黃 升，盧 偉，吳顧斌，蔣紅達，方子祥

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

0 引言

在近十年前，我國很多地方對茶葉的采摘還是依靠手工進行，雖然這樣的勞動方式使茶葉的質(zhì)量得到了保證，但其生產(chǎn)效率低下。因此近些年市場上出現(xiàn)了一些采茶機，但存在一些問題，例如傳統(tǒng)汽油采茶機存在油耗多、噪音大、對茶葉有污染、受地勢限制等，無法滿足綠色有機茶的要求。為了節(jié)能環(huán)保，市場上又出現(xiàn)了單人或者雙人操作的電動采茶機，但都是手提操作，這對采茶工來說仍然有很大的勞動強度，而且手提操作采茶不容易把握好采茶的平衡度，這會對茶葉有一定的損壞，影響到茶葉的品質(zhì)。為解決上述問題，本文設(shè)計了一款自走平衡式電動采茶機。

1 結(jié)構(gòu)特點

這款自走平衡式電動采茶機主要由六部分組成，即采茶系統(tǒng)、收茶系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、自走系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，各個系統(tǒng)特點如下。

1.1 采茶系統(tǒng)

采茶系統(tǒng)設(shè)計為往復(fù)切割式雙層齒狀刀片剪切機構(gòu)，上刀片不動，下刀片做往復(fù)直線運動，往復(fù)直線運動用圓柱凸輪機構(gòu)實現(xiàn)[1]?？紤]茶園茶帶剪切面的形狀是拱形圓弧曲面形，所以用于切割的齒狀刀片設(shè)計成拱形圓弧曲面形。

1.2 收茶系統(tǒng)

利用鼓風(fēng)機進行工作，鼓風(fēng)機的葉片在旋轉(zhuǎn)的情況下其離心力會帶動周圍的空氣轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生風(fēng)力，風(fēng)力吹動采摘過的茶葉通過傳輸通道送至存放筐。

1.3 平衡系統(tǒng)

平衡系統(tǒng)的設(shè)計是將電動采茶機安裝在左右兩根電動升降桿上，利用電動升降桿可以調(diào)節(jié)采茶機工作高度，通過自平衡系統(tǒng)以保持剪切平衡。

1.4 自走系統(tǒng)

自走系統(tǒng)包括底盤、轉(zhuǎn)向桿和鋼架聯(lián)接部分。底盤作為整體骨架起到支撐作用，轉(zhuǎn)向桿作為轉(zhuǎn)向機構(gòu)起到轉(zhuǎn)向作用，鋼架將左右兩部分聯(lián)接起來并且起到穩(wěn)固作用。

1.5 制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)包括前后制動器，均采用盤式制動器，盤式制動器散熱性比較好，結(jié)構(gòu)相對鼓式制動器來說也比較簡單[2]。

1.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由電池、電源分路器、驅(qū)動輪控制器、升降桿控制器、采茶機控制器、鼓風(fēng)機控制器、中央控制器和線路連接等部分組成，控制系統(tǒng)可以控制采茶機的工況。此款自走平衡式電動采茶機需要一個工人跟隨，工人的工作內(nèi)容是在中央控制器上操作以控制采茶的工況，另外還有轉(zhuǎn)彎、制動、收茶、檢查和觀察等工作，很大程度上減輕了工人的勞動強度。

利用SolidWorks軟件，采茶機三維建模如圖1所示。

1.電池；2.自調(diào)節(jié)平衡總成；3.中央控制器；4.轉(zhuǎn)向框架；5.定位架；6.采茶器；7.電源分路器；8.單體移動車；9.集茶筐

2 自走式平衡電動采茶機結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 采茶系統(tǒng)設(shè)計

所設(shè)計的采茶系統(tǒng)由采茶機箱體、齒狀采茶下刀片、下刀片支撐板、圓柱凸輪機構(gòu)、傳動齒輪和電機組成。采茶機箱體設(shè)計為具有采茶口、吹風(fēng)口和出茶葉口，另外，能夠安放凸輪機構(gòu)、傳動齒輪和電機等，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。運動下刀片的尾部有一根圓柱體，圓柱頭嵌入圓柱環(huán)形凹槽內(nèi)，當凸輪旋轉(zhuǎn)時就會推動圓柱頭，進而推動下刀片做直線往復(fù)運動，圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)運動由電機通過齒輪傳動來傳遞，動力傳動系統(tǒng)，如圖2所示。

1.被動齒輪；2.圓柱體；3.環(huán)形凹槽；4.傳動齒輪；5.主動齒輪；6.底座；7.供電組件

2.2 收茶系統(tǒng)設(shè)計

收茶系統(tǒng)顧名思義就是要實現(xiàn)自動收茶的功能，消除人工收茶，給采茶工作創(chuàng)造便捷。收茶系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機、進出風(fēng)口、傳送通道和收茶筐?；诓刹韫ぷ鞯脑O(shè)計依據(jù)，將鼓風(fēng)機設(shè)計為左鼓風(fēng)機和右鼓風(fēng)機，從而進(出)風(fēng)口、傳送通道也設(shè)計為左右兩部分。鼓風(fēng)機安裝在采茶機體最前端安裝架的左右兩端。在出風(fēng)口上設(shè)計傳送通道，其從出風(fēng)口至收集筐，傳送通道用織布或塑料軟管制成。收集筐安裝在底盤的尾部，收集筐里可以利用收集袋接收從通道傳來的茶葉。

2.3 平衡系統(tǒng)設(shè)計

平衡系統(tǒng)由電動平衡桿、平衡桿控制器、中間聯(lián)接桿、自調(diào)節(jié)平衡總成、軸承和緊固銷等組成，可以調(diào)節(jié)采茶機采茶高度和左右傾斜度，維持采茶平衡。電動升降桿由直流減速電機、蝸桿、推桿、軸承、外殼和底座等組成[3]。電動升降桿和升降桿控制器分為左右兩部分，中間聯(lián)接桿將左升降桿和右升降桿聯(lián)接起來，而且支撐和固定采茶機。采茶機頂部有安裝桿，該安裝桿插入平衡系統(tǒng)中間聯(lián)接桿的安裝口上，并且用緊固銷將兩者緊固。中間聯(lián)接桿與左右升降桿的聯(lián)接處可以轉(zhuǎn)動，這是通過軸承來聯(lián)接的。自調(diào)節(jié)平衡總成包括中間梁、兩個液壓箱、兩個連接管、兩個弧形塊，電動平衡桿的上端有一個液壓箱，中間聯(lián)接桿的兩端各設(shè)置有一個弧形塊，弧形塊在液壓箱內(nèi)，兩個液壓箱通過連接管相連通，自調(diào)節(jié)平衡保證了采茶機始終處于水平狀態(tài)，如圖3所示。

1.升降桿用控制器；2.升降桿；3.中間梁；4.連接管；5.液壓箱； 6.弧形塊

2.4 自走系統(tǒng)設(shè)計

自走系統(tǒng)采用后驅(qū)動形式，其由底盤、聯(lián)接鋼架、電池、驅(qū)動輪控制器、后驅(qū)動輪、前輪、減震器和轉(zhuǎn)向桿等組成，其起到自走和轉(zhuǎn)向的作用，該系統(tǒng)也是其余系統(tǒng)的安裝載體。采茶機安裝在平衡系統(tǒng)的中間聯(lián)接桿上，而平衡系統(tǒng)的底座安裝在自走系統(tǒng)的聯(lián)接鋼架上，所以采茶機的行走和轉(zhuǎn)向由自走系統(tǒng)同步完成。

2.5 制動系統(tǒng)設(shè)計

盤式制動器可以分為鉗盤式和全盤式兩種，鉗盤式又可分為定鉗盤式和浮鉗盤式，本設(shè)計用定鉗盤式。其由制動盤、制動鉗、制動摩擦片、制動鉗活塞、制動活塞殼體、分泵、制動液軟管、油管和制動把手等部件組成，為液壓控制型。制動系統(tǒng)的工作過程是：制動時，工人拉壓制動把手，被壓的油液通過油管進入到內(nèi)、外兩油缸中，液壓油推動油缸中的活塞，導(dǎo)致活塞將兩制動塊的制動摩擦片壓緊制動盤，由此產(chǎn)生摩擦力矩使制動盤停止轉(zhuǎn)動，從而達到制動目的；不制動時，工人放松制動把手，制動塊和活塞在彈簧彈力與密封圈彈力的作用下回到初始位置，在該情況下，制動盤與制動摩擦片之間的間隙每邊為0.1 mm左右，該距離足以解除制動，能夠保證制動盤正常轉(zhuǎn)動。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由電池、電源分電器及各種控制器組成，另外，制動和轉(zhuǎn)向也屬于控制系統(tǒng)的一部分?？刂葡到y(tǒng)的核心是中央控制器，中央控制器通過控制各電機的控制器進而控制各電機的轉(zhuǎn)速和啟停。中央控制器安裝在轉(zhuǎn)向架上，轉(zhuǎn)向架上有轉(zhuǎn)向把手和制動把手，從而將所有控制部分集成在一起，將采茶、收茶、平衡和自走的調(diào)節(jié)都在中央控制器上完成，制動時通過拉壓制動把手由制動器制動，轉(zhuǎn)向時通過人工轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向桿轉(zhuǎn)向。控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，共同完成多種工況。

3 結(jié)語

本采茶機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行，能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)平衡和自行走的效果，適用于多種地勢形態(tài)的茶園環(huán)境中，從采摘至收集過程實現(xiàn)無人介入的操作流程，工作過程僅需要一名工作人員同旁監(jiān)控操作即可，既能夠簡化采茶的操作難度，節(jié)省人力，還能夠提高采茶的工作效率，適用于大規(guī)模茶園的采摘工作中。