黃 升，吳顧斌，蔣紅達(dá)，方子祥，盧 偉

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

市面現(xiàn)有采茶機(jī)多為油動式多人采茶機(jī)以及小型單人采茶機(jī)。采摘效率以及質(zhì)量都普遍不高，且勞動強(qiáng)度大，并伴隨有損傷茶梢及污染環(huán)境等弊端。市場急需一款綠色高效的采茶機(jī)。針對目前茶園采茶機(jī)以發(fā)動機(jī)驅(qū)動存在污染、影響茶葉品質(zhì)、人工單人背負(fù)或雙人抬著勞動強(qiáng)度大、采茶質(zhì)量只能人工把控等問題，設(shè)計(jì)出一款適用于大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化茶園的自走式電動采茶機(jī)。

1 采茶系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 基本組成與設(shè)計(jì)布局

所設(shè)計(jì)的采茶系統(tǒng)由采茶機(jī)箱體、齒狀采茶下刀片、下刀片支撐板、圓柱凸輪機(jī)構(gòu)、傳動齒輪和電機(jī)組成。采茶機(jī)箱體設(shè)計(jì)有采茶口、吹風(fēng)口和出茶葉口，另外，能夠安放凸輪機(jī)構(gòu)、傳動齒輪和電機(jī)等設(shè)備，起到采茶系統(tǒng)的基本載體作用。

該采茶系統(tǒng)采用單動式組合刀片剪切茶葉，上下刀片均為圓弧形狀，刀片厚度為2 mm，并且緊貼在一起。上刀片是固定片，作為采茶機(jī)箱體的一部分，配合下刀片剪切茶葉。下刀片是運(yùn)動片，刀片尾部有一根柱狀桿件，圓柱頭嵌入圓柱凸輪槽內(nèi)，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)就會推動柱狀桿件，進(jìn)而推動刀片做直線往復(fù)運(yùn)動，此外，圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由電機(jī)通過齒輪傳動來傳遞。下刀片支撐板裝配在采茶機(jī)箱體底部，起到支撐下刀片運(yùn)動的作用。這樣的設(shè)計(jì)是基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動的原理來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示為采茶機(jī)總體結(jié)構(gòu)。

圖1 采茶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2 采茶系統(tǒng)工作原理

采茶系統(tǒng)采茶的工作原理是：電機(jī)通電電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，帶動電機(jī)軸上的齒輪一同旋轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動將旋轉(zhuǎn)動力從電機(jī)軸上的齒輪傳到圓柱凸輪上的齒輪，圓柱凸輪同其上的齒輪一同旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的圓柱凸輪帶動下刀片尾部的柱狀桿件做往復(fù)直線運(yùn)動[1]，下刀片尾部的柱狀桿件與下刀片是一體的，于是下刀片同樣做直線往復(fù)運(yùn)動，下刀片與上刀片通過齒狀設(shè)計(jì)并且相互緊貼，由下刀片的直線往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)采茶機(jī)對茶葉的剪切[2]，由于采茶機(jī)會前行，所以剪切過的茶葉會被堆積在采茶機(jī)箱體里。圖2為采茶機(jī)的凸輪傳動設(shè)計(jì)。

2 運(yùn)動分析與傳動過程相關(guān)參數(shù)計(jì)算

2.1 直流無刷電機(jī)

采茶系統(tǒng)動力上采用直流無刷電機(jī)，本質(zhì)上講其是同步電機(jī)中的一種，不過不同的是，直流無刷電機(jī)是在同步電機(jī)的基礎(chǔ)上加上電子式控制器。其設(shè)計(jì)依據(jù)是通電的導(dǎo)體在磁場里會受到安培力的作用[3]，磁極與通電導(dǎo)體產(chǎn)生相互排斥的力，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，遵從左手定則。無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定子包括定子鐵芯和定子繞組，轉(zhuǎn)子就是永磁體。定子鐵芯內(nèi)圓表面開有槽，其由硅鋼片疊壓而成，用來布置定子繞組，而定子繞組則由若干線圈組成[4]。該電機(jī)的工作過程是：線圈纏繞在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上，其有電流通入時(shí)，作為磁場線圈的定子也有電流通入，此時(shí)會產(chǎn)生定子磁場，在定子磁場中存在的安培力會施加到通電的轉(zhuǎn)子線圈上，于是就會有電動力產(chǎn)生，從而推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[4]。需要說明的是，轉(zhuǎn)子電流連接到直流電源是通過整流子上所帶的碳刷來實(shí)現(xiàn)的。

圖2 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 所選電機(jī)參數(shù)

采茶系統(tǒng)電機(jī)靜態(tài)標(biāo)定參數(shù)為直流電壓24 V，功率50 W，電流0.13 A，電機(jī)自重為1.05 kg，可調(diào)速，可正反調(diào)節(jié)。電機(jī)動態(tài)參數(shù)在24 V直流電壓的工況下轉(zhuǎn)速為2300 r·min-1，另外，電壓在12～24 V的工況時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1150～2300 r·min-1。

2.3 傳動過程相關(guān)參數(shù)計(jì)算

由于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)一圈，齒狀采茶下刀片剪切茶葉一次，傳動系統(tǒng)采用齒輪傳動方式，所以采茶速率通過圓柱凸輪的轉(zhuǎn)速可計(jì)算，根據(jù)齒輪傳動比公式為

(1)

式中 n1、n2—主、從動輪轉(zhuǎn)速，r·min-1；

Z1、Z2—主、從動輪齒數(shù)。

中間齒輪齒數(shù)為18，其對傳動比大小沒有影響，只是改變了輸出軸旋轉(zhuǎn)方向，已知電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為23，圓柱凸輪軸齒輪齒數(shù)為19。當(dāng)以12 V直流電壓工作時(shí)，電機(jī)軸齒輪轉(zhuǎn)速為1150 r·min-1，將已知數(shù)據(jù)帶入公式(1)可求得圓柱凸輪軸齒輪轉(zhuǎn)速約為1392 r·min-1。同理，當(dāng)以24 V直流電壓工作時(shí)，電機(jī)軸齒輪轉(zhuǎn)速為2300 r·min-1，求得圓柱凸輪軸齒輪轉(zhuǎn)速約為2784 r·min-1。因此該采茶系統(tǒng)采茶運(yùn)行速率在1393～2784 r·min-1之間比較合理，電機(jī)的工作情況通過采茶機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)調(diào)整。

3 結(jié)語

用人工采茶的方式，隨著工作時(shí)間延長工人身體疲勞度會漸漸增大，從而會降低工作效率，采茶機(jī)采茶不僅可以省去很多人工采茶的勞動力，還可以節(jié)約生產(chǎn)成本，也不用擔(dān)心采茶慌、人工貴等問題。自走式電動采茶機(jī)一方面解決了勞動力和勞動強(qiáng)度的問題，而且由于電動機(jī)防止了燃油發(fā)動機(jī)的污染，采摘的茶葉品質(zhì)會更高。