1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)
該機(jī)在大田旋耕機(jī)的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)的，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 便攜式茶園微耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1.旋耕刀 2傳動(dòng)裝置 3發(fā)動(dòng)機(jī) 4支撐輪 5手把
該機(jī)主要由支撐輪、齒輪箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、擋泥板、手把、手柄、手把旋鈕，提把，油門(mén)開(kāi)關(guān)、油門(mén)線熄火開(kāi)關(guān)。本機(jī)的顯著特點(diǎn)是：在外型上減小了機(jī)子的尺寸結(jié)構(gòu)，大大提升了操作的方便性，在旋耕刀具上的設(shè)計(jì)更加符合茶園微耕需求，防止了纏草，旋耕深度一致性得到保障。
1.2工作原理
該機(jī)的工作原理是在田間作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸傳到齒輪箱，齒輪箱將動(dòng)力經(jīng)兩半軸傳到刀片上，使微耕機(jī)的刀片獲得速度，旋耕刀與地面的接觸既對(duì)地面有剪切破碎作用同時(shí)也給整機(jī)一個(gè)向前的驅(qū)動(dòng)力，保證了整機(jī)的快速前行。操作人員通過(guò)操縱油門(mén)開(kāi)關(guān)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂屏诵兜霓D(zhuǎn)速，來(lái)保證旋耕機(jī)的旋耕深度和碎土能力。
2.主要技術(shù)參數(shù)
工作幅寬/mm：270
工作效率/km2.h-1 ：0.24
碎土率/%：80
旋耕深度/mm：120
作業(yè)速度/km.h-1：3-5
配套動(dòng)力/kw：1.8
3.關(guān)鍵部件及關(guān)鍵技術(shù)
3.1旋耕刀
旋耕刀工作時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)傳過(guò)來(lái)的動(dòng)力經(jīng)渦輪減速后傳到旋耕刀軸上，刀軸上有一定位銷(xiāo)對(duì)旋耕刀進(jìn)行定位，并帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)碎土。由于茶園微耕機(jī)土壤較疏松，土面上雜草桿莖較少。其次，微耕機(jī)功率較小，刀片的外形應(yīng)能在有效入土、減小阻力和有效的降低能耗等方面入手，在刀片的設(shè)計(jì)上選擇直角刀能滿足以上要求[6]。
3.1.1直角刀正切面的設(shè)計(jì)
直角刀片正切面幾何參數(shù)主要指切土角γ(刀齒內(nèi)刃面與余擺線切線的夾角)和隙角ε(刀齒外刃面和余擺線切線的夾角)[7]，如圖1所示。圖中幾何關(guān)系有；
γ=γ0 — Δε=ε+i (1)
ε=ε0 —Δε (2)
式中：γ0為靜態(tài)切土角(刀齒正切刃內(nèi)刃面與刀齒半徑R所做圓弧的切線的夾角)；ε0 為靜態(tài)隙角(刀齒正切刃外刃面與刀齒半徑R所做圓弧的切線的夾角)；i為磨刀角；Δε為圓周切線和余擺線切線之間的夾角。
刀片的靜態(tài)切土角γ0 和靜態(tài)隙角ε0 是定值。由式(1)(2)可知Δε的數(shù)值直接決定γ和ε。
由圖刀齒速度關(guān)系可知：
Δε=arctg (3)
式中： 為刀齒位置角；λ為速比系數(shù)。由式得到Δε隨 變化而變化，在相同的 下，Δε隨λ的減小而增大，切土角γ和隙角ε則隨Δε的增大而減小。按設(shè)計(jì)要求，刀片γmin 和εmin 取值要適中。本機(jī)速比λ=6，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Δεmax =10o 左右。正切面zui小隙角εmin 將有較大的減小。在此基礎(chǔ)上，還做了進(jìn)一步改進(jìn)，減小磨刀角i0 、適當(dāng)增加刀片靜態(tài)切土角γ0 到38o 為宜。
3.1.2 直角刀片側(cè)切刃的滑切性能分析
直角刀側(cè)切刃應(yīng)有一定的滑切作用以便于切開(kāi)土壤和斬?cái)嗖萸o等，草莖在被切時(shí)能沿刃口滑動(dòng)。側(cè)切刃滑切性能的優(yōu)劣與滑切角大小有關(guān)，滑切角越大，滑切性能越好。
在機(jī)器靜止時(shí)，τc (直線刀刃MN上某點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)速度方向與刃口法線方向的夾角)與過(guò)刀刃B點(diǎn)極徑OB和刀刃切線t-t之間的夾角相等[8]。
Sinτc = (4)
式中：e為刀片安裝的偏心距；r為B點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑；
當(dāng)機(jī)器前進(jìn)時(shí)，合速度ν和刀輥速度rω 不重合，形成Δτ的偏角。在此，引入動(dòng)態(tài)滑切角τk (刃口上任一點(diǎn)的法線與該點(diǎn)的速度方向上的夾角)。
τk =τc –Δτ (5)
由圖3得到在A處的Δτ為：
ΔτA =tg-1 = (6)
式中：λ為速比系數(shù)；α為刀片A點(diǎn)在改瞬時(shí)的轉(zhuǎn)角。
則側(cè)切刃在任一點(diǎn)Δτ值得大小為：
Δτ=tg-1 (7)
式7可知：Δτ既與λ和α相關(guān)。
3.3機(jī)架與扶手架的調(diào)整范圍
機(jī)架是整個(gè)機(jī)具的支撐部件，其中一部分為機(jī)架的調(diào)整部分，是為了使不同人員操作時(shí)，人手握把手對(duì)機(jī)具的操作和對(duì)旋耕刀與土壤接觸深度的一個(gè)控制。調(diào)整結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)機(jī)具的機(jī)構(gòu)更加緊密，操縱性、穩(wěn)定性更好。機(jī)架部分將整個(gè)零部件固定在一起，使整個(gè)機(jī)具更緊湊，更易操作。
提升機(jī)具效率，減小耕作強(qiáng)度是本設(shè)計(jì)的主要目的。茶園便攜式微耕機(jī)針對(duì)扶手框架等部件與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)。由于操作人員高度不同，扶手的高度對(duì)操作人員在工作時(shí)的方便工作和舒適程度尤其重要。
人體的平均身高在170cm左右，扶手zui合適高度在800～1100mm，根據(jù)這一數(shù)據(jù)以及人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)扶手的長(zhǎng)度和角度，并且設(shè)計(jì)了可自行調(diào)節(jié)的裝置。調(diào)整范圍如圖所示。
設(shè)定Ymax為扶手支架的zui大長(zhǎng)度，Ymin為扶手支架的zui小長(zhǎng)度。其中支架到地面有固定高度X0，取X0為一值；當(dāng)X1=Ymax時(shí)，扶手為zui大高度，此時(shí)θ值為zui大。設(shè)定zui大值為α=arcsinX1-X0/Ymax
當(dāng)X2為800mm時(shí)，扶手為zui大高度，此時(shí)θ值z(mì)ui??；設(shè)定zui小值為β=arcsinX2-X0/Ymin
由此可知，當(dāng)設(shè)定扶手高度在Ymin～Ymax之間時(shí)，扶手架的調(diào)整角度范圍在α～β間。所以可在扶手長(zhǎng)度和高度之間去任意調(diào)整一配備不同操作人員的高度，以達(dá)到*舒適組合。
4試驗(yàn)結(jié)果與改進(jìn)
4.1 試驗(yàn)情況，
該機(jī)在2014年9月下旬開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示。有表1可看出，該機(jī)主要試驗(yàn)性能指標(biāo)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
4.2 存在問(wèn)題及解決方案
(1)機(jī)具配重與耕深之間有關(guān)聯(lián)。旋耕刀在土壤較硬的地塊上，耕作效果較差。主要是實(shí)際工作中機(jī)具重量較輕，旋耕刀速度較大，切削土壤的力達(dá)不到要求，有待進(jìn)一度改進(jìn)。
(2)支撐輪中間軸在行走過(guò)程中容易剮蹭土壤造成行駛阻力加大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)輪軸剮蹭地面以及耕深不一致現(xiàn)象。解決的方法是有在不同土壤平整度情況下使用不同大小的支撐輪，以便防止輪軸有行駛阻力和旋耕刀旋耕深度不一致。
