韓 余，宋志禹，陳巧敏，梅 松，楊 光

弧型往復(fù)雙動式采茶切割器優(yōu)化與試驗

韓 余1,2，宋志禹1,2※，陳巧敏2，梅 松2，楊 光2

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點試驗室，南京 210014；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

針對往復(fù)雙動式采茶切割器碎茶率高的問題，該研究對切割器進(jìn)行了優(yōu)化。首先，分析了切割器的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過切割圖分析得到影響采摘質(zhì)量的主因子為機速、刀機速比、刀齒高度、往復(fù)運動行程。并基于設(shè)計的軌道式采茶試驗臺，進(jìn)行了采摘質(zhì)量因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗，建立了以芽葉完整率、漏采率、割茬不平度為評價指標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化模型。運用遺傳算法解得最佳參數(shù)分別約為機速0.4 m/s，刀機速比1.2，行程23 mm，齒高25 mm，芽葉完整率模型的估計值為86.895%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計刀具，試驗驗證得：芽葉完整率82.6%，漏采率0.24%，割茬不平度2.8 mm，與優(yōu)化結(jié)果相符合。優(yōu)化后采摘芽葉完整率提高了20%以上，提升了茶葉采摘質(zhì)量，為“機采＋分級”的名、優(yōu)質(zhì)茶葉高效采收技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機械；茶葉；收獲；往復(fù)式切割器；試驗；優(yōu)化

0 引 言

名優(yōu)茶是中國茶文化獨有的產(chǎn)物，對茶葉嫩度、外形等有嚴(yán)格的要求，因尚無有效的采摘機械，仍依賴人工手采，產(chǎn)量低、成本高（采摘成本占生產(chǎn)成本的60%以上）。茶葉時令性強，不及時采摘易導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)流失，嚴(yán)重影響成品茶的質(zhì)量[1-2]，從而造成茶葉減產(chǎn)、茶農(nóng)經(jīng)濟損失、茶鮮葉資源浪費等問題。隨著農(nóng)村勞動力短缺問題日益嚴(yán)峻，優(yōu)質(zhì)茶、名優(yōu)茶機采難題正嚴(yán)重制約著茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；故研發(fā)優(yōu)質(zhì)茶葉高效機采技術(shù)與裝備，對支撐茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。

由于飲茶習(xí)慣的原因，國外以研發(fā)和應(yīng)用大宗茶采摘機械為主。最早的采茶機械源自日本，如早期的單人采茶機、雙人采茶機。其存在采摘高度不一致（由機手步行重心波動所致）、采摘完整率低，且勞動強度較大等問題。近些年，日本研制了乘坐式采茶機[3]，采用橫跨茶蓬的液壓履帶底盤，配有往復(fù)式切割系統(tǒng)、風(fēng)吹式鮮葉收集系統(tǒng)，切割高度可調(diào)，實現(xiàn)了茶葉自動化采摘。一方面，由于成本高、農(nóng)藝不適應(yīng)等原因[2]，日本的采茶機械難以大范圍應(yīng)用；另一方面，因飲茶習(xí)慣所致，日本以生產(chǎn)抹茶、袋泡茶為主，其生產(chǎn)的采茶機難以滿足國內(nèi)優(yōu)質(zhì)茶、名優(yōu)茶的采摘要求。

國內(nèi)采茶機械化起步晚，實際生產(chǎn)中多從日本引進(jìn)。相關(guān)研究[4-8]主要集中在采茶機切割器尺寸參數(shù)、運動分析及茶葉新梢物理特性等方面。傳統(tǒng)的采茶機按動力類型分為電動型和汽油機動型，按切割原理分為往復(fù)切割式、滾切式、圓盤刀式，按操作方式分為單人手提式、背負(fù)式和雙人抬式。常見機型如下：單人手提式采茶機有4CD-20型（電動）、4CD-330型等，單人背負(fù)式采茶機有NV45H 型、AM-100E 型、ML-500型等，雙人抬式采茶機有4CSW910型、4CSW-1000型、PHV-100 型、V New Z-1000 型等。由于存在用工多、操作勞動強度大、生產(chǎn)率較低、采摘完整率低等不足，這些采茶機難以滿足優(yōu)質(zhì)茶、名優(yōu)茶的采摘需求。宋揚楊等[9]研制了手扶自走式履帶采茶機，Han等[10]研制了跨行履帶自走式采茶機，分別較大幅度地降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，但尚無法應(yīng)用于優(yōu)質(zhì)茶和名優(yōu)茶采摘。近幾年，針對名優(yōu)茶采摘開展了探索研究。如王焜等[11-13]研制了并聯(lián)、串聯(lián)采茶機械臂；諸多研究者采用數(shù)字圖像處理與深度學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行嫩芽識別[14-16]、檢測[17-18]和空間定位[19-20]。王財盛等[21]針對乘用式采茶機，設(shè)計了基于機器視覺的割刀自動調(diào)平調(diào)高控制方法；吳偉斌等[22-23]研究了采茶機視覺導(dǎo)航方法。但這些技術(shù)處于探索階段，短期難以解決采茶難題。

在實際生產(chǎn)中，往復(fù)切割式采茶機得到了廣泛應(yīng)用，但由于采摘完整率只有60%左右[24]，僅用于大宗茶生產(chǎn)。如能有效解決往復(fù)切割式采茶機的碎茶率高的問題，配套采后分級設(shè)備，則可為優(yōu)質(zhì)茶、名優(yōu)茶采收提供有效解決方案。本文針對往復(fù)切式切割器采摘完整率低的問題，深入分析往復(fù)式切割器的工作原理及采摘質(zhì)量影響因素，對切割器關(guān)鍵機構(gòu)及作用參數(shù)進(jìn)行試驗優(yōu)化研究，以提高茶葉采摘完整率，為優(yōu)質(zhì)茶、名優(yōu)茶的采摘提供有效的方案。

1 切割器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

往復(fù)式切割器是當(dāng)前大宗機械化采摘技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的采摘機構(gòu)，按刀片形狀可分為平型和弧型刀片，按刀片運動形式分為單刀動型和雙刀動型，刀片的驅(qū)動形式有曲柄滑塊式、單偏心輪式、雙偏心輪式。根據(jù)采茶機的大小，切割器的割幅有600、800和1 200 mm。本文主要針對跨行自走式采茶機，選擇優(yōu)化的切割器的形式如下：弧型往復(fù)雙動式切割器，割幅1 200 mm。

此往復(fù)式切割器由上刀片、下刀片、刀片運動定位壓板、刀片連接柄、切割器箱體、雙偏心輪軸、軸承、偏心輪軸、刀片限位螺栓等組成，主體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件如圖1所示。切割器箱體分為上下對稱兩部分，分別與刀片運動定位壓板固定連接，雙偏心輪通過軸承安裝于箱體內(nèi)部；上刀片的內(nèi)半徑與下刀片的外半徑相同，并分別通過各自的刀片連接柄，與雙偏心輪軸的上下偏心輪配合；上下刀片上開有滑槽，刀片運動定位壓板對應(yīng)的位置設(shè)有螺栓孔，上下刀片通過螺栓與定位壓板有間隙聯(lián)接，形成沿定位壓板的弧形運動副。

1.傳動箱 2.雙偏心輪軸 3.刀片 4.刀片運動定位壓板 5.切割器上箱體 6.雙偏心輪軸 7.偏心輪軸上軸承 8.上偏心輪軸承 9.上刀片驅(qū)動連接柄 10.上刀片 11.下刀片驅(qū)動連接柄 12.下偏心輪軸承 13.偏心輪軸下軸承 14.切割器下箱體 15.下刀片 16.刀片限 17.偏心輪軸軸芯 18.上偏心輪 19.下偏心輪

1.Drive box 2.The double eccentric cam shaft 3.The blade 4.Movement positioning plate for blade 5.Upper box of cutter 6.The double eccentric cam shaft 7.Upper bear in the double eccentric cam shaft 8.Bear in upper eccentric wheel 9.Connecting bat for driving of upper blade 10.Upper blade 11.Connecting bat for driving of down blade 12.Bear in down eccentric wheel 13.Down bear in the double eccentric cam shaft 14.Down box of cutter 15.Down blade 16.Bolt for restricting displacement 17.Eccentric shaft 18.Upper eccentric wheel 19.Down eccentric wheel

注：為刀片弧長，mm，為刀片半徑，mm；為刀片前橋刃角，（°）；為刀片厚度，mm；為刀片前橋，mm；為滑切角，（°）；為切割器行程，mm；為刀齒高度，mm；為刀片刃角，（°）.

Note:is the arc length of the blade, mm;is the blade radius, mm;is blade’s front edge angle, (°);is blade thickness, mm;is front bridge of blade’s tooth, mm;is slip cutting angle, （°）;is cutter stroke, mm;is cutter tooth height, mm;is blade angle, （°）.

圖1 切割器與關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure diagram of cutter and its main parts

1.2 工作原理

1.2.1 驅(qū)動機構(gòu)運動分析

由往復(fù)雙動式采茶切割器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知其采摘原理為：切割器上、下刀片組成移動副（圖1b中的10與15），刀片驅(qū)動連接柄為矩形中空結(jié)構(gòu)（圖1d中刀片中部矩形結(jié)構(gòu)），二者通過軸承與雙偏心輪軸的上下輪連接，兩軸承可繞偏心輪轉(zhuǎn)動，亦可沿驅(qū)動連接柄的矩形內(nèi)壁前后移動，組成移動與轉(zhuǎn)動復(fù)合的運動副。電機或馬達(dá)通過聯(lián)軸器驅(qū)動雙偏心輪軸轉(zhuǎn)動，由于雙偏心輪偏心距的存在，雙偏心輪的圓心繞偏心輪軸軸線做圓周運動。由于刀片受到限位螺栓（圖1b中16）、刀片定位壓片（圖1b中4）的約束作用，刀片只能沿長度方向移動；而偏心輪上安裝的軸承，一方面推動刀片驅(qū)動連接柄沿刀片長度方向移動，一方面沿刀片驅(qū)動連接柄內(nèi)壁滾動。由此，偏心輪的圓周運動被分解為：1）刀片沿軸的左右往復(fù)運動，2）偏心輪及軸承與刀片驅(qū)動連接柄內(nèi)壁在軸方向上相對移動（方位描述以圖1d中坐標(biāo)系為參考）。上下刀片受偏心輪的往復(fù)驅(qū)動做相向往復(fù)移動，上下刀片相鄰刀齒之間形成剪切運動，可將茶葉嫩梢剪下。

1.2.2 刀片運動規(guī)律

雙偏心輪軸驅(qū)動刀片往復(fù)運動過程分析和刀片運動規(guī)律如圖2所示。圖2a為刀片位于初始位置，此時，上偏心輪軸承（軸承外嵌于偏心輪上）與刀片驅(qū)動連接柄內(nèi)壁接觸與A0點，上下刀片處于運動起始臨界點，上下刀片驅(qū)動連接柄重合；如圖2d所示，刀片橫向位移為0= 0（此處只分析上偏心輪的運動，下偏心輪運動類似，且運動位置狀態(tài)與上偏心輪呈軸對稱圖形）。當(dāng)上偏心輪軸沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)角時，偏心輪與刀片驅(qū)動連接柄運動狀態(tài)如圖2b所示，上、下刀片驅(qū)動連接柄在偏心輪的驅(qū)動下分別向左（粗實線框所示）向右（雙點畫線框所示）移動一定距離1（圖中點畫線框所示為刀片驅(qū)動連接柄起始位置）。此時，上偏心輪軸承與上刀片驅(qū)動連接柄內(nèi)壁接觸于A1點，上刀片橫向位移為1（圖2d）。當(dāng)雙偏心輪軸轉(zhuǎn)動π/2角時，偏心輪與刀片驅(qū)動連接柄運動狀態(tài)如圖2c所示，上、下刀片驅(qū)動連接柄在偏心輪的驅(qū)動下分別運動到最左（粗實線框所示）、最右位置（雙點畫線框所示）。此時，上偏心輪軸承與上刀片驅(qū)動連接柄內(nèi)壁接觸于A點，刀片橫向位移為a=/2（圖 2d）。當(dāng)偏心輪軸的繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，雙偏心輪輪心的運動軌跡為一個半徑為/2的圓，如圖2a中灰色點畫線圓所示。偏心輪繞偏心輪軸軸線的旋轉(zhuǎn)運動可分解為偏心輪相對于刀片驅(qū)動連接柄的相對移動和刀片的往復(fù)運動，分別為圓周運動在水平方向和垂直方向的投影。由此可知，刀片在偏心輪的驅(qū)動下做如圖2d所示的正弦往復(fù)運動，如式（1）～（3）所示。往復(fù)運動的最大位移為切割器的行程，其值為偏心輪偏心距的一半，即/2。

式中為轉(zhuǎn)速，r/s；為偏心距，mm；為時間，s；為刀片運動速度，m/s；為刀片加速度，m/s2。

對于弧型往復(fù)式切割器，刀片為弧型，而驅(qū)動力在水平方向，因此刀片受刀片定位壓板的限制，發(fā)生了微小變形，具體變形規(guī)律與受力情況，已在相關(guān)文獻(xiàn)中分析[25]。

注：O為偏心輪軸截面圓圓心；O1和O2分別為上、下偏心輪的截面圓心；e為雙偏心輪的偏心距，mm；r為偏心輪圓心O1和O2運動軌跡圓的半徑，mm；θ為偏心輪逆時針旋轉(zhuǎn)角度，rad；A0，A1，An分別為上偏心輪在起始時刻、轉(zhuǎn)動θ角時和轉(zhuǎn)動π/2角時與刀片連接柄內(nèi)壁的接觸點；a0, a1, an 分別為上偏心輪在起始時刻、轉(zhuǎn)動θ角時和轉(zhuǎn)動π/2角時上刀片的橫向位移（圖2d中x軸方向），mm；s為切割器的行程，mm。

2 切割質(zhì)量的影響因素與評價指標(biāo)

2.1 切割質(zhì)量影響因子

往復(fù)切割式切割器作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括、機器前進(jìn)速度、刀片運動速度、切割器高度一致性和切割器機構(gòu)參數(shù)等[26-27]。采茶機采摘試驗發(fā)現(xiàn)，對采茶質(zhì)量影響較大的參數(shù)為作業(yè)速度、刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)等[28]。蔣有光[29]對小型采茶機切割器研究表明，影響采摘質(zhì)量的主要運動參數(shù)為機器前進(jìn)速度v（以下簡稱機速）、刀片平均切割速度v（以下簡稱刀速）和刀機速比（以下簡稱速比），主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為刀齒高度（以下簡稱齒高）和刀片行程（以下簡稱行程）。而當(dāng)前，采茶機已經(jīng)大型化（乘駕型），已有采茶切割器的結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)已經(jīng)不再適用。自走式采茶機作業(yè)時切割器高度一致性較好，在此基礎(chǔ)上，研究影響其采摘質(zhì)量的關(guān)鍵因素，進(jìn)行切割器系統(tǒng)優(yōu)化，對于提高采茶質(zhì)量具有重要意義。下面對自走式采茶機切割器關(guān)鍵作業(yè)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對采茶質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。

2.1.1 機構(gòu)參數(shù)的影響

繪制切割圖如圖3所示。對比圖3a、3c可知，行程增大（增加至1），漏割區(qū)增加，重割區(qū)域減小，同時芽葉橫向彎斜量增加，故彎曲狀態(tài)下受剪的芽葉數(shù)量及彎曲程度均增加，則破碎率與采后蓬面不平度增加。對比圖3a、3b可知，齒高增加（增加至1），漏割區(qū)減小，重割區(qū)增加。此外，根據(jù)采摘過程特點，切割器齒高需足：≤/，方可保證全刃口切割。

注：s和s1為切割器行程，mm； H為切割器進(jìn)程，mm；h和h1為齒高，mm；區(qū)域1、2、3分別代表一次切割區(qū)、重割區(qū)和漏割區(qū)。

2.1.2 作業(yè)參數(shù)的影響

切割圖形狀在刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，只與刀機速比有關(guān)[30]。速比小，重切區(qū)小，而漏切區(qū)大，速比大則相反。由切割圖可知，其他參數(shù)確定后，平均切割速度不改變切割圖的形狀。然而，切割過程是刀片與茶梢相互作用的動態(tài)過程，對于不同的作業(yè)速度，雖然靜態(tài)切割圖不變，但是芽葉的動態(tài)響應(yīng)不同，即芽葉動態(tài)受剪過程中的位姿及動力學(xué)狀態(tài)不同?？梢妰H由切割圖無法表達(dá)機器前進(jìn)速度v與平均切割速度v所引起的動態(tài)響應(yīng)對切割質(zhì)量的影響。此外，機速、平均切割速度、刀機速比3個變量中只有兩個自由度，故選擇機速v和刀機速比作為試驗研究對象。

2.2 切割質(zhì)量評價指標(biāo)

根據(jù)采茶機試驗行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[31]規(guī)定，機采茶質(zhì)量的評價指標(biāo)主要包括芽葉完整率，漏采率等，由于采后蓬面的狀態(tài)對下一期新芽的萌發(fā)有重要影響[28]，本文主要分析采茶完整率、漏采率，以及評價采后蓬面狀態(tài)的指標(biāo)——割茬不平度。

1）完整率為分析樣中完整芽葉質(zhì)量與總質(zhì)量的比值。試驗采摘目標(biāo)芽葉為一芽二葉、一芽一葉和單芽。

式中為芽葉完整率，%；1為分析試驗中外形完整的芽葉質(zhì)量，g；2為分析樣品的質(zhì)量，g。

所采芽按損傷程度可分為重傷芽葉、輕傷芽葉和完整芽葉，其中損傷面積超過1/3的為重傷芽葉，損傷面積小于1/3的屬于輕傷芽葉，未受損傷的為完整芽葉。

2）漏采率為試驗測定區(qū)域的漏采量與采收量、漏集量、漏采量三者之和的質(zhì)量比值。臺架試驗的漏采率為一次試驗的漏采量與機收量、漏集量、漏采量三者之和的質(zhì)量比值。采收量是指一次試驗中收集裝置收集到的茶鮮葉質(zhì)量；對漏采的芽葉，人工按一芽三葉的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采摘，稱為漏采量；對采下而未收集的芽葉，人工收集并稱量，是為漏集量。

式中為漏采率，%；g為試驗區(qū)漏采鮮葉質(zhì)量，g；g為一次試驗采鮮葉質(zhì)量，g；g為漏集鮮葉質(zhì)量，g。

3）割茬不平度為一次試驗中所測得一組留茬高度的數(shù)據(jù)與其均值的絕對偏差的平均值，用于評測這組數(shù)據(jù)的離散成度。則割茬不平度為

3 優(yōu)化試驗

3.1 試驗因素與水平

3.1.1 試驗因子選取

上文分析可知，機器前進(jìn)速度v、刀機速比、齒高、行程等4個因子對采摘質(zhì)量有影響，作用復(fù)雜，存在交互效應(yīng)，切割圖并不能完全表達(dá)各因子的作用。文獻(xiàn)[29]針對人手抬式采茶機的研究將機器前進(jìn)速度局限于機手步行作業(yè)速度，而自走式采茶機行駛速度調(diào)節(jié)范圍更，優(yōu)化空間更大。本文針對弧型切割器，以提高采摘質(zhì)量為目標(biāo)，選取主要影響因子v,,,進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗研究，以芽葉完整率、漏采率及割茬不平度為評價指標(biāo)，進(jìn)行回歸優(yōu)化設(shè)計。

3.1.2 試驗因子水平確定

農(nóng)業(yè)機械主要考核指標(biāo)除了作業(yè)質(zhì)量外，還應(yīng)達(dá)到一定的生產(chǎn)率[32]。因此，應(yīng)首先確定v的變化范圍。在茶樹生長狀況一定的條件下，機器工作前進(jìn)速度決定采茶機的生產(chǎn)率。按照采茶機標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[31]，采茶機切割器的單位寬幅小時生產(chǎn)率大于270 kg/m·h。自走式采茶機生產(chǎn)效率高，這里取機器前進(jìn)速度大于0.3 m/s；其調(diào)速范圍為0～1.5 m/s，根據(jù)茶園環(huán)境下安全因素考慮，選0.7 m/s為最大前進(jìn)速度。金心怡[28]對于不同參數(shù)的刀具，取值在0.9～1.1之間，為了可在較大范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解，在此將的取值范圍延拓為0.8～1.2。由于切割平均速度、刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)及往復(fù)頻率的限制，行程不應(yīng)小于5 mm。以目前的雙人手抬式采茶機常用機型之行程為中心，向兩邊延拓一定范圍，行程合適的取值范圍為11～23 mm。由≤/知，下限為9 mm，根據(jù)經(jīng)驗確定其范圍為14 mm～30 mm。

3.2 優(yōu)化試驗方案

根據(jù)以上所確定的因子范圍，按照四因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法得各因素的水平及編碼如表1所示。

表1 因素水平編碼表

3.3 試驗設(shè)備及方法

3.3.1 茶園綜合試驗臺

試驗臺實現(xiàn)了對速度等因子水平的控制，可進(jìn)行試驗因素分析，是探究復(fù)雜因子作用關(guān)系的有效途徑[33]。設(shè)計的茶園綜合試驗臺，可精確控制其前進(jìn)速度與切割速度，并且可以根據(jù)試驗的需要更換不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的刀具。該試驗臺與自走式采茶機有類似的采茶原理與整體結(jié)構(gòu)（如圖4所示），往復(fù)式切割器采摘茶鮮葉，由風(fēng)吹式集葉系統(tǒng)收集至集葉袋中[2]。與自走式采茶機[25]相比，改進(jìn)如下：1）改由電機驅(qū)動，包括輸送動力至液壓泵站的7號電機和2號行駛驅(qū)動電機；2）液壓系統(tǒng)傳遞動力至切割器和其他試驗機具，切割器液壓系統(tǒng)回路設(shè)有節(jié)流調(diào)速閥可精確控制切割速度；3）以軌道行駛機構(gòu)代替原采茶機履帶底盤，模擬理想的試驗條件，驅(qū)動電機2的動力經(jīng)減速機3驅(qū)動鋼滾輪4在鋼軌5上行駛；

4）行駛速度通過控制柜6中的變頻器控制電機2來調(diào)節(jié)。試驗臺所有控制按鈕均位于控制面板1處。

在此試驗臺上，通過調(diào)節(jié)電機2和采摘液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，在一定范圍內(nèi)可以實現(xiàn)因子機速和刀機速比，即v和的不同水平。試驗臺的行駛調(diào)速范圍為-1～1 m/s，精度0.001 m/s；采摘馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化范圍為0～2 500 r/min，精度0.1 r/min. 結(jié)合試驗方案選定的因子變化范圍可知，該試驗臺滿足試驗對機速和刀機速比的控制要求。

齒高和行程是刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)試驗方案不同水平的組合需要設(shè)計不同尺寸的刀片。按照本試驗方案，齒高和行程各有5個水平，在二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方案中出現(xiàn)9組不同的水平組合（見表2），相應(yīng)設(shè)計9組不同刀具，如圖5a所示。

1.控制面板 2.行駛電機 3.減速機 4.滾輪 5.軌道 6.控制柜 7.液壓系統(tǒng)驅(qū)動電機

3.3.2 試驗方法與方案

試驗主要研究4個主因子對采摘質(zhì)量的影響。為了使試驗具有針對性，減小其他因素對試驗的影響，設(shè)計了一種與綜合試驗臺相適配的弧形茶葉插板（2個），如圖5b所示。按照一般長勢較好茶園的芽頭密度為1 900 個/m2，茶葉插板的孔密度設(shè)計為1 975個/m2，孔直徑有2 mm和3 mm兩種隨機分布，每行插孔交錯排列，模擬真實生長情況。試驗茶園鋪設(shè)有軌道，配套通電設(shè)備，試驗臺可平穩(wěn)運行。試驗選用具有代表性的典型綠茶品種（龍井43），試驗樣品均為現(xiàn)采鮮芽梢，確保茶葉的力學(xué)特性接近于茶樹芽梢的力學(xué)特性。切割器與茶葉插板距離值相同為25 mm。根據(jù)試驗方案的水平組合（見表2），可計算出試驗臺各水平下的實際控制參數(shù)。插板新梢高度一致（70 mm），隨機抽取處理序號，進(jìn)行相應(yīng)試驗（圖5c）。采茶質(zhì)量評價指標(biāo)按照采茶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定，選用完整率、漏采率和割茬不平度。

圖5 試驗臺及試驗設(shè)備

4 試驗結(jié)果與優(yōu)化

4.1 采摘質(zhì)量指標(biāo)回歸分析

4.1.1 回歸模型

試驗取樣與指標(biāo)統(tǒng)計方法參照標(biāo)準(zhǔn)[31]的規(guī)定，結(jié)果如表2所示。采用文獻(xiàn)[34]中的方法，利用DPS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式逐步回歸分析，得到芽葉完整率、漏采率及割茬不平度的回歸模型為：

4.1.2 模型診斷

模型的擬合性能通過回歸方程的相關(guān)系數(shù)、決定系數(shù)R、剩余標(biāo)準(zhǔn)差、調(diào)整相關(guān)系數(shù)R，F(xiàn)檢驗、Durbin-Watson統(tǒng)計量等值加以檢驗。本文運用DPS計算，結(jié)果如表3所示。其中，Durbin-Watson統(tǒng)計量檢測回歸分析中的殘差項是否存在自我相關(guān)，當(dāng)D.W.統(tǒng)計量等于2時表明殘差分布符合正態(tài)分布，值越接近2說明所建模型越符合實際情況。

由表3可知，芽葉完整率、漏采率和割茬不平度，與機速、刀機速比、行程、齒高的相關(guān)系數(shù)分別為0.978、0.983、0.949，回歸方程的擬合度較高。檢驗，顯著水平值均為0.00，極顯著，表明模型的預(yù)測值與實際值吻合度高?；貧w方程的失擬性檢驗對應(yīng)值分別為0.146、0.158、0.070，不顯著，表明方程擬合較好，該模型可以應(yīng)用。模型的Durbin-Watson統(tǒng)計量，分別為2.308、1.756、1.763，表明殘差接近正態(tài)分布，模型接近實際情況。以上診斷分析表明，試驗數(shù)據(jù)可靠，適用于擬合模型，回歸方程有效。

t檢驗是偏相關(guān)系數(shù)檢驗的一種方式，用于考察一個自變量與因變量之間的相關(guān)程度。根據(jù)t檢驗結(jié)果，可以剔除模型不顯著項：給定的=0.05，當(dāng)>0.05時，則該項可以從模型中剔除[30]。表4為芽葉完整率、漏采率和割茬不平度回歸模型的t檢驗結(jié)果（僅列出了至少在某一模型中可被剔除的項的檢驗結(jié)果）。例如：對于，，和對應(yīng)的值均大于0.5，則可以從3個回歸模型中剔除。

表2 試驗結(jié)果

注：m0分別表示析因點分布在半徑為0.5、和0的球面的處理劃分（為因素個數(shù)）。

Note:m0represent the treatment division, the factor points from which are distributed on the sphere with radius0.5,and 0, respectively.（is the factor number）.

表3 回歸模型診斷統(tǒng)計量

注：F、F、P、P分別為值和值的回歸項及失逆項。

Note:F,F,P,Pare the regression and loss fitting ofvalues andvalues.

4.2 參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 優(yōu)化模型

基于上面得到芽葉完整率、漏采率和割茬不平度關(guān)于機速、速比、齒高、行程4個因子的回歸方程，可建立參數(shù)優(yōu)化模型。因為完整率為采茶質(zhì)量的最主要評價指標(biāo)，所以選完整率回歸方程為目標(biāo)函數(shù)，漏采率及割茬不平度回歸方程作為約束條件，建立有約束非線性優(yōu)化模型。約束條件的邊界值按如下方法確定：現(xiàn)有常見采茶機參數(shù)（機速0.3 m/s，速比1，行程20 mm，齒高22 mm）代入回歸方程（9）得出割茬不平度的值為2.594，取整數(shù)3作為邊界值；采茶機標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的漏采率（1%）值作為漏采率的邊界值；自變量取值范圍為試驗確定的因子水平取值范圍。建立優(yōu)化模型如下：

表4 回歸模型t檢驗表

4.2.2 方法與結(jié)果

采用遺傳算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解（應(yīng)用MATLAB 遺傳算法優(yōu)化工具箱）。根據(jù)優(yōu)化模型，編寫目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)文件，設(shè)置參數(shù)包括優(yōu)化函數(shù)、約束函數(shù)句柄、變量個數(shù)、變量上下限、初始種群數(shù)量、種群規(guī)模等參數(shù)。種群規(guī)模設(shè)置為200。初始種群經(jīng)過51代進(jìn)化，得到最優(yōu)個體，即優(yōu)化結(jié)果：0.401 m/s，1.200，23.000 mm，24.887 mm，目標(biāo)函數(shù)的對應(yīng)值為86.9%。圓整后為：機速0.4 m/s，速比1.2，行程23 mm，齒高25 mm。

4.2.3 試驗驗證

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果，加工刀片及配套偏心輪，并進(jìn)行臺架試驗驗證，試驗設(shè)備與方法同前（見3.3節(jié)）。在優(yōu)化參數(shù)下的試驗結(jié)果為芽葉完整率82.6%，漏采率0.24%，割茬不平度為2.8 mm，與優(yōu)化結(jié)果接近，說明試驗優(yōu)化結(jié)果可靠，損傷芽葉比率降為17.4%。優(yōu)化前后的采摘效果如圖6所示，優(yōu)化后漏采及碎葉較少，切口較平齊，割茬高度較為一致（如圖中直線所示），割茬不平度得到提高。

圖6 優(yōu)化前后效果對比

與傳統(tǒng)大宗茶采摘機械相比[24]，優(yōu)化后的切割器采茶完整率提高超過20%，有效地提升了茶葉機械化采摘的質(zhì)量，為采用“往復(fù)切割式采收+采后分級”的技術(shù)方案解決名優(yōu)質(zhì)茶葉的高效采收難題，奠定了堅實基礎(chǔ)。后續(xù)從優(yōu)化結(jié)果對茶葉品種的適應(yīng)性、采摘動態(tài)過程對采摘質(zhì)量的影響等方面深入研究，進(jìn)一步提升往復(fù)切割式茶葉采摘方式的采摘質(zhì)量。

5 結(jié) 論

1）介紹了往復(fù)切割式采茶切割器的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了切割器的工作原理與刀片的驅(qū)動規(guī)律。分析表明，不考慮刀片微小變形時，切割器刀片在雙偏心輪軸的驅(qū)動下近似做正弦規(guī)律的往復(fù)運動，幅度為偏心輪軸偏心距的一半。

2）影響弧型往復(fù)雙動式采茶切割器切割質(zhì)量的主要因子，包括機速、刀機速比、刀齒高度、往復(fù)運動行程等。4個主因子對采摘質(zhì)量影響規(guī)律復(fù)雜，存在耦合作用。

3）利用自行研制的軌道式采茶試驗臺，通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗建立了采茶質(zhì)量主要評價指標(biāo)（芽葉完整率、漏采率、割茬不平度）關(guān)于4個主因子的二次回歸方程。建立參數(shù)優(yōu)化模型，求解得出最佳刀具參數(shù)結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)分別約為機速0.4 m/s，刀機速比1.2，行程23 mm，齒高25 mm，此時芽葉完整率為86.9%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了試驗驗證，試驗結(jié)果（82.60%）與優(yōu)化試驗值接近。

4）通過對往復(fù)切割式采茶裝置進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，與傳統(tǒng)切割器相比，其采茶完整率提高超過20%，有效地提升了茶葉機械化采摘的質(zhì)量，為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)采、名優(yōu)茶機械化采摘奠定了基礎(chǔ)。

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Optimization and experiment of arc type reciprocating double-acting tea picking cutter

Han Yu1,2, Song Zhiyu1,2※, Chen Qiaomin2, Mei Song2, Yang Guang2

(1.,,...,210014,;2.,210014,)

Chinese high-quality tea can be specially required for the appearance quality of tea leaves. Particularly, every single tea bud should be intact with the uniform length of all buds. Chinese famous tea is still widely picked by hand, due to the high breakage of tea shoots that are plucked by machines even the state-of-the-art ones. However, manual harvesting cannot fully meet large-scale tea production in recent years, leading to high labor intensity with low efficiency. It is absolutely necessary and urgent to investigate the suitable plucking machines for Chinese high-quality tea at present. Among them, the commonly-used reciprocating-cutting-type cutter was the core reason for the high tea crushing rate in the bulk tea plucking machine. As a result, the machine cannot be suitable for the high-quality tea. In this study, an optimization experiment was carried out on the structure and parameters of the cutter, in order to develop an excellent plucking tool for the high-quality tea. Firstly, the specific structure of the cutter was introduced to analyze the motion characteristics of the blade. The cutter device consisted of two blades, a double eccentric cam shaft, a driving box, and some standard units. When actuated by the motor through the shaft, the motion of the blade approximated a sine function without considering the micro deformation. The cut diagram was then drawn to determine the main factors for the high crushing rate of the machine. The results show that the main factors influencing the picking quality included the machine moving speed, speed ratio between cutter and machine, reciprocating movement stroke, and cutter tooth height, referring to the moving speed, speed ratio, stroke, and tooth height, respectively. These resulting factors interacted with each other for the complex tea plucking. Hence, comprehensive optimization was very necessary to clarify the plucking effect of every single factor, rather than the cut diagram only. Secondly, an electrical test platform was designed with the rail-type tea plucking to permit the setting of exactly the velocity values of cutting and driving needed in the experiment within a certain range. The self-propelled tea plucking machine was also designed before. The high precision values were achieved in the 0.1 (r/min) and 0.01 (m), respectively. A quadratic regression orthogonal rotary center combination test was carried out on the test platform. The nine pairs of blades were produced with different structure parameters, according to the test scheme. Then, the parameter optimization model was established with the evaluation indexes (including the integrity percentage of sprout leaves, leakage rate, and complete rate stubble roughness). The improved model was solved with the genetic algorithm (GA). The best combination of parameters was obtained for the machine as follows: the blade speed was about 0.4 m/s, the speed ratio was 1.2, the stroke was 23 mm, and the tooth height was 25 mm. The calculated integrity rate of bud and leaf was 86.89% under these conditions. Finally, the new cutter blade was developed, according to the parameter optimization. The experimental verification was achieved as follows: the integrity rate of bud and leaf was 82.6%, the leakage rate was 0.24%, and the stubble roughness was 2.8 mm, indicating better consistency with the optimized test. The integrity rate of tea picking increased by more than 20% after optimization, indicating the significantly improved quality of tea plucking. The finding can lay a sound foundation for the efficient technology mode of “machine picking and grading” during high-quality tea harvesting. This improved mode can be expected as a broad application prospect in the tea industry. The adaptive optimization of tea varieties and the dynamic process can be used further to promote the plucking tea quality during the reciprocating cutting plucking.

agricultural machine; tea; harvesting; reciprocating cutter; experiment; optimization

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.004

S225.93

A

1002-6819(2022)-24-0035-09

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Han Yu, Song Zhiyu, Chen Qiaomin, et al. Optimization and experiment of arc type reciprocating double-acting tea picking cutter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 35-43. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.004 http://www.tcsae.org

2022-05-17

2022-09-19

江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新資金(CX（21）3184)；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室開放基金課題(202005)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（S202205）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果蔬茶創(chuàng)新工程；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)茶產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-19）；泰州市科技支撐計劃（SNY20208841）聯(lián)合資助。

韓余，博士生，助理研究員，研究方向為智能農(nóng)機裝備。Email：hanyu@caas.cn

宋志禹，副研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)機械裝備。Email：songzy1984@163.com