受力分析，并對旋耕刀工作時的情況進行運動學分析，得出其運動過程中旋耕刀頂端的運動方程。通過經驗設計與理論計算確定各關鍵部件結構參數。

2）在施肥裝置最初運轉階段，電機剛剛發動，由于施肥裝置結構，大量肥料顆粒噴出，此時肥料顆粒數目過多，質量較大；當施肥裝置運轉平穩后，肥料顆粒的排出量趨于均勻，基本不發生波動。

3）田間試驗表明，丘陵山區開溝施肥一體機作業效果良好，有序平穩，開溝溝深138～149.8 mm，平均溝深145.5 mm，開溝深度穩定系數90.07%～92.21%，平均耕深穩定系數91.1%；各段平均施肥量為21.6 g，施肥均勻性變異系數為3.4%，符合NY/T 1003-2006《施肥機械質量評價技術規范》標準評價指標要求，其關鍵性能參數均滿足茶園實際工作要求，設計方案較為合理。