4CJZ-1000型自走式采茶機的設計與試驗

王攀，易文裕，熊昌國，程方平，鄧佳，周彥君，耿胤，吳建

1. 四川省農業機械研究設計院， 成都 610066；2. 農業農村部丘陵山地農業裝備技術重點實驗室， 成都 610066

我國是茶葉主要原產地之一， 茶葉的種植、 消費及出口均居世界首位[1-2]． 近年來， 隨著紅茶、 黑茶等品種茶的發展， 茶農對作為紅茶、 黑茶等品種茶原材料的夏秋茶的重視程度越來越高[3]． 夏秋茶單年采摘4～5次， 每公頃產量12 000 kg以上， 能夠為茶農帶來45 000～60 000元/hm2的收入． 在夏秋茶生產過程中鮮葉的采摘已成為勞動密集程度最大的環節， 其用工量占整個生產環節的55%以上[4-5]．

據調查， 目前市面上的采茶機主要以乘坐式采茶機、 單人采茶機、 雙人采茶機為主． 農業農村部南京農業機械化研究所研制了一種全液壓驅動的乘坐式跨行采茶機， 該機作業幅寬1.5 m， 在土地較為平整、 田間地頭有較大掉頭空間的寬行茶園中較為實用， 采摘效果較好[6]． 浙江工業大學研制了一種基于機器視覺的乘用式智能采茶機， 該機采用嫩芽自動識別和割刀自動調整等技術， 能有效解決目前機采茶葉老嫩一刀切的弊端， 為今后實現全自動化茶葉采摘奠定了基礎[7]， 但該技術目前仍處于試驗階段， 距離實際生產還有較大的距離． 雙人采茶機主要以日本落合、 川崎以及部分國產機為主， 單臺作業加上輔助人員通常需要4～5人完成， 人工成本較高． 單人采茶機作業部件一般為手持式， 動力裝置通常為背負式電池或小型汽油機[8-9]． 安徽農業大學研制了一種由汽油機驅動的單人采茶機， 該機作業最大幅寬為6 m， 芽葉完整率大于85%， 在一定程度上提高了茶葉采摘作業效率， 但長時間作業勞動強度仍較大[10]．

由于我國大部分茶園在建園初期未考慮機械化作業， 茶行多采用密植模式[11]， 乘坐式等大中型采茶機難以進入園中作業， 雙人采茶機和單人采茶機的人工成本較高， 其作業效率和勞動強度均不能完全滿足夏秋茶的采摘要求． 目前我國夏秋茶采摘的機械化水平不足30%， 勞動強度大、 效率低、 人工成本高已成為制約夏秋茶產業發展的主要因素之一． 因此， 開展適用于當前茶園作業環境的自走式采茶機對夏秋茶產業的發展具有重要意義．

1 4CJZ-1000型自走式采茶機的整機結構與工作原理

1.1 自走式采茶機整機結構與性能參數

4CJZ-1000型自走式采茶機整機結構如圖1所示， 其主要由威馬7B-320型自走式履帶底盤、 安裝平臺、 鋰電池、 掛接與換向裝置、 升降裝置、 集葉裝置以及采茶裝置組成． 該機履帶底盤采用拉壓式操縱桿控制汽油機的動力輸出實現整機的行走與停止， 通過左、 右離合控制轉彎和掉頭等動作， 其行走速度的調節采用快慢擋配合分級檔實現6檔位多級前進變速和2檔位后退變速， 能夠適應不同速度的作業需求． 其安裝平臺、 升降裝置和掛接與換向裝置均采用模塊化設計， 能夠與自走式履帶底盤進行快捷連接與拆卸， 實現履帶底盤的一機多用， 避免動力機具的閑置． 同時， 采茶裝置可由當前市面上的大部分雙人采茶機如日本落合V8NEWZ2型雙人采茶機、 川崎SV100型雙人采茶機以及國產的4CH-100型雙人采茶機與該機進行配合作業， 能夠有效提高采茶機的利用效率， 降低生產成本．

綜合考慮茶園作業環境以及夏秋茶采摘的農藝要求， 4CJZ-1000型自走式采茶機主要性能參數如表1所示．

1. 自走式底盤；2. 安裝平臺；3. 升降裝置；4. 掛接換向裝置；5. 采茶裝置．圖1 4CJZ-1000型自走式采茶機整機結構圖

表1 4CJZ-1000型自走式采茶機主要性能參數表

1.2 工作原理

受制于茶園狹窄的作業空間， 為保障作業的安全性和提高操作者對機具操作的靈活性， 該自走式底盤為非乘坐式作業底盤， 作業時操作人員跟隨采茶機走動進行作業．

作業前， 通過升降裝置將掛接與換向裝置移動到合適的位置， 將采茶裝置的端部橫梁置于掛接與換向裝置的圓形卡槽內并鎖緊， 使其可以在卡槽內轉動， 將掛接與換向裝置的可調拉桿端部卡槽與采茶裝置的中間橫梁連接， 實現對采茶裝置的掛接．

作業時， 根據茶蓬的高度及生長情況， 結合夏秋茶采摘的農藝要求， 利用升降裝置調整采茶機的高度， 通過順時針或逆時針轉動可調拉桿的內螺紋絲桿將拉桿伸長或縮短， 進而調節雙人采茶機的傾斜角度． 集葉袋掛接在采茶裝置上， 作業時隨采茶機在茶蓬上移動．

當完成一次作業需要對相鄰茶行進行采摘而又缺乏機具掉頭空間時， 松開掛接與換向平臺的鎖緊吊環， 將掛接換向平臺進行180°旋轉， 利用履帶底盤的倒擋行走， 實現機具的免掉頭作業． 當需要進行田間轉移而道路寬度不夠時， 將掛接換向平臺進行90°旋轉換向， 減少整機寬度， 可提高機具的通過性．

該機僅需1～2人即可操作完成夏秋茶的采摘作業， 相對傳統雙人采茶機其勞動力降低50%以上， 作業效率提高40%以上．

2 自走式采茶機關鍵零部件的設計與優化

2.1 升降裝置的設計與優化

1. 機架；2. 鋰電池；3. 軸套；4. 光軸；5. 升降平臺；6. 直線軸承；7. T形螺母；8. T型螺桿；9. 搖臂；10. 端蓋；11. 軸承座；12. 聯軸器；13. 電機．圖2 升降裝置

自走式采茶機升降裝置如圖2所示， 主要由鋰電池、 升降電機、 T型螺桿、 T型螺母、 光軸、 軸套、 直線軸承、 升降平臺、 聯軸器、 搖臂、 端蓋等組成． 軸套和軸承座分別固定安裝在機架和端蓋上， 兩根光軸分別通過軸套進行固定作為升降平臺上下移動的軌道， 升降平臺通過直線軸承沿光軸上下移動． T型螺母與升降平臺固定連接并與T型螺桿配合轉動帶動平臺升降， 螺桿一端通過軸承座伸出端蓋并與搖臂連接， 另一端通過聯軸器與驅動電機輸出軸連接并通過軸承座固定在機架上， 驅動電機采用JM-039直流電機， 額定電壓12 V， 額定功率100 W， 轉速100 r/min， 最大升降質量75 kg． 作業時可根據茶蓬高度和夏秋茶采摘要求通過驅動電機和搖臂控制T型螺桿轉動， 進而通過T型螺母帶動升降平臺上下移動．

試驗表明， 在夏秋茶采摘作業過程中該升降平臺能夠快捷、 靈活地調整采茶裝置的高度， 其性能滿足夏秋茶采摘對采茶裝置的高度調節要求．

2.2 掛接與換向裝置的設計與優化

自走式采茶機掛接與換向裝置如圖3所示， 主要包括固定板、 轉動板、 立柱、 緊固吊環、 魚眼軸承、 絲桿、 內螺紋絲桿、 緊固螺栓、 卡槽等． 固定板與升降平臺固定連接并通過連接軸與轉動板進行連接實現對轉動板的定位， 轉動板可繞連接軸進行轉動． 固定板上有3組呈等邊三角形的安裝孔， 其相位角相差90°和180°， 分別與采茶裝置兩種作業狀態和轉移狀態下的轉動板的固定安裝孔配合． 可調拉桿的螺桿與立柱之間通過魚眼軸承進行連接確保其能夠在一定范圍內轉動．

1. 升降平臺；2. 固定板；3. 緊固吊環；4. 活動板；5. 連接軸；6. 加強筋；7. 立柱；8. 魚眼軸承；9. 絲桿；10. 內螺紋絲桿；11. 緊固螺栓；12. 卡槽；13. 絲桿；14. 緊固螺栓；15. 卡箍．圖3 掛接與換向裝置

采茶裝置的端部橫軸和中間橫軸可分別固定在卡槽內并通過緊固螺栓進行壓緊實現掛接， 通過轉動內螺紋絲桿調節可調拉桿的長度以實現對采茶裝置角度的調節． 當需要對采茶裝置進行換向時， 松開緊固吊環， 將活動板繞連接軸進行轉動， 達到預定角度(90°或者180°)后擰緊緊固吊環， 實現對采茶裝置的換向．

3 4CJZ-1000型自走式采茶機性能試驗

4CJZ-1000型自走式采茶機的田間性能試驗于2020年6月25日在四川省邛崍市文君茶園進行， 主要檢測樣機的作業效率、 芽葉完整率和漏采率、 橫向穩定性等．

3.1 自走式采茶機性能試驗方案

試驗茶園地表具有5°～10°的坡度起伏， 茶蓬距離地表的平均高度約800 mm， 茶蓬呈圓弧形， 平均寬度850 mm， 茶行之間可供機具有效行走的寬度約為700 mm．

選取長勢基本一致的10壟茶行進行重復試驗， 試驗長度20 m， 根據《采茶機》及《采茶機作業質量》等相關標準[12-13]對自走式采茶機的作業效率、 芽葉完整率和漏采率進行測試．

本次田間性能試驗的采茶裝置選用落合V8NEWZ2型雙人采茶機， 該機整機質量11.9 kg， 刀片為弧形， 有效切割長度為1 000 mm， 最大振動加速度為16.76 m/s2．

圖4 4CJZ-1000型自走式采茶機性能試驗

3.2 試驗結果與分析

4CJZ-1000型自走式采茶機性能試驗如圖4所示， 作業前通過可調拉桿對采茶裝置的角度進行調節， 使其與茶蓬弧面基本一致． 由于地面平整度較差， 在作業過程中操作者需要對采茶裝置的高度進行調節．

試驗結果表明： 該自走式采茶機僅需單人即可操作完成采茶作業， 作業過程中操作者可根據茶蓬的高度隨時電動調節采茶裝置的升降， 且高度調節的響應速度基本滿足夏秋茶采摘的農藝要求． 該自走式底盤具有較好的直線行駛穩定性， 操作較為輕松， 大大降低了夏秋茶采摘的勞動強度， 相較于傳統雙人采茶機， 平均單機可節約用工量2人以上， 有效降低了勞動力成本， 在一定程度上可以緩解夏秋茶采摘季節農村用工荒的問題．

自走式采茶機的夏秋茶采摘性能試驗結果如表2． 對10壟長度20 m長勢基本一致的茶樣進行采摘作業， 平均作業時間為40.2 s， 平均采茶量為3.67 kg， 折合單位幅寬小時生產率為328.6 kg/(m·h)， 采摘后的茶葉其芽葉完整率均為90%以上， 漏采率和漏集率均低于1%， 滿足夏秋茶采摘作業的農藝要求．

表2 性能試驗結果

該自走式采茶機的整機質量為240 kg左右， 而雙人采茶機的質量一般不超過13 kg， 且60%以上的質量集中在采茶機的端部的汽油機上， 該端部直接掛接在位于作業底盤中間正上方的升降平臺上， 即整機的懸出部分質量占整機質量的3%以內， 其橫向穩定性幾乎不受影響．

在實際采茶作業過程中， 自走式采茶機在最大坡度為10°的茶園中進行作業， 其行走穩定， 未發現有橫向傾斜或傾倒趨勢， 因此該機的橫向穩定性能夠滿足坡度10°以內的茶園作業要求．

4 結論

針對夏秋茶采摘勞動強度大、 機械化水平低的問題， 研制了4CJZ-1000型自走式采茶機． 該機可由單人操作完成較平坦茶園的夏秋茶采摘作業， 采摘質量基本滿足農藝要求， 能夠有效減少采摘用工量和降低勞動強度， 為夏秋茶的機械化采摘提供了思路．