貴州丘陵茶園田間管理機設計與試驗

摘要：針對貴州丘陵茶園存在地形落差大、地塊碎片化，小型茶園田間管理機開溝深度不合格，大型茶園管理機體積較大、茶園通行條件差、生產效率低等問題，研制一種適合貴州丘陵茶園作業的輪式田間管理機。對茶園管理機整體結構進行方案設計，理論計算機具工作的最小實際功率。田間試驗前，調整扶手支架裝置和仿形限深裝置使其適用于不同身高操作者和不同區域茶園開溝作業；田間試驗后檢測溝深，根據田間試驗結果繼續優化機具直至定型。試驗結果表明：該機器開溝深度為174～236 mm，平均溝深為202 mm，開溝深度穩定系數為92.4%。該機具靈活性和通用性好，開溝性能參數均滿足茶園田間管理的農藝要求。

關鍵詞：丘陵茶園；田間管理機；開溝穩定性；仿形技術

中圖分類號：S224.2" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0076?06

Design and test of field management machine in Guizhou hilly tea plantation

Yang Xiaowei1， Shen Qiang1， Luo Jinlong1， Zhang Xiaoqin1， Liu Jianjun2， Wang Jialun1， 2， 3

（1. Guizhou Tea Research Institute， Guiyang， 550006， China; 2. College of Tea， Guizhou University， Guiyang， 550025， China; 3. Zunyi Comprehensive Test Station， National Tea Industry Technology System， Guiyang， 550006， China）

Abstract： In view of the characteristics of large terrain drop and fragmentation of plots in Guizhou hilly tea gardens， small tea garden field management machine cannot ensure ditching consistency， and the large?scale tea garden management machine is large in size， poor traffic conditions and low in production efficiency. Therefore， a wheeled field management machine suitable for hilly tea gardens in Guizhou was developed. The overall design of the whole structure of the tea garden management machine was carried out. The minimum actual power of the equipment was calculated theoretically. Before the tea garden field experiment， the armrest bracket device and imitation depth limiting device were adjusted to make it suitable for different height operators and ditching operations in different regions tea garden; after the tea garden field experiment， the ditching depth was detected， and the machine was continuously optimized according to the field experiment results until it was finalized. The field experiment results show that the trenching depth of the machine was 174-236 mm， the average trench depth was 202 mm， and the trenching depth stability coefficient is 92.4%. The ditching performance parameters of the machine which has good flexibility and versatility meet the agronomic requirements of tea garden field management.

Keywords： hilly tea plantation; field management machine; trenching stability; profile copying technology

0 引言

茶葉產業是貴州省鄉村振興的支柱產業之一，推動著貴州省經濟高質量持續發展，對擴大就業和增加農民收入起至關重要作用。由于貴州省茶樹栽培區域主要分布在山地丘陵地區[1]，地勢崎嶇不平，茶園除草松土和施肥主要依靠人工來完成[2]，因此，茶園機械化管理是貴州省茶葉產業現代化發展的薄弱環節，依靠機械化替代人工除草、松土、施肥，是茶園現代化發展的必然趨勢。

目前，國內茶園使用的大型茶園田間管理機，集修剪、采摘、噴藥、開溝施肥等多功能于一體。肖宏儒等[3， 4]首次研制出高地隙履帶自走式茶園管理機，該機行走和驅動機具作業均采用全液壓柔性傳遞方式，并能夠實現地隙作業幅寬和高度的變量調整，滿足不同茶樹行寬和不同茶樹高度的作業需求。王中玉[5]通過Pro/E軟件建立茶園管理機的操縱裝置三維模型，并運用仿真模塊Pro/Mechanism對其進行運動仿真，驗證操作桿機構傳遞的準確性。張延尊[6]利用ANSYS Workbench對茶園管理機平臺進行模態分析，表明平臺的固有頻率與其他外部激勵不一致，不容易產生共振現象。許學建[7]利用有限元分析驗證不同工況下茶園管理機底盤行走結構的強度和剛度，并根據靜力分析對底盤行走結構進行輕量化設計。但上述茶園管理機體積龐大、茶園通過性差、采購和維護成本較高，無法滿足貴州省丘陵山地茶園的實際管理需求。小型茶園田間管理機具有體積小、適應性好、靈活等優點。徐良等[8]研制了一款小型手扶式3ZFC-40型茶園中耕機。針對丘陵茶園和茶園微耕機之間的發展不匹配情況，秦寬等[9]設計了一款茶園節能型開溝刀，有效降低了茶園開溝時的作業功耗。雖然小型茶園管理機能夠在緩坡或者坡度較大的丘陵山地茶園應用，但是存在動力不足、作業效率偏低等問題[10]。

綜合分析國內外研究現狀，結合貴州丘陵茶園種植與茶園管理農藝要求，研制滿足丘陵茶園作業的田間管理機，同時對整機功耗和開溝刀設計進行分析，確定滿足丘陵茶園作業的動力需求和開溝深度要求，為丘陵茶園田間管理機設計和優化提供理論支撐。

1 整體結構與工作原理

1.1 整機結構

丘陵茶園田間管理機主要由扶手架、發動機、傳動裝置、開溝裝置、仿形調節裝置等組成，如圖1所示。其中，動力系統由發動機、主軸、離合器、減速機和傳動軸組成；開溝裝置包括開溝刀具、刀軸和開溝刀座構成，開溝刀依據螺旋線的規律均勻安裝在刀軸上[11， 12]；仿形調節裝置包括仿形輪、仿形調節桿及仿形固定件構成。茶園管理機通過快換裝置模塊，能夠實現開溝功能與除草松土功能之間的快速切換。

1.2 工作原理

啟動發動機前，離合器手柄應處于分離狀態。茶園田間管理機作業時，發動機通過輸出軸將動力傳遞到離合器，離合器通過齒輪減速器再次將動力傳遞到齒輪軸上開溝刀，通過開溝刀旋轉切土拋土帶動整個機器前進。在開溝過程中，拋出的土層與擋土板相撞，對土壤進行二次銑削[11]，更有利于施肥覆土作業，同時防止泥土進入到油箱造成發動機濾芯堵塞。操作者能夠通過調節仿形調節桿固定位置，滿足調節開溝深度的目的，同時可更換刀具轉速桿來調整除草松土的刀具轉速。

1.3 主要技術參數

整機發動機根據作業動力需求，選用額定功率為4.0 kW的170F汽油發動機，動力足，油耗低。經油浸式摩擦片離合器、齒輪減速機、傘齒輪換向機來傳遞動力，結構簡單緊湊，整機滿載重量（帶開溝刀具）為73 kg，方便運輸到丘陵茶園，符合丘陵茶園田間管理機械的設計原則。整機寬幅較窄，僅為610 mm，能夠滿足大部分貴州丘陵茶園的通過性，其主要技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 整機傳動方案

茶園田間管理機利用變速箱裝置及配套刀具，來實現開溝和除草松土之間的功能切換。為保證茶園作業過程中整機的平穩性和輕便性，綜合考慮各結構布局，整機采用由汽油發動機、離合器、行星減速器及傘齒輪減速器組成的傳動裝置，汽油發動機輸出動力經輸出軸傳遞到離合器，再依次經傳動軸末端的聯軸器、行星減速器的一級減速、傘齒輪減速器的減速換向，從而驅動刀具切削土壤作業。整機傳動方案如圖2所示。

2.2 功耗分析

茶園管理機的功耗由機器行走、傳動系統內部功耗、切削土壤功耗、土壤水平方向對刀具的反作用力功耗和刀具翻拋土層功耗組成[13]。具體計算步驟如式（1）所示。

[N=Nw+Ni+Nc+Nr+No] （1）

式中： [N]——整機總功耗，kW；

[Nw]——機器行走功率消耗，kW；

[Ni]——動力傳動與摩擦功率消耗，kW；

[Nc]——刀具切削土壤功率消耗，kW；

[Nr]——土壤水平方向對刀具反力功率消耗，kW；

[No]——刀具拋土功率消耗，kW。

由于動力傳遞過程中，摩擦引起的功率損耗很小，可忽略不計，因此整機總功率消耗包含機器行走和開溝作業時功率消耗兩部分組成。當開溝刀反向轉動時，土壤水平反向對刀具反作用力宇機器行走方向相反，所以[Nr]取正號；正向轉動時，[Nr]取負號[14]。

機器開溝作業功耗影響因素比較復雜，主要包括力作用點與土壤物理性狀、刀具轉速、耕深、機器前進速度等，根據經驗公式可計算出刀具作業功耗[15， 16]。

[Nα=0.1×Kλ×d×vm×B] （2）

[Kλ=Kg×K1×K2×K3×K4] （3）

式中： [Nα]——刀具作業功耗；

[Kλ]——旋耕比阻，N/cm3；

[d]——耕深，cm；

[vm]——機器前進速度，m/s；

[B]——耕幅，m；

[Kg]——土壤堅實度初始旋耕比阻，N/cm3；

[K1]——耕深修正系數；

[K2]——土壤含水率修正系數；

[K3]——雜草殘留修剪枝修正系數；

[K4]——作業方式修正系數。

根據茶園管理機的工作參數，耕深[d]為20 cm；機器前進速度[vm]為0.25 m/s；B為0.2 m；根據茶園工作環境、土壤含水率lt;30%和機器耕深要求，[Kg]為40，[K1]為0.9，[K2]為0.95，[K3]為1.1，[K4]為0.6。由式（2）和式（3）可得，機器旋耕作業時功率消耗為2.257 kW。

機器行走時忽略空氣阻力，主要受到地面阻力的影響，由于丘陵茶園土壤耕作阻力較大，機器前進輪的滾動摩擦系數取值為0.45，前進速度取值為vm為0.25 m/s，裝上作業機具后整機質量約為65 kg。因此，機器行走的最大功耗

[Nw=f×m×g×vm1 000] （4）

式中： [f]——前進輪滾動摩擦系數；

[m]——整機質量，kg。

根據式（4）計算可得，機器行走時功率消耗為0.072 kW。由式（2）和式（3）計算可得，機器行走和旋耕行走時總功率消耗為2.329 kW。

結合機器各傳動裝置的綜合效率η，本文取值為0.7，則機器汽油發動機實際需要的功率

[P0=Nη] （5）

由式（5）計算可得，茶園管理機工作時實際需要的功率為3.327 kW。結合丘陵茶園不同土壤狀況，選用作業時間長、動力充足、成本低的170F型汽油發動機。

2.3 扶手支架裝置

茶園田間管理機在作業過程中，由于土壤板結嚴重可能會導致整機發生振動，引起扶手支架與機身接觸的結構變形甚至斷裂，極大降低了整機使用壽命。為了提高扶手支架與機身接觸結構的強度，在機架前后分別增加了強化板，如圖3所示。

由于不同操作者的身高存在差異化，為了滿足不同客戶的需求，設計一種扶手支架高度調節裝置。扶手支架高度調節裝置首先通過底部的螺栓與整機機身固定連接，然后支架底端利用套筒與支架活動螺桿連接，螺桿兩端使用螺母和墊圈將其固定，以防止其轉動，操作者通過套筒轉動來調節扶手支架高度，支架后強化板后的連接桿與調節裝置側面的螺栓口形成間隙配合。扶手支架高度調節裝置結構如圖4所示。

2.4 仿形限深裝置

由于丘陵茶園地塊碎片化，各地塊土壤狀況不同，在機器作業時，為避免開溝刀下沉或者開溝深度達不到農藝要求，因此設計了一種仿形限深裝置，如圖5所示。

仿形限深裝置通過縱向固定件和橫向固定件裝配在傘齒輪減速器上，通過向上或者向下移動仿形支撐桿，調節開溝或除草松土的作業深度；仿形固定件通過螺栓與對應的支撐桿開口固定，防止支撐桿上下移動，保證了作業深度，提高作業的穩定性。

2.5 開溝刀具設計

由于丘陵茶園種植標準不規范，種植密集不僅影響茶樹個體與群體發育的關系，還直接影響單位面積干茶產量及其可持續性，且大型茶園管理機無法適用。與鏈刀式和固定式開溝裝置相比，旋耕裝置具有結構簡單、耕作阻力小、開溝切削土壤能力強、對動力要求低等優點，能夠滿足丘陵茶園種植比較密集地區的作業要求。根據GB/T 5669—2008選用Ⅲ S150，材料為65Mn鋼。旋耕裝置主要有開溝刀、刀軸、刀座及固定連接件組成，兩側須錯位安裝，開溝刀回轉半徑為320 mm，刀片厚度為6 mm。開溝刀與刀座通過螺栓連接，刀座螺母依靠凹嵌結構防止松動，旋耕刀座與刀軸通過銷連接。在理想情況下，開溝刀左右兩側呈對稱分布，開溝刀具裝置結構如圖6所示。

茶園管理機工作時，開溝刀旋轉方向與機器前進方向是相反的，開溝刀具在進行切土拋土作業的同時，還要隨機器前進。因此，開溝刀運動是刀軸旋轉和機器前進兩種運動方式的合成，開溝刀運動軌跡是擺線，其運動分析如圖7所示。本文只考慮反轉的情況，以刀軸旋轉中心為原點建立坐標系，x軸方向與茶園管理機前進方向一致，y軸正向豎直向上。

茶園管理機前進速度為[vm]，刀軸旋轉角速度為[ω]，R為開溝刀回轉半徑，H為開溝機溝深，假設開始時開溝刀端點與x軸正向重合，開溝刀端點運動方程為

[x=Rcosωt+vmt=R（cosγ+γ/λ）y=Rsinωt=Rsinγ] （6）

式中： [x]、[y ]——開溝刀端點在t時刻的位置坐標；

[γ]——開溝刀轉角，[γ=ωt]；

[λ]——旋耕速度比，[λ=Rω/vm]；

[t]——時間。

將式（6）對時間t求導數，即可得到開溝刀端點分別在[x]軸、[y]軸方向上的分速度。

[vx=dx/dt=vm-Rωsinωt=vm（1-λsinγ）vy=Rsinωt=Rωcosωt=Rωcosγ] （7）

此時，開溝刀端點速度

[v=vx2+vy2=vmλ2+1-2λsinγ] （8）

旋耕速度比λ取值大小影響開溝刀的運動軌跡和茶園管理機工作性能狀況。當[λlt;1]時，[vxlt;vm]，無論開溝刀運動到什么位置，刀片端點的水平分速度與機器前進方向相同，其運動路徑為短擺線，開溝刀不能先后切削土壤，而出現刀片端點向前推土現象，因此開溝機無法正常工作。只有當[λgt;1]時，旋耕刀端點水平分速度大于茶園管理機前進速度[vm]，而且與機器前進方向相反，其運動路徑為余擺線，開溝刀能夠向后切削土壤，完成開溝作業[17]。

由于除草松土的耕深相對比較淺，機器前進速度設為0.5 m/s，結合其他技術參數數值計算旋耕速度比，得到最小速比[λ=19.4gt;1]。開溝刀在轉速一定的情況下，旋耕速度比λ越大，整機作業時減少對土壤的擾動，有利于提高溝底的平整性[18]。

3 田間試驗

為了檢驗丘陵茶園田間管理機在實際應用中的除草松土及開溝效果是否達到設計要求，需通過田間試驗對其工作性能進行評價。

3.1 試驗條件

茶園管理機田間試驗于2023年7月4日在貴州省遵義市湄潭縣抄樂鎮茶園試驗地進行，茶園土壤大部份為砂質壤土，雜草較少，近期無除草松土作業，在1～250 mm深度時，土壤含水率平均值為18.4%。茶園基本情況如表2所示。

3.2 試驗方法

根據GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》和GB/T 5668—2017《旋耕機》，設計了開溝試驗方法。利用垂直豎放的鋼尺量取茶園未耕作地表與開溝溝底最低處之間的垂直距離，將這個距離認定為測試點的開溝深度，沿著機器前進方向每隔3 m取一個測量點，每個茶行至少選取10個測試點，總測試5行。

3.3 結果與分析

本文采用平均開溝深度、開溝深度標準差以及深度穩定性系數為衡量指標，計算如式（9）～式（11）所示。

[ha=i=1nhin] （9）

[S=i=1n（hi-ha）2n-1] （10）

[U=1-Sha] （11）

式中： [ha]——平均開溝深度，mm；

[hi]——第i點機器開溝深度，mm；

[n]——試驗測點總數；

[S]——開溝深度標準差，mm；

[U]——開溝深度穩定性系數，%。

開溝試驗測得的相關數據如表3所示。試驗區域一共50個測試點，開溝深度在174～236 mm，平均溝深為202 mm，開溝深度穩定系數為91.2%～93.3%，平均溝深穩定系數為92.4%，各項性能符合NY/T 740—2003《田間開溝機械作業質量》評價指標，開溝作業滿足丘陵茶園田間管理的農藝要求。

4 結論

1） 針對目前茶園管理機無法滿足貴州省丘陵茶園的工作需求，設計一款結構緊湊、操作簡單的輪式丘陵茶園田間管理機。結合結構設計和理論分析確定滿足丘陵茶園作業動力要求，對仿形限深裝置進行設計，保證機器作業的穩定性；并對開溝刀工作時的情況進行分析，得到開溝刀頂端的運動方程。

2） 田間試驗表明：丘陵茶園田間管理機作業時行駛平穩，開溝效果良好，開溝深度在174～236 mm，平均溝深為202 mm，開溝深度穩定系數為91.2%～93.3%，平均溝深穩定系數為92.4%，各項性能符合NY/T 740—2003《田間開溝機械作業質量》評價指標，能夠滿足貴州丘陵茶園的作業要求。

3） 雖然開溝深度等一系列指標符合農藝要求，但樣機仍存在開溝時土壤易落入溝內，導致開溝功耗增加。下一步改進思路是增加開溝刀的拋土片，并設計合理的傾斜角度，有效提高開溝質量。

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