劉　彪， 肖宏儒

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

我國(guó)是世界上最早生產(chǎn)茶葉的國(guó)家，有著非常遼闊的茶葉種植區(qū)，茶葉品種豐富，采茶歷史悠久。近年來(lái)，人們對(duì)茶葉的需求量不斷增加，茶園面積也在不斷地?cái)U(kuò)大，這就對(duì)茶葉的采摘也提出了新的要求[1-2]。以往的人工采摘不能滿足現(xiàn)在對(duì)茶葉的采摘要求，而且采摘效率也非常低，成為了茶生產(chǎn)發(fā)展的阻礙，對(duì)茶葉生產(chǎn)的專業(yè)化、規(guī)?；?、商品化和現(xiàn)代化生產(chǎn)也進(jìn)行了限制，因此對(duì)茶葉采摘機(jī)械的研發(fā)就勢(shì)在必行[3]。在當(dāng)代，國(guó)家提倡要求人們要節(jié)能減排，所以對(duì)電動(dòng)茶葉采摘機(jī)加大了研究。

1　單人電動(dòng)茶葉采摘機(jī)的機(jī)構(gòu)組成和原理

1.1　總體機(jī)構(gòu)組成

如圖1所示，單人電動(dòng)茶葉采摘機(jī)主要有往復(fù)式切割刀、掃葉輪、收集袋、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電源等組成。

1.2　工作原理

茶葉采摘機(jī)在工作時(shí)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)動(dòng)刀片作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。掃葉輪由1個(gè)小型的電動(dòng)機(jī)與之相配且工作時(shí)單獨(dú)帶動(dòng)掃葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將采摘掉的新鮮茶葉收集到集葉袋中完成對(duì)茶葉的采摘工作。茶葉采摘機(jī)工作室由掃葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)把割刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)采摘下來(lái)的新鮮茶葉收集到集葉袋中，從而完成對(duì)茶葉的采摘。

2　割刀的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)軌跡分析

2.1　切割刀片的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的茶葉采摘機(jī)由動(dòng)刀片和定刀片組成，采用的刀片的動(dòng)刀距t與定刀距t0相同且都等于割刀行程S，即S=t=t0=30 mm，刀刃的高度為30 mm，割幅寬度定為255 mm，考慮到采摘茶葉時(shí)割刀的刃角對(duì)采摘時(shí)割刀阻力的影響，取割刀的刃角為10°，割刀的厚度為2 mm，此時(shí)切割采摘茶葉時(shí)割刀的刃角較為合理[4]。刀片采用平面型刀片，通過(guò)刀片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)茶葉的采摘。為了防止茶葉稈莖的影響，取刀片的底部寬度為15 mm(圖2)。

定刀片固定在茶葉采摘機(jī)的殼體上，與動(dòng)刀片共同完成對(duì)茶葉的采摘，定刀片與動(dòng)刀片之間的割刀間距取0.3 mm。除了刀片的長(zhǎng)度不同，定刀片的割刀結(jié)構(gòu)尺寸與動(dòng)刀片相同，定刀片的尺寸如圖3所示。

2.2　動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)分析

帶動(dòng)動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)可以看作是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，即在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)下帶動(dòng)動(dòng)刀片作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)茶葉的采摘。刀片與曲柄機(jī)構(gòu)相連接的三維模型圖如圖4所示，根據(jù)與軸相連的曲柄分析刀片的運(yùn)動(dòng)，曲柄的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

設(shè)OK為曲柄，其曲柄的旋轉(zhuǎn)中心為O，曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑大小為r，K點(diǎn)就是曲柄與連桿的連接點(diǎn)，當(dāng)K點(diǎn)以反方向作等速w轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則K點(diǎn)在水平直線上的投影K′作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)成為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，而動(dòng)刀片的活動(dòng)很近似K′的運(yùn)動(dòng)，即近似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)設(shè)K′點(diǎn)原點(diǎn)O的距離為x，則x與K′點(diǎn)的速度vx及加速度jx分別是

x=rcoswt；

(1)

vx=-rwsinwt；

(2)

jx=rw2coswt。

(3)

式中：x在O點(diǎn)的右面為正，在O點(diǎn)的左面為負(fù)；vx和jx向右為正，向左為負(fù)。設(shè)wt=0°、90°、180°、270°、360°，分別代入上列3個(gè)式中，則可求得x、vx、jx相應(yīng)的值見表1。以wt作為橫坐標(biāo)軸，以x、vx、jx作為縱坐標(biāo)軸并繪成圖6。

表1　茶葉采摘機(jī)距離、速度和及速度與轉(zhuǎn)動(dòng)速度的關(guān)系

由(2)式及圖6可知，K′點(diǎn)的速度成正弦曲線規(guī)律變化。當(dāng)K′在直徑端B點(diǎn)時(shí)，其速度最小(即為0)；當(dāng)K′逐漸向左移動(dòng)時(shí)，其速度絕對(duì)值逐漸增大，到原點(diǎn)時(shí)速度達(dá)到為最大(rw)，其后K′繼續(xù)向左移動(dòng)時(shí)，其速度絕對(duì)值逐漸減小，到左端A點(diǎn)時(shí)也為0。當(dāng)K′點(diǎn)自端點(diǎn)A向右移動(dòng)時(shí)，其速度絕對(duì)值的變化也如此，動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)與K′很近似，因此動(dòng)刀片速度的絕對(duì)值也在0～rw之間變化。

切割茶梢時(shí)，一般是將活動(dòng)刀片作為主切削刃，因定刀片為反切削刃作為支撐茶梢，當(dāng)動(dòng)刀刃與定刀刃相接觸時(shí)，便開始對(duì)茶葉進(jìn)行切割，有些茶葉采摘機(jī)上下兩邊刀片形狀一樣，切割式茶梢的兩側(cè)將會(huì)同時(shí)受到切削。因此，刀片的速度也有大小之分，所以利用較大的速度來(lái)切割最為合理。由于切割器的類型不同，其刀刃相接處的早晚也是不同的，因此切割時(shí)利用的切割速度也不相同。圖7為此次設(shè)計(jì)所使用的平面型活動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)速度圖，當(dāng)切刀自a0向右逐漸運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度從0逐漸增大，在未到達(dá)a1之前，由于切刀沒(méi)有接觸到，所以不發(fā)生切割。刀片到達(dá)a1時(shí)，兩刀刃才開始相接觸，此時(shí)切割速度va1稱為始切割速度，此后刀片繼續(xù)向右逐漸運(yùn)動(dòng)便繼續(xù)切割，然而當(dāng)?shù)镀竭_(dá)c1時(shí)，兩刀刃相互接觸結(jié)束。這以后便不會(huì)切割，這時(shí)的切割速度為vc1，則稱為終切速，從va1到vc1是切割速度的變化范圍，而始切割速度va1大于終切割速度vc1。

2.3　刀片的切割圖形分析

由于切割刀片的運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，是采茶機(jī)向前的直線等速運(yùn)動(dòng)和刀片的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)的合成，則這2種運(yùn)動(dòng)的疊加結(jié)果見圖8。以本次所選的平面型切割器為例，s=t=t0=30，刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)1次，所走的路線如圖8所示，也就是曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)1次，刀片由開始位置a逐漸變到b，再由b逐漸變到c，圖9中斜線部分是割刀的刀刃與茶葉相遇，也就是割刀刀刃在此時(shí)開始采摘茶葉，區(qū)域2表示割刀與所采摘的茶葉第2次相遇，也就引起了割刀對(duì)茶葉的2次采摘，即通常所說(shuō)的重割。重割的缺點(diǎn)包括：一方面是浪費(fèi)功率，另一方面可能使割斷面不齊，區(qū)域1和區(qū)域3內(nèi)的茶葉不能和割刀刀刃相遇，則被推向前面，等到割刀刀片再次回復(fù)時(shí)來(lái)采摘區(qū)域1、3內(nèi)的茶葉，因而增加留枝的高度，即采摘后茶樹的頂面不齊，重割區(qū)(區(qū)域2)及空白區(qū)(區(qū)域1、3)的面積大小由動(dòng)力平均速度與采茶機(jī)前進(jìn)速度的比值而定。由大量的試驗(yàn)和實(shí)際的實(shí)踐操作表明，在采茶時(shí)，操作者的前進(jìn)速度應(yīng)控制在 0.5 m/s 左右，也就是1 min向前走30 m左右，這時(shí)的作業(yè)質(zhì)量好，而且也使生產(chǎn)率得到了提高。

2.4　刀片材料的選擇

根據(jù)工作環(huán)境可知，刀片須要受到較大的摩擦，而且在切割的過(guò)程中受到的擠壓力也較大，因此對(duì)刀片的硬度要求較高。經(jīng)整體考慮，選擇材料為W18Cr4v型號(hào)的高速鋼，其抗彎強(qiáng)度高、耐磨性好，它的優(yōu)點(diǎn)是：通用性好，工藝成熟。

3　掃葉輪設(shè)計(jì)

3.1　掃葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掃葉輪形狀為長(zhǎng)方形且上面分布著對(duì)稱的小孔，就像蜂窩狀。掃葉輪的作用就是把剪切掉的茶葉掃到集葉袋里，而蜂窩狀的洞口可以減少阻力。

3.2　掃葉輪形狀設(shè)計(jì)

掃葉輪的長(zhǎng)度應(yīng)該與割刀的割幅寬度相同，但考慮到運(yùn)動(dòng)掃葉輪不與茶葉采摘機(jī)的內(nèi)壁相接即長(zhǎng)度為245 mm，考慮到茶葉采摘機(jī)的總體高度取掃葉輪的寬度為245 mm。查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取所設(shè)計(jì)的掃葉輪的厚度為3 mm，細(xì)軸的直徑為10 mm，與細(xì)軸相結(jié)合的軸的直徑為20 mm。細(xì)軸比粗軸長(zhǎng)主要是因?yàn)橐诩?xì)軸上安裝軸承，以固定在采茶機(jī)的殼體上。左側(cè)的軸比右側(cè)的短，是因?yàn)橛覀?cè)的軸除與軸承相配合外，還要與相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，以帶動(dòng)掃葉輪旋轉(zhuǎn)，從而使采摘的茶葉掃進(jìn)集葉袋中，掃葉輪形狀如圖10所示。

4　性能試驗(yàn)

該機(jī)采用電源作為動(dòng)力能源，可以連續(xù)工作7～9 h，對(duì)茶葉的采摘頻率為1 350 r/min，采摘后的茶葉葉片完整率高。

5　結(jié)語(yǔ)

此機(jī)采用電能作為能源，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的措施，滿足茶葉采摘機(jī)的主要功能要求，同時(shí)滿足茶葉采摘機(jī)工作時(shí)性能穩(wěn)定性要求，并且具有轉(zhuǎn)動(dòng)效率較高、結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、制作成本低、工藝性能好，質(zhì)量輕、使用方便以及維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。由于整機(jī)尺寸小，對(duì)我國(guó)山區(qū)茶葉的采摘有著極大的市場(chǎng)前景。

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