自走平衡式电动采茶机的结构设计

黄 升，卢 伟，吴顾斌，蒋红达，方子祥

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

在近十年前，我国很多地方对茶叶的采摘还是依靠手工进行，虽然这样的劳动方式使茶叶的质量得到了保证，但其生产效率低下。因此近些年市场上出现了一些采茶机，但存在一些问题，例如传统汽油采茶机存在油耗多、噪音大、对茶叶有污染、受地势限制等，无法满足绿色有机茶的要求。为了节能环保，市场上又出现了单人或者双人操作的电动采茶机，但都是手提操作，这对采茶工来说仍然有很大的劳动强度，而且手提操作采茶不容易把握好采茶的平衡度，这会对茶叶有一定的损坏，影响到茶叶的品质。为解决上述问题，本文设计了一款自走平衡式电动采茶机。

1 结构特点

这款自走平衡式电动采茶机主要由六部分组成，即采茶系统、收茶系统、平衡系统、自走系统、制动系统和控制系统，各个系统特点如下。

1.1 采茶系统

采茶系统设计为往复切割式双层齿状刀片剪切机构，上刀片不动，下刀片做往复直线运动，往复直线运动用圆柱凸轮机构实现[1]。考虑茶园茶带剪切面的形状是拱形圆弧曲面形，所以用于切割的齿状刀片设计成拱形圆弧曲面形。

1.2 收茶系统

利用鼓风机进行工作，鼓风机的叶片在旋转的情况下其离心力会带动周围的空气转动，从而产生风力，风力吹动采摘过的茶叶通过传输通道送至存放筐。

1.3 平衡系统

平衡系统的设计是将电动采茶机安装在左右两根电动升降杆上，利用电动升降杆可以调节采茶机工作高度，通过自平衡系统以保持剪切平衡。

1.4 自走系统

自走系统包括底盘、转向杆和钢架联接部分。底盘作为整体骨架起到支撑作用，转向杆作为转向机构起到转向作用，钢架将左右两部分联接起来并且起到稳固作用。

1.5 制动系统

制动系统包括前后制动器，均采用盘式制动器，盘式制动器散热性比较好，结构相对鼓式制动器来说也比较简单[2]。

1.6 控制系统

控制系统由电池、电源分路器、驱动轮控制器、升降杆控制器、采茶机控制器、鼓风机控制器、中央控制器和线路连接等部分组成，控制系统可以控制采茶机的工况。此款自走平衡式电动采茶机需要一个工人跟随，工人的工作内容是在中央控制器上操作以控制采茶的工况，另外还有转弯、制动、收茶、检查和观察等工作，很大程度上减轻了工人的劳动强度。

利用SolidWorks软件，采茶机三维建模如图1所示。

1.电池；2.自调节平衡总成；3.中央控制器；4.转向框架；5.定位架；6.采茶器；7.电源分路器；8.单体移动车；9.集茶筐

2 自走式平衡电动采茶机结构设计

2.1 采茶系统设计

所设计的采茶系统由采茶机箱体、齿状采茶下刀片、下刀片支撑板、圆柱凸轮机构、传动齿轮和电机组成。采茶机箱体设计为具有采茶口、吹风口和出茶叶口，另外，能够安放凸轮机构、传动齿轮和电机等，起到采茶系统的基本载体作用。

该采茶系统采用单动式剪切茶叶，上下刀片均为圆弧形状，刀片厚度为2 mm，并且紧贴在一起。运动下刀片的尾部有一根圆柱体，圆柱头嵌入圆柱环形凹槽内，当凸轮旋转时就会推动圆柱头，进而推动下刀片做直线往复运动，圆柱凸轮的旋转运动由电机通过齿轮传动来传递，动力传动系统，如图2所示。

1.被动齿轮；2.圆柱体；3.环形凹槽；4.传动齿轮；5.主动齿轮；6.底座；7.供电组件

2.2 收茶系统设计

收茶系统顾名思义就是要实现自动收茶的功能，消除人工收茶，给采茶工作创造便捷。收茶系统包括鼓风机、进出风口、传送通道和收茶筐。基于采茶工作的设计依据，将鼓风机设计为左鼓风机和右鼓风机，从而进(出)风口、传送通道也设计为左右两部分。鼓风机安装在采茶机体最前端安装架的左右两端。在出风口上设计传送通道，其从出风口至收集筐，传送通道用织布或塑料软管制成。收集筐安装在底盘的尾部，收集筐里可以利用收集袋接收从通道传来的茶叶。

2.3 平衡系统设计

平衡系统由电动平衡杆、平衡杆控制器、中间联接杆、自调节平衡总成、轴承和紧固销等组成，可以调节采茶机采茶高度和左右倾斜度，维持采茶平衡。电动升降杆由直流减速电机、蜗杆、推杆、轴承、外壳和底座等组成[3]。电动升降杆和升降杆控制器分为左右两部分，中间联接杆将左升降杆和右升降杆联接起来，而且支撑和固定采茶机。采茶机顶部有安装杆，该安装杆插入平衡系统中间联接杆的安装口上，并且用紧固销将两者紧固。中间联接杆与左右升降杆的联接处可以转动，这是通过轴承来联接的。自调节平衡总成包括中间梁、两个液压箱、两个连接管、两个弧形块，电动平衡杆的上端有一个液压箱，中间联接杆的两端各设置有一个弧形块，弧形块在液压箱内，两个液压箱通过连接管相连通，自调节平衡保证了采茶机始终处于水平状态，如图3所示。

1.升降杆用控制器；2.升降杆；3.中间梁；4.连接管；5.液压箱； 6.弧形块

2.4 自走系统设计

自走系统采用后驱动形式，其由底盘、联接钢架、电池、驱动轮控制器、后驱动轮、前轮、减震器和转向杆等组成，其起到自走和转向的作用，该系统也是其余系统的安装载体。采茶机安装在平衡系统的中间联接杆上，而平衡系统的底座安装在自走系统的联接钢架上，所以采茶机的行走和转向由自走系统同步完成。

2.5 制动系统设计

盘式制动器可以分为钳盘式和全盘式两种，钳盘式又可分为定钳盘式和浮钳盘式，本设计用定钳盘式。其由制动盘、制动钳、制动摩擦片、制动钳活塞、制动活塞壳体、分泵、制动液软管、油管和制动把手等部件组成，为液压控制型。制动系统的工作过程是：制动时，工人拉压制动把手，被压的油液通过油管进入到内、外两油缸中，液压油推动油缸中的活塞，导致活塞将两制动块的制动摩擦片压紧制动盘，由此产生摩擦力矩使制动盘停止转动，从而达到制动目的；不制动时，工人放松制动把手，制动块和活塞在弹簧弹力与密封圈弹力的作用下回到初始位置，在该情况下，制动盘与制动摩擦片之间的间隙每边为0.1 mm左右，该距离足以解除制动，能够保证制动盘正常转动。

2.6 控制系统设计

控制系统主要由电池、电源分电器及各种控制器组成，另外，制动和转向也属于控制系统的一部分。控制系统的核心是中央控制器，中央控制器通过控制各电机的控制器进而控制各电机的转速和启停。中央控制器安装在转向架上，转向架上有转向把手和制动把手，从而将所有控制部分集成在一起，将采茶、收茶、平衡和自走的调节都在中央控制器上完成，制动时通过拉压制动把手由制动器制动，转向时通过人工转动转向杆转向。控制系统相互协调，共同完成多种工况。

3 结语

本采茶机结构设计合理可行，能够实现自调平衡和自行走的效果，适用于多种地势形态的茶园环境中，从采摘至收集过程实现无人介入的操作流程，工作过程仅需要一名工作人员同旁监控操作即可，既能够简化采茶的操作难度，节省人力，还能够提高采茶的工作效率，适用于大规模茶园的采摘工作中。