双翅型采茶机机械系统设计＊

□谢秋菊 谢守勇,2 段廷忆 刘军,2 宋磊

/1.西南大学工程技术学院 2.丘陵山区农业装备重庆市重点实验室

0 引言

采摘是茶叶生产过程中最费劳力的一项工作，特别是在丘陵山区，采摘作业基本依靠人工，效率极低，全年茶园管理50%以上的时间都在进行采摘工作。因此，丘陵山区机械化采茶作业具有明显的经济效益和社会效益[1]。机械化采茶作业不仅能显著提高采茶效率，明显降低人工成本，还能适时采茶，从而保证茶叶品质，节省人工劳动力以从事其他产业生产[2]。我国茶叶采摘机械化作业起步较晚，机械化水平相对较低。现有的跨行式液压动力采茶机[3]，体积庞大，尽管能够较好地满足采茶要求，但无法适应丘陵山区复杂的地形地貌。目前，市场上还有一种手持式采茶机[4,5]，该采茶机至少需要两人进行采摘作业，并且采茶机动力依靠人工背负，极大地增加了劳动强度，效率较低。近年来，农村劳动力日趋紧缺，然而茶叶时令性强，如果不及时采茶，会严重影响整个茶园的产量和茶农的收益，从而导致茶产业的发展受到严重的制约。

针对丘陵山区茶叶采摘现状，研发一款自动、高效的自走式茶叶采摘装置，提高丘陵山区茶叶采收作业机械化水平，是促进茶叶产业持续健康发展的当务之急，也是摆脱丘陵山区茶叶采收作业机械化技术水平落后困境的迫切需求[6]。本文主要采用理论分析计算和工程软件与试验相结合的方法，在参考现有采茶机的前提下，依据丘陵山区茶园地形、茶叶相关物理特性等多方面的农艺知识，通过分析研究整机机构的系统组成、功率等问题，利用三维工程软件Creo3.0对该机构的零部件进行设计与建模，最终进行零部件加工制造、整机装配以及试验。

1 采茶机整机结构与工作原理

1.1 采茶机整机结构

该采茶机主要由切割机构、升降机构、行走机构和收集机构等组成，整体示意图如图1所示。

1.2 工作原理

手动将折叠好的往复式嫩芽切割装置展开，根据茶行情况，调整合理的展开宽度并通过步进电机驱动升降部分使往复式嫩芽切割装置移动至合适的高度。如图1所示，按下电源开关，检查往复式嫩芽切割机构是否复位，待该机构复位后，启动行走电机，按下电磁离合器开关，整机前进，同时，往复式嫩芽切割机构上的电机开始转动，带动切割刀片往复运动，鼓风机开始工作，经风管将采集的嫩芽吹进收集装置中，完成茶园嫩芽采收的整个过程。

图 1 采茶机整机结构图

2 关键部件设计与选型

2.1 动力装置

田间自走式作业机械应考虑机器爬坡的情况，按路面坡度为20°考虑，由于茶园田间管理较好，路面状况比较好，行走阻力减少，提高了行走速度和传动效率。田间自走式作业机械的驱动功率计算经验公式：

式（1）中：N2为田间自走式作业机械的驱动效率；

f为阻力系数，f=0.13；

α为坡度角，α=20°；

m为整机质量，m=100 kg；

Vm为作业前进速度，Vm=0.7 m/s；

η为行走系统传动效率，η=0.72；

代入数据得到N2为0.442 kW。

茶叶气孔比较大，容易吸附东西，因此，不选用柴油机、汽油机、液压油作为动力。动力系统选用BM1424ZXF型直流无刷减速电机作为配套动力，其额定输出功率为1.2 kW，额定电压为60 V，额定扭矩为4.0 N·M，减速比为1∶5，即输出转速为570 r/min。所选的直流无刷减速电机符合要求。

2.2 行走装置

行走系统采用倒三轮结构。为后置前驱布置，电机动力通过链条减速增扭，达到行走速度要求和驱动力矩要求。前轮为两轮，并在前轴安装差速器，使转向轻便，轮距为500 mm，轮胎采用人字花纹轮胎，可以适应大部分路面和大部分茶园。后轮为一个轮子安装在叉轴上，通过转向杆进行转向，转向半径小，可控制在1 m以内，能够适应田间地里复杂多样的路况。同时，可根据使用习惯和需要，调整成正三轮结构，加长转向杆，操作方便，可在茶园行走自如。

2.3 传动装置

考虑到本机在坡地作业时可能出现动力不足的情况，采用两级链传动来实现减速增扭，解决动力不足的问题。同时，链传动中加入电磁离合器，断电时切断行走动力，便于其他操作。如图2所示，行走时电动机输入的动力经小链轮1传至大链轮2，同轴的电磁离合器3通电时结合带动小链轮4转动，再由小链轮4将动力传递至大链轮5由输出轴输出。电磁离合器断电分离时，小链轮4切断动力，此时输出轴与动力脱开。

图 2 传动简图

2.4 切割装置

该装置通过曲柄滑块机构来实现割刀的往复式运动。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，切割行程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。H的计算公式为：

式（2）中，Vm为采茶机前进速度；t为切割器运动一个行程的时间，切割器运动一个行程，曲柄转过180°，因此，其时间t可以表示为：

工作时，曲柄主轴转速设定为400 r/min，曲柄旋转1周，切割器完成两个行程。切割器的平均速度为：

式（4）中：r为曲柄半径，取值0.038 m，代入式（4）得到Vp=1.01 m/s。

查阅相关茶叶机械标准[6]，刀机速比的取值通常大于1.02，而刀机速比在1.33左右时，采茶机性能可以最优值运行。通过计算得出，本文采茶机设计的刀机速比为1.22，大于1.02，所以理论上曲柄电机转速为400 r/min，可以满足茶叶采摘要求。

3 采茶机整机状态图及样机

根据上述设计，采用三维工程软件Creo3.0对本设计进行了整体建模，其展开和折叠方式如图3所示。在对本模型后续的设计中，加入了电控设备，在后续的文章中将给予详述，优化设计后的样机如图4所示。为适应丘陵山区的地形，本设计最大的变化之处是将原来的三轮式底盘结构改为四轮驱动底盘结构。其样机优化设计的主题思想是针对基于茶树种植环境的小行距完成茶叶采剪、收集、运输一体化技术的问题，探究鼓风式收集茶叶的机理；研究小型采茶机的采剪、收集与运输一体化技术，解决了作业过程中需要劳动力过多、劳动强度大的问题，达到采茶灵活快捷的效果；研制了针对茶叶采剪、收集、运输一体的装置，集成开发出茶叶采收机设备。

图 3 采茶机三维模型效果图

图 4 改进后的样机

4 结论

本文结合已有的往复式刀片切割方式，设计了一款双翅型采茶机。其创新点主要体现在以下几个方面：一是通过调整采剪装置的位置，可以适用于不同行距的种植规模；二是机械机构可以拆卸、折叠，运输方便，存放占用空间小。

后续将会在以下方向展开研究：一是通过地面仿形自动调整茶叶采剪装置高度；二是通过茶树位置的探测与传感，实现自动识别路径和智能转向。