羅悅洋 ， 高巧明，2 ， 呂 攀 ， 糜澤榮 ， 李宗鵬 ， 蔡羽晨

（1.廣西科技大學(xué)廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006；2.廣西合浦縣惠來(lái)寶機(jī)械制造有限公司，廣西 北海 536100）

0 引言

中國(guó)是世界上第一個(gè)發(fā)現(xiàn)和使用茶葉的國(guó)家[1]，廣西作為中國(guó)的茶葉種植大省，在茶葉生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量方面卻還有待提高。茶樹修剪是茶園生產(chǎn)中必不可少的一道工序，定時(shí)的修剪作業(yè)能大大提升茶樹的生長(zhǎng)速度，所以其機(jī)械化作業(yè)尤為重要。但廣西不少茶園在該環(huán)節(jié)上的生產(chǎn)模式仍以小型裝備搭配人工作業(yè)為主，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、作業(yè)質(zhì)量不均勻等問題[2]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)針對(duì)茶園機(jī)械化作業(yè)開展了大量研究。日本川崎重工業(yè)株式會(huì)社（Kawasaki）、落合刃物工業(yè)株式會(huì)社（Ochiai）等對(duì)乘坐式茶樹修剪機(jī)進(jìn)行了研究[3]，并取得了一些成果。目前，廣西茶樹種植以丘陵山地為主，因此國(guó)外的乘坐式茶樹修剪機(jī)并不適用于我國(guó)的丘陵山地茶園，存在轉(zhuǎn)場(chǎng)困難、田間作業(yè)寬度不足等問題[4]。而我國(guó)對(duì)于茶樹修剪裝備的研究主要還是以小型修剪裝備為主，有單人式茶樹修剪機(jī)、雙人式茶樹修剪機(jī)、電動(dòng)型茶樹修剪機(jī)、背負(fù)式茶樹修剪機(jī)等，其生產(chǎn)過程仍需搭配人工進(jìn)行作業(yè)。隨著生產(chǎn)勞動(dòng)力的短缺和嚴(yán)峻的人口老齡化趨勢(shì)，誰(shuí)來(lái)干活的問題日益突出，因此，加快修剪裝備的研發(fā)，成為茶園生產(chǎn)全程機(jī)械化的迫切需求[5]。本文針對(duì)茶樹種植模式和農(nóng)藝要求，對(duì)茶樹修剪裝備的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，研制了一種懸掛式茶樹修剪裝備，田間試驗(yàn)表明，該裝備完全滿足茶園機(jī)械化生產(chǎn)要求，為茶葉的量產(chǎn)和擴(kuò)產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

懸掛式茶樹修剪裝備主要包括機(jī)架、修剪刀組安裝臺(tái)、水平修剪刀組、左右豎直修剪刀組、液壓系統(tǒng)、多關(guān)節(jié)往復(fù)式傳動(dòng)系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 懸掛式茶樹修剪裝備整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

在進(jìn)行茶樹修剪作業(yè)時(shí)，需要對(duì)茶樹的頂端樹冠面和兩側(cè)面進(jìn)行修剪工作，本文所設(shè)計(jì)的茶樹修剪裝備根據(jù)不同作業(yè)面不同的修剪要求，采用了兩種驅(qū)動(dòng)模式。首先，在修剪茶樹頂端樹冠面時(shí)，修剪裝備通過茶園高地隙作業(yè)平臺(tái)的PTO 提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)水平修剪刀組的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；然后，在進(jìn)行茶樹側(cè)枝修剪時(shí)，使用液壓帶動(dòng)豎直修剪刀組上的液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)茶樹的側(cè)邊修剪。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

懸掛式茶樹修剪裝備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 高地隙平臺(tái)懸掛式茶葉修剪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 修剪高度、寬度設(shè)計(jì)

茶樹修剪的目的是使茶樹有良好的樹勢(shì)和寬闊的采摘面，培養(yǎng)具有矮、壯、寬、勻的茶蓬，提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。懸掛式茶樹修剪裝備作業(yè)示意圖如圖2 所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，茶園內(nèi)茶樹的種植方式為壟間種植，兩壟茶樹之間的距離為400 mm，每壟茶樹的種植寬度為1 100 mm～1 200 mm，需要修剪的成齡茶樹高度一般為800 mm～900 mm，為了使茶樹更好地生長(zhǎng)則需要從樹冠面向下修剪100 mm～200 mm，修剪后的茶樹高度在600 mm～700 mm 之間。針對(duì)茶樹種植特點(diǎn)和修剪要求，設(shè)置水平修剪刀組寬度為1 200 mm、作業(yè)高度H大于600 mm，豎直修剪刀組作業(yè)寬度L應(yīng)小于1 200 mm。

圖2 懸掛式茶樹修剪裝備工作示意圖

2.2 修剪刀組的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為適應(yīng)茶樹修剪需求，水平修剪刀組采用單動(dòng)刀往復(fù)式修剪，豎直修剪刀組采用雙動(dòng)刀往復(fù)式修剪[6-7]，具體情況分別如圖3、圖4 所示。水平修剪刀組的動(dòng)刀安裝在定刀導(dǎo)軌中，動(dòng)刀再通過螺栓與水平滑槽驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，往復(fù)傳動(dòng)裝置通過軸承安裝到水平滑槽內(nèi)，帶動(dòng)動(dòng)刀做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，完成茶樹的水平面修剪；豎直修剪刀組的上、下動(dòng)刀通過導(dǎo)槽連接板安裝在刀架上，雙凸輪安裝在上、下動(dòng)刀的滑槽中，帶動(dòng)刀組做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，上、下動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)方向始終相反，對(duì)刀架的附加作用力相互抵消，保證了刀架及整機(jī)的工作平穩(wěn)性。

圖3 水平修剪刀組結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 豎直修剪刀組結(jié)構(gòu)示意圖

在刀組設(shè)計(jì)上，最主要的就是刀片的選擇，修剪刀片按不同作業(yè)方式一般分為動(dòng)刀刀片和定刀刀片，按刀刃形狀的不同可以分為有齒刀刃和無(wú)齒刀刃，按照刀片形狀的不同可以分為三角形刀片和梯形刀片。對(duì)于茶樹修剪機(jī)而言，茶樹的頂端會(huì)存在著較粗的樹枝和錯(cuò)綜復(fù)雜的枝條，如果刀片選擇不合理的話就會(huì)出現(xiàn)卡塞、切削不完整等現(xiàn)象，因此，需要選擇切削能力較好的刀片。

通過對(duì)茶樹枝條與修剪刀具進(jìn)行受力分析，如圖5 所示，得出在修剪作業(yè)時(shí)，茶樹枝條不發(fā)生滑移的條件為：

圖5 刀片結(jié)構(gòu)及切割受力示意圖

式中，β——被修剪茶樹枝條的摩擦角；α——刀片斜角；Ff1——?jiǎng)拥兜镀瑢?duì)茶樹枝條的摩擦力，N；Ff2——定刀刀片對(duì)茶樹枝條的摩擦力，N；FN1——?jiǎng)拥兜镀瑢?duì)茶樹枝條的支持力，N；FN2——定刀刀片對(duì)茶樹枝條的支持力，N。

依據(jù)式（1）、（2）、（3）可知：茶樹枝條在修剪刀組的修剪作業(yè)下，不發(fā)生滑動(dòng)的條件為α≤β，因此，本設(shè)計(jì)選擇修剪刀具的刀形為三角刀片嚙齒刀刃，相較于光刃來(lái)說切削阻力更大，切削更加順暢。

2.3 刀組傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)

水平修剪刀組的傳動(dòng)方式是通過高地隙茶園作業(yè)平臺(tái)的PTO傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)多關(guān)節(jié)往復(fù)式傳動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)通過多機(jī)構(gòu)串聯(lián)的方式為水平修剪刀組提供往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使其順利完成對(duì)茶樹頂端的修剪[8-9]。本文所設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)往復(fù)式傳動(dòng)系統(tǒng)的曲柄軸心并沒有在動(dòng)刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)的直線上，故需要通過一個(gè)弧形擺盤來(lái)進(jìn)行曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

圖6 水平修剪刀組的運(yùn)動(dòng)方式示意圖

如圖6 所示，x方向?yàn)榛⌒螖[盤往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向，y方向?yàn)閯?dòng)刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向，則曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下的弧形關(guān)節(jié)位移s、速度v及加速度a分別為：

式中，r——曲柄長(zhǎng)度，mm；ω——曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，r/min；t——運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

曲柄長(zhǎng)度為67 mm，曲柄旋轉(zhuǎn)角速度為1 000 r/m i n，代入式（4）計(jì)算，則弧形關(guān)節(jié)位移s為67 mm、速度v為0.321 m/s，加速度a為17.89 m/s2。

豎直修剪刀組的傳動(dòng)方式為液壓傳動(dòng)[10]，液壓原理圖如圖7 所示。豎直修剪刀組通過液壓快換接頭與茶園高地隙作業(yè)平臺(tái)的液壓接口相連，液壓驅(qū)動(dòng)刀組上的液壓馬達(dá)工作，通過單獨(dú)驅(qū)動(dòng)左右修剪刀，使得刀組的每個(gè)修剪刀都具有一定的修剪速度及修剪功率，且每個(gè)修剪刀的修剪速度都可以通過作業(yè)平臺(tái)所搭載的液壓主控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，通過液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速反饋編碼器進(jìn)行液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速反饋，然后再由PWM 電路控制液壓油路的流量，以控制液壓馬達(dá)的速度。

圖7 豎直修剪刀組液壓原理圖

3 田間試驗(yàn)

懸掛式茶樹修剪裝備在廣西柳州市柳城縣伏虎華僑茶園進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖8 所示。田間試驗(yàn)項(xiàng)目主要有：作業(yè)效率、修剪質(zhì)量。

圖8 樣機(jī)田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

1）試驗(yàn)地：試驗(yàn)共設(shè)置4 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)2 行茶樹，總面積為240 m2（每行長(zhǎng)30 m，寬1 m），試驗(yàn)共進(jìn)行4 次，機(jī)修3 次，人工修剪對(duì)照組1 次，面積均為60 m2。

2）試驗(yàn)茶樹狀況：茶樹為條播種植，茶樹之間的距離為400 mm，茶樹的種植寬度為1 200 mm，茶樹均高823 mm，茶樹行長(zhǎng)30 m，樹冠寬1 350 mm。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣機(jī)田間作業(yè)性能穩(wěn)定，與其他修剪裝備主要性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表2 所示。

表2 不同修剪裝置修剪性能對(duì)比試驗(yàn)

田間試驗(yàn)表明：課題組所設(shè)計(jì)的懸掛式茶樹修剪裝備在對(duì)高度為800 mm 左右的茶樹進(jìn)行修剪時(shí)，能很好地滿足茶樹修剪作業(yè)要求。根據(jù)茶樹修剪機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各機(jī)型修剪茶樹的效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)懸掛式茶樹修剪裝備漏剪率小于1%，撕裂率小于2%，修剪效率達(dá)到1 690.14 m2/h，與其他修剪設(shè)備相比，懸掛式茶樹修剪裝備的修剪效率大幅提高。

4 結(jié)論

綜上，課題組結(jié)合廣西地區(qū)丘陵山地茶園種植模式和農(nóng)藝要求，研制了一種懸掛式茶樹修剪裝備。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：采用水平修剪刀組和豎直修剪刀組進(jìn)行茶樹頂端、側(cè)邊修剪時(shí)的修剪效果明顯；采用機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)的組合式傳動(dòng)，提高了裝備的穩(wěn)定性和安全性；工作效率相比于其他茶樹修剪裝備提升明顯，且裝備漏剪率為0.85%、撕裂率為1.27%，均處于茶樹修剪機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的范圍內(nèi)；修剪裝備結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)效率高、修剪損傷率低、操控靈活，可以滿足廣西地區(qū)丘陵山地茶園茶樹的修剪工作需求。