單人電動茶葉采摘機主要機構設計

劉　彪， 肖宏儒

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

我國是世界上最早生產茶葉的國家，有著非常遼闊的茶葉種植區，茶葉品種豐富，采茶歷史悠久。近年來，人們對茶葉的需求量不斷增加，茶園面積也在不斷地擴大，這就對茶葉的采摘也提出了新的要求[1-2]。以往的人工采摘不能滿足現在對茶葉的采摘要求，而且采摘效率也非常低，成為了茶生產發展的阻礙，對茶葉生產的專業化、規模化、商品化和現代化生產也進行了限制，因此對茶葉采摘機械的研發就勢在必行[3]。在當代，國家提倡要求人們要節能減排，所以對電動茶葉采摘機加大了研究。

1　單人電動茶葉采摘機的機構組成和原理

1.1　總體機構組成

如圖1所示，單人電動茶葉采摘機主要有往復式切割刀、掃葉輪、收集袋、驅動電機和電源等組成。

1.2　工作原理

茶葉采摘機在工作時，由電動機帶動傳動機構，從而帶動傳動系統運動，再經過傳動系統帶動動刀片作往復運動。掃葉輪由1個小型的電動機與之相配且工作時單獨帶動掃葉輪轉動，從而進行旋轉運動將采摘掉的新鮮茶葉收集到集葉袋中完成對茶葉的采摘工作。茶葉采摘機工作室由掃葉輪的旋轉運動把割刀往復運動采摘下來的新鮮茶葉收集到集葉袋中，從而完成對茶葉的采摘。

2　割刀的設計和運動軌跡分析

2.1　切割刀片的設計

本次設計的茶葉采摘機由動刀片和定刀片組成，采用的刀片的動刀距t與定刀距t0相同且都等于割刀行程S，即S=t=t0=30 mm，刀刃的高度為30 mm，割幅寬度定為255 mm，考慮到采摘茶葉時割刀的刃角對采摘時割刀阻力的影響，取割刀的刃角為10°，割刀的厚度為2 mm，此時切割采摘茶葉時割刀的刃角較為合理[4]。刀片采用平面型刀片，通過刀片的往復運動完成對茶葉的采摘。為了防止茶葉稈莖的影響，取刀片的底部寬度為15 mm(圖2)。

定刀片固定在茶葉采摘機的殼體上，與動刀片共同完成對茶葉的采摘，定刀片與動刀片之間的割刀間距取0.3 mm。除了刀片的長度不同，定刀片的割刀結構尺寸與動刀片相同，定刀片的尺寸如圖3所示。

2.2　動刀片運動分析

帶動動刀片運動的機構可以看作是曲柄滑塊機構，即在曲柄滑塊機構的運動下帶動動刀片作直線往復運動，從而完成對茶葉的采摘。刀片與曲柄機構相連接的三維模型圖如圖4所示，根據與軸相連的曲柄分析刀片的運動，曲柄的運動簡圖如圖5所示。

設OK為曲柄，其曲柄的旋轉中心為O，曲柄的旋轉半徑大小為r，K點就是曲柄與連桿的連接點，當K點以反方向作等速w轉動時，則K點在水平直線上的投影K′作往復運動，這種運動成為簡諧運動，而動刀片的活動很近似K′的運動，即近似簡諧運動。現設K′點原點O的距離為x，則x與K′點的速度vx及加速度jx分別是

x=rcoswt；

(1)

vx=-rwsinwt；

(2)

jx=rw2coswt。

(3)

式中：x在O點的右面為正，在O點的左面為負；vx和jx向右為正，向左為負。設wt=0°、90°、180°、270°、360°，分別代入上列3個式中，則可求得x、vx、jx相應的值見表1。以wt作為橫坐標軸，以x、vx、jx作為縱坐標軸并繪成圖6。

表1　茶葉采摘機距離、速度和及速度與轉動速度的關系

由(2)式及圖6可知，K′點的速度成正弦曲線規律變化。當K′在直徑端B點時，其速度最小(即為0)；當K′逐漸向左移動時，其速度絕對值逐漸增大，到原點時速度達到為最大(rw)，其后K′繼續向左移動時，其速度絕對值逐漸減小，到左端A點時也為0。當K′點自端點A向右移動時，其速度絕對值的變化也如此，動刀片的運動與K′很近似，因此動刀片速度的絕對值也在0～rw之間變化。

切割茶梢時，一般是將活動刀片作為主切削刃，因定刀片為反切削刃作為支撐茶梢，當動刀刃與定刀刃相接觸時，便開始對茶葉進行切割，有些茶葉采摘機上下兩邊刀片形狀一樣，切割式茶梢的兩側將會同時受到切削。因此，刀片的速度也有大小之分，所以利用較大的速度來切割最為合理。由于切割器的類型不同，其刀刃相接處的早晚也是不同的，因此切割時利用的切割速度也不相同。圖7為此次設計所使用的平面型活動刀片的運動速度圖，當切刀自a0向右逐漸運動時，其速度從0逐漸增大，在未到達a1之前，由于切刀沒有接觸到，所以不發生切割。刀片到達a1時，兩刀刃才開始相接觸，此時切割速度va1稱為始切割速度，此后刀片繼續向右逐漸運動便繼續切割，然而當刀片到達c1時，兩刀刃相互接觸結束。這以后便不會切割，這時的切割速度為vc1，則稱為終切速，從va1到vc1是切割速度的變化范圍，而始切割速度va1大于終切割速度vc1。

2.3　刀片的切割圖形分析

由于切割刀片的運動是絕對運動，是采茶機向前的直線等速運動和刀片的簡諧運動2種運動的合成，則這2種運動的疊加結果見圖8。以本次所選的平面型切割器為例，s=t=t0=30，刀片往復運動1次，所走的路線如圖8所示，也就是曲柄轉動1次，刀片由開始位置a逐漸變到b，再由b逐漸變到c，圖9中斜線部分是割刀的刀刃與茶葉相遇，也就是割刀刀刃在此時開始采摘茶葉，區域2表示割刀與所采摘的茶葉第2次相遇，也就引起了割刀對茶葉的2次采摘，即通常所說的重割。重割的缺點包括：一方面是浪費功率，另一方面可能使割斷面不齊，區域1和區域3內的茶葉不能和割刀刀刃相遇，則被推向前面，等到割刀刀片再次回復時來采摘區域1、3內的茶葉，因而增加留枝的高度，即采摘后茶樹的頂面不齊，重割區(區域2)及空白區(區域1、3)的面積大小由動力平均速度與采茶機前進速度的比值而定。由大量的試驗和實際的實踐操作表明，在采茶時，操作者的前進速度應控制在 0.5 m/s 左右，也就是1 min向前走30 m左右，這時的作業質量好，而且也使生產率得到了提高。

2.4　刀片材料的選擇

根據工作環境可知，刀片須要受到較大的摩擦，而且在切割的過程中受到的擠壓力也較大，因此對刀片的硬度要求較高。經整體考慮，選擇材料為W18Cr4v型號的高速鋼，其抗彎強度高、耐磨性好，它的優點是：通用性好，工藝成熟。

3　掃葉輪設計

3.1　掃葉輪結構設計

掃葉輪形狀為長方形且上面分布著對稱的小孔，就像蜂窩狀。掃葉輪的作用就是把剪切掉的茶葉掃到集葉袋里，而蜂窩狀的洞口可以減少阻力。

3.2　掃葉輪形狀設計

掃葉輪的長度應該與割刀的割幅寬度相同，但考慮到運動掃葉輪不與茶葉采摘機的內壁相接即長度為245 mm，考慮到茶葉采摘機的總體高度取掃葉輪的寬度為245 mm。查設計手冊，選取所設計的掃葉輪的厚度為3 mm，細軸的直徑為10 mm，與細軸相結合的軸的直徑為20 mm。細軸比粗軸長主要是因為要在細軸上安裝軸承，以固定在采茶機的殼體上。左側的軸比右側的短，是因為右側的軸除與軸承相配合外，還要與相應的電動機配合，以帶動掃葉輪旋轉，從而使采摘的茶葉掃進集葉袋中，掃葉輪形狀如圖10所示。

4　性能試驗

該機采用電源作為動力能源，可以連續工作7～9 h，對茶葉的采摘頻率為1 350 r/min，采摘后的茶葉葉片完整率高。

5　結語

此機采用電能作為能源，體現了節能環保的措施，滿足茶葉采摘機的主要功能要求，同時滿足茶葉采摘機工作時性能穩定性要求，并且具有轉動效率較高、結構形狀簡單、尺寸緊湊、制作成本低、工藝性能好，質量輕、使用方便以及維修簡單等特點。由于整機尺寸小，對我國山區茶葉的采摘有著極大的市場前景。

參考文獻：

[1]李文壘，岳保然，韓茜. 優質茶葉資源分布的地理環境分析[J]. 福建茶葉，2016(1)：1-2.

[2]權啟愛. 我國茶產業發展新常態下的茶葉機械[J]. 中國茶葉加工，2016(1)：5-8.

[3]許甦康. 四川茶葉機械的現狀及發展趨勢[J]. 四川農機，2010(2)：29.

[4]毛祖發，俞燎遠，陸德彪，等. 茶葉采摘、加工與儲藏技術[M]. 北京：中國農業出版社，2008：50-58.