单人背负式采茶机的设计分析

吴先坤，李 兵，王小勇，李尚庆，曾 晨

(安徽农业大学 a.工学院；b.茶树生物学与资源利用国家重点实验室；c.茶与食品科技学院，合肥 230031)



单人背负式采茶机的设计分析

吴先坤a,b，李 兵a,b，王小勇a,b，李尚庆b,c，曾 晨a,b

(安徽农业大学 a.工学院；b.茶树生物学与资源利用国家重点实验室；c.茶与食品科技学院，合肥 230031)

茶叶源于中国，有着悠久的历史，原为宫廷饮料，后普及民间。随着时代的发展，茶叶已不再是一种单纯的嗜好，而成为人类期望健康的饮品。大规模现代化的茶叶生产需要以茶叶机械化为后盾，而传统手工收茶不仅效率低下，且食品安全也受到影响。为满足大规模制茶的需求，研制了一种单人背负式采茶机，并对采茶机进行性能分析实验。实验结果表明：该采茶机割幅600mm，漏采率小于2%，芽叶完整率大于85%，往复式切割器工作稳定、切割效果良好，满足了茶农对于采摘的需求；采后蓬面整齐，芽叶完整，不影响下次采摘，适用于多种类型的茶园采摘作业。

采茶机；往复式切割器；运动分析；单人背负式

0 引言

茶叶采摘工作是茶叶生产过程中花费工时最多的一项作业，一般占全年管理用工时间的50%以上，因此采用机械化采茶具有明显的社会效益和经济效益。使用采茶机不仅能提高功效、降低成本，还能适时采摘，保证茶叶品质，减少漏采，节省大批劳动力以从事其他产业生产。我国茶园种植区大都地处丘陵，地形复杂，种植地块小，大型机具进入茶园会对茶树造成伤害[1]；而人工采茶往往会出现迟采、滥采、采老叶的情况，严重地影响了茶叶质量和茶树下一栏新梢的生长[2]。

由于受到茶树种植不规范、地块小及地形复杂等因素的影响，我国机械采茶作业具有一定难度，为满足广大茶农的要求及便于茶农操作使用，设计制造了背负式单人采茶机，并对其进行试验研究。

1 总体结构

1.1 主要结构组成及特点

单人背负式采茶机主要由发动机、传动软轴、风机风管、往复式切割器及集叶袋等装置组成，选用汽油发动机，如图1所示。

1.汽油机 2.油门拉线 3.油箱 4.减速器 5.传动软轴 6.油门把手 7.熄火开关 8.鼓风机 9.防滑握手 10.护刃板 11.刀杆 12.割刀 13.风管 14.曲柄连杆机构

传动系统主要由齿轮传动及传动软轴组成，工作部件主要风机风管和往复式切割器组成。工作时，软轴两端用螺纹和半圆插头分别与机头减速器蜗杆和动力离合器输出从动轴连接，把动力由汽油发动机传送至采茶机头，使得风机可以将通过往复式切割器切下的茶叶吹入集叶袋中。往复式切割器是采茶机关键部件，由刀杆、刀片、护刃器、压刃器等组成。其中，刀片用T8或T9钢材经机械加工、经热处理制成，具有韧性好、切割锋利的特点[3]。

发动机选用额定功率1.0kW、额定转速6 000r/min的单杠风冷4冲程汽油机，动力强、污染小、噪音低、动力传动简单、动力损失也较小，可以满足多种复杂地形的田间作业。该机型操作简单、结构轻便，可适应小型茶园的高效率采摘。通过三维软件CATIA建立的采茶机三维实体模型如图2所示。

图2 单人背负式采茶机装配体模型图

1.2 技术参数

在安徽六安、岳西等部分茶园，茶园的种植规格采用单株双条列式种植，行距100～130cm，株距15～25cm。针对该茶园的种植特点，结合农业机械相关设计标准，设计的采茶机主要技术参数如表1所示。

表1 采茶机主要技术参数

1.3 工作原理

采茶机在田间工作时，汽油发动机的动力传输路线主要是：当加大油门时，汽油机转速上升，离合器飞块因离心力与从动盘结合，将动力传输给减速箱，然后通过曲柄连杆机构驱动切割器工作；当关小油门时，汽油机转速下降，离合器飞块受弹簧拉力与从动盘分离，切割器停止工作。工作时，只需操作人员背负小型汽油机，打开位于油门把手上的开关，发动后将切割刀对准需要采摘的茶叶即可采摘，采下的茶叶在风管的作用下被吹入下方的集叶袋中，操作过程方便、快捷。

2 关键部件的设计

2.1 刀片

为保证采茶机的田间作业能达到一定生产需求的同时，能够实现采茶稳定、能耗低、漏采率低的目标，设计刀片的结构如图3所示。刀片用T8或T9钢材经机械加工、刃部经过热处理制成，热处理的宽度为11～16mm，淬火带硬度为HRC50～60，非淬火区不超过HRC35，刀片厚度为2～3mm，刀刃厚度小于0.16mm。工作时，刀片做往复运动，护刃器前尖把茶叶分成小束引向割刀[4]。此采茶机刀片使用光刃刀片，因为一方面茶叶密度和湿度较大，切割阻力较大；另一方面，光刃刀片具有切割省力、割茬整齐的特点。与刀片相连的刀架设计长度为610mm，刀片数设计为上下各16把刀。采茶机的刀片往复频率对采茶机的工作性能有重要影响，结合了试验情况和农业机械的相关设计标准。综合考虑采茶机的机构特点和生产效率等因素，设计采茶机割刀的往复频率为1 000次/min[5]。

1.刀杆 2.刀片

2.2 传动系统

此采茶机选配的是双动刀往复式切割器，该切割器传动系统的基本工作部件是曲柄连杆机构，最大的特点是体积小、占用空间少，既能在大型联合收割机上使用，也可在小型除草机、采茶机上得到广泛的使用，这对于一些不适合大型采茶机作业的平地低丘陵地区茶园变得尤为重要[6]。工作时，汽油机输出回转动力，经过动力软轴将动力传至减速箱中，减速箱为一级蜗杆涡轮传动，涡轮轴下端装有双偏心轮，通过两套连杆和滑槽等带动上下刀片做往复运动，在蜗杆一端(另一端与软管相连)装有传动齿轮，经一级齿轮副和一级V带驱动全幅集叶风机，将采下的鲜叶吹入集叶袋中。

3 采茶机运动分析

3.1 割刀的运动方程

由曲柄连杆机构驱动的往复切割刀片的运动是近似的简谐运动，连杆长l>10r，r为曲柄半径。设刀片刃口上任一点的位移x、速度v、加速度a分别为

x=-rcoswt

(1)

(2)

a=rw2coswt=-w2x

(3)

式中w—曲柄角速度(rad/s)

t—曲柄由极左点A起转过的时间(s)。

刀片的运动速度v和其移动距离x是一个椭圆方程式的关系，即

(4)

综上可知，刀片上某一点的速度变化规律与椭圆曲线的变化规律是一致的。当某点为刀片的中点时，该点位移即x=0，此时v取得最大值；当x=±r时，该点处于刀片的极左或极右处，v=0,为最小值[7]。

3.2 割刀的惯性力平衡

为了平衡切割器在工作过程中产生的惯性力，可在曲柄的对面设置一定的配重，靠配重产生的离心惯性力来平衡刀片的一部分往复惯性力。其理论依据是设连杆的2/3部分与割刀一起做往复直线运动，1/3部分和曲柄一起做圆周运动[8]。设Pq为1/3连杆质量和曲柄以r为半径做圆周运动产生的离心惯性力，Pd为2/3连杆质量和割刀一起的往复惯性力。惯性力随切割速度的增加而减少，但若速度过高，惯性力加剧，将对机器的生产和使用寿命产生影响[9]。实际使用中，离心惯性力Pq可以完全平衡，而往复惯性力只能部分平衡，故采用部分平衡法[9]，如图4所示。

部分平衡法的公式为

=mprpw2cosρ

(5)

求λ的公式为

(6)

式中λ—平衡程度系数，通常取λ=0.25～0.5；

md—割刀质量(kg)；

m1—连杆质量(kg)；

mp—加配重后曲柄盘质量(kg)；

r—曲柄半径(m)；

rp—曲柄盘加配重后的旋转半径(m)。

设计的该款切割器割刀质量md=0.65kg，连杆质量m1=0.33kg，加配重后的曲柄盘质量mp=0.75kg，曲柄盘加配重后旋转半径rp=0.02m,曲柄半径r=0.038m，将数值代入公式(6)得λ=0.38，符合设计要求。

3.3 采茶机的刀机速比

刀机速比(β值)是衡量采茶机设计是否具有可行性的重要指标之一，关系到机采鲜叶质量、采后蓬面整齐程度和漏采率等，所以必须严格控制刀机速比。图5为切割器的切割图[10]。

图5 往复式切割器切割图

由图5可以看出:空白区(1)和重切区(2)对切割性能存在不利影响。空白区太长会造成漏采，重切区太多会造成将割过的残茬重割，浪费功率。当动刀片的高度(h)为定值时，用切割进程(H)来表示区域(1)和区域(2)的面积大小与机器前进速度vm和曲柄转速n的关系。H值增大，空白区变大，重切区减小；H值减小，空白区减小，重切区增大[11]。H的计算公式为

H=vmt

(7)

vm为采茶机前进速度；t为割刀运动一个行程的时间，切割器运动一个行程，曲柄转过180°，时间为t，则

(8)

将公式(8)代入公式(7)中可得H=30vm/n。其中，n为曲柄转速(r/min)。

由于鲜叶中含水量较大，切割阻力较大，只有切割速度尽可能地大，才能保证采摘的效果，但切割速度过大会增加采茶机的惯性力，引起采茶机的振动，所以要选择适宜的切割速度。工作时，曲柄主轴转速560r/min，曲柄旋转1周，割刀完成两个行程。割刀的平均速度为

(9)

其中，n为曲柄转速(r/min)；r为曲柄半径(m)。

(10)

现有单人采茶机H=(0.7～1.2)h，代入公式(10)可得

(11)

其中，h为动刀高度。

按国家相关标准，动刀刃高度为54mm，代入公式(11)得

考虑到需要保证切割质量，实际刀机速比需比理论值大，理论的机器前进速度取采摘稳定时允许的最大速度[12-16]。当曲柄主轴转速为560r/min时，切割器平均速度为1.42m/s,采茶机平均作业速度vm=1.05m/s。选用该切割器要选择适宜的刀机速比，根据相关茶叶机械标准得知，刀机速比通常大于1.02，而刀机速比在1.33左右时，采茶机性能最优。通过计算得出：该切割器在平均工况下β=vp/vm=1.42/1.05=1.35>1.02，所以理论上该切割器设计可以满足茶叶鲜叶采摘要求。

3.4 切割器所需功率的计算分析

切割器总功率分为两个部分。第1部分为切割时所需的功率，第2部分为空转时所需的功率[13]。

N=Ng+Nk=vmBL0×10-3+Nk

(12)

式中vm—采茶机前进速度(m/s)；

B—切割器割幅；

L0—采摘每平米鲜茶所需功率，经测定，L0=200～300N·m/m2。

Nk—与安装的方法和技术状态有关，通常每米消耗功率为0.5～1.1kW。

代入上述数据得：N=1.05×0.6×250×10-3+0.8=0.958kW。

综上所述，设计的该款采茶机切割器所消耗的功率与其他同类型采茶机相比，在能够提高采摘效果的前提下，有着较大节能优势[14]。

4 试验分析

4.1 田间试验

单人采茶机设计完成之后，于2016年5月在安徽农业大学农翠园实验基地进行了田间试验，用3m卷尺测得该基地茶蓬宽度约990mm，茶蓬高度为740mm，行距1 200mm，株距200mm，操作员行走平均速度约1m/s。作业时，往复切割器切割效果良好，风机由汽油机直接驱动，风机压力1 863.3Pa，风量0.6左右，切下的鲜茶被风机吹入后方的集叶袋中，完成采摘工作。

4.2 茶园试验

在安徽省岳西县茶园进行了采茶机茶园试验，经测茶园的土壤相对湿度为21.9%，在1h的工作时间内完成了295kg的茶叶采摘。试验过程中用到的实验设备有：电子表、3m卷尺、30cm钢尺、手持式噪音测量仪、500kg精度为50g的磅秤。测量项目主要有采茶机作业时间、采茶机作业距离、茶园种植行距、土壤相对湿度、采茶机工作噪声及采下茶叶质量等。测定方法根据相关农机行业标准和相关文献[14]。

试验表明：采茶机在茶园工作时，工作性能平稳、可靠。测得数据如表2所示。

表2 试验测试结果

采用该采茶机进行茶园茶叶采摘，采摘效率和漏采率等指标都达到相关茶园规定的标准[15-18]。在保证采摘效果的前提下，在1h内完成了295kg的茶叶采摘，如用手工采摘，则需要70人才能完成(春茶每人每小时采摘量为3～4kg，夏秋茶每人每小时采摘量为4～5kg)，一台采茶机可节约55～70个劳动力[19]。

5 结论

所设计的单人背负式采茶机，满足在行距100～130cm、株距15～25cm的一般茶园中的采摘需求。该采茶机结构简单、操作方便，漏采率在2%左右，可制茶率大于93%，芽叶完整率大于85%，适采中低档名优茶。通过采茶机运动分析和茶园试验，可知该采茶机有如下特点：

1)采茶机结构简单、操作方便、体积小、工作稳定性好，便于茶农使用；

2)采茶机功率消耗少，芽叶完整率高、工作效率高，采茶效果是人工的数十倍，节约了大量劳动力；

3)动力传动系统简单，在保证采摘质量的基础上，动力损失小。

所设计的采茶机各项指标均符合或高于相关农机设计国家技术要求，在满足要求的同时也能保证工作效率和漏采率[20-21]。另外，针对该机型传动系统和能的优化、切割器刀片高度的选择和安装方式还需要进一步研究，以达到更好的采摘效果。

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Design and Analysis of Single Knapsack Tea Plucking Machine

Wu Xiankuna,b, Li Binga,b, Wang Xiaoyonga,b, Li Shangqingb,c, Zeng Chena,b

(a.Engineering College；b.State Key Laboratory of tea plant Biology and Utilization; c.Tea and Food Science Technology College, Anhui Agricultural University, Hefei 230031, China)

Tea from China and it has a long history, in the first place ,it is a drink of palace, later spread to folk.With the development of the times, the tea is no longer a simple hobby, expect to become human health drinks, large-scale modernization of tea production need tea mechanization as the backing, and the traditional manual tea is not only inefficient, but also affects the food safety, in order to meet the demand of the large-scale tea, design and manufacture a single knapsack tea plucking machine, Experiment and analysis of tea plucking machine. The experimental results showed that the tea plucking machine cutting length 600mm, leakage rate is less than 2%, leaves full rate is more than 85%, reciprocating cutter work stability, cutting effect is good, meet the needs of the tea farmers to pick; The surface of the tea is neat after picking,leaves is full,does not affect the next harvest,applicable to various types of tea garden picking operations.

tea plucking machine; reciprocating cutter; motion analysis; single knapsack

2016-06-28

公益性行业(农业)科研专项(201303012)；农业部茶园机械专项基金项目(11008702)

吴先坤(1991-)，男，安徽明光人，硕士研究生，(E-mail)xiankunwu86@163.com。

李 兵(1971-)，男，安徽明光人，副教授，博士，(E-mail)libing@ahau.edu.com。

S225.99

A

1003-188X(2017)08-0092-05