楊擁軍，羅妙輝，李 維，吳文亮，周秉謙，劉偉英

（1.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.株洲市錦瑞機(jī)械有限公司，湖南 株洲412000）

當(dāng)前，為適應(yīng)茶園生產(chǎn)綠色高效的時(shí)代要求和市場(chǎng)需求，國內(nèi)外茶葉生產(chǎn)企業(yè)對(duì)名優(yōu)茶機(jī)械化采摘和綠色生態(tài)茶園高效培管提出了新的目標(biāo)，推動(dòng)了茶園機(jī)械化采摘及培管設(shè)施快速發(fā)展。國內(nèi)行業(yè)企業(yè)紛紛開展了茶園輕簡(jiǎn)化裝備研究，研制了眾多型號(hào)的采茶機(jī)，設(shè)計(jì)較典型應(yīng)用較廣泛的是單人手持式名優(yōu)茶采茶機(jī)，該機(jī)型一般1～3 人操作，采用背負(fù)式動(dòng)力電源，工作原理采用雙鋸齒刀片往復(fù)式剪切方式[1]，工作時(shí)，采摘器刀片切斷茶樹芽葉，采茶器兩端裝有吹風(fēng)口，將采斷的芽葉吹入布袋，采摘手后跟隨1～2 人移動(dòng)布袋布袋收集鮮葉[2]，通過共同作業(yè)完成鮮葉的采摘收集。生產(chǎn)效率與以前的手工采茶確實(shí)提高了不少，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低的問題仍然突出。

同時(shí)，隨著果園、菜地除草機(jī)的陸續(xù)出現(xiàn)，部分應(yīng)用于茶園除草作業(yè)，該設(shè)備大都采用旋轉(zhuǎn)手扶滾輪式除草方式，雜草纏繞現(xiàn)象嚴(yán)重。動(dòng)力配置上，該設(shè)備一般采用汽油機(jī)動(dòng)力，無法滿足山地茶園有機(jī)生產(chǎn)要求。研制開發(fā)同時(shí)滿足中耕除草和鮮葉采摘的清潔能源為動(dòng)力的多種功能茶園作業(yè)裝備十分必要。

圖1 手持式單人作業(yè)采茶機(jī)作業(yè)

圖2 手扶式作業(yè)除草機(jī)作業(yè)

1 設(shè)計(jì)思路

（1）目前茶園使用的除草機(jī)基本上是菜地果園用的除草機(jī)器，對(duì)除草作業(yè)寬度沒有明確的要求，比較隨意。而茶園的生長(zhǎng)環(huán)境有其特殊性，絕大部分都分布在山地，坡陡路窄[3]，茶園規(guī)劃起隴高，立地條件差異大，茶行之間也難以達(dá)到果園菜地那樣平整規(guī)范。同時(shí)行距受到限制，一般行距（茶樹兩行的底部）都不會(huì)超過1500mm，茶行樹冠空間距離小于400mm。因此，菜地果園除草機(jī)難以適應(yīng)茶園除草作業(yè)要求，必須做出相應(yīng)的改進(jìn)。

（2）機(jī)械化采茶是茶園田間管理的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的機(jī)器，基本上都是背負(fù)電池或兩沖程小動(dòng)力汽油機(jī)，手持采茶器作業(yè)的作業(yè)模式。電池或汽油機(jī)較重[2]，茶園一線工人，長(zhǎng)期從事采茶機(jī)作業(yè)，如果同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間背負(fù)十余公斤的動(dòng)力配重，勞動(dòng)強(qiáng)度過大，一般工人適應(yīng)不了。通過綜合作業(yè)機(jī)具設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮將動(dòng)力負(fù)重去掉，將電池組安裝在移動(dòng)的行走裝置上。采摘作業(yè)時(shí)，由1～2 個(gè)工人抬著集葉袋跟隨采摘手一同前進(jìn)，起初鮮葉量少的時(shí)候，人力感覺有點(diǎn)過剩，隨著采集的鮮葉量越來越多，集葉袋重量越來越重，作業(yè)強(qiáng)度逐漸加大，操作手和副手配合也愈加困難。因此完全可以省略采茶機(jī)掛裝布袋裝置，采用采茶機(jī)小料斗整體化設(shè)計(jì)，待采手收集一定數(shù)量后，就將小料斗中的鮮茶葉倒入除草機(jī)附屬設(shè)計(jì)安裝的大料斗中，省掉兩個(gè)跟在后面的抬袋子的工人，同時(shí)減輕了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）綜合兩種工作的實(shí)際操作情況，我們開發(fā)了一款多功能茶園綜合作業(yè)機(jī)具，將采茶和除草有效結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)鮮葉采收，茶園除草一人作業(yè)。在采茶過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)茶園除草工作，待采集了一定茶行的鮮葉后將鮮葉倒入除草機(jī)裝載的料斗中。再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，直至這一行茶樹全部茶葉采集完畢，與此同時(shí)也完成了茶園雜草的清理工作。在采收完成后的空地處，將采集到的鮮葉倒出料斗。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總裝設(shè)計(jì)

圖3

圖4

2.2 主要部件和技術(shù)參數(shù)

茶園除草采茶一體化機(jī)器的基本結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)。

本機(jī)主要由如下機(jī)構(gòu)組成：直流減速電機(jī)、鋰電池組件及控制盒組成的動(dòng)力源、鏈輪鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾動(dòng)輪和軸組成的行走機(jī)構(gòu)、扶手及控制機(jī)構(gòu)、除草機(jī)構(gòu)（刀片式或者鋼絲切割式）、儲(chǔ)存鮮葉的料斗裝置、單人采茶機(jī)組。

表1 整機(jī)基本參數(shù)

2.2.1 電機(jī)的選配

主要部件的選配和技術(shù)參數(shù)：

電機(jī)功率計(jì)算參考下式：

運(yùn)動(dòng)功率損耗 N=F×v÷60÷η；

式中：N 功率 (kW)；F 牽引力 (kN)；v 速度(m/min)；η 傳動(dòng)機(jī)械的效率，一般 0.8 左右。

N1=50*×300÷60÷0.8÷1000=0.312kW。

切割功率損耗

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，我們選擇功率為650W 的直流電機(jī)。

表2 功率計(jì)算參數(shù)

2.2.2 直流電機(jī)功率和型號(hào)

圖5

表3

2.2.3 鋰電池

圖6

圖7

2.2.4 鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

a.主動(dòng)鏈輪

圖8

圖9

b.從動(dòng)鏈輪

圖10

圖11

c.選擇鏈輪的齒數(shù)

大鏈輪的齒數(shù)=小鏈輪的齒數(shù)X 速度比

確定小鏈輪的齒數(shù)為14 齒，再乘以速度比1∶2，則可確定大鏈輪的齒數(shù)。小鏈輪的齒數(shù)為14 齒，大鏈輪的齒數(shù)28 齒。

d.鏈輪的軸間距

最短軸間距當(dāng)然是以2 個(gè)鏈輪不相互接觸為好，但請(qǐng)選擇120°以上的小鏈輪卷繞角度。一般來說，較為理想的軸間距為所用鏈條節(jié)距的30～50倍，在此，我們根據(jù)機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊性的考慮，確定軸間距為300mm 左右比較適宜。

e.計(jì)算鏈條的長(zhǎng)度與鏈輪的軸間中心距離

確定鏈條以及兩鏈輪的齒數(shù)、軸間距后，根據(jù)鏈節(jié)數(shù)計(jì)算公式來確定長(zhǎng)度。

（1）計(jì)算鏈條的長(zhǎng)度(已確定鏈輪的齒數(shù)N1、N2與軸間中心距離Cp 時(shí))

Lp：用鏈節(jié)數(shù)表示的鏈條長(zhǎng)度

N1：大鏈輪的齒數(shù)

N2：小鏈輪的齒數(shù)

Cp：用鏈節(jié)數(shù)表示軸間中心距離

π：≈3.14

一般來說，選擇的鏈條長(zhǎng)度應(yīng)盡可能四舍五入成偶數(shù)鏈節(jié)。如果由于軸間距的關(guān)系而無法避免奇數(shù)鏈節(jié)，則必須使用偏置鏈節(jié)，但請(qǐng)盡可能通過改變鏈輪齒數(shù)或軸間距的方式使其變成偶數(shù)鏈節(jié)。

（2）計(jì)算軸間中心距離(已確定鏈輪的齒數(shù)N1、N2與鏈條長(zhǎng)度Lp 時(shí))

通過滾輪鏈條所需長(zhǎng)度計(jì)算公式求出的節(jié)距數(shù)幾乎不可能與任意軸間距完全吻合，只能求出近似值，因此應(yīng)根據(jù)所需全長(zhǎng)再次對(duì)兩軸中心距離進(jìn)行精密計(jì)算。

表4 鏈條鏈輪數(shù)據(jù)表

2.2.5 刀片式割草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

a.切割（刀片）組件

圖12

切割組件，是除草機(jī)的關(guān)鍵部件，除草效果的好壞和除草的工作效率高低，都取決于刀片組件的實(shí)用性和適應(yīng)性。

圖13

圖14

一般情況，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)或做過茶園株行管理的茶園，其茶株和行間距等都會(huì)是相對(duì)一致，大約是下部 450mm 寬，上部 250～350mm 寬，呈等腰結(jié)構(gòu)，因此，確定除草刀片的寬度350mm。刀架兩邊各配置一個(gè)限位塊，限制切割深度不超過20mm。刀片開刃3*45°，以利于切入。

刀片材質(zhì)，按我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，最實(shí)用的工具鋼牌號(hào)為T10A，按尺寸制作好以后，熱處理到達(dá)硬度為HRC53-HRC55。

刀片組件安裝在機(jī)器后部，考慮到土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，偶爾會(huì)碰到硬塊石頭會(huì)卡住，這時(shí)候，操作中就得往后退一下將刀片退出泥土，同時(shí)，為了退出順利，必須將切入刀片上面的泥土翻掉。此時(shí)，我們?cè)诘镀M件的安裝上設(shè)計(jì)安裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在機(jī)器整體后退時(shí)，刀片有一個(gè)翹頭的動(dòng)作，將復(fù)在刀片上的連塊土撬開，這樣刀片就能順利地退出來，繞開障礙物以后，重新開始工作。

b.鋼絲切割組件

圖15

鋼絲切割組件，之所以采用鋼絲來實(shí)現(xiàn)切割，是因?yàn)殇摻z切割在切割泥土方面有不小的優(yōu)勢(shì)。

（1）高強(qiáng)度的鋼絲，在我國大部分地區(qū)都普遍使用，取材比較方便。

（2）鋼絲作為切割工具，在受損后，更換比較容易，沒有技術(shù)難度，易學(xué)，普通工人一學(xué)就會(huì)。

（3）鋼絲是圓形的，碰到石頭等硬物，它會(huì)滑動(dòng)，不會(huì)硬碰硬。更好地保護(hù)了切割的平順性。

（4）鋼絲切割的這種特性，就沒有必要設(shè)置翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，只需加一個(gè)鋼絲張緊機(jī)構(gòu)，成本相對(duì)低一些，刀架兩邊各配置一個(gè)限位塊，限制切割深度不超過20 毫米。

鋼絲的選用：

不同規(guī)格型號(hào)的不一樣，如不銹鋼304，日本標(biāo)準(zhǔn)：SUS304 抗拉強(qiáng)度大于 520N/mm2；美國標(biāo)準(zhǔn)：304抗拉強(qiáng)度大于515N/mm2。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1220：抗拉強(qiáng)度為大于等于520N/mm2。

抗拉強(qiáng)度（Rm）指材料在拉斷前承受最大應(yīng)力值。當(dāng)鋼材屈服到一定程度后，由于內(nèi)部晶粒重新排列，其抵抗變形能力又重新提高，此時(shí)變形雖然發(fā)展很快，但卻只能隨著應(yīng)力的提高而提高，直至應(yīng)力達(dá)最大值。此后，鋼材抵抗變形的能力明顯降低，并在最薄弱處發(fā)生較大的塑性變形，此處試件截面迅速縮小，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，直至斷裂破壞。鋼材受拉斷裂前的最大應(yīng)力值稱為強(qiáng)度極限或抗拉強(qiáng)度。單位：N/cm2(單位面積承受的公斤力)。

耕耘機(jī)機(jī)械切削土壤使之破碎，其能耗與土壤破碎程度成正相關(guān)，而土壤破碎的難易程度又與土壤強(qiáng)度成正比，所以破碎粘重而板結(jié)的土壤，其能耗要比破碎砂性土壤大得多。

土壤堅(jiān)實(shí)度：

土壤堅(jiān)實(shí)度也稱貫入阻力。當(dāng)壓縮非密實(shí)土壤時(shí)，使其圧痕的容積為1cm3時(shí)所需的力稱為單位壓實(shí)力。當(dāng)以一定斷面形狀的柱塞壓人土壤，其圧陷深度與單位圧力的乘積稱為土壤堅(jiān)實(shí)度。土壤堅(jiān)實(shí)度是表征土壤抗破壞、壓縮和摩擦阻力的綜合指標(biāo)。

表5 各種土壤的單位圧實(shí)力

土壤堅(jiān)實(shí)度同土壤的質(zhì)地和含水量有著密切的關(guān)系。堅(jiān)實(shí)度越大，土壤的承壓能力及耕作阻力越大。表中所列土壤單位壓實(shí)力只是概略數(shù)值，在評(píng)價(jià)耕地機(jī)械的性能指標(biāo)時(shí)，往往采用儀器直接測(cè)定耕作層內(nèi)不同深度處的土壤堅(jiān)實(shí)度。

土壤與金屬間的摩擦系數(shù)：

為克服在耕作機(jī)械工作部件工作表面上產(chǎn)生的土壤與金屬間的摩擦力，大約消耗動(dòng)力輸出（牽引力）功率的一半。

摩擦力F 通常按下列公式計(jì)算：

F=fN 式中：f-摩擦系數(shù)；N-正壓力。

土壤與金屬（或其它材料）間的摩擦系數(shù)與土壤的類型、機(jī)械組成、含水量、工作部件的材料性質(zhì)和表面狀況，單位面積的壓強(qiáng)以及運(yùn)動(dòng)速度等因素有關(guān)。許多研究報(bào)告的結(jié)果差別也很大，為簡(jiǎn)化起見，一般認(rèn)為當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度在0.5～4m/s 之間，壓強(qiáng)在20～100kPa 范圍內(nèi)，可采用下表中的f 值作估算。

表6 土壤與鋼之間的摩擦系數(shù)

線切割鋼絲線的選用，見表7。

表7 鋼絲線徑計(jì)算參數(shù)表

N=Vm*B*H*0.5=25*35*2*0.5=1750N 摩擦力

S=3.1416*r*r 鋼絲橫截面積

N=S*520=1750N 最大抗拉力=摩擦力

R=1.0（約等于1.0）鋼絲半徑

取整數(shù)，不銹鋼鋼絲的直徑選擇為2.0mm

圖16

2.2.6 運(yùn)輸料斗和采茶機(jī)的安放位置設(shè)計(jì)

圖17

料斗采用線徑為3 毫米的304 不銹鋼鋼絲網(wǎng)制作。

圖18

圖19

將電動(dòng)采茶機(jī)安放在扶手前，料斗后邊，這個(gè)位置，方便電動(dòng)采茶機(jī)取放。

2.2.7 控制電路示意圖

圖19

控制部分的設(shè)計(jì)：

控制電路分為兩個(gè)部分，一部分是機(jī)器整機(jī)的行走控制。另外一部分是采茶機(jī)的電源外接。機(jī)器整機(jī)的行走控制機(jī)器的行走，采取的是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋動(dòng)控制手柄，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行，速度由慢加快，控制靈活，需要倒退的時(shí)候，手柄處設(shè)有倒退按鈕，可輕松實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退。

3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)條件，選擇同樣品種，培管標(biāo)準(zhǔn)一致的山地茶園，每行茶樹長(zhǎng)30m，樹高70cm，茶樹樹冠110cm，行距150cm，行間耕作寬度40cm[2]。

采茶機(jī)采用浙江新昌“小茗”折斷式嫩芽葉采茶機(jī)。

表8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

（1）該多功能綜作業(yè)平臺(tái)單位時(shí)間采摘效率4.06～5.2kg/h（一芽二葉）；除草除凈度 85%～95%（深度dh≤20mm）。采收效率高、除草除盡率高，操作輕便，省時(shí)省力，采用鋰動(dòng)力電池，無污染。

（2）受茶園立地條件限制，茶行耕作層土壤不平整產(chǎn)生除草機(jī)垂直方向振動(dòng)和橫向擺動(dòng)，對(duì)除草作業(yè)有一定影響，平整地塊茶園除凈率高于地塊起伏較大茶園，同時(shí)地塊起伏較大茶園，茶園作業(yè)時(shí)操作工人感受到微振動(dòng)，影響操作舒適性。

（3）同樣由于茶園立地條件原因，地塊起伏較大茶園影響機(jī)械化采茶采手作業(yè)，平整地塊茶園采摘效率高于地塊起伏較大茶園。

（4）不同立地條件茶園對(duì)該設(shè)備可靠性影響不明顯，設(shè)備工作狀況正常。

4 結(jié) 論

由于茶園的生長(zhǎng)環(huán)境有其特殊性，絕大部分都分布在山地，茶園規(guī)劃起隴高，立地條件差異大，茶行之間也難以達(dá)到平地茶園那樣平整規(guī)范。同時(shí)受行距和操作空間限制，一般茶園作業(yè)設(shè)備難以進(jìn)入。

該綜合作業(yè)機(jī)具結(jié)合中耕除草及鮮葉采收兩種工作的實(shí)際操作情況，優(yōu)化了除草及小型單人采茶機(jī)結(jié)構(gòu)，采用高效能、輕簡(jiǎn)化鋰電池組，實(shí)現(xiàn)高山茶園除草、鮮葉采收作業(yè)的零排放，清潔環(huán)保；創(chuàng)新除草關(guān)鍵部件片刀和線刀的可快速更換的雙刀頭設(shè)計(jì)，工作效率更高，適應(yīng)性更強(qiáng)。采用了茶園除草鮮葉采收整體化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)便實(shí)用。該機(jī)將采茶和除草有效結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了鮮葉采收，茶園除草一人作業(yè)，同時(shí)作業(yè)，是山地茶園裝備的突破，必將在山地茶園生產(chǎn)上發(fā)揮重要作用。