吳先坤，李 兵，王小勇，李尚慶，曾 晨

(安徽農(nóng)業(yè)大學 a.工學院；b.茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室；c.茶與食品科技學院，合肥 230031)

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單人背負式采茶機的設計分析

吳先坤a,b，李 兵a,b，王小勇a,b，李尚慶b,c，曾 晨a,b

(安徽農(nóng)業(yè)大學 a.工學院；b.茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室；c.茶與食品科技學院，合肥 230031)

茶葉源于中國，有著悠久的歷史，原為宮廷飲料，后普及民間。隨著時代的發(fā)展，茶葉已不再是一種單純的嗜好，而成為人類期望健康的飲品。大規(guī)?，F(xiàn)代化的茶葉生產(chǎn)需要以茶葉機械化為后盾，而傳統(tǒng)手工收茶不僅效率低下，且食品安全也受到影響。為滿足大規(guī)模制茶的需求，研制了一種單人背負式采茶機，并對采茶機進行性能分析實驗。實驗結果表明：該采茶機割幅600mm，漏采率小于2%，芽葉完整率大于85%，往復式切割器工作穩(wěn)定、切割效果良好，滿足了茶農(nóng)對于采摘的需求；采后蓬面整齊，芽葉完整，不影響下次采摘，適用于多種類型的茶園采摘作業(yè)。

采茶機；往復式切割器；運動分析；單人背負式

0 引言

茶葉采摘工作是茶葉生產(chǎn)過程中花費工時最多的一項作業(yè)，一般占全年管理用工時間的50%以上，因此采用機械化采茶具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。使用采茶機不僅能提高功效、降低成本，還能適時采摘，保證茶葉品質(zhì)，減少漏采，節(jié)省大批勞動力以從事其他產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)。我國茶園種植區(qū)大都地處丘陵，地形復雜，種植地塊小，大型機具進入茶園會對茶樹造成傷害[1]；而人工采茶往往會出現(xiàn)遲采、濫采、采老葉的情況，嚴重地影響了茶葉質(zhì)量和茶樹下一欄新梢的生長[2]。

由于受到茶樹種植不規(guī)范、地塊小及地形復雜等因素的影響，我國機械采茶作業(yè)具有一定難度，為滿足廣大茶農(nóng)的要求及便于茶農(nóng)操作使用，設計制造了背負式單人采茶機，并對其進行試驗研究。

1 總體結構

1.1 主要結構組成及特點

單人背負式采茶機主要由發(fā)動機、傳動軟軸、風機風管、往復式切割器及集葉袋等裝置組成，選用汽油發(fā)動機，如圖1所示。

1.汽油機 2.油門拉線 3.油箱 4.減速器 5.傳動軟軸 6.油門把手 7.熄火開關 8.鼓風機 9.防滑握手 10.護刃板 11.刀桿 12.割刀 13.風管 14.曲柄連桿機構

傳動系統(tǒng)主要由齒輪傳動及傳動軟軸組成，工作部件主要風機風管和往復式切割器組成。工作時，軟軸兩端用螺紋和半圓插頭分別與機頭減速器蝸桿和動力離合器輸出從動軸連接，把動力由汽油發(fā)動機傳送至采茶機頭，使得風機可以將通過往復式切割器切下的茶葉吹入集葉袋中。往復式切割器是采茶機關鍵部件，由刀桿、刀片、護刃器、壓刃器等組成。其中，刀片用T8或T9鋼材經(jīng)機械加工、經(jīng)熱處理制成，具有韌性好、切割鋒利的特點[3]。

發(fā)動機選用額定功率1.0kW、額定轉(zhuǎn)速6 000r/min的單杠風冷4沖程汽油機，動力強、污染小、噪音低、動力傳動簡單、動力損失也較小，可以滿足多種復雜地形的田間作業(yè)。該機型操作簡單、結構輕便，可適應小型茶園的高效率采摘。通過三維軟件CATIA建立的采茶機三維實體模型如圖2所示。

圖2 單人背負式采茶機裝配體模型圖

1.2 技術參數(shù)

在安徽六安、岳西等部分茶園，茶園的種植規(guī)格采用單株雙條列式種植，行距100～130cm，株距15～25cm。針對該茶園的種植特點，結合農(nóng)業(yè)機械相關設計標準，設計的采茶機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 采茶機主要技術參數(shù)

1.3 工作原理

采茶機在田間工作時，汽油發(fā)動機的動力傳輸路線主要是：當加大油門時，汽油機轉(zhuǎn)速上升，離合器飛塊因離心力與從動盤結合，將動力傳輸給減速箱，然后通過曲柄連桿機構驅(qū)動切割器工作；當關小油門時，汽油機轉(zhuǎn)速下降，離合器飛塊受彈簧拉力與從動盤分離，切割器停止工作。工作時，只需操作人員背負小型汽油機，打開位于油門把手上的開關，發(fā)動后將切割刀對準需要采摘的茶葉即可采摘，采下的茶葉在風管的作用下被吹入下方的集葉袋中，操作過程方便、快捷。

2 關鍵部件的設計

2.1 刀片

為保證采茶機的田間作業(yè)能達到一定生產(chǎn)需求的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)采茶穩(wěn)定、能耗低、漏采率低的目標，設計刀片的結構如圖3所示。刀片用T8或T9鋼材經(jīng)機械加工、刃部經(jīng)過熱處理制成，熱處理的寬度為11～16mm，淬火帶硬度為HRC50～60，非淬火區(qū)不超過HRC35，刀片厚度為2～3mm，刀刃厚度小于0.16mm。工作時，刀片做往復運動，護刃器前尖把茶葉分成小束引向割刀[4]。此采茶機刀片使用光刃刀片，因為一方面茶葉密度和濕度較大，切割阻力較大；另一方面，光刃刀片具有切割省力、割茬整齊的特點。與刀片相連的刀架設計長度為610mm，刀片數(shù)設計為上下各16把刀。采茶機的刀片往復頻率對采茶機的工作性能有重要影響，結合了試驗情況和農(nóng)業(yè)機械的相關設計標準。綜合考慮采茶機的機構特點和生產(chǎn)效率等因素，設計采茶機割刀的往復頻率為1 000次/min[5]。

1.刀桿 2.刀片

2.2 傳動系統(tǒng)

此采茶機選配的是雙動刀往復式切割器，該切割器傳動系統(tǒng)的基本工作部件是曲柄連桿機構，最大的特點是體積小、占用空間少，既能在大型聯(lián)合收割機上使用，也可在小型除草機、采茶機上得到廣泛的使用，這對于一些不適合大型采茶機作業(yè)的平地低丘陵地區(qū)茶園變得尤為重要[6]。工作時，汽油機輸出回轉(zhuǎn)動力，經(jīng)過動力軟軸將動力傳至減速箱中，減速箱為一級蝸桿渦輪傳動，渦輪軸下端裝有雙偏心輪，通過兩套連桿和滑槽等帶動上下刀片做往復運動，在蝸桿一端(另一端與軟管相連)裝有傳動齒輪，經(jīng)一級齒輪副和一級V帶驅(qū)動全幅集葉風機，將采下的鮮葉吹入集葉袋中。

3 采茶機運動分析

3.1 割刀的運動方程

由曲柄連桿機構驅(qū)動的往復切割刀片的運動是近似的簡諧運動，連桿長l>10r，r為曲柄半徑。設刀片刃口上任一點的位移x、速度v、加速度a分別為

x=-rcoswt

(1)

(2)

a=rw2coswt=-w2x

(3)

式中w—曲柄角速度(rad/s)

t—曲柄由極左點A起轉(zhuǎn)過的時間(s)。

刀片的運動速度v和其移動距離x是一個橢圓方程式的關系，即

(4)

綜上可知，刀片上某一點的速度變化規(guī)律與橢圓曲線的變化規(guī)律是一致的。當某點為刀片的中點時，該點位移即x=0，此時v取得最大值；當x=±r時，該點處于刀片的極左或極右處，v=0,為最小值[7]。

3.2 割刀的慣性力平衡

為了平衡切割器在工作過程中產(chǎn)生的慣性力，可在曲柄的對面設置一定的配重，靠配重產(chǎn)生的離心慣性力來平衡刀片的一部分往復慣性力。其理論依據(jù)是設連桿的2/3部分與割刀一起做往復直線運動，1/3部分和曲柄一起做圓周運動[8]。設Pq為1/3連桿質(zhì)量和曲柄以r為半徑做圓周運動產(chǎn)生的離心慣性力，Pd為2/3連桿質(zhì)量和割刀一起的往復慣性力。慣性力隨切割速度的增加而減少，但若速度過高，慣性力加劇，將對機器的生產(chǎn)和使用壽命產(chǎn)生影響[9]。實際使用中，離心慣性力Pq可以完全平衡，而往復慣性力只能部分平衡，故采用部分平衡法[9]，如圖4所示。

部分平衡法的公式為

=mprpw2cosρ

(5)

求λ的公式為

(6)

式中λ—平衡程度系數(shù)，通常取λ=0.25～0.5；

md—割刀質(zhì)量(kg)；

m1—連桿質(zhì)量(kg)；

mp—加配重后曲柄盤質(zhì)量(kg)；

r—曲柄半徑(m)；

rp—曲柄盤加配重后的旋轉(zhuǎn)半徑(m)。

設計的該款切割器割刀質(zhì)量md=0.65kg，連桿質(zhì)量m1=0.33kg，加配重后的曲柄盤質(zhì)量mp=0.75kg，曲柄盤加配重后旋轉(zhuǎn)半徑rp=0.02m,曲柄半徑r=0.038m，將數(shù)值代入公式(6)得λ=0.38，符合設計要求。

3.3 采茶機的刀機速比

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，關系到機采鮮葉質(zhì)量、采后蓬面整齊程度和漏采率等，所以必須嚴格控制刀機速比。圖5為切割器的切割圖[10]。

圖5 往復式切割器切割圖

由圖5可以看出:空白區(qū)(1)和重切區(qū)(2)對切割性能存在不利影響?？瞻讌^(qū)太長會造成漏采，重切區(qū)太多會造成將割過的殘茬重割，浪費功率。當動刀片的高度(h)為定值時，用切割進程(H)來表示區(qū)域(1)和區(qū)域(2)的面積大小與機器前進速度vm和曲柄轉(zhuǎn)速n的關系。H值增大，空白區(qū)變大，重切區(qū)減?。籋值減小，空白區(qū)減小，重切區(qū)增大[11]。H的計算公式為

H=vmt

(7)

vm為采茶機前進速度；t為割刀運動一個行程的時間，切割器運動一個行程，曲柄轉(zhuǎn)過180°，時間為t，則

(8)

將公式(8)代入公式(7)中可得H=30vm/n。其中，n為曲柄轉(zhuǎn)速(r/min)。

由于鮮葉中含水量較大，切割阻力較大，只有切割速度盡可能地大，才能保證采摘的效果，但切割速度過大會增加采茶機的慣性力，引起采茶機的振動，所以要選擇適宜的切割速度。工作時，曲柄主軸轉(zhuǎn)速560r/min，曲柄旋轉(zhuǎn)1周，割刀完成兩個行程。割刀的平均速度為

(9)

其中，n為曲柄轉(zhuǎn)速(r/min)；r為曲柄半徑(m)。

(10)

現(xiàn)有單人采茶機H=(0.7～1.2)h，代入公式(10)可得

(11)

其中，h為動刀高度。

按國家相關標準，動刀刃高度為54mm，代入公式(11)得

考慮到需要保證切割質(zhì)量，實際刀機速比需比理論值大，理論的機器前進速度取采摘穩(wěn)定時允許的最大速度[12-16]。當曲柄主軸轉(zhuǎn)速為560r/min時，切割器平均速度為1.42m/s,采茶機平均作業(yè)速度vm=1.05m/s。選用該切割器要選擇適宜的刀機速比，根據(jù)相關茶葉機械標準得知，刀機速比通常大于1.02，而刀機速比在1.33左右時，采茶機性能最優(yōu)。通過計算得出：該切割器在平均工況下β=vp/vm=1.42/1.05=1.35>1.02，所以理論上該切割器設計可以滿足茶葉鮮葉采摘要求。

3.4 切割器所需功率的計算分析

切割器總功率分為兩個部分。第1部分為切割時所需的功率，第2部分為空轉(zhuǎn)時所需的功率[13]。

N=Ng+Nk=vmBL0×10-3+Nk

(12)

式中vm—采茶機前進速度(m/s)；

B—切割器割幅；

L0—采摘每平米鮮茶所需功率，經(jīng)測定，L0=200～300N·m/m2。

Nk—與安裝的方法和技術狀態(tài)有關，通常每米消耗功率為0.5～1.1kW。

代入上述數(shù)據(jù)得：N=1.05×0.6×250×10-3+0.8=0.958kW。

綜上所述，設計的該款采茶機切割器所消耗的功率與其他同類型采茶機相比，在能夠提高采摘效果的前提下，有著較大節(jié)能優(yōu)勢[14]。

4 試驗分析

4.1 田間試驗

單人采茶機設計完成之后，于2016年5月在安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)翠園實驗基地進行了田間試驗，用3m卷尺測得該基地茶蓬寬度約990mm，茶蓬高度為740mm，行距1 200mm，株距200mm，操作員行走平均速度約1m/s。作業(yè)時，往復切割器切割效果良好，風機由汽油機直接驅(qū)動，風機壓力1 863.3Pa，風量0.6左右，切下的鮮茶被風機吹入后方的集葉袋中，完成采摘工作。

4.2 茶園試驗

在安徽省岳西縣茶園進行了采茶機茶園試驗，經(jīng)測茶園的土壤相對濕度為21.9%，在1h的工作時間內(nèi)完成了295kg的茶葉采摘。試驗過程中用到的實驗設備有：電子表、3m卷尺、30cm鋼尺、手持式噪音測量儀、500kg精度為50g的磅秤。測量項目主要有采茶機作業(yè)時間、采茶機作業(yè)距離、茶園種植行距、土壤相對濕度、采茶機工作噪聲及采下茶葉質(zhì)量等。測定方法根據(jù)相關農(nóng)機行業(yè)標準和相關文獻[14]。

試驗表明：采茶機在茶園工作時，工作性能平穩(wěn)、可靠。測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗測試結果

采用該采茶機進行茶園茶葉采摘，采摘效率和漏采率等指標都達到相關茶園規(guī)定的標準[15-18]。在保證采摘效果的前提下，在1h內(nèi)完成了295kg的茶葉采摘，如用手工采摘，則需要70人才能完成(春茶每人每小時采摘量為3～4kg，夏秋茶每人每小時采摘量為4～5kg)，一臺采茶機可節(jié)約55～70個勞動力[19]。

5 結論

所設計的單人背負式采茶機，滿足在行距100～130cm、株距15～25cm的一般茶園中的采摘需求。該采茶機結構簡單、操作方便，漏采率在2%左右，可制茶率大于93%，芽葉完整率大于85%，適采中低檔名優(yōu)茶。通過采茶機運動分析和茶園試驗，可知該采茶機有如下特點：

1)采茶機結構簡單、操作方便、體積小、工作穩(wěn)定性好，便于茶農(nóng)使用；

2)采茶機功率消耗少，芽葉完整率高、工作效率高，采茶效果是人工的數(shù)十倍，節(jié)約了大量勞動力；

3)動力傳動系統(tǒng)簡單，在保證采摘質(zhì)量的基礎上，動力損失小。

所設計的采茶機各項指標均符合或高于相關農(nóng)機設計國家技術要求，在滿足要求的同時也能保證工作效率和漏采率[20-21]。另外，針對該機型傳動系統(tǒng)和能的優(yōu)化、切割器刀片高度的選擇和安裝方式還需要進一步研究，以達到更好的采摘效果。

[1] 羅學平，趙先明.茶葉加工機械與設備[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2015.

[2] 錢爭光，茹利軍. 6-CDW-220型微型采茶機的設計[J]. 中國茶葉加工，2015(2)：58-60,71.

[3] 王振強，趙春花，劉偉.手扶牧草收割機往復式切割器主要參數(shù)實驗分析[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2011，39(9)：1001-1004.

[4] 楊樹川，何東鍵.標準往復式切割器的工作性能研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2005:15-17.

[5] 張曉偉，程該青，穆亞輝.采茶機滾切刀的運動分析和設計[J].農(nóng)機化研究，2011,33(10)：40-44.

[6] 蔣有光.采茶機切割器系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J].茶葉科學，1986,6(2)，47-52.

[7] 肖宏儒，秦廣明，宋志禹.茶葉生產(chǎn)機械化發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國茶葉，2011(7)：9-15.

[8] 席海亮，趙春花.基于ADAMS的4GH120型牧草收割機切割器運動仿真分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2013(12)：160-163.

[9] 潘變，李廣偉，朱學敏.9G-1.4型復式果園割草機的設計[J].農(nóng)業(yè)研究與應用，2013(2)：69-72.

[10] 李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[11] Gao Xiao-yang. The study and development of a reaperattachable to small walking tractor[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1994(10)：55-57.

[12] 王健康，吳明亮，任述光，等.往復式切割器傳動機構運動動力學分析[J].中國農(nóng)學通報，2011,27(01)：190-194.

[13] 李曉雷，俞德孚.機械振動基礎[M].北京：北京理工大學出版社，2005:1-89.

[14] 嚴帥.往復式切割器的振動穩(wěn)態(tài)響應分析和減振設計[J].農(nóng)機化研究，2013，35(12)：32-36.

[15] 劉源，李浙昆，吳海濤.往復式切割器速度參數(shù)優(yōu)化設計與分析[J].農(nóng)機化研究，2011，33(8)：42-47.

[16] 張曉輝，李其才，李法德，等.往復式切割器割刀慣性力平衡實用計算公式[J].農(nóng)機化研究，1997(2)：26-31.

[17] 祁兵，楊曉京，呂鵬翔，等.基于ADAMS的往復式切割機構慣性力仿真研究[C]//2010國際農(nóng)業(yè)工程大會論文集.上海：亞洲農(nóng)業(yè)工程學會，2010：17-24.

[18] Pratt M J. Virtual prototypes and product models in mechanical Engineering[C]//Virtual prototyping-virtual Environments and the Product Design Process. London:Proceedings of international conference on agricultural engineering in 1995, 1995.

[19] Yan Chuliang, Li Jie, Zhang Shuming, et al.Digital design of combine harvester based on virtual prototyping[J].Frontiers of Mechanical Engineering in China,2007(2):159-163.

[20] 國家標準局. GB/T5262-1985農(nóng)業(yè)機械實驗條件測定方法的一般規(guī)定[S].北京:中國標準出版社，1986.

[21] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學院.農(nóng)業(yè)機械設計手冊(上冊)[K].北京：機械工業(yè)出版社，1998.Abstract ID:1003-188X(2017)08-0092-EA

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

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303012)；農(nóng)業(yè)部茶園機械專項基金項目(11008702)

吳先坤(1991-)，男，安徽明光人，碩士研究生，(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