懸掛式茶樹修剪裝備的設計與試驗*

羅悅洋 ， 高巧明，2 ， 呂 攀 ， 糜澤榮 ， 李宗鵬 ， 蔡羽晨

（1.廣西科技大學廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室，廣西 柳州 545006；2.廣西合浦縣惠來寶機械制造有限公司，廣西 北海 536100）

0 引言

中國是世界上第一個發現和使用茶葉的國家[1]，廣西作為中國的茶葉種植大省，在茶葉生產效率、生產質量方面卻還有待提高。茶樹修剪是茶園生產中必不可少的一道工序，定時的修剪作業能大大提升茶樹的生長速度，所以其機械化作業尤為重要。但廣西不少茶園在該環節上的生產模式仍以小型裝備搭配人工作業為主，存在勞動強度大、效率低、作業質量不均勻等問題[2]。

國內外相關企業針對茶園機械化作業開展了大量研究。日本川崎重工業株式會社（Kawasaki）、落合刃物工業株式會社（Ochiai）等對乘坐式茶樹修剪機進行了研究[3]，并取得了一些成果。目前，廣西茶樹種植以丘陵山地為主，因此國外的乘坐式茶樹修剪機并不適用于我國的丘陵山地茶園，存在轉場困難、田間作業寬度不足等問題[4]。而我國對于茶樹修剪裝備的研究主要還是以小型修剪裝備為主，有單人式茶樹修剪機、雙人式茶樹修剪機、電動型茶樹修剪機、背負式茶樹修剪機等，其生產過程仍需搭配人工進行作業。隨著生產勞動力的短缺和嚴峻的人口老齡化趨勢，誰來干活的問題日益突出，因此，加快修剪裝備的研發，成為茶園生產全程機械化的迫切需求[5]。本文針對茶樹種植模式和農藝要求，對茶樹修剪裝備的關鍵部件進行設計與試驗，研制了一種懸掛式茶樹修剪裝備，田間試驗表明，該裝備完全滿足茶園機械化生產要求，為茶葉的量產和擴產打下了堅實的基礎。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

懸掛式茶樹修剪裝備主要包括機架、修剪刀組安裝臺、水平修剪刀組、左右豎直修剪刀組、液壓系統、多關節往復式傳動系統，整體結構如圖1 所示。

圖1 懸掛式茶樹修剪裝備整體結構示意圖

1.2 工作原理

在進行茶樹修剪作業時，需要對茶樹的頂端樹冠面和兩側面進行修剪工作，本文所設計的茶樹修剪裝備根據不同作業面不同的修剪要求，采用了兩種驅動模式。首先，在修剪茶樹頂端樹冠面時，修剪裝備通過茶園高地隙作業平臺的PTO 提供動力，實現水平修剪刀組的往復運動；然后，在進行茶樹側枝修剪時，使用液壓帶動豎直修剪刀組上的液壓馬達實現茶樹的側邊修剪。

1.3 主要技術參數

懸掛式茶樹修剪裝備主要技術參數如表1所示。

表1 高地隙平臺懸掛式茶葉修剪機主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 修剪高度、寬度設計

茶樹修剪的目的是使茶樹有良好的樹勢和寬闊的采摘面，培養具有矮、壯、寬、勻的茶蓬，提高茶葉的產量和品質。懸掛式茶樹修剪裝備作業示意圖如圖2 所示。根據相關標準，茶園內茶樹的種植方式為壟間種植，兩壟茶樹之間的距離為400 mm，每壟茶樹的種植寬度為1 100 mm～1 200 mm，需要修剪的成齡茶樹高度一般為800 mm～900 mm，為了使茶樹更好地生長則需要從樹冠面向下修剪100 mm～200 mm，修剪后的茶樹高度在600 mm～700 mm 之間。針對茶樹種植特點和修剪要求，設置水平修剪刀組寬度為1 200 mm、作業高度H大于600 mm，豎直修剪刀組作業寬度L應小于1 200 mm。

圖2 懸掛式茶樹修剪裝備工作示意圖

2.2 修剪刀組的設計

本設計為適應茶樹修剪需求，水平修剪刀組采用單動刀往復式修剪，豎直修剪刀組采用雙動刀往復式修剪[6-7]，具體情況分別如圖3、圖4 所示。水平修剪刀組的動刀安裝在定刀導軌中，動刀再通過螺栓與水平滑槽驅動機構連接，往復傳動裝置通過軸承安裝到水平滑槽內，帶動動刀做往復直線運動，完成茶樹的水平面修剪；豎直修剪刀組的上、下動刀通過導槽連接板安裝在刀架上，雙凸輪安裝在上、下動刀的滑槽中，帶動刀組做往復直線運動，上、下動刀運動方向始終相反，對刀架的附加作用力相互抵消，保證了刀架及整機的工作平穩性。

圖3 水平修剪刀組結構示意圖

圖4 豎直修剪刀組結構示意圖

在刀組設計上，最主要的就是刀片的選擇，修剪刀片按不同作業方式一般分為動刀刀片和定刀刀片，按刀刃形狀的不同可以分為有齒刀刃和無齒刀刃，按照刀片形狀的不同可以分為三角形刀片和梯形刀片。對于茶樹修剪機而言，茶樹的頂端會存在著較粗的樹枝和錯綜復雜的枝條，如果刀片選擇不合理的話就會出現卡塞、切削不完整等現象，因此，需要選擇切削能力較好的刀片。

通過對茶樹枝條與修剪刀具進行受力分析，如圖5 所示，得出在修剪作業時，茶樹枝條不發生滑移的條件為：

圖5 刀片結構及切割受力示意圖

式中，β——被修剪茶樹枝條的摩擦角；α——刀片斜角；Ff1——動刀刀片對茶樹枝條的摩擦力，N；Ff2——定刀刀片對茶樹枝條的摩擦力，N；FN1——動刀刀片對茶樹枝條的支持力，N；FN2——定刀刀片對茶樹枝條的支持力，N。

依據式（1）、（2）、（3）可知：茶樹枝條在修剪刀組的修剪作業下，不發生滑動的條件為α≤β，因此，本設計選擇修剪刀具的刀形為三角刀片嚙齒刀刃，相較于光刃來說切削阻力更大，切削更加順暢。

2.3 刀組傳動方式的設計

水平修剪刀組的傳動方式是通過高地隙茶園作業平臺的PTO傳動軸驅動多關節往復式傳動系統，整個傳動系統通過多機構串聯的方式為水平修剪刀組提供往復運動，使其順利完成對茶樹頂端的修剪[8-9]。本文所設計的多關節往復式傳動系統的曲柄軸心并沒有在動刀往復運動的直線上，故需要通過一個弧形擺盤來進行曲柄機構的運動方向轉換，如圖6所示。

圖6 水平修剪刀組的運動方式示意圖

如圖6 所示，x方向為弧形擺盤往復運動的方向，y方向為動刀往復運動方向，則曲柄連桿機構驅動下的弧形關節位移s、速度v及加速度a分別為：

式中，r——曲柄長度，mm；ω——曲柄旋轉角速度，r/min；t——運動時間，s。

曲柄長度為67 mm，曲柄旋轉角速度為1 000 r/m i n，代入式（4）計算，則弧形關節位移s為67 mm、速度v為0.321 m/s，加速度a為17.89 m/s2。

豎直修剪刀組的傳動方式為液壓傳動[10]，液壓原理圖如圖7 所示。豎直修剪刀組通過液壓快換接頭與茶園高地隙作業平臺的液壓接口相連，液壓驅動刀組上的液壓馬達工作，通過單獨驅動左右修剪刀，使得刀組的每個修剪刀都具有一定的修剪速度及修剪功率，且每個修剪刀的修剪速度都可以通過作業平臺所搭載的液壓主控制系統調節，通過液壓馬達的轉速反饋編碼器進行液壓馬達的轉速反饋，然后再由PWM 電路控制液壓油路的流量，以控制液壓馬達的速度。

圖7 豎直修剪刀組液壓原理圖

3 田間試驗

懸掛式茶樹修剪裝備在廣西柳州市柳城縣伏虎華僑茶園進行了田間試驗，如圖8 所示。田間試驗項目主要有：作業效率、修剪質量。

圖8 樣機田間試驗

3.1 試驗條件

1）試驗地：試驗共設置4 個試驗區，每個試驗區2 行茶樹，總面積為240 m2（每行長30 m，寬1 m），試驗共進行4 次，機修3 次，人工修剪對照組1 次，面積均為60 m2。

2）試驗茶樹狀況：茶樹為條播種植，茶樹之間的距離為400 mm，茶樹的種植寬度為1 200 mm，茶樹均高823 mm，茶樹行長30 m，樹冠寬1 350 mm。

3.2 試驗結果

試驗樣機田間作業性能穩定，與其他修剪裝備主要性能試驗結果對比，如表2 所示。

表2 不同修剪裝置修剪性能對比試驗

田間試驗表明：課題組所設計的懸掛式茶樹修剪裝備在對高度為800 mm 左右的茶樹進行修剪時，能很好地滿足茶樹修剪作業要求。根據茶樹修剪機行業標準對各機型修剪茶樹的效果進行分析，發現懸掛式茶樹修剪裝備漏剪率小于1%，撕裂率小于2%，修剪效率達到1 690.14 m2/h，與其他修剪設備相比，懸掛式茶樹修剪裝備的修剪效率大幅提高。

4 結論

綜上，課題組結合廣西地區丘陵山地茶園種植模式和農藝要求，研制了一種懸掛式茶樹修剪裝備。田間試驗結果表明：采用水平修剪刀組和豎直修剪刀組進行茶樹頂端、側邊修剪時的修剪效果明顯；采用機械傳動與液壓傳動的組合式傳動，提高了裝備的穩定性和安全性；工作效率相比于其他茶樹修剪裝備提升明顯，且裝備漏剪率為0.85%、撕裂率為1.27%，均處于茶樹修剪機行業標準所要求的范圍內；修剪裝備結構緊湊、作業效率高、修剪損傷率低、操控靈活，可以滿足廣西地區丘陵山地茶園茶樹的修剪工作需求。