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探析手扶式茶树双面修边机设计理念和试验情况
摘要：针对现有茶树修边机以单人手持进行作业为主，修剪劳动强度大，易疲劳；单人手持作业时以单边修剪，作业效率低，茶行宽度不一等问题，研制了一种手扶式茶树双面修边机。文章阐述了机具的基本结构、工作原理、性能参数，重点对整机方案选型进行设计并试验。试验结果表明：整机作业时劳动强度大大降低，作业速度稳定，茶树修边效果较好。经茶园试验，在正常工作情况下茶蓬枝条撕裂率和枝条漏剪率均低于标准的指标要求且比较稳定，分别为0.77%和0.69%，以行距1.5m的标准茶园计算，每小时可以完成1557.4m2茶园的修边作业。该手扶式茶树双面修边机可满足茶树修边使用，能较大的减轻劳动强度，提高工作效率。
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我国茶叶种植具有悠久的历史，作为农业支柱产业得到了持续发展。我国的茶园种植面积和产量稳居世界第一[1]，产生了良好的经济和社会效益。据国家统计局近年来的统计数据可知，我国的茶园种植面积由2000年的约109万hm2增加到了2018年的约299万hm2，茶叶产量由2000年的约68万吨增加到了2018年的约261万吨。
无论从茶叶产值还是解决农村劳动力就业的角度来看，茶叶在我国农业经济中都具有重要的作用，在茶叶主产区的农村经济中占有相当的比重，茶业已成为当地农业发展的重点。
茶树是多年生木本植物，树龄较长，在生育期内需要根据其不同时期的生育特征和目标进行修剪[2]。茶树修剪主要包括幼年期的定型修剪、成年期的轻修剪和衰老期的重修剪或台刈，是一项茶叶优质高产的茶园管理措施[3]。茶树修剪机是使用最频繁的茶园机械之一[4]，为保持行间工作通道，利于通风透光和机械作业，需要及时修边。茶树修边作业主要使用单人修剪机、双面修边机等，刀片形式均为平形往复切割式。
燃油动力的修剪机在作业时存在较大的噪音、振动、尾气排放和热气等，操作人员手提修剪机作业容易疲劳。为降低茶树修边劳动强度，结合茶园的地理条件和农艺要求，笔者设计了一种手扶式茶树双面修边机。
1、整机结构及工作原理
图1手扶式茶树双面修边机结构示意图
手扶式茶树双面修边机适用于茶行侧边修剪，与微耕机底盘配套。主要由微耕机底盘（发动机、传动系统、行走机构）、电动修剪机（左、右各1台）、高度调节装置、宽度调节装置、电池、扶手等组成，结构如图1和图2所示，技术参数如表1所示，部分参数因条件不同在一定范围内变动。
图2手扶式茶树双面修边机结构示意图（局部）
微耕机底盘上的发动机动力经垂直输出轴、自动离合器、减速器传递给行走轮提供行走动力。两个电动修剪机安装在茶园耕作机上，两台茶树修边机由独立的直流电机带动，经减速器和偏心轮曲柄连杆机构驱动刀片往复运动进行修剪。
表1手扶式茶树双面修边机技术参数
在田间作业时，根据茶行侧边修剪要求调节好修剪机的宽度和高度，启动微耕机底盘上的发动机，通过操作电源开关控制左、右电动修剪机的启停。修剪时，通过油门调整微耕机底盘行走速度。根据茶行走向用扶手调整行走方向。当需要暂时停止作业或者需要转移时，按下控制左、右电动修剪机的电源开关即可。
手扶式茶树双面修边机可边行走边同时修剪两侧的茶树，不需要操作者手持修剪机或背负电瓶进行作业，这样降低了操作者的劳动强度，又提高了作业效率，同时在不增加成本的情况下提高了茶园耕作机的利用率。
2、总体设计
2.1方案选型与设计
根据我国茶园的地形条件和茶行修边的需求基础上，参考了国内外茶行修边技术资料，研究人员多次实地进入多种茶园调研，掌握茶行修边实际工作情况。下面从底盘、修剪机宽度和高度调节方面进行选型与设计。
1）微耕机底盘。微耕机是作为一种小型轻便的一机多用的农业机械，适用于农村丘区茶园、果园的旋耕、碎土、除草等田间管理作业。在茶园不需要耕作而茶树需要修剪的时间，采用微耕机底盘可以在不增加成本的情况下提高茶园耕作机的利用率。
微耕机本身比较小巧灵活，在丘区茶园，选用小动力的双轮微耕机有较好的适应性。在微耕机前端可以布置修剪机安装座，在后端可以布置电池，整机前后重量比较均衡，便于手扶式操作。在安装座上增设高度调节机构和宽度调节机构，可实现对修剪高度、宽度的调节。因此采用微耕机底盘作为修剪机的行走和支撑平台。
2）宽度调节机构。我国茶园地形条件复杂多样，各茶园建设标准和农艺标准不同，茶行宽度不一致，为了满足不同茶行宽度的修边需求，需要可以调节左右两个修剪机刀片间的距离。由于电动修剪机电池布置在后方，修剪机质量大大减轻，因此采用了较轻便的铝合金伸缩管和锁紧扣结构进行宽度调节。
3）高度调节机构。因不同茶树品种、不同生态条件及生育阶段，茶树高度是动态变化的，为了满足不同茶行高度的修边需求，需要调节修剪机刀片高度。由于修剪机刀片自身约600mm的长度，高度范围有余量，因此采用滑块、导轨和固定销的调节机构实现阶梯式高度调节。
4）修剪机控制。电动修剪机分别布置在本机前端左右两侧，为方便修剪机的启停，将修剪机电源开关分别安装在扶手左右两侧，各自独立控制修剪机。
2.2参数确定
1）根据对茶园的调研，为方便作业机械和人员进入茶行，茶树经修边之后茶园行间的茶蓬间距大多在400～600mm之间。为确保手扶式茶树双面修边机进入我国大部分茶园，能够在茶园行距内灵活行走，且需留出部分操作和行走的间隙，选取带行走轮，无耕作部件的立式微耕机作为行走和修剪机支撑装置。参照《农业机械设计手册》[5]拖拉机的行间通过性要求，保护带宽度为100～250mm，由于茶行较窄，选取最小保护带宽度100mm，整机微耕机底盘选取宽度400mm。配套动力选用1P70FB风冷四冲程汽油发动机，标定功率4.1kW，标定转速3600rpm。
2）电动修剪机结构紧凑、体积小，电池与电机之间通过导线连接即可，便于整机布置。修剪机采用单人平形电动茶树修剪机，工作幅宽为600mm，配套动力采用直流电机，24伏电池供电，单个电动修剪机标定功率0.8kW，空载转速1500rpm。
3）修剪茶行高度范围300～1000mm之间可调，适合机采的投产茶园树冠高度集中在600～800mm之间，符合我国大部分成龄茶园的茶行高度修剪需要。
2.3工况速度
手扶式茶树双面修边机主要包括两种工况：修剪作业和田间转移。
1）在茶园进行茶行修剪作业时，由于茶园品种、树龄等不同，修剪机作业时的行进的速度不同。
2）田间转移时行进速度和田间道路情况相关。
综上两种工况需要，手扶式茶树双面修边机使用微耕机底盘，采用自动离合方式传递动力，无极变速。前进速度从0.5km/h到5km/h，速度范围能适应修剪作业和转移的各种工况。
2.4电池配置
在微耕机前端布置了修剪机及其宽度、高度调节机构，改变了微耕机的质心位置，质心在微耕机轮轴前方，需要在微耕机轮轴后方增加质量。电池作为电动修剪机的动力来源，同时可以作为调整微耕机质心的配重使用。因此将电池设置在了后方且重心较低的位置。
3、试验验证
3.1试验方案与结果
为测试手扶式茶树双面修边机的作业性能，在雅安洪雅县余坪镇符场茶园进行了试验（见图3）。
按照标准《JB/T5674—2007茶树修剪机》[6]枝条撕裂率（轻修剪≤2.0%，深修剪≤2.5%）、枝条漏剪率（轻修剪≤1.0%，深修剪≤2.0%）的要求，在修剪后的茶树行切割面上，用面积为0.1m2(20cm×50cm）的测框随机取三点进行测试，测定枝条撕裂率、枝条漏剪率。
枝条撕裂率按式（1）计算：
（公式1）
式中：RS———枝条撕裂率，%；S———测框内枝条撕裂数，个；Z———测框内枝条总数，个。
枝条漏剪率按式（2）计算：
（公式2）
式中：RL———枝条漏剪率，%；L———测框内未剪枝条数，个；Z———测框内枝条总数，个。
由于各个茶园行距存在差异，根据《NY/T2172-2012标准茶园建设规范》[7]，本文修边作业生产率按照行距为1.5m的标准茶园计算，计算单位时间内修边完成的茶园面积。修剪机是双面修边，单行程可等效完成单行的修边作业，作业面积为茶行宽度乘以行走距离。生产率按式（3）计算：
（公式3）
式中：E———生产率，m2/h;V———作业行走速度，m/s。
图3手扶式茶树双面修边机现场试验
修剪后依次按照式（1）、（2）、（3）对测试数据进行计算，统计得到手扶式茶树双面修边机的修剪质量和生产率，试验结果，如表2所示。
表2试验结果
3.2试验结果分析
1)按照茶树修剪机标准进行试验后结果较好，符合标准作业指标要求。
2)在试验过程中发现茶园行间地面平整度对手扶式茶树双面修边机的作业效果有一定影响，使修剪后的茶行立面不平整，茶园基础条件建设是实现茶园管理机械化的重要基础。
3)从试验结果可知，每次测得的枝条撕裂率和枝条漏剪率均低于标准的指标要求且比较稳定。
4、结论
1)设计的手扶式茶树双面修边机适用于茶行修边，能够在茶行间距内灵活作业，通过性好。
2)双面修边机采用了微耕机底盘，操作人员只需要控制扶手即可，大大降低了操作人员的劳动强度，可调整修剪宽度和高度的修剪机在田间作业适应性较好。
3)手扶式茶树双面修边机可以满足茶树修剪机的作业要求。经茶园试验，在正常作业的情况下计算生产率，每小时可以完成1557.4m2茶园的修边作业。
参考文献：
[1]罗泽涌,陈建,方晶晶,等.我国丘陵山区茶园种植机械化现状与发展研究[J].农机化研究,2020,42(2):1-7.
[2]徐奕鼎,汪海泉,王烨军,等.茶树系列修剪技术及其合理应用[J].安徽农业科学,2013,41(17):7439-7441+7453.
[3]殷丽琼,肖星,刘德和,等.不同时期的轻修剪对云南大叶种茶叶产量及品质的影响[J].西南农业学报,2019,32(5):1034-1038.
[4]韩余,肖宏儒,宋志禹,等.我国茶园机械化作业模式研究[J].中国农业科技导报,2016,18(3):74-81.
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程方平,易文裕,庹洪章,王攀,邱云桥.手扶式茶树双面修边机的设计与试验[J].南方农机,2020,51(09):6-7+14.
基金:四川省重点研发项目——《茶园机械化生产及机采配套加工技术》(2019YFN0179).
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期刊名称：中国农业文摘-农业工程
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主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：中国农业大学
出版地方：北京
专业分类：农业
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国内刊号：11-2531/S
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2020-05-17
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