茶叶采摘设备研发

完成单位: 四川农之星科技有限公司
参与研发人员: 庞志宁、廖微微、尹彦忠、尹开银、邓佳
评价机构: 国家技术转移西南中心达州分中心
专家组成员: 张元华、吕沈江、莫义良、王义财、胡家波
评价完成时间: 2020年8月15日
成果类别: 应用技术
所属区县: 达州市通川区
成果简介:
一、任务来源及项目简介
1、“茶叶采摘设备研发项目”(以下简称项目)是四川农之星科技有限公司(以下简称公司)自选研究项目。
2、项目立项背景:
中国是茶产量和茶种植最多的国家,1958年起,我国已经开始了采茶机的设计研发工作,1980年左右行业规模初步形成,当时全国有专业茶机制造厂60余家,生产茶机品质、型号达百余个以上,全国茶机保有量约40万台,大宗茶的初、精制加工基本实现了机械化。改革开放以来,我国经济体制改革逐步深入,经济迅速发展,各种资本开始进入茶机行业,茶机生产企业数量剧增。近年来,我国市面上的主流采茶机约有10余种,均属于切割武采茶机,其主要原因在于往复式切割器切割性能良好,所采下的芽叶完整率较高。以下为目前市场主要采茶机:
型号 刀型 生产商 备注
NV45H单人采茶机 平型 川崎 进口组装
4CD-33单人采茶机 平型 杭州采茶机厂  
NCCZ-1000单人采茶机 弧型    
AM-100E单人采茶机 平型 洛合园林茶机厂 进口组装
CS-100单人采茶机 平型、弧型 扬名茶机厂  
4CSW-910双人采茶机 弧型 杭州采茶机厂  
 
目前,我国采茶机的研究趋势偏向于茶叶采摘质量和一味追求芽叶完整率,却为此消耗了大量的人力物力,导致一台单人采茶机的使用需2-3人配合,而双人采茶机的使用需要3-4人配合,大大降低了劳动生产率,而日本的跨行乘坐式采茶机等类型采茶机因我国茶园地形地貌和相关农艺水平不达标等因素,不能在我国大面积广泛使用。
另一方面,从低碳环保的角度出发,现大部分机型都为柴油机或汽油
机作为动力输出,尤其是一些大型采茶机进地,会对田间植物产生破坏,影响下一轮新梢的生长,并且对环境造成了极大污染。基于此,公司履带自走式采茶机的设计在结合了我国名大宗茶和优茶的采摘工序和对采下茶叶完整率有要求的基础上,参考了大量的国内外茶机设计文献资料,也多次进入茶园,结合了丘陵地区茶叶种植区的地形和土壤特性,对比了我省实际茶园种植修剪情况后,实地的观察采茶机田间工作,最终确定了履带自走式采茶机的设计方案。
3、总体思路
为了大幅度减轻茶农在进行茶叶采摘过程中的劳动强度和大幅提高茶农采茶的经济效益,提高茶叶产量和解决农村劳动力缺失的问题,在查阅了大量国内外相关文献、机型的基础上,结合了我省低山丘陵地区的土壤环境、茶园种植特点、相关农艺等要求,研发设计了一款适用于大部分茶园茶叶采摘工作的履带自走式茶园采茶机。
(1)根据四川茶园地形地貌、茶园种植特点、相关农艺要求等因素在查阅了大量相关文献并实地进行田间调研的基础上,首先确定了整机的设计方案,然后对履带自走式采茶机进行了作业功耗的理论计算,据此来选择最为合适的配套动力,然后对整机传动系统和其他关键工作部件进行了设计,最终完成采茶机的理论设计。
(2)首先对履带自走式采茶机的整机进行了基于CATIA的三维建模,确定了主要工作部件的材料属性,在此基础上,对采茶机的运动学和动力学进行理论分析,给出了割刀的运动方程、往复式切割器切割图等,然后对采茶机切割器稳态响应、割刀的惯性力平衡进行研究,并给出了平衡惯性力的方法和方程。
(3)为了了解切割器不同运动、结构参数对于重切率和空白率的影响,对切割器切割性能进行了仿真分析,通过MATLAB软件编程写一个GUI界面,在此GUI界面中输入不同参数值,此GUI界面会根据输入的参数生成相应的切割图,从而得到所求区域的面积,计算出重切率和空白率;然后对切割图进行分析,进行四因素四水平的正交试验,找出曲柄角速度、机具前进速度、前桥宽度、刃部高度四个因素对于切割器切割性能的影响程度大小和最优工作参数的组合,实验后发现,以上4个因素对于切割性能的影响主次顺序为:曲柄角速度>前进速度>刃部高度>前桥宽度。
(4)田间试验。在查阅了相关国家标准后在达州市茶园进行了田间试验,得到了该机的基本性能参数,其平均漏采率为2%、平均采后收集率为96%、平均老梗叶率为0.9%、平均芽叶完整度为86%、平均可制茶率为94%,主要性能参数完全满足现代茶园采摘作业的要求。然后建立了三因素三水平两指标的正交试验,得到了对功耗和芽叶完整度影响程度主次的因素,即前进速度>刀片往复率>割弧长度,最终选择了最优的工作参数组合,即当前进速度为1.98 km/h、割弧长度为1.0m、耗为2.776kw,能够取得较好的采摘效果,达到采茶机的性能要求。
4、主要研究内容
1)往复式切割器是采茶机的主要工作部件,往复式切割器的好坏直接决定了采茶机的使用寿命和茶叶采摘质量,往复式切割器的割幅不能过宽,过宽只会过度的消耗功率,增加质量,增加振动,但如果割幅过小,就会出现采摘不完全,采茶效率低下。为保证茶叶的采摘质量,对于往复式切割器的选择要结合实际来进行匹配。
2)当地的茶园大多种植与低山丘陵地区,机器进入茶园有一定的坡度,且在田间机器不易调头,所以,要求履带自走式采茶机的转弯半径要尽可能的小,针对我国大部分茶园没有专用的机耕道的情况,就需要所设计的采茶机能够满足实际工作条件,且结构要合理紧凑,来保证茶园作业的稳定。
3)在满足了茶叶的采摘效率和芽叶完整度的情况下,尽可能降低采茶机的成本和功率消耗,来保证生产的经济和社会效益,并延长采茶机的使用寿命,同时保证采茶机的环保指标和在工作中的噪音指标能够满足要求。
4)当地的茶园种植行距较窄(约650mm左右),单人采茶机和双人采茶机劳动强度又过大,而跨行乘坐式采茶机无法进入茶园,所以要求设计的行走机构的宽幅要在650mm以内,来保证机器在田间的通过性。
5、关键技术1)整机行走部件幅宽为500mm,适用于我国大部分的密植茶园,能够在茶树种植行距内作业,由于采用了履带替换了传统的轮式行走,大大提高了采茶机与地面的接触面积,稳固性得到提升,比起传统采茶机,作业的稳定性也大幅提高,整机机构简单、操作方便。
2)发动机选用额定功率为3.6kw的福特电机,额定转速为3600r/min,动力强劲、污染小、噪音较低、动力转动系统简单、动力损失小、可以满足复杂地形的田间作业。该机型操作简单、行走方便,可以适应平地低丘陵型或梯田型茶园的茶叶采摘工作,也可适用于茶蓬高度不一致的茶园采摘需求。
3)变速箱采用了链传动和带传动、驱动了履带的的前进和倒退,通过调节变速箱档位可以实现低速前进、高速前进、停车三种行驶状态。
4)弧形切割刀片由螺栓整齐有序排列在刀杆两侧,并安装了护刃器,刀杆的一端固定于挡板上,另一端连接在曲柄连杆机构.上,安装方法可靠,风机工作后将风通过风管吹送至采茶机刀片后方,以便于将采下的鲜叶及时吹入集叶袋。
5)采茶机头支架中安装有人工摇动蜗杆,来保证不同高度的茶树作业,可在作业时顺时针或逆时针摇动蜗杆,然后对准芽叶开始采茶工作。
二、应用领域和技术原理
1、应用领域:履带自走式采茶机在实际工作过程中,虽然表现较为出色,能够基本替代人工采摘,但这也是建立在茶园需有一定的机耕道的基础上。此机型构造合理、动力可靠、操作便捷,适用于我国大部分茶园的茶叶采摘工作,在一定程度上解决了传统机型遇到的问题,针对丘陵山区茶园有很大的应用前景。
2、技术原理:割刀在曲柄连杆机构的作用下做往复直线运动,在护刃器的配合下做有支撑的切割,切割图如图,在定刀片轨迹线内的茶芽被护刃器和定刀片推向两侧,而相邻的两定刀片之间的茶芽由于所处的位置差别,有三种不同的情况:1)一次切割区中的茶芽被动刀片推到动刀片刃线上,并在定刀片的支持下完成切割,大部分茎秆沿着割刀的运动方向倾斜,但倾斜量较小,割茬低。2)重切区的茶芽可能会被二次经过的刃线重复切割一次而造成过度切割产生残茬。3)空白区中的茶芽在动刀片向右移动时没有接触动刀片刃线,在动刀片回程时被割断,所以茎秆的纵向倾斜量较大,割茬较高,由于切割较为集中,所以切割阻力也较大。所以,以上可以得出:在切割器切割过程中,若要保证切割质量和减小功率消耗、减小切割阻力,就要求重切率和空白率要尽可能的小。
三、性能指标(写明计划书或合同书要求的主要性能指标和实际达到的性能指标,以检测报告中数据为准)
本项目确定的性能指标,主要是
(1)采摘范围≥茶树的90%
(2)生产率≥0.3h㎡/h(约4.5亩/h)
(3)茶叶采摘率≥95%
(4)茶叶完整率≥75%
后经过中国测试技术研究院测试,指标均达到标准。
四、与国内外同类技术比较
1、国外研究现状。
日本是世界上最早开展采茶机械化研究的国家,20世纪初期,日本的茶树修剪和茶叶采摘工作基本都是利用大剪刀来进行的,20世纪50年代以后,开始逐步研制小型采茶机和修剪机,1976年,大型自走式、乘坐式采茶机投入了实际生产。20世纪70年代前后,日本已拥有螺旋滚刀式、水平圆盘刀式、螺旋滚折式等多种动力采茶机。在日本,近十几年来把自走乘坐式采茶机的设计研发作为重点研发对象,并且投入了大量的精力,株式会社寺田制作做和落合刃物工业株式会社分别研发的履带自驱动乘坐式采茶机、乘坐式采茶机,利用了液压驱动的高地隙底盘,可横跨茶蓬作业,采茶器高度可以灵活调节,两社最近几年获得了较多的采茶机相关专利。
印度、法国、澳大利亚、英国等国在历史上也都曾开展过不同程度的采茶机设计研发工作,目前,印度、东非等国家和地区已初步实现机械化采茶工作。从国外采茶机设计历程来看,实现茶叶采摘、生产机械化是国外大宗茶以及优质茶的采摘技术的发展趋势,但名茶的采摘需要更加精密和智能、水平更高的采茶机器来完成.
2)国内研究现状
中国是茶产量和茶种植最多的国家,1958年起, 我国已经开始了采茶机的设计研发工作,1980年左右行业规模初步形成,当时全国有专业茶机制造厂60余家,生产茶机品质、型号达百余个以上,全国茶机保有量约40万台,大宗茶的初、精制加工基本实现了机械化。改革开放以来,我国经济体制改革逐步深入,经济迅速发展,各种资本开始进入茶机行业,茶机生产企业数量剧增。
理论研究上,徐成刚等发明了一种半自动式电动采茶机,由剪切机构、操作臂机构、收集机构等组成,结构小巧,操作轻便。蒋友光利用了多种因素分析法,建立了对切割质量影响较为重要的几个因素与切割质量指标的回归方程,其中包括刀高、行程、平均切割速度、速比,之后利用优化理论求得针对步行式采茶机切割速度的最佳设计参数。与之前机型相比,芽叶完整率提高了28.72%,漏切率低于2%,小于采茶机相关设计标准中3%的要求。采后新梢也基本发育良好。曹望成等的研究主要集中在对茶树新梢剪切力学特性方面,其团队初步发现了新梢节位、颈梗粗细、茶树品种等因素与新梢剪切力学特性存在的某种关系,提出了切割理论剪切力的具体计算方法。
项目目前的技术在国内技术较为领先,特别在芽叶完整率和漏切率保持着技术优势。
五、成果的创造性、先进性
1、成果的创造性
本课题研究的茶叶采摘装备是茶产业重要的农机装备,为茶农急需的生产工具,设备研发成功后拟在全省范围内推广,能提高茶叶采摘作业效率、降低劳动强度、提高嫩芽采摘率及茶叶完整率,提高茶叶的生产品质,提高茶农收入。
2、成果的先进性:2020年06月“四川省科技成果查新咨询服务中心”查新报告表明,未见到与我公司主持的“茶叶采摘设备研发”内容相关的报道,所以本项技术应属国内领先水平。
六、作用意义
社会效益:丘陵地区社会经济发展水平较为落后,农业是国民经济的基础产业,但目前仍是弱势产业,效益比较低,导致农村劳动力大量流失,这种趋势很难逆转。而采茶装备作业效率高,可大幅降低茶叶的生产成本,能提高茶叶的生产品质及售价,减轻茶农劳动强度,提高茶农收入,对丘陵地区社会稳定和发展效益十分显著。
七、推广应用的范围、条件和前景
课题研究的是茶产业重要的农机装备,为茶农急需的生产工具,通过项目组的研发,将在产品功能、技术性能、质量与可靠性方面与现有产品相比有很大进步或突破,达到作业效率高、节能环保、操作轻松舒适安全、适应性强等要求,在目前农村劳动力紧缺背景下,开发的新装备通过广泛的销售宣传,结合国家惠农的农机购置补贴政策,研发装备一定会有较大的推广应用量。
八、存在的问题和改进意见
1.本项目设计的茶叶采摘设备在实际哈桑很有效果,但实际运营中仍然会存在一些问题:
1)履带自走式采茶机在实际工作过程中,虽然表现较为出色,能够基本替代人工采摘,但这也是建立在茶园需有一定的机耕道的基础上。我国广大茶区的很多茶园根本没有机耕道,履带自走式采茶机也可能无法进入茶园。这就需要通过茶园改造、通过提高栽培管理水平、优化结构设计来解决。
2)在茶园试验过程中发现,即使是种植较为规范、标准的茶园若不能进行定期的茶园养护、修剪等茶园管理作业,履带自走式采茶机在田间转向时也会较为困难,所以在下一步的研究和设计中,应该更加注重农机农艺的进一步协调和规范化。
3)茶园地面不平影响了采茶机头刀片切入深度和切入深度的均匀性,现在是采用人工摇动丝杆装置来解决。人工摇动丝杆存在反应慢、操作不方便的缺陷,在下一步的设计中考虑改为电动丝杆装置并安装水平传感器,以解决该问题。