一種小型茶園綜合作業機具的研制

楊擁軍，羅妙輝，李 維，吳文亮，周秉謙，劉偉英

（1.湖南省農業科學院茶葉研究所，湖南 長沙 410125；2.株洲市錦瑞機械有限公司，湖南 株洲412000）

當前，為適應茶園生產綠色高效的時代要求和市場需求，國內外茶葉生產企業對名優茶機械化采摘和綠色生態茶園高效培管提出了新的目標，推動了茶園機械化采摘及培管設施快速發展。國內行業企業紛紛開展了茶園輕簡化裝備研究，研制了眾多型號的采茶機，設計較典型應用較廣泛的是單人手持式名優茶采茶機，該機型一般1～3 人操作，采用背負式動力電源，工作原理采用雙鋸齒刀片往復式剪切方式[1]，工作時，采摘器刀片切斷茶樹芽葉，采茶器兩端裝有吹風口，將采斷的芽葉吹入布袋，采摘手后跟隨1～2 人移動布袋布袋收集鮮葉[2]，通過共同作業完成鮮葉的采摘收集。生產效率與以前的手工采茶確實提高了不少，但勞動強度大，工作效率低的問題仍然突出。

同時，隨著果園、菜地除草機的陸續出現，部分應用于茶園除草作業，該設備大都采用旋轉手扶滾輪式除草方式，雜草纏繞現象嚴重。動力配置上，該設備一般采用汽油機動力，無法滿足山地茶園有機生產要求。研制開發同時滿足中耕除草和鮮葉采摘的清潔能源為動力的多種功能茶園作業裝備十分必要。

圖1 手持式單人作業采茶機作業

圖2 手扶式作業除草機作業

1 設計思路

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

（2）機械化采茶是茶園田間管理的重要環節，現有的機器，基本上都是背負電池或兩沖程小動力汽油機，手持采茶器作業的作業模式。電池或汽油機較重[2]，茶園一線工人，長期從事采茶機作業，如果同時長時間背負十余公斤的動力配重，勞動強度過大，一般工人適應不了。通過綜合作業機具設計優化，進行設計時考慮將動力負重去掉，將電池組安裝在移動的行走裝置上。采摘作業時，由1～2 個工人抬著集葉袋跟隨采摘手一同前進，起初鮮葉量少的時候，人力感覺有點過剩，隨著采集的鮮葉量越來越多，集葉袋重量越來越重，作業強度逐漸加大，操作手和副手配合也愈加困難。因此完全可以省略采茶機掛裝布袋裝置，采用采茶機小料斗整體化設計，待采手收集一定數量后，就將小料斗中的鮮茶葉倒入除草機附屬設計安裝的大料斗中，省掉兩個跟在后面的抬袋子的工人，同時減輕了操作人員勞動強度。

（3）綜合兩種工作的實際操作情況，我們開發了一款多功能茶園綜合作業機具，將采茶和除草有效結合在一起，實現鮮葉采收，茶園除草一人作業。在采茶過程中同時實現茶園除草工作，待采集了一定茶行的鮮葉后將鮮葉倒入除草機裝載的料斗中。再進行下一個循環，直至這一行茶樹全部茶葉采集完畢，與此同時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 設計方案

2.1 總裝設計

圖3

圖4

2.2 主要部件和技術參數

茶園除草采茶一體化機器的基本結構及基本參數。

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

表1 整機基本參數

2.2.1 電機的選配

主要部件的選配和技術參數：

電機功率計算參考下式：

運動功率損耗 N=F×v÷60÷η；

式中：N 功率 (kW)；F 牽引力 (kN)；v 速度(m/min)；η 傳動機械的效率，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。

表2 功率計算參數

2.2.2 直流電機功率和型號

圖5

表3

2.2.3 鋰電池

圖6

圖7

2.2.4 鏈條鏈輪傳動機構的設計

a.主動鏈輪

圖8

圖9

b.從動鏈輪

圖10

圖11

c.選擇鏈輪的齒數

大鏈輪的齒數=小鏈輪的齒數X 速度比

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

d.鏈輪的軸間距

最短軸間距當然是以2 個鏈輪不相互接觸為好，但請選擇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距的30～50倍，在此，我們根據機器結構緊湊性的考慮，確定軸間距為300mm 左右比較適宜。

e.計算鏈條的長度與鏈輪的軸間中心距離

確定鏈條以及兩鏈輪的齒數、軸間距后，根據鏈節數計算公式來確定長度。

（1）計算鏈條的長度(已確定鏈輪的齒數N1、N2與軸間中心距離Cp 時)

Lp：用鏈節數表示的鏈條長度

N1：大鏈輪的齒數

N2：小鏈輪的齒數

Cp：用鏈節數表示軸間中心距離

π：≈3.14

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

（2）計算軸間中心距離(已確定鏈輪的齒數N1、N2與鏈條長度Lp 時)

通過滾輪鏈條所需長度計算公式求出的節距數幾乎不可能與任意軸間距完全吻合，只能求出近似值，因此應根據所需全長再次對兩軸中心距離進行精密計算。

表4 鏈條鏈輪數據表

2.2.5 刀片式割草機構的設計

a.切割（刀片）組件

圖12

切割組件，是除草機的關鍵部件，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用性和適應性。

圖13

圖14

一般情況，相對標準或做過茶園株行管理的茶園，其茶株和行間距等都會是相對一致，大約是下部 450mm 寬，上部 250～350mm 寬，呈等腰結構，因此，確定除草刀片的寬度350mm。刀架兩邊各配置一個限位塊，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，按我國的國家標準，最實用的工具鋼牌號為T10A，按尺寸制作好以后，熱處理到達硬度為HRC53-HRC55。

刀片組件安裝在機器后部，考慮到土壤結構的復雜，偶爾會碰到硬塊石頭會卡住，這時候，操作中就得往后退一下將刀片退出泥土，同時，為了退出順利，必須將切入刀片上面的泥土翻掉。此時，我們在刀片組件的安裝上設計安裝一個轉動軸，在機器整體后退時，刀片有一個翹頭的動作，將復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現切割，是因為鋼絲切割在切割泥土方面有不小的優勢。

（1）高強度的鋼絲，在我國大部分地區都普遍使用，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，沒有技術難度，易學，普通工人一學就會。

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

（4）鋼絲切割的這種特性，就沒有必要設置翻轉結構，只需加一個鋼絲張緊機構，成本相對低一些，刀架兩邊各配置一個限位塊，限制切割深度不超過20 毫米。

鋼絲的選用：

不同規格型號的不一樣，如不銹鋼304，日本標準：SUS304 抗拉強度大于 520N/mm2；美國標準：304抗拉強度大于515N/mm2。

國家標準GB/T1220：抗拉強度為大于等于520N/mm2。

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

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

土壤堅實度：

土壤堅實度也稱貫入阻力。當壓縮非密實土壤時，使其圧痕的容積為1cm3時所需的力稱為單位壓實力。當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實度。土壤堅實度是表征土壤抗破壞、壓縮和摩擦阻力的綜合指標。

表5 各種土壤的單位圧實力

土壤堅實度同土壤的質地和含水量有著密切的關系。堅實度越大，土壤的承壓能力及耕作阻力越大。表中所列土壤單位壓實力只是概略數值，在評價耕地機械的性能指標時，往往采用儀器直接測定耕作層內不同深度處的土壤堅實度。

土壤與金屬間的摩擦系數：

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

摩擦力F 通常按下列公式計算：

F=fN 式中：f-摩擦系數；N-正壓力。

土壤與金屬（或其它材料）間的摩擦系數與土壤的類型、機械組成、含水量、工作部件的材料性質和表面狀況，單位面積的壓強以及運動速度等因素有關。許多研究報告的結果差別也很大，為簡化起見，一般認為當運動速度在0.5～4m/s 之間，壓強在20～100kPa 范圍內，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

線切割鋼絲線的選用，見表7。

表7 鋼絲線徑計算參數表

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，不銹鋼鋼絲的直徑選擇為2.0mm

圖16

2.2.6 運輸料斗和采茶機的安放位置設計

圖17

料斗采用線徑為3 毫米的304 不銹鋼鋼絲網制作。

圖18

圖19

將電動采茶機安放在扶手前，料斗后邊，這個位置，方便電動采茶機取放。

2.2.7 控制電路示意圖

圖19

控制部分的設計：

控制電路分為兩個部分，一部分是機器整機的行走控制。另外一部分是采茶機的電源外接。機器整機的行走控制機器的行走，采取的是直流電機驅動，旋動控制手柄，就可以實現電機的正常運行，速度由慢加快，控制靈活，需要倒退的時候，手柄處設有倒退按鈕，可輕松實現前進后退。

3 結果與分析

試驗條件，選擇同樣品種，培管標準一致的山地茶園，每行茶樹長30m，樹高70cm，茶樹樹冠110cm，行距150cm，行間耕作寬度40cm[2]。

采茶機采用浙江新昌“小茗”折斷式嫩芽葉采茶機。

表8 試驗數據表

（1）該多功能綜作業平臺單位時間采摘效率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，省時省力，采用鋰動力電池，無污染。

（2）受茶園立地條件限制，茶行耕作層土壤不平整產生除草機垂直方向振動和橫向擺動，對除草作業有一定影響，平整地塊茶園除凈率高于地塊起伏較大茶園，同時地塊起伏較大茶園，茶園作業時操作工人感受到微振動，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械化采茶采手作業，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該設備可靠性影響不明顯，設備工作狀況正常。

4 結 論

由于茶園的生長環境有其特殊性，絕大部分都分布在山地，茶園規劃起隴高，立地條件差異大，茶行之間也難以達到平地茶園那樣平整規范。同時受行距和操作空間限制，一般茶園作業設備難以進入。

該綜合作業機具結合中耕除草及鮮葉采收兩種工作的實際操作情況，優化了除草及小型單人采茶機結構，采用高效能、輕簡化鋰電池組，實現高山茶園除草、鮮葉采收作業的零排放，清潔環保；創新除草關鍵部件片刀和線刀的可快速更換的雙刀頭設計，工作效率更高，適應性更強。采用了茶園除草鮮葉采收整體化設計，簡便實用。該機將采茶和除草有效結合在一起，實現了鮮葉采收，茶園除草一人作業，同時作業，是山地茶園裝備的突破，必將在山地茶園生產上發揮重要作用。