雙翅型采茶機機械系統設計＊

□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.丘陵山區農業裝備重慶市重點實驗室

0 引言

采摘是茶葉生產過程中最費勞力的一項工作，特別是在丘陵山區，采摘作業基本依靠人工，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，丘陵山區機械化采茶作業具有明顯的經濟效益和社會效益[1]。機械化采茶作業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，節省人工勞動力以從事其他產業生產[2]。我國茶葉采摘機械化作業起步較晚，機械化水平相對較低。現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，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量和茶農的收益，從而導致茶產業的發展受到嚴重的制約。

針對丘陵山區茶葉采摘現狀，研發一款自動、高效的自走式茶葉采摘裝置，提高丘陵山區茶葉采收作業機械化水平，是促進茶葉產業持續健康發展的當務之急，也是擺脫丘陵山區茶葉采收作業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合的方法，在參考現有采茶機的前提下，依據丘陵山區茶園地形、茶葉相關物理特性等多方面的農藝知識，通過分析研究整機機構的系統組成、功率等問題，利用三維工程軟件Creo3.0對該機構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 采茶機整機結構與工作原理

1.1 采茶機整機結構

該采茶機主要由切割機構、升降機構、行走機構和收集機構等組成，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，根據茶行情況，調整合理的展開寬度并通過步進電機驅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是否復位，待該機構復位后，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上的電機開始轉動，帶動切割刀片往復運動，鼓風機開始工作，經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 采茶機整機結構圖

2 關鍵部件設計與選型

2.1 動力裝置

田間自走式作業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。田間自走式作業機械的驅動功率計算經驗公式：

式（1）中：N2為田間自走式作業機械的驅動效率；

f為阻力系數，f=0.13；

α為坡度角，α=20°；

m為整機質量，m=100 kg；

Vm為作業前進速度，Vm=0.7 m/s；

η為行走系統傳動效率，η=0.72；

代入數據得到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

行走系統采用倒三輪結構。為后置前驅布置，電機動力通過鏈條減速增扭，達到行走速度要求和驅動力矩要求。前輪為兩輪，并在前軸安裝差速器，使轉向輕便，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，通過轉向桿進行轉向，轉向半徑小，可控制在1 m以內，能夠適應田間地里復雜多樣的路況。同時，可根據使用習慣和需要，調整成正三輪結構，加長轉向桿，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時可能出現動力不足的情況，采用兩級鏈傳動來實現減速增扭，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小鏈輪1傳至大鏈輪2，同軸的電磁離合器3通電時結合帶動小鏈輪4轉動，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來實現割刀的往復式運動。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，空白區變大，重切區減小；H值減小，空白區減小，重切區增大。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，曲柄轉過180°，因此，其時間t可以表示為：

工作時，曲柄主軸轉速設定為400 r/min，曲柄旋轉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速為400 r/min，可以滿足茶葉采摘要求。

3 采茶機整機狀態圖及樣機

根據上述設計，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。在對本模型后續的設計中，加入了電控設備，在后續的文章中將給予詳述，優化設計后的樣機如圖4所示。為適應丘陵山區的地形，本設計最大的變化之處是將原來的三輪式底盤結構改為四輪驅動底盤結構。其樣機優化設計的主題思想是針對基于茶樹種植環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 結論

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

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