悬挂式茶树修剪装备的设计与试验*

罗悦洋 ， 高巧明，2 ， 吕 攀 ， 糜泽荣 ， 李宗鹏 ， 蔡羽晨

（1.广西科技大学广西汽车零部件与整车技术重点实验室，广西 柳州 545006；2.广西合浦县惠来宝机械制造有限公司，广西 北海 536100）

0 引言

中国是世界上第一个发现和使用茶叶的国家[1]，广西作为中国的茶叶种植大省，在茶叶生产效率、生产质量方面却还有待提高。茶树修剪是茶园生产中必不可少的一道工序，定时的修剪作业能大大提升茶树的生长速度，所以其机械化作业尤为重要。但广西不少茶园在该环节上的生产模式仍以小型装备搭配人工作业为主，存在劳动强度大、效率低、作业质量不均匀等问题[2]。

国内外相关企业针对茶园机械化作业开展了大量研究。日本川崎重工业株式会社（Kawasaki）、落合刃物工业株式会社（Ochiai）等对乘坐式茶树修剪机进行了研究[3]，并取得了一些成果。目前，广西茶树种植以丘陵山地为主，因此国外的乘坐式茶树修剪机并不适用于我国的丘陵山地茶园，存在转场困难、田间作业宽度不足等问题[4]。而我国对于茶树修剪装备的研究主要还是以小型修剪装备为主，有单人式茶树修剪机、双人式茶树修剪机、电动型茶树修剪机、背负式茶树修剪机等，其生产过程仍需搭配人工进行作业。随着生产劳动力的短缺和严峻的人口老龄化趋势，谁来干活的问题日益突出，因此，加快修剪装备的研发，成为茶园生产全程机械化的迫切需求[5]。本文针对茶树种植模式和农艺要求，对茶树修剪装备的关键部件进行设计与试验，研制了一种悬挂式茶树修剪装备，田间试验表明，该装备完全满足茶园机械化生产要求，为茶叶的量产和扩产打下了坚实的基础。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

悬挂式茶树修剪装备主要包括机架、修剪刀组安装台、水平修剪刀组、左右竖直修剪刀组、液压系统、多关节往复式传动系统，整体结构如图1 所示。

图1 悬挂式茶树修剪装备整体结构示意图

1.2 工作原理

在进行茶树修剪作业时，需要对茶树的顶端树冠面和两侧面进行修剪工作，本文所设计的茶树修剪装备根据不同作业面不同的修剪要求，采用了两种驱动模式。首先，在修剪茶树顶端树冠面时，修剪装备通过茶园高地隙作业平台的PTO 提供动力，实现水平修剪刀组的往复运动；然后，在进行茶树侧枝修剪时，使用液压带动竖直修剪刀组上的液压马达实现茶树的侧边修剪。

1.3 主要技术参数

悬挂式茶树修剪装备主要技术参数如表1所示。

表1 高地隙平台悬挂式茶叶修剪机主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 修剪高度、宽度设计

茶树修剪的目的是使茶树有良好的树势和宽阔的采摘面，培养具有矮、壮、宽、匀的茶蓬，提高茶叶的产量和品质。悬挂式茶树修剪装备作业示意图如图2 所示。根据相关标准，茶园内茶树的种植方式为垄间种植，两垄茶树之间的距离为400 mm，每垄茶树的种植宽度为1 100 mm～1 200 mm，需要修剪的成龄茶树高度一般为800 mm～900 mm，为了使茶树更好地生长则需要从树冠面向下修剪100 mm～200 mm，修剪后的茶树高度在600 mm～700 mm 之间。针对茶树种植特点和修剪要求，设置水平修剪刀组宽度为1 200 mm、作业高度H大于600 mm，竖直修剪刀组作业宽度L应小于1 200 mm。

图2 悬挂式茶树修剪装备工作示意图

2.2 修剪刀组的设计

本设计为适应茶树修剪需求，水平修剪刀组采用单动刀往复式修剪，竖直修剪刀组采用双动刀往复式修剪[6-7]，具体情况分别如图3、图4 所示。水平修剪刀组的动刀安装在定刀导轨中，动刀再通过螺栓与水平滑槽驱动机构连接，往复传动装置通过轴承安装到水平滑槽内，带动动刀做往复直线运动，完成茶树的水平面修剪；竖直修剪刀组的上、下动刀通过导槽连接板安装在刀架上，双凸轮安装在上、下动刀的滑槽中，带动刀组做往复直线运动，上、下动刀运动方向始终相反，对刀架的附加作用力相互抵消，保证了刀架及整机的工作平稳性。

图3 水平修剪刀组结构示意图

图4 竖直修剪刀组结构示意图

在刀组设计上，最主要的就是刀片的选择，修剪刀片按不同作业方式一般分为动刀刀片和定刀刀片，按刀刃形状的不同可以分为有齿刀刃和无齿刀刃，按照刀片形状的不同可以分为三角形刀片和梯形刀片。对于茶树修剪机而言，茶树的顶端会存在着较粗的树枝和错综复杂的枝条，如果刀片选择不合理的话就会出现卡塞、切削不完整等现象，因此，需要选择切削能力较好的刀片。

通过对茶树枝条与修剪刀具进行受力分析，如图5 所示，得出在修剪作业时，茶树枝条不发生滑移的条件为：

图5 刀片结构及切割受力示意图

式中，β——被修剪茶树枝条的摩擦角；α——刀片斜角；Ff1——动刀刀片对茶树枝条的摩擦力，N；Ff2——定刀刀片对茶树枝条的摩擦力，N；FN1——动刀刀片对茶树枝条的支持力，N；FN2——定刀刀片对茶树枝条的支持力，N。

依据式（1）、（2）、（3）可知：茶树枝条在修剪刀组的修剪作业下，不发生滑动的条件为α≤β，因此，本设计选择修剪刀具的刀形为三角刀片啮齿刀刃，相较于光刃来说切削阻力更大，切削更加顺畅。

2.3 刀组传动方式的设计

水平修剪刀组的传动方式是通过高地隙茶园作业平台的PTO传动轴驱动多关节往复式传动系统，整个传动系统通过多机构串联的方式为水平修剪刀组提供往复运动，使其顺利完成对茶树顶端的修剪[8-9]。本文所设计的多关节往复式传动系统的曲柄轴心并没有在动刀往复运动的直线上，故需要通过一个弧形摆盘来进行曲柄机构的运动方向转换，如图6所示。

图6 水平修剪刀组的运动方式示意图

如图6 所示，x方向为弧形摆盘往复运动的方向，y方向为动刀往复运动方向，则曲柄连杆机构驱动下的弧形关节位移s、速度v及加速度a分别为：

式中，r——曲柄长度，mm；ω——曲柄旋转角速度，r/min；t——运动时间，s。

曲柄长度为67 mm，曲柄旋转角速度为1 000 r/m i n，代入式（4）计算，则弧形关节位移s为67 mm、速度v为0.321 m/s，加速度a为17.89 m/s2。

竖直修剪刀组的传动方式为液压传动[10]，液压原理图如图7 所示。竖直修剪刀组通过液压快换接头与茶园高地隙作业平台的液压接口相连，液压驱动刀组上的液压马达工作，通过单独驱动左右修剪刀，使得刀组的每个修剪刀都具有一定的修剪速度及修剪功率，且每个修剪刀的修剪速度都可以通过作业平台所搭载的液压主控制系统调节，通过液压马达的转速反馈编码器进行液压马达的转速反馈，然后再由PWM 电路控制液压油路的流量，以控制液压马达的速度。

图7 竖直修剪刀组液压原理图

3 田间试验

悬挂式茶树修剪装备在广西柳州市柳城县伏虎华侨茶园进行了田间试验，如图8 所示。田间试验项目主要有：作业效率、修剪质量。

图8 样机田间试验

3.1 试验条件

1）试验地：试验共设置4 个试验区，每个试验区2 行茶树，总面积为240 m2（每行长30 m，宽1 m），试验共进行4 次，机修3 次，人工修剪对照组1 次，面积均为60 m2。

2）试验茶树状况：茶树为条播种植，茶树之间的距离为400 mm，茶树的种植宽度为1 200 mm，茶树均高823 mm，茶树行长30 m，树冠宽1 350 mm。

3.2 试验结果

试验样机田间作业性能稳定，与其他修剪装备主要性能试验结果对比，如表2 所示。

表2 不同修剪装置修剪性能对比试验

田间试验表明：课题组所设计的悬挂式茶树修剪装备在对高度为800 mm 左右的茶树进行修剪时，能很好地满足茶树修剪作业要求。根据茶树修剪机行业标准对各机型修剪茶树的效果进行分析，发现悬挂式茶树修剪装备漏剪率小于1%，撕裂率小于2%，修剪效率达到1 690.14 m2/h，与其他修剪设备相比，悬挂式茶树修剪装备的修剪效率大幅提高。

4 结论

综上，课题组结合广西地区丘陵山地茶园种植模式和农艺要求，研制了一种悬挂式茶树修剪装备。田间试验结果表明：采用水平修剪刀组和竖直修剪刀组进行茶树顶端、侧边修剪时的修剪效果明显；采用机械传动与液压传动的组合式传动，提高了装备的稳定性和安全性；工作效率相比于其他茶树修剪装备提升明显，且装备漏剪率为0.85%、撕裂率为1.27%，均处于茶树修剪机行业标准所要求的范围内；修剪装备结构紧凑、作业效率高、修剪损伤率低、操控灵活，可以满足广西地区丘陵山地茶园茶树的修剪工作需求。