履带式智能采茶机的设计与试验

宋扬扬,李为宁,李 兵,b,张正竹

(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 230036)

0 引言

随着时代的发展和进步,茶叶已逐渐成为最受欢迎的保健饮品。我国是茶叶的发源地,也是生产茶叶最多的国家,茶园采摘有着悠久的历史。近年来,随着农村劳动力的日益短缺,我国茶农可利用的机械设备往往无法满足采茶期的用工需求,而茶叶时令性强,鲜叶采摘不及时,会导致茶园产量下降,影响茶农的收益,严重制约了茶叶产业的发展[1]。我国茶树种植区大多位于丘陵地区,地形较为复杂,地块相对较小,大型机械进入茶园会影响茶树的生长,机械采茶作业存在一定的难度[2]。通过市场调查发现,目前国内的大多数采茶机采摘茶叶的一致性比较差,会出现采老叶、迟采、滥采的情况,机器笨重,受地形限制严重,且对茶梢和嫩芽有一定的损伤,严重影响了茶叶质量和下一轮新梢的成长[3]。

为了提高茶叶采摘的质量和产量,满足广大茶农便于操作的使用要求,依据丘陵地区茶园管理、土壤、地形的特点,根据相关农艺要求和农业机械设计标准设计了一款履带式智能采茶机,并对其进行了试验研究。

1 采茶机的总体结构

履带式智能采茶机主要由行走机构、传动装置、升降机构、茶叶采摘总成、操作装置及集叶袋组成,如图1所示。在SolidWorks环境中对履带式智能采茶机进行三维建模。

1.扶手支架 2.汽油发动机 3.大带轮 4.蓄电池 5.直线电机 6.升降底座 7.底盘 8.履带 9.风机 10.茶叶筛选感应板 11.行走轮 12.变速箱 13.前进后退挡杆 14.挡位调节杆 15.升降支架 16.旋转手柄 17.采茶汽油机 18.风管 19.伸缩装置 20.切割刀片图1 履带式智能采茶机总体结构示意图Fig.1 Overall structure sketch of crawler type intelligent tea picker。

其中,行走机构是由履带、底盘、汽油发动机、传动装置及操作装置等组成[4];茶叶采摘总成由采茶汽油机、往复式双动切割器、刀杆、护刃器、茶叶筛选装置、风机及风管等组成,茶叶筛选装置可以智能识别茶叶的切割深度,切割器由往复式双动刀片和对置偏心轮组成;操作装置主要包括挡位调节杆、前进后退挡杆、扶手支架及油门控制把手;茶叶采摘总成由滑套安装在升降机构的直线电机丝杠上,升降机构通过螺栓固定在履带上方的升降底座上,调节茶叶采摘总成的高度,可以满足茶蓬高度不一致的茶树作业。

2 关键部件的设计

2.1 履带参数计算

履带的主要参数如表1所示。

表1 履带主要参数Table 1 Main Track Parameters。

履带接地长度L和轨距a之间的比值对履带行走机构的转向性能影响较大:该值较小时,行走机构的直行性能较差;该值较大时,行走机构的转向能力较差[5]。

(1)

如果两条履带与地面完全接触,当工作重力与垂直外载荷所构成的合力在水平地面上的投影同履带接地区段的几何中心相重合时,履带接地比压呈均匀分布状态,称为平均比压。通常推荐接地比压Pa≤0.14MPa,表达式为[6]

(2)

式中Pa—履带平均接地比压(Pa);

G—机器工作重力与垂直外载荷所构成的合力(N);

L—履带接地长度(m);

b—履带宽度(m)。

采茶机工作时不受到垂直外载荷, 工作重力取采茶机自身重力,因此G=mg=2.5×103N。根据表1数据,带入上式可得Pa=11.16×103Pa<0.14MPa,满足设计要求。

2.2 传动系统拟定

传动系统主要为履带式智能采茶机在茶园行走、转弯提供动力,如图2所示。本文采用带传动方式作为采茶机传动系统的第1级传动,以保证采茶机底盘在工作时的安全性。汽油发动机通过窄V带将动力传递给变速箱的主动轴,变速箱将动力传递到采茶机的驱动轮上,带动采茶机在茶园行走[4]。变速箱采用传动效率高的齿轮传动方式,有快进、慢进和倒退3挡可调。

1.汽油发动机 2.小皮带轮 3.大皮带轮 4.主动轴 5.倒挡轴 6.行走轮图2 传动系统示意图Fig.2 Schematic diagram of transmission system。

2.3 升降机构的设计

由于茶叶种植习惯和茶树生产环境的差异,茶树的生长高度不一致,为此选择了直线电机来实现对茶叶采摘总成的高度调节,以满足高度不同的茶树的采茶需求。开降机构3D模型如图3所示。

图3 升降机构3D模型图Fig.3 3D model of lifting mechanism。

直线电机的丝杠通过轴承与升降底座的机架连接,以保证茶叶采摘总成及整个机构的稳定性;直线电机提供合适的转速给丝杠,使茶叶采摘总成上下滑动,以适应不同茶蓬高度的茶树;旋转手柄安装在直线电机丝杠顶部位置,可在采茶时对茶叶采摘总成进行微调,当蓄电池能量耗尽时,也可以手动调节茶叶采摘总成的高度。

2.4 茶叶采摘总成的设计

茶叶采摘总成是采茶机最关键的部分,其性能对采茶作业的顺利进行、降低采摘损失率及提高采摘质量具有重要作用[7]。由于大部分茶园种植不规范、栽培管理水平较低、修剪不及时、茶树鲜叶分布不均匀,茶芽不仅生长于茶蓬顶端,有些会往茶树两侧延伸[4]。为此,提出了一种智能识别切割深度的弧形茶叶采摘总成,既能确保两侧的茶叶鲜叶能被收集到,又能够保证所采鲜叶大小均匀,确保茶叶品质,还不影响下一轮新梢生长。茶叶采摘总成的3D模型如图4所示。

图4 茶叶采摘总成3D模型图Fig.4 3D model of tea picking assembly。

工作原理:茶叶采摘总成包括采茶汽油机、辅助机架、切割器及自动感应切割深度的茶叶筛选感应板,切割器上有上下行程开关,筛选感应板上有行程开关触点。工作时,茶叶筛选感应板盖在茶树上方,当行程开关触点与下行程开关接触时,升降机构控制茶叶采摘总成整体下降直到茶叶筛选感应板被茶树向上顶起且行程开关触点脱离下行程开关;当茶叶筛选感应板被茶树向上顶起至行程开关触点与上行程开关接触时,升降机构控制茶叶采摘总成整体上升直到行程开关触点脱离上行程开关;根据茶叶的芽长、叶张幅宽及茶蓬高度,智能调节茶叶采摘总成的高度,提高采茶质量。

茶叶筛选感应板可以更换,具体如下:春茶纤细柔软、叶张较小,有芽头、一芽一叶、一芽两叶之分,可以更换为梳齿间距较小的感应板;夏秋茶粗松较硬、叶张较大,茶叶有一芽三叶、一芽四叶之分,可以更换为梳齿间距较大的感应板;当茶树将行程开关触点顶离下行程开关时,切割器开始采摘浮于梳齿板上方的茶叶。

切割器采用弧形往复式双动刀片,不但可以采摘茶树顶的茶叶,还可以采摘茶树两侧的茶叶,大大提高了茶叶采摘的产量和质量。往复式双动切割器结构示意图如图5所示。

1.偏心轮 2.上刀片 3.下刀片图5 往复式双动切割器结构示意图Fig.5 Structural schematic diagram of reciprocating double-action cutter。

采茶汽油机采用额定功率为1kW的单缸风冷两冲程的汽油机,额定转速为3 600r/min,经过带传动降速和减速器调节,偏心轮可获得700～900r/min的转速,则往复式双动刀片往复频率为24～30Hz。弧形刀片由T9高级碳素钢制成,刀片厚度为2～3mm,具有韧性好、切割锋利等特点,在茶鲜叶密度和湿度较大、切割阻力大的情况下,采茶机既能降低能耗和漏采率,又能提高茶叶采摘质量和产量[8]。

3 采茶机运动分析

3.1 割刀的运动方程

由对置偏心轮机构驱动的往复式双动刀片可以看成双曲柄的近似简谐运动,以驱动上刀片的曲柄为例,如图6所示。以曲柄和上刀片的接触点为原点O,假定X轴向右为正,上刀片刃口上任一点的位移x、该点的速度vx和加速度ax可按下式计算[9],即

注:r为曲柄半径(m);φ为曲柄转角(rad);x为上刀片刃口上任一点的位移(m);vx为该点的速度(m/s);ax为该点的加速度(m/s2)图6 割刀运动规律图Fig.6 Motion diagram of cutter。

x=rcosωt

(3)

(4)

ax=-rω2cosωt=-ω2x

(5)

式中r—曲柄半径(m);

ω—曲柄角速度(rad/s);

t—曲柄由极左点A起转过的时间(s)。

从上述公式可推导出刀片的运动速度vx和其位移x的关系为

(6)

综上可知,上刀片刀刃口的任意一点的速度vx和该点的位移x符合椭圆的曲线规律,且下刀片与上刀片变化规律一致。当刃口某点为刀片的中点时,该点位移x为0,vx取得最大值;当刃口某点处于刀片左极限点或右极限点时,该点位移x=±r,vx=0,取得最小值[9]。

3.2 采茶机的刀机速比

刀机速比β是衡量设计的履带式智能采茶机能否在茶园可靠工作的重要指标之一,对采下的鲜叶质量、采后蓬面整齐程度和漏采率都有重要影响。因此,必须严格控制刀机速比在合理的范围内,以确保采茶机在茶园工作的可靠性。图7为往复式双动切割器的切割图[10]。

注:H为机器前进位移(m);2S为双动刀片运动位移(m)。图7 往复式双动切割器的切割图Fig.7 Cutting diagram of reciprocating double-action cutter。

往复式双动切割器割刀做往复直线运动,由图7可以看出:收割区Ⅰ中,在刀片的剪刀式运动过程中茶叶被收割;重切区Ⅱ中,茶叶被收割后,刀刃在回程中重复划过这块区域,属于无用功;空白区Ⅲ中,在刀片运动过程中刀刃不接触茶叶,茶叶被漏割。因此,重切区和空白区的面积应该越小越好[11]。当偏心轮转速为750r/min时,割刀的平均速度为v1=1.5m/s,采茶机平均作业速度v2=1.05m/s。根据相关茶叶机械标准得知,刀机速比通常大于1.02,则

(7)

4 试验结果与分析

履带式智能采茶机设计完成后,进行了茶园茶叶采摘试验。在茶园土壤相对湿度为23.5%、平均土壤坚实度为19.28kg/cm2的土壤环境下,对履带式采智能茶机进行了茶园采摘试验,主要测量项目有茶园种植行距、茶蓬高度与宽度、采茶机作业时间与距离时间、工作噪声,以及茶叶质量与产量等。茶园试验如图8所示,试验数据如表2所示。

图8 茶园试验Fig.8 Tea Garden Test。

表2 试验测试数据Table 2 Test data。

续表2。

茶园试验结果表明:采用履带式采智能茶机进行茶叶采摘,当采茶机前进速度为3.78km/h、切割器往复频率为25Hz时,采摘性能良好,采茶机的工作效率为300kg/h,,保证了茶叶采摘的产量,且茶叶的芽叶完整度、漏采率和工作效率等指标都达到相关设计的标准。

5 结论

1)履带式智能采茶机设计简单,结构紧凑,占用空间小,适用于我国大部分密植型茶园,履带行走通过性强,稳固性好,降低了劳动强度,提高了茶叶产量和经济效益。

2)采用单缸风冷四冲程的汽油发动机和单缸风冷两冲程采茶汽油机,质量小,动力强,噪音低,污染小,且能满足复杂地形的茶园作业,适用于我国丘陵地区的茶园。

3)采用高度、角度可调的弧形切割器,实现了对非标准种植和无侧边修剪的茶树的机采。切割器下方还安装有茶叶筛选感应板,可根据茶叶芽长和叶张幅宽及茶蓬高度自动调节到切割深度,保证了采茶质量,降低了茶叶破损率。