茶园微耕机的设计分析_王小勇

ω —刀轴角速度。
图 6 刀片运动轨迹图
式（ 1） 与式（ 2） 的方程对时间进行求导，则得出刀
片端点在 x 轴与 y 轴上面的速度，有
vx = vm － Ｒωsinωt
（ 3）
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2016 年 1 月
农机化研究
第1 期
vy = Ｒωsinωt
（ 4）
v = 槡v2m + Ｒ2 ω2 － 2vmＲωsinωt
变速箱 ，驱动轮变速 箱 与 刀 轴 变 速 箱 是 由 齿 轮 传 动 与
链条传动两部分组成。柴油机的转速为 2 600r / min，
考虑到微耕机在运动过程的平稳性及操作者的安全
性和 适 应 性，微 耕 机 的 前 进 速 度 不 宜 太 大 ，所 以 微 耕
机工作时，驱动轮前进的速度为 0． 55 ～ 0． 7 m / s，刀轴
随微耕机前进 ，微耕 机 刀 片 的 绝 对 运 动 是 刀 轴 旋 转 和
微耕机前 进 两 种 运 动 的 合 成，运 动 轨 迹 图 如 图 6 所 示［17］。运动方程为
x = Ｒcosωt + vmt
（ 1）
y = Ｒsinωt
（ 2）
式中 Ｒ —旋耕刀端点转动半径；
vm —微耕机前进的速度； t —时间；
耕深调节装置是 由 限 深 轮 、调 节 机 构 和 支 撑 机 构
组成，如图 5 所示。通过旋转调节机构上面的手柄使
1． 旋转手柄 2． 轴套 3． 内侧螺杆 4． 限深轮 图 5 耕深调节机构示意图
3 微耕机运动分析
3． 1 旋耕刀运动方程
微耕机在工 作 过 程 当 中，旋 耕 刀 一 边 旋 转，一 边
轴上 48 齿齿轮啮合，2 轴上面的 12 齿齿轮与 3 轴上
面的 48 齿相啮合，3 轴上面的 12 轴齿轮与输出轴上
面的 52 齿轮啮合。因此，倒挡的传动比为
i7
=
32 20Biblioteka 48 2448 12
52 12
≈
55．
5
2． 2． 2 刀轴变速箱
刀轴变速系统由 驱 动 轮 变 速 箱 调 节 挡 位 ，按 照 刚
启动以Ⅱ挡运行，驱动轮变速箱上 1 轴上面的 24 齿齿
轮与 2 轴上面的 48 齿齿轮啮合； 然后通过一个离合操
作杆的拨动让刀轴变速箱输入轴上 48 齿的齿轮与驱
动轮变速箱上 2 轴的 48 齿齿轮相啮合，再由输入轴通
过链传动传递给刀轴。小链轮齿数为 16，大链轮齿数
为 32，则传动比为
i8 = 2． 4 2． 3 耕深调节装置
微耕机刀轴的转速为 250 ～ 300r / min。
图 3 刀轴结构示意图
2． 2 传动系统
微耕机传动系统 主 要 由 带 轮 传 动 系 统 、链 轮 传 动
系统及变速齿轮 箱 组 成 。 工 作 时 ，动 力 由 带 轮 传 递 给
微耕机驱动轮变速 箱 ，另 一 方 面 又 将 动 力 传 递 给 刀 轴
后 表 土 细 碎 ，土 肥 掺 和 均 匀 ，满 足 了 茶 园 管 理 要 求 。同 时 ，该 机 可 用 于 其 它 菜 地 、稻 田 旱 地 等 除 草 松 土 作 业 。
关键词： 微耕机； 结构设计； 运动分析； 田间试验
中图分类号： S222． 29
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2016） 01 － 0101 － 05
（ 5）
令 λ = Ｒω / vm ，λ 称为旋耕速度比，计算得出 λ
= 1． 29 ＞ 1 。则当刀片转到一定的角度时，vx ＜ 0 ，
刀片端点的运动轨 迹 为 余 摆 线 ，刀 片 则 可 以 进 行 土 壤
的切削。
3． 2 耕作深度
令 h 为耕作深度，由式（ 1） 和图 6 可以得出
y = Ｒ － h = Ｒsinωt
面的 48 齿相啮合，3 轴上面的 12 轴齿轮与输出轴上
面的 52 齿轮啮合。因此，驱动轮 变 速 箱 的 Ⅱ 档 传 动
比为
i4＇
=
z2 z1
z4 z3
z6 z5
=
48 24
48 12
52 12
≈
34．
67
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2016 年 1 月
农机化研究
第1 期
得支撑机构上下移 动 得 以 改 变 限 深 轮 的 高 度 ，进 而 控 制耕深。旋转手柄每旋转 1 周，限深轮上升或者下降 3 mm 。
表 1 微耕机主要技术参数
项目
单位
参数
微耕机外形尺寸
mm
1 700 × 1 050 × 932
配套动力功率
kW
5． 67
发动机转速
r / min
2 600
旋耕刀半径
mm
175
耕作深度
mm
130
切土节距
mm
440
工作幅宽
mm
380
工作稳定性系数
%
90
培土铲位置
刀轴变速箱体下方
工作效率
km / h
0． 3 ～ 0． 4
动 强 度 大 。为 了 提 高 茶 园 的 除 草 、松 土 效 率 ，设 计 制 造 一 种 茶 园 微 耕 机 ，并 对 微 耕 机 进 行 性 能 试 验 。 试 验 结 果 表
明 ： 该 微 耕 机 耕 作 幅 宽 443 mm 、耕 作 深 度 153 mm ，旋 耕 刀 能 够 有 效 防 缠 草 ，松 土 效 果 好 ，满 足 了 茶 园 农 艺 要 求 ； 耕
6
驱动轮变速箱Ⅲ挡为 1 轴上面的 32 齿齿轮与 2
轴上面的 36 齿齿轮啮合，2 轴、3 轴与输出轴上面的
啮合不变，则Ⅲ挡的传动比为
i6
=
z2＇ z1＇
z4 z3
z6 z5
≈ 19． 5
驱动轮变速箱倒挡为 1 轴上面的 20 齿齿轮与 4
轴上 32 齿的齿轮啮合，再由 4 轴上的 24 齿齿轮与 2
由于受到茶园种 植 的 行 距 影 响 ，大 型 机 具 进 入 茶 园会对茶树造成损 害 ，为 满 足 作 业 后 茶 园 管 理 的 相 关 要求 ，及便于操作 者 使 用 ，设 计 制 造 了 茶 园 微 耕 机 ，并 对其进行试验研究［2 － 3］。
1 总体结构
1． 1 工作原理 茶园微耕机主要 由 机 架 、传 动 装 置 、刀 轴 刀 片 、耕
的转速为 250 ～ 280r / min，则微耕机驱动轮轴和刀轴
所对应的传动比为
2． 2． 1
i1
=
n n1
≈ 72． 6 ，i2
=
n n2
≈ 9． 6
驱动轮变速箱
微耕机驱动轮变 速 系 统 首 先 由 带 传 动 减 速 ，小 带
轮直径为 100mm，大带轮直径为 210mm，传动比为 i3 = 2． 1 ； 再经过驱动轮变速箱减速。微耕机在行走时，
DOI:10.13427/ki.njyi.2016.01.022
0 引言
随着经济的快速 发 展 ，对 茶 叶 的 需 求 在 不 断 地 提 高 ，茶园生态旅游 也 正 慢 慢 带 动 茶 区 农 民 致 富 。 由 于 受到茶园的种植模 式 的 影 响 ，导 致 普 通 的 茶 园 管 理 机 械受自身体积质量影响无法在山区作业。在茶业的 种植和管理的过程 中 ，杂 草 的 存 在 不 仅 吸 收 茶 园 的 养 分 ，还为害虫的生 长 提 供 场 所 。 所 以 ，除 草 、松 土 对 后 期茶叶的生长和品 质 有 很 大 的 影 响 ，而 传 统 的 除 草 松 土都 是 手 工 除 草 松 土，不 仅 劳 动 强 度 大，而 且 工 作 效 率低［1］。
理论上传动比为
i4
=
i1 i3
≈ 38． 86
驱动轮变速箱设计为 4 级齿轮减速，驱动轮变速
箱原理如图 4 所示。微耕机的驱动轮变速箱有Ⅰ挡、
Ⅱ挡、Ⅲ 挡和倒挡 4 个挡位。微耕机工作时，驱动轮
以Ⅱ挡进行工作运转，1 轴上面的 24 齿齿轮与 2 轴上
面的 48 齿齿轮啮合，2 轴上面的 12 齿齿轮与 3 轴上
图 4 驱动轮变速箱原理示意图
微耕机的Ⅱ挡传动比与理论设计的传动比误差较
小，符合设计要求。驱动轮变速箱Ⅰ挡为 1 轴上面的
20 齿齿轮与 2 轴上面的 48 齿齿轮啮合，2 轴 3 轴与输
出轴上面的啮合不变，则Ⅰ挡的传动比为
i5
=
z2 z1＇
z4 z3
z6 z5
=
48 20
48 12
52 12
≈ 41．
（ 6）
将式（ 6） 带入式（ 3） ，则
vx = vm － （ Ｒ － h） ω
（ 7）
要使 vx ＜ 0 ，则 h ＜ Ｒ（ 1 － 1 / λ） 。
3． 3 切土节距
同一纵垂面内相邻两把刀相继切土的时间间隔内
微耕机前进的距离称为切土节距。设计的刀轴在同
一平面内均匀安装 4 把刀，根据公式有
2016 年 1 月
农机化研究
第1 期
茶园微耕机的设计分析
王小勇a ，李 兵a ，李尚庆b ，曾 晨a ，徐成刚a
（ 安徽农业大学 a． 工学院； b． 茶与食品科技学院，合肥 230031）
摘 要： 茶 园 的 除 草 、施 肥 、松 土 是 茶 叶 生 产 过 程 的 重 要 环 节 ，而 传 统 的 工 作 方 式 都 是 人 工 操 作 ，作 业 效 率 低 、劳
深调节装置和挡土装置等组成，如图 1 所示。该传动 系统采用齿轮 — 链轮 传 动 方 式 ，由 柴 油 机 动 力 输 出 轴 通过皮带轮经过变 速 箱 后 分 为 两 路 ，一 路 使 驱 动 轮 带 动微耕机转动，一路驱动刀片做回转运动。