自走式电动采茶机采茶系统设计

黄 升，吴顾斌，蒋红达，方子祥，卢 伟

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

市面现有采茶机多为油动式多人采茶机以及小型单人采茶机。采摘效率以及质量都普遍不高，且劳动强度大，并伴随有损伤茶梢及污染环境等弊端。市场急需一款绿色高效的采茶机。针对目前茶园采茶机以发动机驱动存在污染、影响茶叶品质、人工单人背负或双人抬着劳动强度大、采茶质量只能人工把控等问题，设计出一款适用于大规模标准化茶园的自走式电动采茶机。

1 采茶系统设计内容

1.1 基本组成与设计布局

所设计的采茶系统由采茶机箱体、齿状采茶下刀片、下刀片支撑板、圆柱凸轮机构、传动齿轮和电机组成。采茶机箱体设计有采茶口、吹风口和出茶叶口，另外，能够安放凸轮机构、传动齿轮和电机等设备，起到采茶系统的基本载体作用。

该采茶系统采用单动式组合刀片剪切茶叶，上下刀片均为圆弧形状，刀片厚度为2 mm，并且紧贴在一起。上刀片是固定片，作为采茶机箱体的一部分，配合下刀片剪切茶叶。下刀片是运动片，刀片尾部有一根柱状杆件，圆柱头嵌入圆柱凸轮槽内，当凸轮旋转时就会推动柱状杆件，进而推动刀片做直线往复运动，此外，圆柱凸轮的旋转运动由电机通过齿轮传动来传递。下刀片支撑板装配在采茶机箱体底部，起到支撑下刀片运动的作用。这样的设计是基于圆柱凸轮机构可以将旋转运动转化为直线往复运动的原理来实现的，如图1所示为采茶机总体结构。

图1 采茶系统设计

1.2 采茶系统工作原理

采茶系统采茶的工作原理是：电机通电电机轴旋转，带动电机轴上的齿轮一同旋转，通过齿轮传动将旋转动力从电机轴上的齿轮传到圆柱凸轮上的齿轮，圆柱凸轮同其上的齿轮一同旋转，旋转的圆柱凸轮带动下刀片尾部的柱状杆件做往复直线运动[1]，下刀片尾部的柱状杆件与下刀片是一体的，于是下刀片同样做直线往复运动，下刀片与上刀片通过齿状设计并且相互紧贴，由下刀片的直线往复运动实现采茶机对茶叶的剪切[2]，由于采茶机会前行，所以剪切过的茶叶会被堆积在采茶机箱体里。图2为采茶机的凸轮传动设计。

2 运动分析与传动过程相关参数计算

2.1 直流无刷电机

采茶系统动力上采用直流无刷电机，本质上讲其是同步电机中的一种，不过不同的是，直流无刷电机是在同步电机的基础上加上电子式控制器。其设计依据是通电的导体在磁场里会受到安培力的作用[3]，磁极与通电导体产生相互排斥的力，从而产生旋转运动，遵从左手定则。无刷直流电机的基本结构分为定子和转子两部分，定子包括定子铁芯和定子绕组，转子就是永磁体。定子铁芯内圆表面开有槽，其由硅钢片叠压而成，用来布置定子绕组，而定子绕组则由若干线圈组成[4]。该电机的工作过程是：线圈缠绕在电动机的转子上，其有电流通入时，作为磁场线圈的定子也有电流通入，此时会产生定子磁场，在定子磁场中存在的安培力会施加到通电的转子线圈上，于是就会有电动力产生，从而推动转子旋转[4]。需要说明的是，转子电流连接到直流电源是通过整流子上所带的碳刷来实现的。

图2 圆柱凸轮机构设计

2.2 所选电机参数

采茶系统电机静态标定参数为直流电压24 V，功率50 W，电流0.13 A，电机自重为1.05 kg，可调速，可正反调节。电机动态参数在24 V直流电压的工况下转速为2300 r·min-1，另外，电压在12～24 V的工况时，电机的转速为1150～2300 r·min-1。

2.3 传动过程相关参数计算

由于圆柱凸轮机构转一圈，齿状采茶下刀片剪切茶叶一次，传动系统采用齿轮传动方式，所以采茶速率通过圆柱凸轮的转速可计算，根据齿轮传动比公式为

(1)

式中 n1、n2—主、从动轮转速，r·min-1；

Z1、Z2—主、从动轮齿数。

中间齿轮齿数为18，其对传动比大小没有影响，只是改变了输出轴旋转方向，已知电机轴齿轮齿数为23，圆柱凸轮轴齿轮齿数为19。当以12 V直流电压工作时，电机轴齿轮转速为1150 r·min-1，将已知数据带入公式(1)可求得圆柱凸轮轴齿轮转速约为1392 r·min-1。同理，当以24 V直流电压工作时，电机轴齿轮转速为2300 r·min-1，求得圆柱凸轮轴齿轮转速约为2784 r·min-1。因此该采茶系统采茶运行速率在1393～2784 r·min-1之间比较合理，电机的工作情况通过采茶机控制器实现相应调整。

3 结语

用人工采茶的方式，随着工作时间延长工人身体疲劳度会渐渐增大，从而会降低工作效率，采茶机采茶不仅可以省去很多人工采茶的劳动力，还可以节约生产成本，也不用担心采茶慌、人工贵等问题。自走式电动采茶机一方面解决了劳动力和劳动强度的问题，而且由于电动机防止了燃油发动机的污染，采摘的茶叶品质会更高。