履帶式智能采茶機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宋揚(yáng)揚(yáng),李為寧,李 兵,b,張正竹

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院;b.茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.茶與食品科技學(xué)院,合肥 230036)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步,茶葉已逐漸成為最受歡迎的保健飲品。我國(guó)是茶葉的發(fā)源地,也是生產(chǎn)茶葉最多的國(guó)家,茶園采摘有著悠久的歷史。近年來(lái),隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的日益短缺,我國(guó)茶農(nóng)可利用的機(jī)械設(shè)備往往無(wú)法滿足采茶期的用工需求,而茶葉時(shí)令性強(qiáng),鮮葉采摘不及時(shí),會(huì)導(dǎo)致茶園產(chǎn)量下降,影響茶農(nóng)的收益,嚴(yán)重制約了茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。我國(guó)茶樹(shù)種植區(qū)大多位于丘陵地區(qū),地形較為復(fù)雜,地塊相對(duì)較小,大型機(jī)械進(jìn)入茶園會(huì)影響茶樹(shù)的生長(zhǎng),機(jī)械采茶作業(yè)存在一定的難度[2]。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前國(guó)內(nèi)的大多數(shù)采茶機(jī)采摘茶葉的一致性比較差,會(huì)出現(xiàn)采老葉、遲采、濫采的情況,機(jī)器笨重,受地形限制嚴(yán)重,且對(duì)茶梢和嫩芽有一定的損傷,嚴(yán)重影響了茶葉質(zhì)量和下一輪新梢的成長(zhǎng)[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(diǎn),根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一款履帶式智能采茶機(jī),并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 采茶機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

履帶式智能采茶機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、升降機(jī)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(duì)履帶式智能采茶機(jī)進(jìn)行三維建模。

1.扶手支架 2.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 3.大帶輪 4.蓄電池 5.直線電機(jī) 6.升降底座 7.底盤(pán) 8.履帶 9.風(fēng)機(jī) 10.茶葉篩選感應(yīng)板 11.行走輪 12.變速箱 13.前進(jìn)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(jī) 18.風(fēng)管 19.伸縮裝置 20.切割刀片圖1 履帶式智能采茶機(jī)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(jī)構(gòu)是由履帶、底盤(pán)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置及操作裝置等組成[4];茶葉采摘總成由采茶汽油機(jī)、往復(fù)式雙動(dòng)切割器、刀桿、護(hù)刃器、茶葉篩選裝置、風(fēng)機(jī)及風(fēng)管等組成,茶葉篩選裝置可以智能識(shí)別茶葉的切割深度,切割器由往復(fù)式雙動(dòng)刀片和對(duì)置偏心輪組成;操作裝置主要包括擋位調(diào)節(jié)桿、前進(jìn)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(jī)構(gòu)的直線電機(jī)絲杠上,升降機(jī)構(gòu)通過(guò)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(shù)作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 履帶參數(shù)計(jì)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(zhǎng)度L和軌距a之間的比值對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能影響較大:該值較小時(shí),行走機(jī)構(gòu)的直行性能較差;該值較大時(shí),行走機(jī)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(dāng)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(shí),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(dá)式為[6]

(2)

式中Pa—履帶平均接地比壓(Pa);

G—機(jī)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(zhǎng)度(m);

b—履帶寬度(m)。

采茶機(jī)工作時(shí)不受到垂直外載荷, 工作重力取采茶機(jī)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(jì)要求。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)擬定

傳動(dòng)系統(tǒng)主要為履帶式智能采茶機(jī)在茶園行走、轉(zhuǎn)彎提供動(dòng)力,如圖2所示。本文采用帶傳動(dòng)方式作為采茶機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的第1級(jí)傳動(dòng),以保證采茶機(jī)底盤(pán)在工作時(shí)的安全性。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)窄V帶將動(dòng)力傳遞給變速箱的主動(dòng)軸,變速箱將動(dòng)力傳遞到采茶機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪上,帶動(dòng)采茶機(jī)在茶園行走[4]。變速箱采用傳動(dòng)效率高的齒輪傳動(dòng)方式,有快進(jìn)、慢進(jìn)和倒退3擋可調(diào)。

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

2.3 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于茶葉種植習(xí)慣和茶樹(shù)生產(chǎn)環(huán)境的差異,茶樹(shù)的生長(zhǎng)高度不一致,為此選擇了直線電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉采摘總成的高度調(diào)節(jié),以滿足高度不同的茶樹(shù)的采茶需求。開(kāi)降機(jī)構(gòu)3D模型如圖3所示。

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

直線電機(jī)的絲杠通過(guò)軸承與升降底座的機(jī)架連接,以保證茶葉采摘總成及整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性;直線電機(jī)提供合適的轉(zhuǎn)速給絲杠,使茶葉采摘總成上下滑動(dòng),以適應(yīng)不同茶蓬高度的茶樹(shù);旋轉(zhuǎn)手柄安裝在直線電機(jī)絲杠頂部位置,可在采茶時(shí)對(duì)茶葉采摘總成進(jìn)行微調(diào),當(dāng)蓄電池能量耗盡時(shí),也可以手動(dòng)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(jì)

茶葉采摘總成是采茶機(jī)最關(guān)鍵的部分,其性能對(duì)采茶作業(yè)的順利進(jìn)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(shí)、茶樹(shù)鮮葉分布不均勻,茶芽不僅生長(zhǎng)于茶蓬頂端,有些會(huì)往茶樹(shù)兩側(cè)延伸[4]。為此,提出了一種智能識(shí)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(zhǎng)。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(jī)、輔助機(jī)架、切割器及自動(dòng)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(kāi)關(guān),篩選感應(yīng)板上有行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)。工作時(shí),茶葉篩選感應(yīng)板蓋在茶樹(shù)上方,當(dāng)行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與下行程開(kāi)關(guān)接觸時(shí),升降機(jī)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(shù)向上頂起且行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)脫離下行程開(kāi)關(guān);當(dāng)茶葉篩選感應(yīng)板被茶樹(shù)向上頂起至行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與上行程開(kāi)關(guān)接觸時(shí),升降機(jī)構(gòu)控制茶葉采摘總成整體上升直到行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)脫離上行程開(kāi)關(guān);根據(jù)茶葉的芽長(zhǎng)、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(xì)柔軟、葉張較小,有芽頭、一芽一葉、一芽?jī)扇~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(dāng)茶樹(shù)將行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)頂離下行程開(kāi)關(guān)時(shí),切割器開(kāi)始采摘浮于梳齒板上方的茶葉。

切割器采用弧形往復(fù)式雙動(dòng)刀片,不但可以采摘茶樹(shù)頂?shù)牟枞~,還可以采摘茶樹(shù)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(fù)式雙動(dòng)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(fù)式雙動(dòng)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(jī)采用額定功率為1kW的單缸風(fēng)冷兩沖程的汽油機(jī),額定轉(zhuǎn)速為3 600r/min,經(jīng)過(guò)帶傳動(dòng)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(fù)式雙動(dòng)刀片往復(fù)頻率為24～30Hz?；⌒蔚镀蒚9高級(jí)碳素鋼制成,刀片厚度為2～3mm,具有韌性好、切割鋒利等特點(diǎn),在茶鮮葉密度和濕度較大、切割阻力大的情況下,采茶機(jī)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(jī)運(yùn)動(dòng)分析

3.1 割刀的運(yùn)動(dòng)方程

由對(duì)置偏心輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式雙動(dòng)刀片可以看成雙曲柄的近似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),以驅(qū)動(dòng)上刀片的曲柄為例,如圖6所示。以曲柄和上刀片的接觸點(diǎn)為原點(diǎn)O,假定X軸向右為正,上刀片刃口上任一點(diǎn)的位移x、該點(diǎn)的速度vx和加速度ax可按下式計(jì)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(diǎn)的位移(m);vx為該點(diǎn)的速度(m/s);ax為該點(diǎn)的加速度(m/s2)圖6 割刀運(yùn)動(dòng)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(diǎn)A起轉(zhuǎn)過(guò)的時(shí)間(s)。

從上述公式可推導(dǎo)出刀片的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)的速度vx和該點(diǎn)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(dāng)刃口某點(diǎn)為刀片的中點(diǎn)時(shí),該點(diǎn)位移x為0,vx取得最大值;當(dāng)刃口某點(diǎn)處于刀片左極限點(diǎn)或右極限點(diǎn)時(shí),該點(diǎn)位移x=±r,vx=0,取得最小值[9]。

3.2 采茶機(jī)的刀機(jī)速比

刀機(jī)速比β是衡量設(shè)計(jì)的履帶式智能采茶機(jī)能否在茶園可靠工作的重要指標(biāo)之一,對(duì)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(yán)格控制刀機(jī)速比在合理的范圍內(nèi),以確保采茶機(jī)在茶園工作的可靠性。圖7為往復(fù)式雙動(dòng)切割器的切割圖[10]。

注:H為機(jī)器前進(jìn)位移(m);2S為雙動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)位移(m)。圖7 往復(fù)式雙動(dòng)切割器的切割圖Fig.7 Cutting diagram of reciprocating double-action cutter。

往復(fù)式雙動(dòng)切割器割刀做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),由圖7可以看出:收割區(qū)Ⅰ中,在刀片的剪刀式運(yùn)動(dòng)過(guò)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(fù)劃過(guò)這塊區(qū)域,屬于無(wú)用功;空白區(qū)Ⅲ中,在刀片運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dāng)偏心輪轉(zhuǎn)速為750r/min時(shí),割刀的平均速度為v1=1.5m/s,采茶機(jī)平均作業(yè)速度v2=1.05m/s。根據(jù)相關(guān)茶葉機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)得知,刀機(jī)速比通常大于1.02,則

(7)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

履帶式智能采茶機(jī)設(shè)計(jì)完成后,進(jìn)行了茶園茶葉采摘試驗(yàn)。在茶園土壤相對(duì)濕度為23.5%、平均土壤堅(jiān)實(shí)度為19.28kg/cm2的土壤環(huán)境下,對(duì)履帶式采智能茶機(jī)進(jìn)行了茶園采摘試驗(yàn),主要測(cè)量項(xiàng)目有茶園種植行距、茶蓬高度與寬度、采茶機(jī)作業(yè)時(shí)間與距離時(shí)間、工作噪聲,以及茶葉質(zhì)量與產(chǎn)量等。茶園試驗(yàn)如圖8所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 茶園試驗(yàn)Fig.8 Tea Garden Test。

表2 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data。

續(xù)表2。

茶園試驗(yàn)結(jié)果表明:采用履帶式采智能茶機(jī)進(jìn)行茶葉采摘,當(dāng)采茶機(jī)前進(jìn)速度為3.78km/h、切割器往復(fù)頻率為25Hz時(shí),采摘性能良好,采茶機(jī)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(biāo)都達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1)履帶式智能采茶機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間小,適用于我國(guó)大部分密植型茶園,履帶行走通過(guò)性強(qiáng),穩(wěn)固性好,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了茶葉產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

2)采用單缸風(fēng)冷四沖程的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和單缸風(fēng)冷兩沖程采茶汽油機(jī),質(zhì)量小,動(dòng)力強(qiáng),噪音低,污染小,且能滿足復(fù)雜地形的茶園作業(yè),適用于我國(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)種植和無(wú)側(cè)邊修剪的茶樹(shù)的機(jī)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(zhǎng)和葉張幅寬及茶蓬高度自動(dòng)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。