□謝秋菊 謝守勇,2 段廷憶 劉軍,2 宋磊

/1.西南大學工程技術學院 2.丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點實驗室

0 引言

采摘是茶葉生產(chǎn)過程中最費勞力的一項工作，特別是在丘陵山區(qū)，采摘作業(yè)基本依靠人工，效率極低，全年茶園管理50%以上的時間都在進行采摘工作。因此，丘陵山區(qū)機械化采茶作業(yè)具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。機械化采茶作業(yè)不僅能顯著提高采茶效率，明顯降低人工成本，還能適時采茶，從而保證茶葉品質(zhì)，節(jié)省人工勞動力以從事其他產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)[2]。我國茶葉采摘機械化作業(yè)起步較晚，機械化水平相對較低?，F(xiàn)有的跨行式液壓動力采茶機[3]，體積龐大，盡管能夠較好地滿足采茶要求，但無法適應丘陵山區(qū)復雜的地形地貌。目前，市場上還有一種手持式采茶機[4,5]，該采茶機至少需要兩人進行采摘作業(yè)，并且采茶機動力依靠人工背負，極大地增加了勞動強度，效率較低。近年來，農(nóng)村勞動力日趨緊缺，然而茶葉時令性強，如果不及時采茶，會嚴重影響整個茶園的產(chǎn)量和茶農(nóng)的收益，從而導致茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到嚴重的制約。

針對丘陵山區(qū)茶葉采摘現(xiàn)狀，研發(fā)一款自動、高效的自走式茶葉采摘裝置，提高丘陵山區(qū)茶葉采收作業(yè)機械化水平，是促進茶葉產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的當務之急，也是擺脫丘陵山區(qū)茶葉采收作業(yè)機械化技術水平落后困境的迫切需求[6]。本文主要采用理論分析計算和工程軟件與試驗相結(jié)合的方法，在參考現(xiàn)有采茶機的前提下，依據(jù)丘陵山區(qū)茶園地形、茶葉相關物理特性等多方面的農(nóng)藝知識，通過分析研究整機機構(gòu)的系統(tǒng)組成、功率等問題，利用三維工程軟件Creo3.0對該機構(gòu)的零部件進行設計與建模，最終進行零部件加工制造、整機裝配以及試驗。

1 采茶機整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 采茶機整機結(jié)構(gòu)

該采茶機主要由切割機構(gòu)、升降機構(gòu)、行走機構(gòu)和收集機構(gòu)等組成，整體示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

手動將折疊好的往復式嫩芽切割裝置展開，根據(jù)茶行情況，調(diào)整合理的展開寬度并通過步進電機驅(qū)動升降部分使往復式嫩芽切割裝置移動至合適的高度。如圖1所示，按下電源開關，檢查往復式嫩芽切割機構(gòu)是否復位，待該機構(gòu)復位后，啟動行走電機，按下電磁離合器開關，整機前進，同時，往復式嫩芽切割機構(gòu)上的電機開始轉(zhuǎn)動，帶動切割刀片往復運動，鼓風機開始工作，經(jīng)風管將采集的嫩芽吹進收集裝置中，完成茶園嫩芽采收的整個過程。

圖 1 采茶機整機結(jié)構(gòu)圖

2 關鍵部件設計與選型

2.1 動力裝置

田間自走式作業(yè)機械應考慮機器爬坡的情況，按路面坡度為20°考慮，由于茶園田間管理較好，路面狀況比較好，行走阻力減少，提高了行走速度和傳動效率。田間自走式作業(yè)機械的驅(qū)動功率計算經(jīng)驗公式：

式（1）中：N2為田間自走式作業(yè)機械的驅(qū)動效率；

f為阻力系數(shù)，f=0.13；

α為坡度角，α=20°；

m為整機質(zhì)量，m=100 kg；

Vm為作業(yè)前進速度，Vm=0.7 m/s；

η為行走系統(tǒng)傳動效率，η=0.72；

代入數(shù)據(jù)得到N2為0.442 kW。

茶葉氣孔比較大，容易吸附東西，因此，不選用柴油機、汽油機、液壓油作為動力。動力系統(tǒng)選用BM1424ZXF型直流無刷減速電機作為配套動力，其額定輸出功率為1.2 kW，額定電壓為60 V，額定扭矩為4.0 N·M，減速比為1∶5，即輸出轉(zhuǎn)速為570 r/min。所選的直流無刷減速電機符合要求。

2.2 行走裝置

行走系統(tǒng)采用倒三輪結(jié)構(gòu)。為后置前驅(qū)布置，電機動力通過鏈條減速增扭，達到行走速度要求和驅(qū)動力矩要求。前輪為兩輪，并在前軸安裝差速器，使轉(zhuǎn)向輕便，輪距為500 mm，輪胎采用人字花紋輪胎，可以適應大部分路面和大部分茶園。后輪為一個輪子安裝在叉軸上，通過轉(zhuǎn)向桿進行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向半徑小，可控制在1 m以內(nèi)，能夠適應田間地里復雜多樣的路況。同時，可根據(jù)使用習慣和需要，調(diào)整成正三輪結(jié)構(gòu)，加長轉(zhuǎn)向桿，操作方便，可在茶園行走自如。

2.3 傳動裝置

考慮到本機在坡地作業(yè)時可能出現(xiàn)動力不足的情況，采用兩級鏈傳動來實現(xiàn)減速增扭，解決動力不足的問題。同時，鏈傳動中加入電磁離合器，斷電時切斷行走動力，便于其他操作。如圖2所示，行走時電動機輸入的動力經(jīng)小鏈輪1傳至大鏈輪2，同軸的電磁離合器3通電時結(jié)合帶動小鏈輪4轉(zhuǎn)動，再由小鏈輪4將動力傳遞至大鏈輪5由輸出軸輸出。電磁離合器斷電分離時，小鏈輪4切斷動力，此時輸出軸與動力脫開。

圖 2 傳動簡圖

2.4 切割裝置

該裝置通過曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)割刀的往復式運動。刀機速比（β值）是衡量采茶機設計是否具有可行性的重要指標之一，切割行程H值增大，空白區(qū)變大，重切區(qū)減??；H值減小，空白區(qū)減小，重切區(qū)增大。H的計算公式為：

式（2）中，Vm為采茶機前進速度；t為切割器運動一個行程的時間，切割器運動一個行程，曲柄轉(zhuǎn)過180°，因此，其時間t可以表示為：

工作時，曲柄主軸轉(zhuǎn)速設定為400 r/min，曲柄旋轉(zhuǎn)1周，切割器完成兩個行程。切割器的平均速度為：

式（4）中：r為曲柄半徑，取值0.038 m，代入式（4）得到Vp=1.01 m/s。

查閱相關茶葉機械標準[6]，刀機速比的取值通常大于1.02，而刀機速比在1.33左右時，采茶機性能可以最優(yōu)值運行。通過計算得出，本文采茶機設計的刀機速比為1.22，大于1.02，所以理論上曲柄電機轉(zhuǎn)速為400 r/min，可以滿足茶葉采摘要求。

3 采茶機整機狀態(tài)圖及樣機

根據(jù)上述設計，采用三維工程軟件Creo3.0對本設計進行了整體建模，其展開和折疊方式如圖3所示。在對本模型后續(xù)的設計中，加入了電控設備，在后續(xù)的文章中將給予詳述，優(yōu)化設計后的樣機如圖4所示。為適應丘陵山區(qū)的地形，本設計最大的變化之處是將原來的三輪式底盤結(jié)構(gòu)改為四輪驅(qū)動底盤結(jié)構(gòu)。其樣機優(yōu)化設計的主題思想是針對基于茶樹種植環(huán)境的小行距完成茶葉采剪、收集、運輸一體化技術的問題，探究鼓風式收集茶葉的機理；研究小型采茶機的采剪、收集與運輸一體化技術，解決了作業(yè)過程中需要勞動力過多、勞動強度大的問題，達到采茶靈活快捷的效果；研制了針對茶葉采剪、收集、運輸一體的裝置，集成開發(fā)出茶葉采收機設備。

圖 3 采茶機三維模型效果圖

圖 4 改進后的樣機

4 結(jié)論

本文結(jié)合已有的往復式刀片切割方式，設計了一款雙翅型采茶機。其創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是通過調(diào)整采剪裝置的位置，可以適用于不同行距的種植規(guī)模；二是機械機構(gòu)可以拆卸、折疊，運輸方便，存放占用空間小。

后續(xù)將會在以下方向展開研究：一是通過地面仿形自動調(diào)整茶葉采剪裝置高度；二是通過茶樹位置的探測與傳感，實現(xiàn)自動識別路徑和智能轉(zhuǎn)向。