一种小型茶园综合作业机具的研制

杨拥军，罗妙辉，李 维，吴文亮，周秉谦，刘伟英

（1.湖南省农业科学院茶叶研究所，湖南 长沙 410125；2.株洲市锦瑞机械有限公司，湖南 株洲412000）

当前，为适应茶园生产绿色高效的时代要求和市场需求，国内外茶叶生产企业对名优茶机械化采摘和绿色生态茶园高效培管提出了新的目标，推动了茶园机械化采摘及培管设施快速发展。国内行业企业纷纷开展了茶园轻简化装备研究，研制了众多型号的采茶机，设计较典型应用较广泛的是单人手持式名优茶采茶机，该机型一般1～3 人操作，采用背负式动力电源，工作原理采用双锯齿刀片往复式剪切方式[1]，工作时，采摘器刀片切断茶树芽叶，采茶器两端装有吹风口，将采断的芽叶吹入布袋，采摘手后跟随1～2 人移动布袋布袋收集鲜叶[2]，通过共同作业完成鲜叶的采摘收集。生产效率与以前的手工采茶确实提高了不少，但劳动强度大，工作效率低的问题仍然突出。

同时，随着果园、菜地除草机的陆续出现，部分应用于茶园除草作业，该设备大都采用旋转手扶滚轮式除草方式，杂草缠绕现象严重。动力配置上，该设备一般采用汽油机动力，无法满足山地茶园有机生产要求。研制开发同时满足中耕除草和鲜叶采摘的清洁能源为动力的多种功能茶园作业装备十分必要。

图1 手持式单人作业采茶机作业

图2 手扶式作业除草机作业

1 设计思路

（1）目前茶园使用的除草机基本上是菜地果园用的除草机器，对除草作业宽度没有明确的要求，比较随意。而茶园的生长环境有其特殊性，绝大部分都分布在山地，坡陡路窄[3]，茶园规划起陇高，立地条件差异大，茶行之间也难以达到果园菜地那样平整规范。同时行距受到限制，一般行距（茶树两行的底部）都不会超过1500mm，茶行树冠空间距离小于400mm。因此，菜地果园除草机难以适应茶园除草作业要求，必须做出相应的改进。

（2）机械化采茶是茶园田间管理的重要环节，现有的机器，基本上都是背负电池或两冲程小动力汽油机，手持采茶器作业的作业模式。电池或汽油机较重[2]，茶园一线工人，长期从事采茶机作业，如果同时长时间背负十余公斤的动力配重，劳动强度过大，一般工人适应不了。通过综合作业机具设计优化，进行设计时考虑将动力负重去掉，将电池组安装在移动的行走装置上。采摘作业时，由1～2 个工人抬着集叶袋跟随采摘手一同前进，起初鲜叶量少的时候，人力感觉有点过剩，随着采集的鲜叶量越来越多，集叶袋重量越来越重，作业强度逐渐加大，操作手和副手配合也愈加困难。因此完全可以省略采茶机挂裝布袋装置，采用采茶机小料斗整体化设计，待采手收集一定数量后，就将小料斗中的鲜茶叶倒入除草机附属设计安装的大料斗中，省掉两个跟在后面的抬袋子的工人，同时减轻了操作人员劳动强度。

（3）综合两种工作的实际操作情况，我们开发了一款多功能茶园综合作业机具，将采茶和除草有效结合在一起，实现鲜叶采收，茶园除草一人作业。在采茶过程中同时实现茶园除草工作，待采集了一定茶行的鲜叶后将鲜叶倒入除草机装载的料斗中。再进行下一个循环，直至这一行茶树全部茶叶采集完毕，与此同时也完成了茶园杂草的清理工作。在采收完成后的空地处，将采集到的鲜叶倒出料斗。

2 设计方案

2.1 总装设计

图3

图4

2.2 主要部件和技术参数

茶园除草采茶一体化机器的基本结构及基本参数。

本机主要由如下机构组成：直流减速电机、锂电池组件及控制盒组成的动力源、链轮链条传动机构、滚动轮和轴组成的行走机构、扶手及控制机构、除草机构（刀片式或者钢丝切割式）、储存鲜叶的料斗装置、单人采茶机组。

表1 整机基本参数

2.2.1 电机的选配

主要部件的选配和技术参数：

电机功率计算参考下式：

运动功率损耗 N=F×v÷60÷η；

式中：N 功率 (kW)；F 牵引力 (kN)；v 速度(m/min)；η 传动机械的效率，一般 0.8 左右。

N1=50*×300÷60÷0.8÷1000=0.312kW。

切割功率损耗

N＝FVm＝krBhVm；

N2=6.22*0.2*0.35*0.5=0.22kW

N=N1+N2=0.312+0.22=0.532kW

因此，我们选择功率为650W 的直流电机。

表2 功率计算参数

2.2.2 直流电机功率和型号

图5

表3

2.2.3 锂电池

图6

图7

2.2.4 链条链轮传动机构的设计

a.主动链轮

图8

图9

b.从动链轮

图10

图11

c.选择链轮的齿数

大链轮的齿数=小链轮的齿数X 速度比

确定小链轮的齿数为14 齿，再乘以速度比1∶2，则可确定大链轮的齿数。小链轮的齿数为14 齿，大链轮的齿数28 齿。

d.链轮的轴间距

最短轴间距当然是以2 个链轮不相互接触为好，但请选择120°以上的小链轮卷绕角度。一般来说，较为理想的轴间距为所用链条节距的30～50倍，在此，我们根据机器结构紧凑性的考虑，确定轴间距为300mm 左右比较适宜。

e.计算链条的长度与链轮的轴间中心距离

确定链条以及两链轮的齿数、轴间距后，根据链节数计算公式来确定长度。

（1）计算链条的长度(已确定链轮的齿数N1、N2与轴间中心距离Cp 时)

Lp：用链节数表示的链条长度

N1：大链轮的齿数

N2：小链轮的齿数

Cp：用链节数表示轴间中心距离

π：≈3.14

一般来说，选择的链条长度应尽可能四舍五入成偶数链节。如果由于轴间距的关系而无法避免奇数链节，则必须使用偏置链节，但请尽可能通过改变链轮齿数或轴间距的方式使其变成偶数链节。

（2）计算轴间中心距离(已确定链轮的齿数N1、N2与链条长度Lp 时)

通过滚轮链条所需长度计算公式求出的节距数几乎不可能与任意轴间距完全吻合，只能求出近似值，因此应根据所需全长再次对两轴中心距离进行精密计算。

表4 链条链轮数据表

2.2.5 刀片式割草机构的设计

a.切割（刀片）组件

图12

切割组件，是除草机的关键部件，除草效果的好坏和除草的工作效率高低，都取决于刀片组件的实用性和适应性。

图13

图14

一般情况，相对标准或做过茶园株行管理的茶园，其茶株和行间距等都会是相对一致，大约是下部 450mm 宽，上部 250～350mm 宽，呈等腰结构，因此，确定除草刀片的宽度350mm。刀架两边各配置一个限位块，限制切割深度不超过20mm。刀片开刃3*45°，以利于切入。

刀片材质，按我国的国家标准，最实用的工具钢牌号为T10A，按尺寸制作好以后，热处理到达硬度为HRC53-HRC55。

刀片组件安装在机器后部，考虑到土壤结构的复杂，偶尔会碰到硬块石头会卡住，这时候，操作中就得往后退一下将刀片退出泥土，同时，为了退出顺利，必须将切入刀片上面的泥土翻掉。此时，我们在刀片组件的安装上设计安装一个转动轴，在机器整体后退时，刀片有一个翘头的动作，将复在刀片上的连块土撬开，这样刀片就能顺利地退出来，绕开障碍物以后，重新开始工作。

b.钢丝切割组件

图15

钢丝切割组件，之所以采用钢丝来实现切割，是因为钢丝切割在切割泥土方面有不小的优势。

（1）高强度的钢丝，在我国大部分地区都普遍使用，取材比较方便。

（2）钢丝作为切割工具，在受损后，更换比较容易，没有技术难度，易学，普通工人一学就会。

（3）钢丝是圆形的，碰到石头等硬物，它会滑动，不会硬碰硬。更好地保护了切割的平顺性。

（4）钢丝切割的这种特性，就没有必要设置翻转结构，只需加一个钢丝张紧机构，成本相对低一些，刀架两边各配置一个限位块，限制切割深度不超过20 毫米。

钢丝的选用：

不同规格型号的不一样，如不锈钢304，日本标准：SUS304 抗拉强度大于 520N/mm2；美国标准：304抗拉强度大于515N/mm2。

国家标准GB/T1220：抗拉强度为大于等于520N/mm2。

抗拉强度（Rm）指材料在拉断前承受最大应力值。当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。钢材受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。单位：N/cm2(单位面积承受的公斤力)。

耕耘机机械切削土壤使之破碎，其能耗与土壤破碎程度成正相关，而土壤破碎的难易程度又与土壤强度成正比，所以破碎粘重而板结的土壤，其能耗要比破碎砂性土壤大得多。

土壤坚实度：

土壤坚实度也称贯入阻力。当压缩非密实土壤时，使其圧痕的容积为1cm3时所需的力称为单位压实力。当以一定断面形状的柱塞压人土壤，其圧陷深度与单位圧力的乘积称为土壤坚实度。土壤坚实度是表征土壤抗破坏、压缩和摩擦阻力的综合指标。

表5 各种土壤的单位圧实力

土壤坚实度同土壤的质地和含水量有着密切的关系。坚实度越大，土壤的承压能力及耕作阻力越大。表中所列土壤单位压实力只是概略数值，在评价耕地机械的性能指标时，往往采用仪器直接测定耕作层内不同深度处的土壤坚实度。

土壤与金属间的摩擦系数：

为克服在耕作机械工作部件工作表面上产生的土壤与金属间的摩擦力，大约消耗动力输出（牵引力）功率的一半。

摩擦力F 通常按下列公式计算：

F=fN 式中：f-摩擦系数；N-正压力。

土壤与金属（或其它材料）间的摩擦系数与土壤的类型、机械组成、含水量、工作部件的材料性质和表面状况，单位面积的压强以及运动速度等因素有关。许多研究报告的结果差别也很大，为简化起见，一般认为当运动速度在0.5～4m/s 之间，压强在20～100kPa 范围内，可采用下表中的f 值作估算。

表6 土壤与钢之间的摩擦系数

线切割钢丝线的选用，见表7。

表7 钢丝线径计算参数表

N=Vm*B*H*0.5=25*35*2*0.5=1750N 摩擦力

S=3.1416*r*r 钢丝横截面积

N=S*520=1750N 最大抗拉力=摩擦力

R=1.0（约等于1.0）钢丝半径

取整数，不锈钢钢丝的直径选择为2.0mm

图16

2.2.6 运输料斗和采茶机的安放位置设计

图17

料斗采用线径为3 毫米的304 不锈钢钢丝网制作。

图18

图19

将电动采茶机安放在扶手前，料斗后边，这个位置，方便电动采茶机取放。

2.2.7 控制电路示意图

图19

控制部分的设计：

控制电路分为两个部分，一部分是机器整机的行走控制。另外一部分是采茶机的电源外接。机器整机的行走控制机器的行走，采取的是直流电机驱动，旋动控制手柄，就可以实现电机的正常运行，速度由慢加快，控制灵活，需要倒退的时候，手柄处设有倒退按钮，可轻松实现前进后退。

3 结果与分析

试验条件，选择同样品种，培管标准一致的山地茶园，每行茶树长30m，树高70cm，茶树树冠110cm，行距150cm，行间耕作宽度40cm[2]。

采茶机采用浙江新昌“小茗”折断式嫩芽叶采茶机。

表8 试验数据表

（1）该多功能综作业平台单位时间采摘效率4.06～5.2kg/h（一芽二叶）；除草除净度 85%～95%（深度dh≤20mm）。采收效率高、除草除尽率高，操作轻便，省时省力，采用锂动力电池，无污染。

（2）受茶园立地条件限制，茶行耕作层土壤不平整产生除草机垂直方向振动和横向摆动，对除草作业有一定影响，平整地块茶园除净率高于地块起伏较大茶园，同时地块起伏较大茶园，茶园作业时操作工人感受到微振动，影响操作舒适性。

（3）同样由于茶园立地条件原因，地块起伏较大茶园影响机械化采茶采手作业，平整地块茶园采摘效率高于地块起伏较大茶园。

（4）不同立地条件茶园对该设备可靠性影响不明显，设备工作状况正常。

4 结 论

由于茶园的生长环境有其特殊性，绝大部分都分布在山地，茶园规划起陇高，立地条件差异大，茶行之间也难以达到平地茶园那样平整规范。同时受行距和操作空间限制，一般茶园作业设备难以进入。

该综合作业机具结合中耕除草及鲜叶采收两种工作的实际操作情况，优化了除草及小型单人采茶机结构，采用高效能、轻简化锂电池组，实现高山茶园除草、鲜叶采收作业的零排放，清洁环保；创新除草关键部件片刀和线刀的可快速更换的双刀头设计，工作效率更高，适应性更强。采用了茶园除草鲜叶采收整体化设计，简便实用。该机将采茶和除草有效结合在一起，实现了鲜叶采收，茶园除草一人作业，同时作业，是山地茶园装备的突破，必将在山地茶园生产上发挥重要作用。