一種小型除草施肥機的設計

水存勖

（蕪湖職業技術學院，安徽 蕪湖 241002）

1 研究背景

1.1 我國茶葉產業發展現狀及問題

我國是世界最大的茶葉生產國和消費國，中國茶葉流通協會發布的《2022 年中國茶葉產銷形勢報告》顯示，2022 年全國茶園面積達4 995.40 萬畝，干毛茶總產值再創歷史新高，達到3 180.68億元[1]。近年來，茶葉的價格不斷攀升，主要原因是隨著我國城鎮化進程不斷加快，大量勞動力涌向城市，青壯年勞動力的匱乏使得種茶成本持續上升。在高昂的價格之下，茶農的利潤萎縮，消費者的負擔加重，勞動力問題引起的成本增加已經成為影響茶產業發展的主要因素。

1.2 茶園機械發展概況

在茶園中采用機械化生產是解決目前問題的最佳方案[2]，但我國茶葉主產區大多位于山區和丘陵地帶，難以使用大型機具，體積小、功能多的小型機械設備是首選。目前，國內生產茶園機械的企業有很多，但是他們的產品主要是采收機、噴藥機、修剪機、灌溉機等，很少有企業生產除草施肥機。絕大多數茶園還是人工除草施肥，成本較高，效率低下，勞動強度大。但如果為了高效率使用農藥除草，茶葉中又會有殘留物。因此，使用機械除草能成功解決以上兩個突出問題。

茶園土地比較貧瘠，每年需施肥三次，還要根據雜草長勢進行除草，在土壤出現板結時還要進行中耕松土。這些工作如果都由人工來完成，將是一筆茶農難以承受的支出。目前，市場上常見的除草機有背負式和自走式兩種，功率都很小。基本沒有茶園專用的施肥機，大部分都是果園中的開溝施肥機[3]。根據這些需要，可以設計一款小型機械，集中耕、除草、施肥于一體。

中國的茶園很多位于山區，坡度大，種植雜亂無序，只能由人工完成各項工作。在很長一段時間內，中國的茶園機械還局限于坡度小于10°的茶園中，應用面太狹窄，根本無法滿足廣大茶園的需求。21 世紀開始，我國的茶園機械呈現出多樣化、小型化的發展趨勢，演化出一系列配套機械，幾乎涵蓋了茶葉生產的所有環節[4]。已經研制出松土施肥機，可以在中耕時利用旋耕刀一并完成除草作業，刀具也有所改進。但是受于地形限制，這些機械的應用范圍較窄，雖然整體效率比人工高，但仍有可以改進的地方。

2 整機結構及工作原理

茶園除草施肥機主要由限深輪、旋耕刀、減速器、發動機、行走機構、深松鏟、肥料斗、覆土輪、機架、操作系統等組成，整機結構如圖1 所示。

圖1 整機結構示意圖

工作時，通過調節最前端限深輪的高度，可以改變旋耕深度，具體情況可以根據需要自行調節。動力系統有2 條傳遞路線：1）發動機—帶傳動—變速箱—旋耕刀，進行除草作業；2）發動機—帶傳動—變速箱—行走輪，將動力傳遞給行走輪，可以使機具以不同速度前進，并帶動深松鏟前進。為了減輕機具重量，縮小體積，旋耕刀和行走輪共用一個變速箱。深松鏟柱使用空心鋼管，方便肥料下落，最后的覆土輪將耕完的松軟泥土壓實。除草時，握緊離合器把手，慢慢提起車把手，旋耕刀逐漸進入土下開始工作，機具在發動機的動力供給下自動向前行走，左右轉動車把即可換向。停止工作時，輕壓車把，將旋耕刀抬離地面，松開離合器，旋耕刀即停止運轉。

3 各部件選配與設計

茶樹標準行距為1.3 m～1.5 m，但實際種植時，很多茶農為了增加收益選擇密植，使得茶蓬間距狹小。除草時應注意不能傷到茶樹的根，因此除草施肥機不宜過寬，寬度60 cm左右即可。

按照農藝要求，幼齡茶樹除了定植肥外，每年至少要施4 次肥[5]，分別是春季的2 月至3 月、4 月底至5月初、7月、9月；成年茶樹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。為保證養分充足，應將有機肥和復合肥混合使用，有利于茶樹生長。幼齡茶樹每次施肥需要有機肥100 kg/畝以及復合肥5 kg/畝～10 kg/畝，成年茶樹需要施有機肥150 kg/畝～200 kg/畝以及復合肥20 kg/畝～30 kg/畝。施肥方法要求深施20 cm～30 cm，施肥后覆土。

3.1 發動機的選擇

發動機的選擇主要應考慮除草施肥機工作過程中的總功率，包括旋耕刀中耕除草的動力、驅動除草施肥機前進的動力、深松鏟阻力以及傳動過程中的損耗。

根據《農業機械學》中關于計算旋耕機功率消耗的公式[6]，在各項參數均取較大值的情況下計算旋耕部分的功率，公式為：

式中，N1——旋耕機消耗的總功率，kW；Nq——切土功率消耗，kW；Np——拋土功率消耗，kW；Nt——旋耕機前進功率消耗，kW；Nf——傳動及摩擦功率消耗，kW；Nn——克服土壤水平反力的功率消耗，kW。

茶園除草施肥機工作時還會受到地面阻力、空氣阻力等的影響，這些阻力已經被取較大值的各項參數包含在內，不需要再詳細計算。因此，行走輪功耗為：

式中，N2——行走輪功率消耗，kW；f——輪胎滾動摩擦因數；m——整機質量，kg；g——重力加速度，m/s2；V1——整機最大前進速度，m/s。

由于大部分茶園還是傳統的管理模式，土壤板結嚴重，這就使得施肥部分需要增加深松鏟。經計算，得出深松部分阻力約為2.9 kN。

將以上所有數據相加可以得出茶園除草施肥機總功耗約為6.8 kW，所以選擇的柴油機額定功率為7.5 kW，額定轉速為3 600 r/min。

3.2 變速箱的主要技術參數

茶園除草施肥機的變速箱有兩根動力輸出軸，一個將動力傳遞給旋耕刀，另一個將動力傳遞給行走輪。除了前進擋之外，為了安全起見還設計了空擋和倒退擋。

根據《農業機械設計手冊》，選用微型耕作機[7]，其刀輥轉速為240 r/min～480 r/min，選取轉速300 r/min，工作深度3 cm～28 cm，作業幅寬0.3 m～1 m，需要設計配套的變速器使機具正常工作。

機具前進速度設計為1 m/s，倒退速度為0.5 m/s，傳動比分別為60 和120，旋耕刀的傳動比為12。考慮到傳動效率以及結構需緊湊的問題，可采用三級齒輪減速器。

根據《農業機械設計手冊》，旋耕刀功耗計算公式為：

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——最大前進速度，m/s；B——最大除草寬度，cm。

由此，可計算得出旋耕刀所需功率約為3.7 kW。功率的計算公式為：

式中，P——功率，kW；F——力，N；v——最大前進速度，m/s。

根據《機械設計手冊》選用45 號鋼作為材料，調制處理[8]。選取[τ]=33 MPa，A0=110。軸的扭轉強度條件為：式中，τT——扭轉切應力，MPa；T——軸所受的扭矩，N·mm；WT——軸的抗扭截面系數，mm3；P——軸傳遞的功率，kW；n——軸的轉速，r/min；d——軸的截面直徑，mm；[τT]——許用扭轉切應力，MPa。

軸為階梯軸，可近似計算其當量直徑，公式為：

式中，dV——當量直徑，mm；L——階梯軸的計算長度，mm；z——階梯軸計算長度以內的軸段數；li——階梯軸第i段的長度，mm；di——階梯軸第i段的直徑，mm。

軸的計算應力為：

式中，σca——軸的計算應力，MPa；M——軸所受的彎矩，N·mm；W——軸的抗彎截面系數，mm3；T——軸所受的扭矩，N·mm；[σ-1]——對稱循環變應力時軸的許用彎矩應力，MPa。

根據式（7）可求出σca=7.36 MPa＜[σ-1]。

3.3 除草裝置的設計

茶園除草施肥機設計最大耕深為18 cm，可基本滿足坡度25°以下各類茶園的需求。蕪湖職業技術學院的幾位老師曾經制作過一種自走式茶園除草機，該機具使用的是長方形刀片安裝在除草輪上的工作原理，最大除草深度只有3 cm，且只有除草這一個功能。但茶園的地形復雜，不利于多次機械化作業，而且為了降低土壤板結程度，還要考慮到成本的問題，減少機械作業次數，所以應盡量增加功能，提高效率[10]。

我國的茶園大多歷史悠久且多在山區，以前也沒有條件開展機械化作業，因此園中土壤板結，需要中耕松土，每年還需要根據草的長勢除草數次。對比這些工作的時間段，發現很多工作的時間前后相隔不長，有很多時間段是重復的，可以將這些工作放在一起同時進行。多數茶園的地理條件也不利于大量肥料的使用，很多茶農鮮少打理，人為因素加上自然限制導致茶園土壤貧瘠，進而給茶葉的產量和品質帶來了負面影響。土壤肥力不夠，就需要不斷施肥，每次施肥量都很大，如此大量的肥料用人工搬運是一件耗時費力的事。

使用旋耕刀可以增加除草深度，同時完成中耕松土作業，在機具護罩上安裝靜止刀片，可以將長草切斷，使旋耕刀不會被草纏住，也有利于將草埋入土壤，提高土壤肥力。考慮到除草效果的問題，應合理配置刀片，采用4 片一組，共4 組16 個刀片，還要增加機具護罩以便于碎土和保護人員安全。

3.4 施肥裝置的設計

施肥機的肥料斗容量應盡可能大，可以減少肥料的搬運次數。現在的茶園很少有松軟的土地，施肥器難以將肥料施到要求的深度。為了讓茶樹更好地吸收養分，施肥要深施，一般為20 cm～30 cm 深。現設計2 個深松鏟，左右對稱分布，深松鏟柱采用空心鋼管，將輸肥管插入柱內，在重力的作用下，肥料落入土中。每個深松鏟后都帶一個覆土輪，可以將施過肥的土壓實。

根據《農業機械設計手冊》，肥料箱容積的計算公式為：

式中，V2——肥料箱容積，m3；D——裝滿一箱肥料可保證的施肥距離，m；E——工作幅寬，m；Q——單位面積最大施肥量，kg；γ——肥料的密度，kg/m3。

3.5 限深裝置的設計

旋耕刀的設計為除草中耕兩用，工作時將土塊拋灑，旋耕刀給土塊向上的力，所以旋耕刀也會受到土塊向下的反力，深松鏟結構上就要設計成入土方便的形狀。它們都會使整臺機具受到向下的力，如果不采取措施，機具會陷在土中，最終導致其無法工作。需要設計一個限深輪置于機具最前方，防止機具下陷，也能讓旋耕刀和深松鏟在一定深度工作，使其作業均勻。限深輪用于控制旋耕刀和深松鏟的工作深度，主要結構有導向輪、螺紋套筒、螺紋桿、轉動手柄等，可以通過轉動手柄來改變螺紋桿在套筒中的位置，從而改變導向輪的高度，進而調節耕深。

4 結論

1）通過查詢市場上的茶園機械產品，發現市場上的小型機械有很多種，但都大同小異，功能較為單一。茶園工作復雜，勞動強度大，亟需一種小型多功能機械來代替人工完成這些工作。

2）設計的茶園除草施肥機具有體積小、功能多的優點，適用于密植茶園，可以一次完成除草、中耕、施肥三項任務，能夠減輕工作人員的勞動強度，節約生產成本。

3）茶園除草施肥機采用了較大功率的柴油機，額定功率為7.5 kW，可以在疏于耕作、土壤板結的茶園中工作自如，還可以根據實際需要拆裝工作部件，實現功能的適當增減。

4）采用目前比較先進的結構設計，可減小阻力，提高工作效率，改善耕地效果。采用仿生減阻深松鏟可明顯降低耕地阻力；旋耕刀上方機罩加裝固定刀片，可以將長草切斷，防止旋耕刀被纏住，方便將斷草埋入土中。