輕便自走式采茶機的設(shè)計與試驗

俞國紅,鄭 航,葉云翔,薛向磊,傅 童

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)裝備研究所,浙江 杭州 310021; 2.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

茶葉種植在浙江省歷史悠久,既是浙江農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè),也是浙江省茶葉主產(chǎn)區(qū)的重要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢出口創(chuàng)匯產(chǎn)業(yè),在促進農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、增加農(nóng)民收入和擴大就業(yè)等方面具有重要作用[1-2]。茶產(chǎn)業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè),采摘是茶葉生產(chǎn)重要的一個環(huán)節(jié),也是作業(yè)量和勞動強度較大的作業(yè)環(huán)節(jié),約占茶葉鮮葉成本的60%以上,同時茶葉采摘時令性強,尤其是春茶,鮮葉采摘不及時將嚴(yán)重影響茶葉的品質(zhì)[3-4]。近年來,隨著我國老齡化趨勢加劇,農(nóng)業(yè)勞動力短缺,招工難、用工貴已成為制約茶區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸難題。

近年來,已有不少對采茶機的研究,針對大宗茶機械化采摘方面[5-7],主要有單人手持式、雙人手抬式以及乘坐式采茶機,單人手持式采摘機包括電驅(qū)和汽油動力驅(qū)動兩種[8-9],具有結(jié)構(gòu)輕巧,使用便捷的特點,但是采摘作業(yè)效率很低,不適合規(guī)?；鑸@;目前機械化采摘使用較多是川崎公司研制的雙人手抬式采茶機[10],該機械作業(yè)性能穩(wěn)定,采摘效率較高,但除需要兩人手抬操作外,機器后面還需要配合兩人手持收集袋進行作業(yè),需要人員數(shù)量較大,隨著農(nóng)村勞動力的急劇短缺,這種手抬式的茶葉采摘機已經(jīng)無法滿足茶葉機械化生產(chǎn)需求;日本公司研制的乘坐式采摘機如川崎機工株式會社生產(chǎn)的KJ4N型與落合株式會社生產(chǎn)的OHL-5D型等[11]只需一人操作即可完成茶葉的自動高效采摘,但機器的高成本限制了在國內(nèi)推廣使用。在名優(yōu)茶機械化采摘方面,對茶葉外形要求嚴(yán)格,需要對茶葉進行定位、外觀品質(zhì)識別,這種選擇性采摘給機械化作業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn),目前也有不少關(guān)于名優(yōu)茶選擇性采摘技術(shù)的相關(guān)研究,但是大都處于樣機試驗階段,離實際應(yīng)用還有一定的差距[12-13]。

本文針對現(xiàn)有大宗茶采摘機械作業(yè)效率低、需要作業(yè)人員數(shù)量多以及國外乘坐式采摘機成本高難推廣的問題,基于茶園實際種植標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計了一款輕便自走式茶葉采摘機,在此基礎(chǔ)上研制了樣機并進行了采茶作業(yè)試驗驗證。

1 采茶機的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 采茶機的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示,該輕便自走式采茶機適用于丘陵緩坡或者梯田式規(guī)模茶園,主要由履帶底盤、機架、接袋裝置、升降裝置、手搖升降器、采摘作業(yè)裝置以及液壓傳動系統(tǒng)等組成,整機質(zhì)量500 kg,采摘幅寬1 400 mm,最大作業(yè)速度1.2 m·s-1,額定功率3 kW,整機尺寸2 100 mm×1 500 mm ×1 600 mm。

1.2 工作原理

該機器采用模塊化設(shè)計,將現(xiàn)有的雙人手抬式采摘機掛接在履帶底盤機架上,采用兩套獨立動力源,傳動結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)整機輕量化。通過手搖升降器帶動絲桿轉(zhuǎn)動,可以實現(xiàn)采摘作業(yè)高度的調(diào)節(jié),以滿足不同茶蓬高度的作業(yè)需求。底盤的動力由汽油機通過皮帶傳遞給液壓泵,液壓泵將液壓油通過油管傳遞給液壓馬達(dá),驅(qū)動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動,通過液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動驅(qū)動履帶底盤行走,同時通過換向閥控制液壓泵的工作轉(zhuǎn)向,改變油路的流動方向,操控液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動方向與啟停,從而控制履帶底盤的前進、后退與轉(zhuǎn)向,液壓驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單,無需復(fù)雜的機械傳動系統(tǒng)[14]。作業(yè)時,將茶葉收集袋掛接在采摘裝置后端,通過鼓風(fēng)機將采摘下來的茶葉吹集到所述收集袋中,實現(xiàn)茶葉的采摘收集。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 底盤參數(shù)計算

履帶底盤主要由履帶、機架、液壓馬達(dá)、驅(qū)動輪、支撐輪等組成,液壓馬達(dá)安裝在底盤機架前端,其輸出軸與驅(qū)動輪連接,通過驅(qū)動輪驅(qū)動履帶底盤移動。履帶的接地長度L與履帶軌距d的比值對底盤的轉(zhuǎn)向性能影響較大,該值較大時,機器轉(zhuǎn)向性能差,該值較小時,機器直行性能差,因此,該比值通常需滿足[15]:

(1)

據(jù)調(diào)查,茶園相鄰壟溝間距為1.75 m左右,即d=1.75 m,選用履帶接地長度L取為1.8 m。

履帶底盤的平均接地比壓Pa需滿足[16]:

(2)

式(2)中:G為作業(yè)時整機質(zhì)量,N;b為履帶帶寬,m。

當(dāng)收集袋收集滿茶葉時,質(zhì)量為50 kg,加上機器本身整機質(zhì)量及操作人員質(zhì)量550 kg,作業(yè)時總體質(zhì)量M約為600 kg,由G=mg=5 880 N。選用履帶寬度b取為0.18 m,代入相關(guān)數(shù)據(jù)得出Pa=9.07 kPa<0.14 MPa滿足設(shè)計要求。履帶底盤的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:履帶節(jié)距72 mm,履帶帶寬180 mm,履帶長度1 800 mm,驅(qū)動輪節(jié)圓半徑127 mm。

機器最大行走功率為:

(3)

式(3)中:Pdm為機器最大行走功率,kW;m為作業(yè)時總體質(zhì)量,kg;f為履帶滑動阻力系數(shù)m,取0.2;v為機器最大作業(yè)速度,m·s-1,取1.8;η為機械傳動、液壓傳動的傳動效率,取0.8。

2.2 升降機構(gòu)設(shè)計

由于茶樹種植習(xí)慣和茶樹生產(chǎn)環(huán)境的差異,造成茶蓬面高度不一致,因此需要對采摘作業(yè)裝備進行高度調(diào)節(jié),以滿足不同茶蓬面采摘作業(yè)要求。該升降裝置主要由機架、滑軌、絲桿、滑塊、錐齒輪組以及手搖升降器等組成,采摘裝置安裝固定在滑塊上,通過手搖升降器驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動,帶動絲桿上的滑塊在絲桿上下滑動,實現(xiàn)對采摘作業(yè)裝置高度的調(diào)節(jié)(圖2)。

1,機架;2,滑軌;3,絲桿;4,滑塊;5,錐齒輪組;6,手搖升降器。1, Frame; 2, Rail; 3, Screw; 4, Slider; 5, Bevel gear set; 6, Hand lifter.圖2 升降機構(gòu)模型圖Fig.2 Lifting mechanism model diagram

2.3 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

與機械傳動相比,液壓傳動不僅可以輸出更大的扭矩,而且其不需要變速箱,具有結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊的特點。該液壓系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動機、液壓泵、溢流閥、節(jié)流閥、換向閥、單向閥、液壓馬達(dá)、冷卻器、油管等組成,柴油發(fā)動機將動力通過皮帶傳遞給液壓泵,液壓泵通過換向閥控制液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn),實現(xiàn)底盤的前進、后退以及轉(zhuǎn)向(圖3)。

圖3 行走液壓系統(tǒng)原理Fig.3 The principle of walking hydraulic system

該機器的作業(yè)過程為中低速狀態(tài),考慮茶園種植環(huán)境不同,驅(qū)動力需克服土壤阻力、不穩(wěn)定運動時的慣性阻力、坡阻、轉(zhuǎn)彎阻力、行走裝置內(nèi)阻力等。將機器的阻力分為內(nèi)阻力和外阻力,外阻力計算為:

Wi=ωi·G;

(4)

Wpi=ωi·G·cosθ;

(5)

(6)

Wp=G·sinθ。

(7)

式(4)～(7)中:Wi和Wpi分別為平路和坡路土壤對履帶運行的阻力,N;Wg為不穩(wěn)定運動時的慣性阻力,N;Wp為坡道阻力,N;ωi為運行比阻力系數(shù);θ為坡角,度;v為行走速度,m·s-1;tq為啟動時間,s。由文獻[17],ωi取0.09;機具啟動時間tq約為3 s;坡角設(shè)計要求在≤15°情況下工作,取15°。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)后得到Wi=529.2 N,Wpi=497.5 N,不穩(wěn)定運動時慣性阻力Wg=360 N,坡道阻力Wp=1 522.9 N。

內(nèi)阻力計算為:

(8)

平路總外阻力:Ww=Wi+Wg。

(9)

坡路總外阻力:Wpw=Wi+Wg+Wp。

(10)

行走總阻力(平路):W總=Ww+Wn。

(11)

行走總阻力(坡路):Wp總=Wi+Wg+Wp。

(12)

式(8)中:η0為履帶行走底盤的效率,根據(jù)經(jīng)驗取0.7～0.8,此處取0.75。代入相關(guān)數(shù)據(jù)得出,平路總外阻力Ww=889.2 N,坡路總外阻力Wpw=2 380.4 N,內(nèi)阻力Wn=296.4 N,行走總阻力(平路)W總=1 185.6 N,行走總阻力(坡路)Wp總=3 153.1 N。

計算履帶行走底盤轉(zhuǎn)彎時阻力:

(13)

式(13)中:系數(shù)μ選0.4[18];rz為履帶行走底盤轉(zhuǎn)彎半徑,m;履帶行走底盤轉(zhuǎn)彎半徑為0.75 m,代入相關(guān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)彎阻力Wz=1 411.2 N。

在轉(zhuǎn)彎時履帶總體受力情況:

(14)

啟動后轉(zhuǎn)彎阻力:Wzh=Wzq-Wg。

(15)

轉(zhuǎn)彎時總阻力:Wzz=Wzh+W總。

(16)

在轉(zhuǎn)彎時,一條履帶處于制動狀態(tài),此時全部轉(zhuǎn)彎阻力由另一條履帶承受,代入相關(guān)數(shù)據(jù)后得出啟動時轉(zhuǎn)彎阻力Wzq=2 184 N,啟動后轉(zhuǎn)彎阻力Wzh=1 824 N,轉(zhuǎn)彎時總阻力Wzz=3 009.6 N;若考慮在坡路上轉(zhuǎn)彎則還需考慮Wp坡路阻力,此時總阻力Ff=Wzz+Wp=3 009.6+1 522.9=4 532.5 N。

履帶底盤所需驅(qū)動力矩[19]:

Td=Ff·r。

(17)

式(17)中:Td為履帶行走底盤的驅(qū)動力矩,N·m;r為驅(qū)動輪節(jié)圓半徑,m;Ff為總阻力,N。

液壓馬達(dá)的最大排量為:

(18)

式(18)中:Vm為液壓馬達(dá)的最大排量,mL·r-1;Tm為單個馬達(dá)的最大驅(qū)動力矩,N·m;ΔP為馬達(dá)壓差,ΔP=16 MPa;ηm為馬達(dá)機械效率,ηm=0.95;帶入各值得到履帶行走底盤最大驅(qū)動力矩Td為575.6 N·m,液壓馬達(dá)的最大排量為237.8 mL·r-1。考慮到實際機具在實際作業(yè)中還會受到風(fēng)阻等其他阻力,為了保證機具在實際復(fù)雜地形中的適用性,因此,查表后選用輸出扭矩為635 N·m,排量為271 mL·r-1的液壓馬達(dá),該液壓馬達(dá)的最大壓力為20 MPa。

液壓泵的最大工作壓力為:

Ppm=pm+∑Δp=20.5MPa。

(19)

式(19)中:Ppm為液壓泵的最大工作壓力,Pa;pm為液壓馬達(dá)的最大壓力,20 MPa;∑Δp為液壓系統(tǒng)的壓力損失,根據(jù)經(jīng)驗壓力損失一般取0.2～0.5 MPa。

液壓泵的最大工作流量為:

(20)

式(20)中:K為系統(tǒng)的泄漏系數(shù),一般取1.1～1.3;n為驅(qū)動軸的最大轉(zhuǎn)速(135.4),r·min-1。

(21)

式(21)中:V為底盤移動最大作業(yè)速度,1.8 m·s-1;rd為驅(qū)動輪半徑,0.127 m。

代入以上各式參數(shù),計算得到 液壓泵的最大工作流量qm=47.7 L·min-1。根據(jù)理論計算依據(jù),選擇最大工作壓力為21 MPa,最大流量為60 L·min-1的314左旋齒輪液壓泵。

3 采茶機的刀機速比

刀機速比,即往復(fù)式切割刀片切割速度與采摘機前進速度的比值是衡量采摘機作業(yè)性能好壞的重要性能指標(biāo),其對采下鮮葉的質(zhì)量、采后蓬面整齊度和漏采率都有重要的影響[20]。

如圖4所示:切割區(qū)Ⅰ為刀片在往復(fù)式切割運動過程中茶葉被切割的區(qū)域;切割區(qū)Ⅱ為茶葉被切割后,刀片在回程運動過程中重復(fù)運動的區(qū)域,屬于重復(fù)作業(yè)區(qū);切割區(qū)Ⅲ為切割刀片在運動過程中不接觸茶葉的區(qū)域,屬于漏割作業(yè)區(qū)。漏割區(qū)太大會造成漏采或產(chǎn)生碎屑,重復(fù)區(qū)太大會造成將割過的殘茬重割,功率浪費嚴(yán)重,在切割行程S不變的前提下,速比減小,重復(fù)作業(yè)區(qū)面積縮小,漏割作業(yè)區(qū)面積增大,根據(jù)采茶機機械標(biāo)準(zhǔn)可知,刀速比一般大于1.02[21],即:

圖4 往復(fù)式雙動刀片的切割圖Fig.4 Cutting diagram of reciprocating double action blade

λ=vp/vd≥1.02。

(22)

式(22)中:vp為切割刀片平均速度,m·s-1;vd為采摘機前進速度,m·s-1。

采摘作業(yè)裝置由曲柄高速旋轉(zhuǎn)帶動雙聯(lián)切割刀片做高速往復(fù)運動,工作時,曲柄主軸轉(zhuǎn)速560 r·min-1,曲軸轉(zhuǎn)動一周,切割刀片運動兩個行程,刀片的平均運動速度為:

(23)

式(23)中,nd為曲軸的轉(zhuǎn)速,r·min-1;r為曲軸的長度,m。

則采摘機前進作業(yè)速度vd需滿足:

(24)

選取主軸工作轉(zhuǎn)速nd為560 r·min-1,曲軸長度為0.038 m,代入數(shù)值,得vd≤1.39 m·s-1,考慮到實際產(chǎn)量需求預(yù)定設(shè)計產(chǎn)量為2 500 kg·h-1,取vd=0.8 m·s-1,作業(yè)產(chǎn)量為2 880 kg·h-1,滿足茶葉采摘設(shè)計要求,且茶園實地試驗情況良好。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗條件

如圖5、圖6所示,輕便自走式大宗茶采茶機樣機性能試驗于2022年6月上旬在紹興市御茶村茶園種植基地進行。茶園的茶蓬寬度為1.4 m,高度在0.5～0.8 m,茶壟寬度為0.3 m,相鄰茶壟間距為1.7 m,茶園坡度≤15°。

圖5 試驗段茶園Fig.5 Picture of tea garden in experimental section

4.2 試驗方法

每次采茶作業(yè)以0.8 m·s-1速度行走采摘4壟茶,共進行3次試驗,3次試驗鮮葉質(zhì)量分別為510 kg、525 kg、506 kg。收集每次試驗采茶機采下全部鮮葉、切割后未被收集的鮮葉以及茶蓬面上未被切割下來的鮮葉,根據(jù)采茶機標(biāo)準(zhǔn)《JB/T6281—2007》分別計算芽葉的完整率、可制茶率、損失率以及漏采率性能指標(biāo)。

(25)

式(25)中:R1、R2分別為芽葉的完整率、可制茶率性能指標(biāo),%;W為分析樣本總質(zhì)量,g;W1為完整芽葉質(zhì)量,g;W2為老梗老葉斷枝梗質(zhì)量,g。

在已切割的試驗區(qū)域地內(nèi)隨機取5個測段,每段1 m長,將切割拋撒的可制茶梢、單葉等收集、稱重并分別計算芽葉的損失率和漏采率。

(26)

式(26)中:R3、R4分別為損失率和漏采率性能指標(biāo),%;W3為測段內(nèi)機采鮮葉質(zhì)量,g;W4為測段內(nèi)拋撒的可制茶新梢、單片總質(zhì)量,g;W5為測段內(nèi)人工采摘鮮葉質(zhì)量,g。

4.3 試驗結(jié)果

由表1可知:該輕便自走式茶葉采摘機工作穩(wěn)定,采摘茶葉過程中,采下茶葉完整率為81.1%、可制茶率為93.7%、茶葉損失率為0.82%、漏采率為0.77%,各指標(biāo)均在合格范圍以內(nèi),符合《JB/T6281—2007》的相關(guān)要求,本設(shè)計的大宗茶茶葉采摘機可用于丘陵緩坡茶園的采摘修剪作業(yè)。

5 結(jié)論

(1)針對丘陵緩坡、梯田式茶園設(shè)計了一種輕便自走式茶葉采摘機。該機器用模塊化設(shè)計,底盤和作業(yè)裝置采用兩套獨立動力源,傳動結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)整機輕量化。

(2)對機器履帶行走底盤、采摘裝置升降機構(gòu)、液壓傳動系統(tǒng)以及往復(fù)式采茶作業(yè)裝置的關(guān)鍵部件進行參數(shù)設(shè)計與選型計算。

(3)田間試驗表明:采下茶葉完整率為81.1%、可制茶率為93.7%、茶葉損失率為0.82%、漏采率為0.77%,各項性能指標(biāo)均滿足要求。