履帶式智能采茶機的設(shè)計與試驗

宋揚揚,李為寧,李 兵,b,張正竹

(安徽農(nóng)業(yè)大學 a.工學院;b.茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室;c.茶與食品科技學院,合肥 230036)

0 引言

隨著時代的發(fā)展和進步,茶葉已逐漸成為最受歡迎的保健飲品。我國是茶葉的發(fā)源地,也是生產(chǎn)茶葉最多的國家,茶園采摘有著悠久的歷史。近年來,隨著農(nóng)村勞動力的日益短缺,我國茶農(nóng)可利用的機械設(shè)備往往無法滿足采茶期的用工需求,而茶葉時令性強,鮮葉采摘不及時,會導致茶園產(chǎn)量下降,影響茶農(nóng)的收益,嚴重制約了茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。我國茶樹種植區(qū)大多位于丘陵地區(qū),地形較為復雜,地塊相對較小,大型機械進入茶園會影響茶樹的生長,機械采茶作業(yè)存在一定的難度[2]。通過市場調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前國內(nèi)的大多數(shù)采茶機采摘茶葉的一致性比較差,會出現(xiàn)采老葉、遲采、濫采的情況,機器笨重,受地形限制嚴重,且對茶梢和嫩芽有一定的損傷,嚴重影響了茶葉質(zhì)量和下一輪新梢的成長[3]。

為了提高茶葉采摘的質(zhì)量和產(chǎn)量,滿足廣大茶農(nóng)便于操作的使用要求,依據(jù)丘陵地區(qū)茶園管理、土壤、地形的特點,根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求和農(nóng)業(yè)機械設(shè)計標準設(shè)計了一款履帶式智能采茶機,并對其進行了試驗研究。

1 采茶機的總體結(jié)構(gòu)

履帶式智能采茶機主要由行走機構(gòu)、傳動裝置、升降機構(gòu)、茶葉采摘總成、操作裝置及集葉袋組成,如圖1所示。在SolidWorks環(huán)境中對履帶式智能采茶機進行三維建模。

1.扶手支架 2.汽油發(fā)動機 3.大帶輪 4.蓄電池 5.直線電機 6.升降底座 7.底盤 8.履帶 9.風機 10.茶葉篩選感應(yīng)板 11.行走輪 12.變速箱 13.前進后退擋桿 14.擋位調(diào)節(jié)桿 15.升降支架 16.旋轉(zhuǎn)手柄 17.采茶汽油機 18.風管 19.伸縮裝置 20.切割刀片圖1 履帶式智能采茶機總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure sketch of crawler type intelligent tea picker。

其中,行走機構(gòu)是由履帶、底盤、汽油發(fā)動機、傳動裝置及操作裝置等組成[4];茶葉采摘總成由采茶汽油機、往復式雙動切割器、刀桿、護刃器、茶葉篩選裝置、風機及風管等組成,茶葉篩選裝置可以智能識別茶葉的切割深度,切割器由往復式雙動刀片和對置偏心輪組成;操作裝置主要包括擋位調(diào)節(jié)桿、前進后退擋桿、扶手支架及油門控制把手;茶葉采摘總成由滑套安裝在升降機構(gòu)的直線電機絲杠上,升降機構(gòu)通過螺栓固定在履帶上方的升降底座上,調(diào)節(jié)茶葉采摘總成的高度,可以滿足茶蓬高度不一致的茶樹作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 履帶參數(shù)計算

履帶的主要參數(shù)如表1所示。

表1 履帶主要參數(shù)Table 1 Main Track Parameters。

履帶接地長度L和軌距a之間的比值對履帶行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能影響較大:該值較小時,行走機構(gòu)的直行性能較差;該值較大時,行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向能力較差[5]。

(1)

如果兩條履帶與地面完全接觸,當工作重力與垂直外載荷所構(gòu)成的合力在水平地面上的投影同履帶接地區(qū)段的幾何中心相重合時,履帶接地比壓呈均勻分布狀態(tài),稱為平均比壓。通常推薦接地比壓Pa≤0.14MPa,表達式為[6]

(2)

式中Pa—履帶平均接地比壓(Pa);

G—機器工作重力與垂直外載荷所構(gòu)成的合力(N);

L—履帶接地長度(m);

b—履帶寬度(m)。

采茶機工作時不受到垂直外載荷, 工作重力取采茶機自身重力,因此G=mg=2.5×103N。根據(jù)表1數(shù)據(jù),帶入上式可得Pa=11.16×103Pa<0.14MPa,滿足設(shè)計要求。

2.2 傳動系統(tǒng)擬定

傳動系統(tǒng)主要為履帶式智能采茶機在茶園行走、轉(zhuǎn)彎提供動力,如圖2所示。本文采用帶傳動方式作為采茶機傳動系統(tǒng)的第1級傳動,以保證采茶機底盤在工作時的安全性。汽油發(fā)動機通過窄V帶將動力傳遞給變速箱的主動軸,變速箱將動力傳遞到采茶機的驅(qū)動輪上,帶動采茶機在茶園行走[4]。變速箱采用傳動效率高的齒輪傳動方式,有快進、慢進和倒退3擋可調(diào)。

1.汽油發(fā)動機 2.小皮帶輪 3.大皮帶輪 4.主動軸 5.倒擋軸 6.行走輪圖2 傳動系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmission system。

2.3 升降機構(gòu)的設(shè)計

由于茶葉種植習慣和茶樹生產(chǎn)環(huán)境的差異,茶樹的生長高度不一致,為此選擇了直線電機來實現(xiàn)對茶葉采摘總成的高度調(diào)節(jié),以滿足高度不同的茶樹的采茶需求。開降機構(gòu)3D模型如圖3所示。

圖3 升降機構(gòu)3D模型圖Fig.3 3D model of lifting mechanism。

直線電機的絲杠通過軸承與升降底座的機架連接,以保證茶葉采摘總成及整個機構(gòu)的穩(wěn)定性;直線電機提供合適的轉(zhuǎn)速給絲杠,使茶葉采摘總成上下滑動,以適應(yīng)不同茶蓬高度的茶樹;旋轉(zhuǎn)手柄安裝在直線電機絲杠頂部位置,可在采茶時對茶葉采摘總成進行微調(diào),當蓄電池能量耗盡時,也可以手動調(diào)節(jié)茶葉采摘總成的高度。

2.4 茶葉采摘總成的設(shè)計

茶葉采摘總成是采茶機最關(guān)鍵的部分,其性能對采茶作業(yè)的順利進行、降低采摘損失率及提高采摘質(zhì)量具有重要作用[7]。由于大部分茶園種植不規(guī)范、栽培管理水平較低、修剪不及時、茶樹鮮葉分布不均勻,茶芽不僅生長于茶蓬頂端,有些會往茶樹兩側(cè)延伸[4]。為此,提出了一種智能識別切割深度的弧形茶葉采摘總成,既能確保兩側(cè)的茶葉鮮葉能被收集到,又能夠保證所采鮮葉大小均勻,確保茶葉品質(zhì),還不影響下一輪新梢生長。茶葉采摘總成的3D模型如圖4所示。

圖4 茶葉采摘總成3D模型圖Fig.4 3D model of tea picking assembly。

工作原理:茶葉采摘總成包括采茶汽油機、輔助機架、切割器及自動感應(yīng)切割深度的茶葉篩選感應(yīng)板,切割器上有上下行程開關(guān),篩選感應(yīng)板上有行程開關(guān)觸點。工作時,茶葉篩選感應(yīng)板蓋在茶樹上方,當行程開關(guān)觸點與下行程開關(guān)接觸時,升降機構(gòu)控制茶葉采摘總成整體下降直到茶葉篩選感應(yīng)板被茶樹向上頂起且行程開關(guān)觸點脫離下行程開關(guān);當茶葉篩選感應(yīng)板被茶樹向上頂起至行程開關(guān)觸點與上行程開關(guān)接觸時,升降機構(gòu)控制茶葉采摘總成整體上升直到行程開關(guān)觸點脫離上行程開關(guān);根據(jù)茶葉的芽長、葉張幅寬及茶蓬高度,智能調(diào)節(jié)茶葉采摘總成的高度,提高采茶質(zhì)量。

茶葉篩選感應(yīng)板可以更換,具體如下:春茶纖細柔軟、葉張較小,有芽頭、一芽一葉、一芽兩葉之分,可以更換為梳齒間距較小的感應(yīng)板;夏秋茶粗松較硬、葉張較大,茶葉有一芽三葉、一芽四葉之分,可以更換為梳齒間距較大的感應(yīng)板;當茶樹將行程開關(guān)觸點頂離下行程開關(guān)時,切割器開始采摘浮于梳齒板上方的茶葉。

切割器采用弧形往復式雙動刀片,不但可以采摘茶樹頂?shù)牟枞~,還可以采摘茶樹兩側(cè)的茶葉,大大提高了茶葉采摘的產(chǎn)量和質(zhì)量。往復式雙動切割器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1.偏心輪 2.上刀片 3.下刀片圖5 往復式雙動切割器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural schematic diagram of reciprocating double-action cutter。

采茶汽油機采用額定功率為1kW的單缸風冷兩沖程的汽油機,額定轉(zhuǎn)速為3 600r/min,經(jīng)過帶傳動降速和減速器調(diào)節(jié),偏心輪可獲得700～900r/min的轉(zhuǎn)速,則往復式雙動刀片往復頻率為24～30Hz。弧形刀片由T9高級碳素鋼制成,刀片厚度為2～3mm,具有韌性好、切割鋒利等特點,在茶鮮葉密度和濕度較大、切割阻力大的情況下,采茶機既能降低能耗和漏采率,又能提高茶葉采摘質(zhì)量和產(chǎn)量[8]。

3 采茶機運動分析

3.1 割刀的運動方程

由對置偏心輪機構(gòu)驅(qū)動的往復式雙動刀片可以看成雙曲柄的近似簡諧運動,以驅(qū)動上刀片的曲柄為例,如圖6所示。以曲柄和上刀片的接觸點為原點O,假定X軸向右為正,上刀片刃口上任一點的位移x、該點的速度vx和加速度ax可按下式計算[9],即

注:r為曲柄半徑(m);φ為曲柄轉(zhuǎn)角(rad);x為上刀片刃口上任一點的位移(m);vx為該點的速度(m/s);ax為該點的加速度(m/s2)圖6 割刀運動規(guī)律圖Fig.6 Motion diagram of cutter。

x=rcosωt

(3)

(4)

ax=-rω2cosωt=-ω2x

(5)

式中r—曲柄半徑(m);

ω—曲柄角速度(rad/s);

t—曲柄由極左點A起轉(zhuǎn)過的時間(s)。

從上述公式可推導出刀片的運動速度vx和其位移x的關(guān)系為

(6)

綜上可知,上刀片刀刃口的任意一點的速度vx和該點的位移x符合橢圓的曲線規(guī)律,且下刀片與上刀片變化規(guī)律一致。當刃口某點為刀片的中點時,該點位移x為0,vx取得最大值;當刃口某點處于刀片左極限點或右極限點時,該點位移x=±r,vx=0,取得最小值[9]。

3.2 采茶機的刀機速比

刀機速比β是衡量設(shè)計的履帶式智能采茶機能否在茶園可靠工作的重要指標之一,對采下的鮮葉質(zhì)量、采后蓬面整齊程度和漏采率都有重要影響。因此,必須嚴格控制刀機速比在合理的范圍內(nèi),以確保采茶機在茶園工作的可靠性。圖7為往復式雙動切割器的切割圖[10]。

注:H為機器前進位移(m);2S為雙動刀片運動位移(m)。圖7 往復式雙動切割器的切割圖Fig.7 Cutting diagram of reciprocating double-action cutter。

往復式雙動切割器割刀做往復直線運動,由圖7可以看出:收割區(qū)Ⅰ中,在刀片的剪刀式運動過程中茶葉被收割;重切區(qū)Ⅱ中,茶葉被收割后,刀刃在回程中重復劃過這塊區(qū)域,屬于無用功;空白區(qū)Ⅲ中,在刀片運動過程中刀刃不接觸茶葉,茶葉被漏割。因此,重切區(qū)和空白區(qū)的面積應(yīng)該越小越好[11]。當偏心輪轉(zhuǎn)速為750r/min時,割刀的平均速度為v1=1.5m/s,采茶機平均作業(yè)速度v2=1.05m/s。根據(jù)相關(guān)茶葉機械標準得知,刀機速比通常大于1.02,則

(7)

4 試驗結(jié)果與分析

履帶式智能采茶機設(shè)計完成后,進行了茶園茶葉采摘試驗。在茶園土壤相對濕度為23.5%、平均土壤堅實度為19.28kg/cm2的土壤環(huán)境下,對履帶式采智能茶機進行了茶園采摘試驗,主要測量項目有茶園種植行距、茶蓬高度與寬度、采茶機作業(yè)時間與距離時間、工作噪聲,以及茶葉質(zhì)量與產(chǎn)量等。茶園試驗如圖8所示,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 茶園試驗Fig.8 Tea Garden Test。

表2 試驗測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data。

續(xù)表2。

茶園試驗結(jié)果表明:采用履帶式采智能茶機進行茶葉采摘,當采茶機前進速度為3.78km/h、切割器往復頻率為25Hz時,采摘性能良好,采茶機的工作效率為300kg/h,,保證了茶葉采摘的產(chǎn)量,且茶葉的芽葉完整度、漏采率和工作效率等指標都達到相關(guān)設(shè)計的標準。

5 結(jié)論

1)履帶式智能采茶機設(shè)計簡單,結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間小,適用于我國大部分密植型茶園,履帶行走通過性強,穩(wěn)固性好,降低了勞動強度,提高了茶葉產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

2)采用單缸風冷四沖程的汽油發(fā)動機和單缸風冷兩沖程采茶汽油機,質(zhì)量小,動力強,噪音低,污染小,且能滿足復雜地形的茶園作業(yè),適用于我國丘陵地區(qū)的茶園。

3)采用高度、角度可調(diào)的弧形切割器,實現(xiàn)了對非標準種植和無側(cè)邊修剪的茶樹的機采。切割器下方還安裝有茶葉篩選感應(yīng)板,可根據(jù)茶葉芽長和葉張幅寬及茶蓬高度自動調(diào)節(jié)到切割深度,保證了采茶質(zhì)量,降低了茶葉破損率。