丘陵山区小型自走式茶园中耕机设计与试验

摘要 针对我国丘陵山区茶园中耕松土、碎土作业效果差等难题，设计了一种小型自走式茶园中耕机。构建了中耕机碎土机构运动位置数学模型，通过运动学分析优化了碎土机构关键参数设计；同时还对中耕机碎土刀、传动系统、限深轮以及机架等关键部件进行了设计，以确保整机的作业效率和稳定性。以碎土率和耕深稳定系数为试验指标，以前进速度和入土角为试验因素，进行全面随机田间试验。结果表明，随着前进速度的增加，碎土率逐渐降低；固定前进速度，随着入土角的增大，耕深稳定系数整体呈下降趋势。在保证作业效果的同时不应选择过大的前进速度和入土角。较优的作业组合为前进速度1.5 km/h，入土角45°。

关键词 丘陵山区；中耕机；碎土作业；结构设计；田间试验

中图分类号 S224.1 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2025）06-0185-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.06.043

Design and Experiment of Small Self-propelled Tea Garden Tillage Machine in Hilly and Mountainous Areas

WANG Wen-ming， TAO Ye

（Taizhou Vocational College of Science and Technology， Taizhou， Zhejiang 318020）

Abstract Aiming at the difficulties of poor performance of soil tillage and soil breaking operations in tea gardens in hilly and mountainous areas of China， a small self-propelled tea garden tillage machine was designed.A mathematical model for the motion position of the soil breaking mechanism of tillage machine was established， the key parameter design of the soil breaking mechanism was optimized by the kinematic analysis.In addition， the key components of the tiller such as the soil breaking blade， transmission system， depth limit wheel， and frame were designed in detail， so to ensure the operational efficiency and stability of the entire machine.Taking the soil breaking rate and the stability coefficient of the tilling depth as the test indicators， and taking the forward speed and the angle of penetration as the test factors， a comprehensive randomized field experiment was conducted.The results showed that the soil breaking rate of the machine gradually decreased with the increase of forward speed.When the forward speed was fixed， the stability coefficient of the tilling depth showed a downward trend as the angle of penetration increased.At the time of ensuring the operational efficiency， excessive forward speed and angle of penetration should not be selected.The optimal operation combination was forward speed of 1.5 km/h， and the angle of penetration of 45°.

Key words Hilly and mountainous areas;Tillage machine;Soil-crushing operation;Structural design;Field trial

近年来，我国茶产业迅速发展，茶园种植面积及茶叶总产量均已位居世界前列，然而我国茶园机械化作业水平却不高，尤其是丘陵山区茶园，目前整体机械化率不足20%［1-5］。中耕管理是茶园生产中较为关键的环节，及时进行茶园中耕管理可以有效清除茶行杂草、提高地温、改善土壤营养环境，从而改善和提高茶叶的品质，因此研发一种高效的茶园中耕机械代替人工作业对于提高茶叶生产效率和质量都具有重要意义［6］。针对茶园中耕管理机，国内外开展了大量研究。国外研究以日本技术最为成熟，日本是世界上最早实现茶叶生产全程机械化的国家，采用标准化茶园种植，更适合大中型机器作业［7］。国内，杨拥军等［8］研制了小型除缠减阻式茶园中耕机，通过动刀与锯齿形静刀的配合，有效切断缠在旋耕机上的杂草，再通过旋耕机翻耕作业将杂草、树枝埋入土壤；徐良等［9］设计了3ZFC-40型茶园中耕机，田间试验表明其除草及施肥效果良好；程方平等［10］设计了手扶式茶园除草机，田间试验表明使用刀片偏角70°的除草轮可以有效防止缠草，且除草率在90％以上，在行距1.5 m茶园中作业效率可达972 m2/h；李坤等［11-12］设计了针式仿生茶园耕作机，土槽试验表明与旋耕机相比，针式仿生茶园耕作机碎土率较低且能耗高，但耕作深度更深，更容易满足硬质土壤作业。笔者设计了一种小型自走式茶园中耕机，构建了中耕机碎土机构运行位置数学模型，并设计了碎土刀、传动系统等关键部件，最后进行了田间性能试验，以期解决当前丘陵山区茶园中耕作业松土、碎土效果差的难题。

1 整机结构及工作原理

小型自走式茶园中耕机主要由机架、行走轮、限深轮、碎土机构、行走拨杆、油门等构成，如图1所示。作业时，启动机器，人工手扶操作机器沿茶行自主行走，通过行走拨杆和油门控制机器的行进速度，拨动离合机构可接通动力向碎土机构传动，碎土刀在碎土机构带动下切入土壤，然后对土壤进行推抛，以完成碎土动作。碎土机构转速可通过切换耕作拨杆不同档位调整。

整机主要技术参数如表1所示，该机配置4.4kW汽油机提供动力，采用轮式行走方式，最大耕深达20 cm，耕宽达40 cm。

2 关键部件设计

2.1 碎土机构

根据茶园中耕机作业要求，查阅农业机械设计手册，采用带有曲柄的四杆机构设计碎土机构，如图2所示。对碎土机构运动位移进行分析，以O点为坐标原点，建立碎土机构的直角坐标系。

通过公式（4）可知，碎土机构的运动情况与各杆长度及与机架初始位置角有关系，根据《农业机械设计手册》设计OE之间距离为200.4 mm，杆OA长68 mm，杆BE长260 mm。根据曲柄摇杆机构成立条件，得到：

综合考虑设计杆AC长240 mm，AB长150 mm，根据耕深要求设计杆CD长214 mm。茶园中耕碎土机作业过程中，连杆要承受机构支撑力、机构推力、土壤反作用力等复杂动载荷，因此设计结构上要同时满足强度及刚度要求，材料选择ZG45钢，并进行调质处理。

2.2 碎土刀

为了增强中耕机的破土性能以及减小破土阻力，将碎土刀设计成U形铲刀，如图3所示。其主要结构尺寸包括刀长（l）和刀宽（wd），根据茶园中耕碎土作业要求，参考《农业机械设计手册》，确定l为120 mm，wd为15 mm。为了降低破土阻力以及防止刀尖缠草，碎土刀应滑切破土［13］，将碎土刀切刃曲线设计为正弦指数曲线。同时，为了更容易破土，将其两侧侧刃角设计为45°，刃口宽度为2 mm，同时为增强其强度，刀厚度设计为20 mm，选用45Mn为材料，对整个刀体进行淬火处理，以提高其硬度。

2.3 传动系统

茶园中耕机的整机传动系统如图4所示。整个传动方案安排五级齿轮传动，输出轴Ⅰ为翻耕机构曲柄轴，输出轴Ⅱ为翻耕机构摇杆轴，输出轴Ⅲ为机器驱动轮轴。根据机械设计手册并结合茶园中耕机实际作业要求，从左至右设计其传动比分别为1.4、1.8、2.5、2.1和2.3。

2.4 限深轮

由于整机重心在机器中心偏后部位，故在机器后部设计添加可调节式限深轮，承担机器后部重载的同时，可调节控制碎土机构入土深度。可调节式限深轮的结构如图5所示，其主要由调节把手、外套筒、内杆、固定片、支架、小轮组成。其外套筒与内杆之间为螺纹配合，旋转把手固装在内杆上，可通过旋转调节把手调节地轮的高度，固定片与地轮外套筒固装，其上开有4个U形螺栓孔，整个地轮通过2个U形螺栓固装在机器后部。

2.5 机架

如图6所示，设计机架主要由纵梁、后横梁、加强梁组成。两侧纵梁及加强梁的材质均为35×35角钢，后横梁材质为45×45方钢，整体机架由各梁焊接组合在一起。

对机架进行受力分析，如图7所示。机架主要受到作用于A2点的变速箱重力G1，作用于A3点的机架自身重力G2，作用于A4点的汽油机重力G3以及作用于A1点的前端支撑力F1和作用于A5点的后端支撑力F2。

变速箱重量为200 N，汽油机重量为1 800 N，机架自身重量为600 N，A1A2、A2A3、A3A4、A4A5之间的距离分别为160、200、40、300 mm。将上述参数代入式（6），可得到作用于机架A1和A5处的支撑力分别为1.36和1.24 kN，其左右两侧支撑力接近，且都在结构钢需用最大应力承受范围之内。机架各个位置弯矩如图8所示。其最大弯矩点在机架A4处，即安放汽油机的位置，根据弯矩计算公式求得弯矩为0.37 kN·m，故设计在机架后半部添加2根加强梁，以有效防止机架产生弯曲变形。

3 田间性能试验与结果分析

3.1 试验条件与设备

田间试验地点在浙江省南部地区，试验地土壤为典型南方硬质土壤，含有部分砂砾，且多年未进行翻耕，经实地测量，其土壤坚实度在1～20 cm深度的平均值为883 kPa，土壤含水率在1～25 cm深度的平均值为21.1%，土壤容重在1～25 cm深度的平均值为1.7 g/cm3。试验主要设备包括土壤监测设备、土壤坚实程度测试设备、卷尺、环刀、电子秤等。

3.2 试验设计

采用全面随机试验（3×3）方案，试验因素选择前进速度和入土角，其中前进速度分别为1.0、1.5、2.0 km/h，入土角分别为40°、45°、50°，共9个处理，每个处理重复3次，共进行27个试验小区。按照试验要求对试验地进行划分，每个茶行分为3段，前后5 m各设2个缓冲区，中间段为试验段，试验茶树品种为“中黄1号”，茶行间距为600 mm。选取碎土率和耕深稳定系数为试验指标，进行田间试验。

碎土率的测定方法：随机选取作业行程中0.2 m×0.2 m区域，测定全松层内土块最小边长小于5 cm的土块质量及土块总质量，其计算公式如下：

式中：GS为全松层碎土率；Gz为全松层小于5 cm土块的质量，单位kg；G为全松层土块总质量，单位kg。

耕深稳定系数测量方法：使用钢尺插入测量区中耕后土壤，读取耕深数值，每组试验沿机器前行茶行随机测量5处，取平均值。耕深及耕深稳定系数计算公式如下：

式中，h代表耕深，单位cm；hi代表第i点的耕作深度，单位cm；U代表耕深稳定系数，单位%；n代表测点个数。

3.3 试验方案与结果分析