王攀，易文裕，熊昌國，程方平，鄧佳，周彥君，耿胤，吳建

1. 四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院， 成都 610066；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610066

我國是茶葉主要原產(chǎn)地之一， 茶葉的種植、 消費(fèi)及出口均居世界首位[1-2]． 近年來， 隨著紅茶、 黑茶等品種茶的發(fā)展， 茶農(nóng)對作為紅茶、 黑茶等品種茶原材料的夏秋茶的重視程度越來越高[3]． 夏秋茶單年采摘4～5次， 每公頃產(chǎn)量12 000 kg以上， 能夠?yàn)椴柁r(nóng)帶來45 000～60 000元/hm2的收入． 在夏秋茶生產(chǎn)過程中鮮葉的采摘已成為勞動(dòng)密集程度最大的環(huán)節(jié)， 其用工量占整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的55%以上[4-5]．

據(jù)調(diào)查， 目前市面上的采茶機(jī)主要以乘坐式采茶機(jī)、 單人采茶機(jī)、 雙人采茶機(jī)為主． 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了一種全液壓驅(qū)動(dòng)的乘坐式跨行采茶機(jī)， 該機(jī)作業(yè)幅寬1.5 m， 在土地較為平整、 田間地頭有較大掉頭空間的寬行茶園中較為實(shí)用， 采摘效果較好[6]． 浙江工業(yè)大學(xué)研制了一種基于機(jī)器視覺的乘用式智能采茶機(jī)， 該機(jī)采用嫩芽自動(dòng)識別和割刀自動(dòng)調(diào)整等技術(shù)， 能有效解決目前機(jī)采茶葉老嫩一刀切的弊端， 為今后實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化茶葉采摘奠定了基礎(chǔ)[7]， 但該技術(shù)目前仍處于試驗(yàn)階段， 距離實(shí)際生產(chǎn)還有較大的距離． 雙人采茶機(jī)主要以日本落合、 川崎以及部分國產(chǎn)機(jī)為主， 單臺作業(yè)加上輔助人員通常需要4～5人完成， 人工成本較高． 單人采茶機(jī)作業(yè)部件一般為手持式， 動(dòng)力裝置通常為背負(fù)式電池或小型汽油機(jī)[8-9]． 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一種由汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的單人采茶機(jī)， 該機(jī)作業(yè)最大幅寬為6 m， 芽葉完整率大于85%， 在一定程度上提高了茶葉采摘作業(yè)效率， 但長時(shí)間作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度仍較大[10]．

由于我國大部分茶園在建園初期未考慮機(jī)械化作業(yè)， 茶行多采用密植模式[11]， 乘坐式等大中型采茶機(jī)難以進(jìn)入園中作業(yè)， 雙人采茶機(jī)和單人采茶機(jī)的人工成本較高， 其作業(yè)效率和勞動(dòng)強(qiáng)度均不能完全滿足夏秋茶的采摘要求． 目前我國夏秋茶采摘的機(jī)械化水平不足30%， 勞動(dòng)強(qiáng)度大、 效率低、 人工成本高已成為制約夏秋茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一． 因此， 開展適用于當(dāng)前茶園作業(yè)環(huán)境的自走式采茶機(jī)對夏秋茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義．

1 4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 自走式采茶機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示， 其主要由威馬7B-320型自走式履帶底盤、 安裝平臺、 鋰電池、 掛接與換向裝置、 升降裝置、 集葉裝置以及采茶裝置組成． 該機(jī)履帶底盤采用拉壓式操縱桿控制汽油機(jī)的動(dòng)力輸出實(shí)現(xiàn)整機(jī)的行走與停止， 通過左、 右離合控制轉(zhuǎn)彎和掉頭等動(dòng)作， 其行走速度的調(diào)節(jié)采用快慢擋配合分級檔實(shí)現(xiàn)6檔位多級前進(jìn)變速和2檔位后退變速， 能夠適應(yīng)不同速度的作業(yè)需求． 其安裝平臺、 升降裝置和掛接與換向裝置均采用模塊化設(shè)計(jì)， 能夠與自走式履帶底盤進(jìn)行快捷連接與拆卸， 實(shí)現(xiàn)履帶底盤的一機(jī)多用， 避免動(dòng)力機(jī)具的閑置． 同時(shí)， 采茶裝置可由當(dāng)前市面上的大部分雙人采茶機(jī)如日本落合V8NEWZ2型雙人采茶機(jī)、 川崎SV100型雙人采茶機(jī)以及國產(chǎn)的4CH-100型雙人采茶機(jī)與該機(jī)進(jìn)行配合作業(yè)， 能夠有效提高采茶機(jī)的利用效率， 降低生產(chǎn)成本．

綜合考慮茶園作業(yè)環(huán)境以及夏秋茶采摘的農(nóng)藝要求， 4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示．

1. 自走式底盤；2. 安裝平臺；3. 升降裝置；4. 掛接換向裝置；5. 采茶裝置．圖1 4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表1 4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)主要性能參數(shù)表

1.2 工作原理

受制于茶園狹窄的作業(yè)空間， 為保障作業(yè)的安全性和提高操作者對機(jī)具操作的靈活性， 該自走式底盤為非乘坐式作業(yè)底盤， 作業(yè)時(shí)操作人員跟隨采茶機(jī)走動(dòng)進(jìn)行作業(yè)．

作業(yè)前， 通過升降裝置將掛接與換向裝置移動(dòng)到合適的位置， 將采茶裝置的端部橫梁置于掛接與換向裝置的圓形卡槽內(nèi)并鎖緊， 使其可以在卡槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)， 將掛接與換向裝置的可調(diào)拉桿端部卡槽與采茶裝置的中間橫梁連接， 實(shí)現(xiàn)對采茶裝置的掛接．

作業(yè)時(shí)， 根據(jù)茶蓬的高度及生長情況， 結(jié)合夏秋茶采摘的農(nóng)藝要求， 利用升降裝置調(diào)整采茶機(jī)的高度， 通過順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)拉桿的內(nèi)螺紋絲桿將拉桿伸長或縮短， 進(jìn)而調(diào)節(jié)雙人采茶機(jī)的傾斜角度． 集葉袋掛接在采茶裝置上， 作業(yè)時(shí)隨采茶機(jī)在茶蓬上移動(dòng)．

當(dāng)完成一次作業(yè)需要對相鄰茶行進(jìn)行采摘而又缺乏機(jī)具掉頭空間時(shí)， 松開掛接與換向平臺的鎖緊吊環(huán)， 將掛接換向平臺進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)， 利用履帶底盤的倒擋行走， 實(shí)現(xiàn)機(jī)具的免掉頭作業(yè)． 當(dāng)需要進(jìn)行田間轉(zhuǎn)移而道路寬度不夠時(shí)， 將掛接換向平臺進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)換向， 減少整機(jī)寬度， 可提高機(jī)具的通過性．

該機(jī)僅需1～2人即可操作完成夏秋茶的采摘作業(yè)， 相對傳統(tǒng)雙人采茶機(jī)其勞動(dòng)力降低50%以上， 作業(yè)效率提高40%以上．

2 自走式采茶機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 升降裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1. 機(jī)架；2. 鋰電池；3. 軸套；4. 光軸；5. 升降平臺；6. 直線軸承；7. T形螺母；8. T型螺桿；9. 搖臂；10. 端蓋；11. 軸承座；12. 聯(lián)軸器；13. 電機(jī)．圖2 升降裝置

自走式采茶機(jī)升降裝置如圖2所示， 主要由鋰電池、 升降電機(jī)、 T型螺桿、 T型螺母、 光軸、 軸套、 直線軸承、 升降平臺、 聯(lián)軸器、 搖臂、 端蓋等組成． 軸套和軸承座分別固定安裝在機(jī)架和端蓋上， 兩根光軸分別通過軸套進(jìn)行固定作為升降平臺上下移動(dòng)的軌道， 升降平臺通過直線軸承沿光軸上下移動(dòng)． T型螺母與升降平臺固定連接并與T型螺桿配合轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)平臺升降， 螺桿一端通過軸承座伸出端蓋并與搖臂連接， 另一端通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸連接并通過軸承座固定在機(jī)架上， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用JM-039直流電機(jī)， 額定電壓12 V， 額定功率100 W， 轉(zhuǎn)速100 r/min， 最大升降質(zhì)量75 kg． 作業(yè)時(shí)可根據(jù)茶蓬高度和夏秋茶采摘要求通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)和搖臂控制T型螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)， 進(jìn)而通過T型螺母帶動(dòng)升降平臺上下移動(dòng)．

試驗(yàn)表明， 在夏秋茶采摘作業(yè)過程中該升降平臺能夠快捷、 靈活地調(diào)整采茶裝置的高度， 其性能滿足夏秋茶采摘對采茶裝置的高度調(diào)節(jié)要求．

2.2 掛接與換向裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

自走式采茶機(jī)掛接與換向裝置如圖3所示， 主要包括固定板、 轉(zhuǎn)動(dòng)板、 立柱、 緊固吊環(huán)、 魚眼軸承、 絲桿、 內(nèi)螺紋絲桿、 緊固螺栓、 卡槽等． 固定板與升降平臺固定連接并通過連接軸與轉(zhuǎn)動(dòng)板進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動(dòng)板的定位， 轉(zhuǎn)動(dòng)板可繞連接軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)． 固定板上有3組呈等邊三角形的安裝孔， 其相位角相差90°和180°， 分別與采茶裝置兩種作業(yè)狀態(tài)和轉(zhuǎn)移狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)板的固定安裝孔配合． 可調(diào)拉桿的螺桿與立柱之間通過魚眼軸承進(jìn)行連接確保其能夠在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)．

1. 升降平臺；2. 固定板；3. 緊固吊環(huán)；4. 活動(dòng)板；5. 連接軸；6. 加強(qiáng)筋；7. 立柱；8. 魚眼軸承；9. 絲桿；10. 內(nèi)螺紋絲桿；11. 緊固螺栓；12. 卡槽；13. 絲桿；14. 緊固螺栓；15. 卡箍．圖3 掛接與換向裝置

采茶裝置的端部橫軸和中間橫軸可分別固定在卡槽內(nèi)并通過緊固螺栓進(jìn)行壓緊實(shí)現(xiàn)掛接， 通過轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)螺紋絲桿調(diào)節(jié)可調(diào)拉桿的長度以實(shí)現(xiàn)對采茶裝置角度的調(diào)節(jié)． 當(dāng)需要對采茶裝置進(jìn)行換向時(shí)， 松開緊固吊環(huán)， 將活動(dòng)板繞連接軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)， 達(dá)到預(yù)定角度(90°或者180°)后擰緊緊固吊環(huán)， 實(shí)現(xiàn)對采茶裝置的換向．

3 4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)性能試驗(yàn)

4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)的田間性能試驗(yàn)于2020年6月25日在四川省邛崍市文君茶園進(jìn)行， 主要檢測樣機(jī)的作業(yè)效率、 芽葉完整率和漏采率、 橫向穩(wěn)定性等．

3.1 自走式采茶機(jī)性能試驗(yàn)方案

試驗(yàn)茶園地表具有5°～10°的坡度起伏， 茶蓬距離地表的平均高度約800 mm， 茶蓬呈圓弧形， 平均寬度850 mm， 茶行之間可供機(jī)具有效行走的寬度約為700 mm．

選取長勢基本一致的10壟茶行進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)， 試驗(yàn)長度20 m， 根據(jù)《采茶機(jī)》及《采茶機(jī)作業(yè)質(zhì)量》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12-13]對自走式采茶機(jī)的作業(yè)效率、 芽葉完整率和漏采率進(jìn)行測試．

本次田間性能試驗(yàn)的采茶裝置選用落合V8NEWZ2型雙人采茶機(jī)， 該機(jī)整機(jī)質(zhì)量11.9 kg， 刀片為弧形， 有效切割長度為1 000 mm， 最大振動(dòng)加速度為16.76 m/s2．

圖4 4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)性能試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)性能試驗(yàn)如圖4所示， 作業(yè)前通過可調(diào)拉桿對采茶裝置的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)， 使其與茶蓬弧面基本一致． 由于地面平整度較差， 在作業(yè)過程中操作者需要對采茶裝置的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)．

試驗(yàn)結(jié)果表明： 該自走式采茶機(jī)僅需單人即可操作完成采茶作業(yè)， 作業(yè)過程中操作者可根據(jù)茶蓬的高度隨時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)采茶裝置的升降， 且高度調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度基本滿足夏秋茶采摘的農(nóng)藝要求． 該自走式底盤具有較好的直線行駛穩(wěn)定性， 操作較為輕松， 大大降低了夏秋茶采摘的勞動(dòng)強(qiáng)度， 相較于傳統(tǒng)雙人采茶機(jī)， 平均單機(jī)可節(jié)約用工量2人以上， 有效降低了勞動(dòng)力成本， 在一定程度上可以緩解夏秋茶采摘季節(jié)農(nóng)村用工荒的問題．

自走式采茶機(jī)的夏秋茶采摘性能試驗(yàn)結(jié)果如表2． 對10壟長度20 m長勢基本一致的茶樣進(jìn)行采摘作業(yè)， 平均作業(yè)時(shí)間為40.2 s， 平均采茶量為3.67 kg， 折合單位幅寬小時(shí)生產(chǎn)率為328.6 kg/(m·h)， 采摘后的茶葉其芽葉完整率均為90%以上， 漏采率和漏集率均低于1%， 滿足夏秋茶采摘作業(yè)的農(nóng)藝要求．

表2 性能試驗(yàn)結(jié)果

該自走式采茶機(jī)的整機(jī)質(zhì)量為240 kg左右， 而雙人采茶機(jī)的質(zhì)量一般不超過13 kg， 且60%以上的質(zhì)量集中在采茶機(jī)的端部的汽油機(jī)上， 該端部直接掛接在位于作業(yè)底盤中間正上方的升降平臺上， 即整機(jī)的懸出部分質(zhì)量占整機(jī)質(zhì)量的3%以內(nèi)， 其橫向穩(wěn)定性幾乎不受影響．

在實(shí)際采茶作業(yè)過程中， 自走式采茶機(jī)在最大坡度為10°的茶園中進(jìn)行作業(yè)， 其行走穩(wěn)定， 未發(fā)現(xiàn)有橫向傾斜或傾倒趨勢， 因此該機(jī)的橫向穩(wěn)定性能夠滿足坡度10°以內(nèi)的茶園作業(yè)要求．

4 結(jié)論

針對夏秋茶采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、 機(jī)械化水平低的問題， 研制了4CJZ-1000型自走式采茶機(jī)． 該機(jī)可由單人操作完成較平坦茶園的夏秋茶采摘作業(yè)， 采摘質(zhì)量基本滿足農(nóng)藝要求， 能夠有效減少采摘用工量和降低勞動(dòng)強(qiáng)度， 為夏秋茶的機(jī)械化采摘提供了思路．