茶树重修剪机的设计与试验研究

周洋，张强，崔清梅，梁金波，戴居会，向俊

（1.445000 湖北省 恩施市 恩施土家族苗族自治州农业科学院；2.445000 湖北省 恩施市 国家茶叶产业技术体系恩施综合实验站）

0 引言

茶树的生物学年龄很长，栽培的经济年限一般为 40～60 年，其中高产期持续30 年左右，进入衰退期后可通过树体改造及配套技术复壮树势，恢复产量水平[1-2]。据调查，我国有超过67 万hm2的老茶园，部分已经进入低产衰退期，加上管理不善、品种落后等原因形成大量低产低效茶园。此类老茶园生产水平低、经济效益差，严重影响茶叶增效和茶农增收，亟待通过改造提升茶叶质量和经济效益，这已成为当前我国茶产业供给侧结构性改革和推进高质量发展的重要内容之一。为推动老茶园规范化改造，农业农村部种植业管理司实施老茶园改造试点工作，全国农技中心组织专家研究制定了《老茶园改造技术规范》，提出“三推两减”（推进茶树更新、推进土壤改良、推进机械化生产、减化肥、减农药）核心技术措施。为了增强树势并恢复茶树活力，刺激营养枝生长更新，提高营养芽的数量和质量，促进生长枝条的轮换，在茶树的栽培及养护技术上普遍采用重修剪技术[3]。茶树重修剪技术还具有降低病虫害发生几率，恢复受冻害茶树生机，提高茶鲜叶综合品质，形成适合机采树冠面以及调节茶叶采摘洪峰等作用[4-5]。事实证明，采用重修剪技术改造衰老茶园，茶叶产量一般在第3 年就能恢复到改造前的水平，并能继续保持10 年左右的高产稳定期。

目前对茶树的修剪设备及研究主要集中于茶树的中、轻修剪机械的研制和应用上，达不到重修剪农艺要求而且适应性也仅侧重于坡度较小的平原地区茶园，对坡度较大的山区老茶树重修剪机械的开发和研制基本上还是处于空白状态[6-7]，因此设计一款适应我国丘陵山地用的单茶行一次性重修剪的修剪设备具有重要意义。

1 茶树重修剪机设计

1.1 重修剪机设计原则

（1）能实现丘陵山地茶园的田间作业，通过调整能实现不同标准茶园茶蓬面宽度（＜1 m）的重修剪工作，具有良好的适应性，满足茶树重修剪的农艺要求；（2）重修剪机力求设计结构简单、操作方便、通用性强、性能可靠；（3）零部件要趋于标准化、通用化，制造成本和维修费用低。

1.2 整机结构

电动茶树重修剪机适用于茶蓬重修剪，主要有工作扶手、机体主板、修剪限位块、割定位支撑板、驱动装置、圆盘锯、水平仪、电控柜、无刷电机、电机固定架等组成，结构如图1 所示。

1.3 修剪机工作原理

茶树重修剪机传动采用无刷电机直连圆盘锯，圆盘切刀相互独立工作互不影响，4 组组成一个修剪面，进而能够实现一次性完成茶树蓬横向工作面修剪。圆盘切刀工作时，安装在机体主板下方的修剪限位块将两侧茶树蓬限位，使茶树篷始终朝向圆盘切刀，实现茶树篷修剪的外形整齐，也能防止切屑伤人。为防止漏割，机体主板上三角齿置于两圆盘锯间，起拢枝作用。

修剪机作业时，启动电源开关，无刷电机通过电池供电为修剪机提供动力，电机驱动圆盘锯片作高速运动。锯盘锯切作业时，茶农2 人操纵机具向前移动，茶树枝在机体主板三角齿的作用下聚拢被切断，并在离心力作用下抛撒至茶园中，完成修剪作业。

1.4 主要参数指标

茶树重修剪机的主要参数指标如表1 所示。

表1 茶树重修剪机主要参数指标表Tab.1 Main parameter of tea tree pruning machine

2 切割受力分析

在修剪过程中，锯切力受到了含水率、树种、刀刃、切割速度、进给速度等因素影响[8]，为考察该重修剪机的修剪性能，研究圆锯盘的受力情况。当修剪机重修剪茶树枝时，圆盘锯片由电机驱动，锯齿上会产生切向锯切力，茶农手持工作扶手推进刀盘，在进给方向上产生推力。由于锯齿挤压，树枝产生法向锯切力。结合图2 分析可知，切向锯切力是切断树枝的主要因素[8]。

图2 旋转锯切时的锯切力Fig.2 Rotary saw cutting force

本机主锯切方式为横向锯切，圆锯片选用为具有高耐磨性能的硬质合金圆锯片，齿数60，直径260 mm，孔径25.4 mm，锯片厚度2 mm，参照高枝修剪机[9]，取锯片转速为5 000 r/min。

（1）根据选定的切割条件可求得锯片的锯切速度为

式中：D——圆锯片直径，mm；n——转速，r/min。

经计算，锯片主运动锯切速度V=68.03 m/s。

（2）设机具进给速度U=10 m/min，则每齿进给量为

则有Uz=0.02 mm。

（3）锯切过程中，运动遇角θ根据齿刃在树枝中的位置不同而不同，切入枝条时最小，在锯片离开锯路时达到最大值，平均运动遇角在锯路高度为H/4 取值。平均运动遇角[10]为

式中：H——锯路高度，本文中锯路高度为所修最大重剪茶树直径，取40 mm。

则有θav=85.64°。

（4）切削厚度[9]为

式中：s ——锯片厚度，mm；b——锯路宽度，mm；圆锯锯切中θ=θav。

为了减少锯切过程中因摩擦所消耗的锯切功率，选用拨料量为0.5 mm，则锯路宽度b=2.5 mm，则有a=0.025 mm

（5）因0

式中：a——切削厚度，mm；Cρ——刀具变钝系数；δ——锯切角；kz、Az、Bz、Cz——切削角、切削速度、树种以及切削方向相对于纤维方向等因素的单位切削力修正系数。

有关茶树切割参数的参考文献较少，本研究参照松木类的修正系数计算[10]，查表1-3 和表1-4可 知，kz=0.98，Az=0.029，Bz=0.069，Cz=0.647，δ=6°0，Cρ=1，则Pt=22.2 N。

（6）切向锯切力为

式中：Pt——单位锯切力，N；b——锯路宽度，mm；α——影响摩擦力变化强度系数，圆锯锯切时α=0.735 N/mm2；Uz——每齿进给量，mm；H——锯路高度，mm；C——齿距，mm。

经计算：Fx=4.98 N。

（7）锯切功率[10]为

经计算：Pc=0.34 kW。

根据上述参数，得到重修剪机的每个电机主轴所需锯切力为22.2 N，所需选择的无刷电机传递的功率要大于0.34 kW。

3 性能试验及结果分析

3.1 试验条件

试验田设置在恩施市高新开发区农科院茶叶基地，茶叶品种为槠叶齐品种，缓坡地形（＜20°）。工况前进速度0.5～5.0 km/h，速度范围能适应重修剪作业和转移的各种工况。试验样机如图3 所示。

图3 试验样机Fig.3 Experimental prototype

3.2 试验方法

按照标准JB/T 5674-2007《茶树修剪机》[11]枝条撕裂率、枝条漏剪率的要求，在修剪后的茶树行切割面上，用面积为0.1 m2（20 cm×50 cm）的测框随机取3 点进行测试，测定枝条撕裂率、枝条漏剪率[12]。

枝条撕裂率：

式中：Rs——枝条撕裂率，%；S——测框内枝条撕裂数，个；Z——测框内枝条总数，个。

枝条漏剪率计算：

式中：RL——枝条漏剪率，%；L——测框内未剪枝条数，个；Z——测框内枝条总数，个。

3.3 结果分析

对重修剪机的撕裂率、枝条漏剪率等指标进行测定，取5 次测定平均值如表2 所示。

表2 试验结果Tab.2 Test results

结果表明，在相关国家和行业标准测试中，该型茶树重修剪机总体工作顺畅，能一次完成单个茶行的重修剪工作，其撕裂率、枝条漏剪率等关键指标符合茶树修剪机标准作业要求。

4 结论

（1）设计的茶树重修剪机，采用无刷电机直连传动，功率损耗低，工作噪音小，污染少，能完成单个茶行的一次性重修剪。

（2）适用于现有的大部分茶园和茶蓬，工作幅宽可达1 050 mm，最大修枝切割直径40 mm，通过性好。

（3）性能试验测试的结果表明：机具的撕裂率为4.6%、枝条漏剪率为3.2%，其核心指标符合重修剪机作业的农艺要求，符合预期设计。