便携式电动采茶机关键部件设计与试验研究

发布时间：2020-07-27 22:08

【摘要】：茶叶采摘是保障茶叶生产中其质量和效益的重要环节之一。针对丘陵山区大型采茶机械不适用、茶叶采摘工短缺且劳动力成本高的问题,开展便携式电动采茶机关键部件的设计及试验研究,具有重要的实践意义。本论文以茂绿品种茶树新梢为研究对象,试验测定其生长和茎秆力学特性参数;对便携式电动采茶装置,进行总体结构和关键部件的设计;基于双动刀切割图分析影响采摘性能的因素并进行优化;最后进行采摘性能的台架试验。主要研究内容与结果如下:(1)茶树冠层新梢生长与力学特性试验研究以茂绿茶树为测试对象,通过对待采一芽三叶新梢的统计测量,结果表明,新梢生长倾斜度范围是0.8~30.1°,平均倾斜角为9.2°,一芽三叶新梢长度范围是66.1~113.1 mm,平均长度为86.6 mm;第四节茎直径范围为2.0~3.2 mm,平均直径为2.5 mm;采摘一芽三叶后的留茬高度范围为15.6~55.8 mm,平均留茬高度为34.7 mm。通过质构仪对新梢第四节茎秆的抗压、压缩和剪切力学特性进行了试验研究,得到了相应的力-位移特性曲线,分别求得茶树新梢第四节茎秆弹性模量平均为31.81 MPa,压缩模量平均为10.12 MPa,剪切模量平均为9.19 MPa。(2)采茶机总体结构和关键零部件设计对便携式电动采茶机的结构进行总体设计,其中包括切割器、分叶板、扫叶轮。确定了切割器为往复式双动刀切割器,选取割刀刀片的刀刃角为40°,刀片宽度为10 mm,前桥宽度为2 mm,刀片高度为1.5 mm,通过切割试验确定刀片切割角取值范围为0~20°;分叶板的分叶齿宽为10 mm,分叶齿间距为20 mm,分叶齿长度为60 mm;扫叶轮单个扫叶片高度为120 mm,结构为3叶片结构。(3)双动刀往复式切割器参数优化与切割仿真分析建立了切割器的运动模型,得到了不同结构参数和运动参数下的割刀轨迹,绘制出双动刀往复式切割器的切割图;基于Design-Expert8.0.6软件分析了刀片高度、刀片间距和刀机速比对切割图中一次切割区、漏割区和重割区的影响,对割刀参数进行了响应面法优化,得到刀片间距为20 mm、刀片高度为19 mm和刀机速比为1.05的最优参数组合。同时利用ANSYS_LS_DYNA模块建立单茎秆切割有限元模型,仿真分析了茎秆切割过程,仿真结果表明切割器割刀参数和运动参数设计合理。(4)采茶性能试验为探究实际采摘作业时,在一定刀机速比下不同行进速度、切割速度与切割倾角对茶叶采摘漏割率和芽叶完整率的影响,寻求合理工作参数,进行了台架试验;结果表明,刀机速比为1.05,切割倾角为0°时,不同行进、切割速度下的采摘漏割率均低于3%,与切割器参数优化后的漏割率为2.54%相符合,采摘茶叶的完整率均高于80%,表明采摘效果良好;同时以切割倾角为0°作为参照,分析了不同切割倾角对采摘效果的影响,发现提高切割倾角会导致漏割率增加,芽叶完整率降低,当行进速度较大时将切割角调整为-3°时,可有效的降低漏割率和芽叶完整率。本论文设计、研制了一种便携式电动采茶装置,基于切割图优化了切割器工作参数,采摘性能的台架试验表明,其采摘茶叶完整率高、漏割率低,进一步完善后适于丘陵山区茶叶采摘。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S225.99
【图文】：

采茶机,新梢,一芽二叶,折断力

(b) 双人抬式采茶机(c) 乘坐式采茶机图1.1 各种类型采茶机Fig. 1.1 Various types of tea plucking machine肯尼亚威廉姆公司研发出一种选择性采茶机（图 1.2），采摘方式为滚折式，根据不同嫩度新梢茎秆的折断力不同选择性采摘较嫩的一芽二叶新梢，留下较老的新梢，提高了茶树冠层恢复能力，但也会导致部分较老的新梢被折伤，很多叶片被折断而茎秆保留，采摘茶叶的破碎率较高[12]。

采茶机,选择性

江苏大学硕士学位论文3图1.2 威廉姆选择性采茶机Fig. 1.2 William selective tea harvester从各国试验过的采茶机采摘器原理来看，茶叶的采摘方式有往复式切割、滚刀式切割采摘、旋转式切割采摘、折断式采摘、拉割式采摘、机械手采摘等多种。但由于对采摘效率和采摘质量的要求，生产中常用的多为切割式采茶机，其中往复式切割应用最为广泛[13]。针对茎秆力学特性的研究，可以减少切割器研究的成本和缩短研发周期，并且研究作物的力学特性对研究切割器的工作情况是有益的[14]。茎秆的力学特性影响着作物收获和加工过程中的切割力，影响茎秆切割力的还有刀片结构、前进速度、切割速度等众多因素[15-16]。TaghinezhadJ[17]等研究了甘蔗茎秆的机械切割性能，以确定样品含水率相对于切割元件的影响，并量化可能的切割能量减少，还研究了尺寸参数对机械切削性能的影响。Chatopadhyay.P.S.[18]等通过万能试验机检测了高粱的压缩特性、剪切特性和弯曲特性，不同刀片斜角对茎秆的最大剪切强度有不同影响。Prince R P[19]等研究了含水率对青秆绿秆紫花苜蓿刚性模量的影响，发现含水率低的茎秆刚性明显增大。我国虽然是茶叶种植面积最大和茶叶产量最多的国家

生长状态,新梢,茶类

对设计采茶机割刀有着至关重要的作用。树新梢生长特性茶树新梢适采特征叶生长周期内不断形成新梢，茶树叶片展开程度和新梢展叶数量表的成熟度，是各茶类采摘鲜叶选择最佳质量的标志，叶片从初展到15~30 天，温度越高成熟越快。在自然条件下，新梢一年可展叶 20 片芽休止一次只展开 5~7 片叶。叶片开张程度俞大，粗纤维含量愈高。不同茶类对采摘叶片开张度有不同的要求。主要影响因子是温度、内源激素的形成与分配。在栽培条件下，嫩采、中采茶区，每轮次新叶，每开张 1 叶片约需 2~6 天。茶树新梢的萌芽期状态和展叶期所示[35]。

【参考文献】