单人电动茶叶采摘机主要机构设计

刘　彪， 肖宏儒

(农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014)

我国是世界上最早生产茶叶的国家，有着非常辽阔的茶叶种植区，茶叶品种丰富，采茶历史悠久。近年来，人们对茶叶的需求量不断增加，茶园面积也在不断地扩大，这就对茶叶的采摘也提出了新的要求[1-2]。以往的人工采摘不能满足现在对茶叶的采摘要求，而且采摘效率也非常低，成为了茶生产发展的阻碍，对茶叶生产的专业化、规模化、商品化和现代化生产也进行了限制，因此对茶叶采摘机械的研发就势在必行[3]。在当代，国家提倡要求人们要节能减排，所以对电动茶叶采摘机加大了研究。

1　单人电动茶叶采摘机的机构组成和原理

1.1　总体机构组成

如图1所示，单人电动茶叶采摘机主要有往复式切割刀、扫叶轮、收集袋、驱动电机和电源等组成。

1.2　工作原理

茶叶采摘机在工作时，由电动机带动传动机构，从而带动传动系统运动，再经过传动系统带动动刀片作往复运动。扫叶轮由1个小型的电动机与之相配且工作时单独带动扫叶轮转动，从而进行旋转运动将采摘掉的新鲜茶叶收集到集叶袋中完成对茶叶的采摘工作。茶叶采摘机工作室由扫叶轮的旋转运动把割刀往复运动采摘下来的新鲜茶叶收集到集叶袋中，从而完成对茶叶的采摘。

2　割刀的设计和运动轨迹分析

2.1　切割刀片的设计

本次设计的茶叶采摘机由动刀片和定刀片组成，采用的刀片的动刀距t与定刀距t0相同且都等于割刀行程S，即S=t=t0=30 mm，刀刃的高度为30 mm，割幅宽度定为255 mm，考虑到采摘茶叶时割刀的刃角对采摘时割刀阻力的影响，取割刀的刃角为10°，割刀的厚度为2 mm，此时切割采摘茶叶时割刀的刃角较为合理[4]。刀片采用平面型刀片，通过刀片的往复运动完成对茶叶的采摘。为了防止茶叶秆茎的影响，取刀片的底部宽度为15 mm(图2)。

定刀片固定在茶叶采摘机的壳体上，与动刀片共同完成对茶叶的采摘，定刀片与动刀片之间的割刀间距取0.3 mm。除了刀片的长度不同，定刀片的割刀结构尺寸与动刀片相同，定刀片的尺寸如图3所示。

2.2　动刀片运动分析

带动动刀片运动的机构可以看作是曲柄滑块机构，即在曲柄滑块机构的运动下带动动刀片作直线往复运动，从而完成对茶叶的采摘。刀片与曲柄机构相连接的三维模型图如图4所示，根据与轴相连的曲柄分析刀片的运动，曲柄的运动简图如图5所示。

设OK为曲柄，其曲柄的旋转中心为O，曲柄的旋转半径大小为r，K点就是曲柄与连杆的连接点，当K点以反方向作等速w转动时，则K点在水平直线上的投影K′作往复运动，这种运动成为简谐运动，而动刀片的活动很近似K′的运动，即近似简谐运动。现设K′点原点O的距离为x，则x与K′点的速度vx及加速度jx分别是

x=rcoswt；

(1)

vx=-rwsinwt；

(2)

jx=rw2coswt。

(3)

式中：x在O点的右面为正，在O点的左面为负；vx和jx向右为正，向左为负。设wt=0°、90°、180°、270°、360°，分别代入上列3个式中，则可求得x、vx、jx相应的值见表1。以wt作为横坐标轴，以x、vx、jx作为纵坐标轴并绘成图6。

表1　茶叶采摘机距离、速度和及速度与转动速度的关系

由(2)式及图6可知，K′点的速度成正弦曲线规律变化。当K′在直径端B点时，其速度最小(即为0)；当K′逐渐向左移动时，其速度绝对值逐渐增大，到原点时速度达到为最大(rw)，其后K′继续向左移动时，其速度绝对值逐渐减小，到左端A点时也为0。当K′点自端点A向右移动时，其速度绝对值的变化也如此，动刀片的运动与K′很近似，因此动刀片速度的绝对值也在0～rw之间变化。

切割茶梢时，一般是将活动刀片作为主切削刃，因定刀片为反切削刃作为支撑茶梢，当动刀刃与定刀刃相接触时，便开始对茶叶进行切割，有些茶叶采摘机上下两边刀片形状一样，切割式茶梢的两侧将会同时受到切削。因此，刀片的速度也有大小之分，所以利用较大的速度来切割最为合理。由于切割器的类型不同，其刀刃相接处的早晚也是不同的，因此切割时利用的切割速度也不相同。图7为此次设计所使用的平面型活动刀片的运动速度图，当切刀自a0向右逐渐运动时，其速度从0逐渐增大，在未到达a1之前，由于切刀没有接触到，所以不发生切割。刀片到达a1时，两刀刃才开始相接触，此时切割速度va1称为始切割速度，此后刀片继续向右逐渐运动便继续切割，然而当刀片到达c1时，两刀刃相互接触结束。这以后便不会切割，这时的切割速度为vc1，则称为终切速，从va1到vc1是切割速度的变化范围，而始切割速度va1大于终切割速度vc1。

2.3　刀片的切割图形分析

由于切割刀片的运动是绝对运动，是采茶机向前的直线等速运动和刀片的简谐运动2种运动的合成，则这2种运动的叠加结果见图8。以本次所选的平面型切割器为例，s=t=t0=30，刀片往复运动1次，所走的路线如图8所示，也就是曲柄转动1次，刀片由开始位置a逐渐变到b，再由b逐渐变到c，图9中斜线部分是割刀的刀刃与茶叶相遇，也就是割刀刀刃在此时开始采摘茶叶，区域2表示割刀与所采摘的茶叶第2次相遇，也就引起了割刀对茶叶的2次采摘，即通常所说的重割。重割的缺点包括：一方面是浪费功率，另一方面可能使割断面不齐，区域1和区域3内的茶叶不能和割刀刀刃相遇，则被推向前面，等到割刀刀片再次回复时来采摘区域1、3内的茶叶，因而增加留枝的高度，即采摘后茶树的顶面不齐，重割区(区域2)及空白区(区域1、3)的面积大小由动力平均速度与采茶机前进速度的比值而定。由大量的试验和实际的实践操作表明，在采茶时，操作者的前进速度应控制在 0.5 m/s 左右，也就是1 min向前走30 m左右，这时的作业质量好，而且也使生产率得到了提高。

2.4　刀片材料的选择

根据工作环境可知，刀片须要受到较大的摩擦，而且在切割的过程中受到的挤压力也较大，因此对刀片的硬度要求较高。经整体考虑，选择材料为W18Cr4v型号的高速钢，其抗弯强度高、耐磨性好，它的优点是：通用性好，工艺成熟。

3　扫叶轮设计

3.1　扫叶轮结构设计

扫叶轮形状为长方形且上面分布着对称的小孔，就像蜂窝状。扫叶轮的作用就是把剪切掉的茶叶扫到集叶袋里，而蜂窝状的洞口可以减少阻力。

3.2　扫叶轮形状设计

扫叶轮的长度应该与割刀的割幅宽度相同，但考虑到运动扫叶轮不与茶叶采摘机的内壁相接即长度为245 mm，考虑到茶叶采摘机的总体高度取扫叶轮的宽度为245 mm。查设计手册，选取所设计的扫叶轮的厚度为3 mm，细轴的直径为10 mm，与细轴相结合的轴的直径为20 mm。细轴比粗轴长主要是因为要在细轴上安装轴承，以固定在采茶机的壳体上。左侧的轴比右侧的短，是因为右侧的轴除与轴承相配合外，还要与相应的电动机配合，以带动扫叶轮旋转，从而使采摘的茶叶扫进集叶袋中，扫叶轮形状如图10所示。

4　性能试验

该机采用电源作为动力能源，可以连续工作7～9 h，对茶叶的采摘频率为1 350 r/min，采摘后的茶叶叶片完整率高。

5　结语

此机采用电能作为能源，体现了节能环保的措施，满足茶叶采摘机的主要功能要求，同时满足茶叶采摘机工作时性能稳定性要求，并且具有转动效率较高、结构形状简单、尺寸紧凑、制作成本低、工艺性能好，质量轻、使用方便以及维修简单等特点。由于整机尺寸小，对我国山区茶叶的采摘有着极大的市场前景。

参考文献：

[1]李文垒，岳保然，韩茜. 优质茶叶资源分布的地理环境分析[J]. 福建茶叶，2016(1)：1-2.

[2]权启爱. 我国茶产业发展新常态下的茶叶机械[J]. 中国茶叶加工，2016(1)：5-8.

[3]许甦康. 四川茶叶机械的现状及发展趋势[J]. 四川农机，2010(2)：29.

[4]毛祖发，俞燎远，陆德彪，等. 茶叶采摘、加工与储藏技术[M]. 北京：中国农业出版社，2008：50-58.