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2014年我国茶园机械化研究成果综述

时间:2015-05-20 来源:未知 作者:傻傻地鱼 本文字数:4636字
摘要

  1 引 言

  2014 年, 国外在茶园机械领域的研究较少, 未见论文专利等研究成果报道。国内茶园机械的相关研究主要集中于采茶机械, 有部分研究针对修剪机、深耕机、防霜风扇等展开, 总体取得了较为丰硕的成果。各研究单位共公开发表论文 27 篇, 其中发展研究类 9 篇, 新产品试验效果及推广类 6 篇, 产品使用方法说明类 5 篇, 技术研发类7 篇; 申请专利共 21 项, 其中发明专利 13 项, 实用新型专利 8 项。

  2 研究成果分析

  2.1 论文成果分析

  发展研究方面, 杨拥军[1]、李文萃[2]、韩余[3]等分别对茶园耕作机械、茶园防霜风机及茶园机械的发展现状做了较详细的分析论述。他们认为, 当前茶园机械化过程中新技术应用日益增多, 但是还存在发展不全面, 自动化、智能化程度低等问题, 未来发展应注重局部与整体相结合, 技术开发应向丘陵山区茶园倾斜。郑文佳[4]、蔡海涛[5]、毛世红[6]等分别针对贵州、黄山、同仁等区域茶园机械发展状况进行了分析与展望, 这些传统茶区有着强劲的茶园机械需求, 然而, 由于茶园机械化水平相对落后, 科技知识匮乏, 极大地限制了当地茶业的发展。

  新产品应用方面, 李维[7]、尹先足[8]等进行了单人电动采茶机的试验研究。结果表明当蓬面标准芽叶比例接近70%时, 机采效果较好, 所采标准芽叶可达 37.49%, 机采鲜叶中茶多酚、游离氨基酸的含量分别为 20.76%、4.55%,符合名优茶制作标准; 当蓬面标准芽叶比例接近 55%时,机采鲜叶的组成与品质则符合大宗茶的制作标准。郑荣华[9]等对国产的智能防霜风机进行了试验研究, 结果表明,该机具有自动化程度高、环保、稳定、安全等优势, 可明显提升明前茶的品相; 但是前期投入成本较大, 如若产品能通过鉴定, 进入各级政府农机补贴目录, 则更易为茶农所接受。权启爱[10]等对 ZGJ-120 型茶园中耕机的结构特点进行了分析说明, 并制定了使用方法技术规程; 梁华龙[11]、尹梅俊[12]、琚贻平[13]
等对茶叶机械的选购和使用方法进行了较为系统的论述, 为茶农提出一些指导意见; 何雪[14]对高地隙茶园管理机进行了试验研究, 并指出一系列安全注意事项。

  技术研发方面, 秦广明[15]等完成了 4CZ-12 型智能采茶机器人的设计, 并进行了田间试验。作者采用 R-G-B 算法进行图像处理, 获取 R-B 灰度图像, 进行阈值分割, 最短处理时间仅为 0.228 s.田间试验结果表明, 4CZ-12 智能采茶机器人平均误识别率为 28.7%, 单手采摘次数为 1.29次/s、整机生产效率(鲜叶)为 5.254 kg/h、漏采率为 2.66%、摘后收集率为 99.6%、老梗叶率为 0.8%、茶芽完整率为76.6%, 表明机具各项性能指标均满足设计要求。韩余 针对自走式采茶机, 进行了机架底盘连接槽钢模态分析,证明其振动特性满足采茶机工作要求; 并设计了自走式采茶机液压系统, 通过仿真分析与样机试验有机结合, 证明了该液压系统设计的合理性。徐良[18]针对引进台湾的 308F小型手扶式茶园中耕机, 建立了杂草缠绕数学模型。分析认为, 为防止和减少缠草现象, 除草作业应该在杂草初长时进行, 应该在雨后或早晨杂草含水率较高时进行; 还可以通过增加转轴半径, 在转轴上增加杂草切割装置, 并将转轴设计成封闭光滑结构来降低缠草几率。

  另外, 陈云琳[19]、阴代权[20]就机械修剪体质增效技术进行了试验研究。试验表明, 推广机械修剪能抢抓茶叶修剪节龄, 降低劳动强度, 节约成本, 且剪后茶园平整, 新芽萌发整齐, 起到了体质增效的作用。

  2.2 专利成果分析在专利成果方面, 多为采茶机类。因为采茶机械发展相对较为成熟, 具有较坚实的研究基础, 设计人员趋于全方位、多角度考虑, 相关成果大多为原有电动采茶机、手抬式采茶机、乘坐式采茶机等采茶技术的改进与完善, 也有少部分比较新颖的采茶类机械专利产品。

  小型采茶机受茶园地形及农艺的限制较少, 容易推陈出新, 故新专利产品也比较多。苏州市西山鸿运材料用品厂周福祥[21]发明了一种装有减震装置的内燃机驱动采茶机, 并制定了使用方法,.本发明主要包括内燃机、变速箱、背架、减震装置,通过在底座和支撑架之间设置减震装置, 有效地降低了内燃机引起的背架振动, 使操作者可长时间作业。陈纬[22]发明了一种便携式采茶机。该机壳体内安装有上下条形齿板, 上下条形齿板之间设有锯齿刀片,沿上下条形齿板的轴向做往复运动; 上下条形齿板之间设有滑动机构, 可以调节上下条形齿板叠合所形成的齿槽的间距。本发明结构简单, 操作方便, 既能提高采摘质量, 又能提高工作效率及经济效益, 适合各种茶园、不同档次的茶叶采摘。四川农业大学马菁[23]等设计了一种太阳能手持式采茶机。该设备采用太阳能电池板和蓄电池双电源, 通过光伏充电控制器自动控制优先使用太阳能电池板提供的电能, 也能由蓄电池单独供电, 操作简单, 适合于丘陵区茶园和个体茶叶种植户, 对于提高采茶机械化有积极作用。台州市路桥蓬街塑模机械厂王金富[24]设计了一种电动采茶机, 拟解决电动采茶机电机、电源、采茶剪切机构之间的动力匹配不合理、工作效率不高等问题。 该机包括机架、收集袋、切割刀条、扫叶板、驱动电机, 其动力传递简单、结构紧凑、使用方便。南通大学汪旭亮等[25]发明了一种茶叶单芽采茶机。该机壳体底板上设置多个仅能通过茶叶单芽的底孔, 在底孔的近侧设置由电磁铁运动驱动的切刀, 增加了采茶机的选择性, 不过, 其采净率与采摘效率有待进一步研究。

  自从国内第一台乘坐式采茶机问世以来, 其极大地开阔了科研人员的设计思路, 今年国内也涌现出来大量的大型自走类采茶机的专利。中国计量学院叶纲[26]发明了一种悬浮式采茶机, 采用悬浮式结构、动力空气驱动、自动行走, 悬浮式采茶机利用托板悬浮在茶叶树上, 动力空气喷嘴喷出的动力空气驱动转动叶轮, 驱动移动刀片和行走叶轮, 悬浮式采茶机自动行走。其采用塑料等轻型材料制造, 整机重量轻, 具有成本较低、劳动强度较低等特点。永康市威力园林机械有限公司胡松钰等[27]发明了一种设有多轮防颠簸行走机构的采茶机。其包括门式结构的机架、发动机、变速箱、采茶机构、机架左右两侧的前轮和后轮,特征在于增加了前轮动力驱动防颠簸减震传动机构和后轮防颠簸行走机构, 实现了采茶机能在高低不平的山坡地茶地上平稳、高效、保质保量采茶。安徽农业大学李兵等[28]发明了一种乘坐式采茶机, 其包括机架、动力装置、切割系统、集叶系统和行走系统以及驾驶座、方向盘、蓄电池,传动系统由中央传动总成和左、右传动总成组成。该设备具有劳动强度低、采茶效率高和成本低的特点。陈淑凤[29]设计了一种采茶机, 包括支撑架、茶叶斗、滚筒、剪切刀、电机和滚轮。该机支撑架内设有电子秤, 滚筒上侧门上设有透明观察口, 方便计量、观察。本实用新型结构简单、使用方便、采茶效率高, 茶叶不会受到雨淋, 同时也不会因为茶叶斗中茶叶过多, 而导致茶叶挤压损伤。杭州正施达精密机械有限公司郑金良[30]设计了一种大型轨道式采茶机。其包括平行布置的两条导轨、具有走机构的机架主体、驱动机构、切割机构、吹风机构、茶叶收集箱等。浙江工业大学汤一平等[31]发明了一种基于机器视觉的智能化自动切割式采茶机, 其包括具有多轮防颠簸行走机构、自适应动态平衡割台、割刀和视觉传感器、集茶装置、操作与控制系统。该发明通过机器视觉识别、调整割刀的位置, 使得切割刀具的圆弧形切割线与圆弧形茶陇蓬面上的嫩芽层相吻合, 可实现茶陇蓬面上的嫩茶层在横向方向上的精确切割。农业部南京农业机械化研究所肖宏儒[32]等设计了一种跨行手扶自走式智能采茶机, 可以自动识别茶蓬高度,实时调节切割器的位置, 实现自适应采摘。

  除了采茶机整机类专利成果外, 还有一些采茶机械类相关的专利产品问世。候如升[33]发明了一种电动采茶机的料袋固定装置。该料袋固定装置利用连接圆筒顶部的定位凸缘阵列, 使用者可以直接将定位凸缘卡在抽风通道尾部的卡槽中, 轻松完成连接和固定。由于连接圆筒的外侧壁设有固定凸块, 使用者可以调节料袋的设置角度, 使得抽风设备的风量最大, 增加茶叶的入料速度。浙江工业大学朱威等[34]发明了一种基于视觉检测的采茶机割刀控制方法。此方法中, 将摄像头安装于采茶机正前方, 拍摄获得进叶口茶叶采摘情况的图像, 在采茶机割刀上预先标定与茶树颜色显著不同的两个不异色区域, 通过检测采集图像中这两个区域的像素点个数, 来判定割刀与茶叶树冠之间的相对位置, 并输出控制信号来自动调节割刀位置与角度。该发明利用计算机视觉检测技术识别与控制, 提高茶叶采摘质量和采摘效率的同时, 降低了采茶机对茶园地形及树冠平整度的要求。中国农业科学院茶叶研究所石元值等[35]提出了一种用于名优茶采茶机的成叶隔离装置。其主要包括由齿条组成的梳齿组、连接条、侧板和固定板。该实用新型可以有效去除成叶对新梢采摘的干扰, 提升了名优茶鲜叶原料的采摘得率与净度。长沙学院谢明华等[36]设计了一种采茶机图像采集系统。其包括 FPGA 主控模块、摄像头驱动模块、数据收发模块、电源模块。摄像头驱动模块将摄像头输入的图像信号转换为数字量, 其输出连接于 FPGA 主控模块, 数据收发模块输入连接于 FPGA 主控模块, 输出连接于采茶机主板。本实用新型体积小、成本低、扩展性强。

  其他茶园机械专利成果较少。何敬丽[37]发明了一种茶树修剪机的机头限位装置, 其包含一蹄形固定基板, 基板中部设有一连接通孔, 尾部设有一对十字形的限位槽口。调节限位槽口内的十字齿条, 可限制机头的最低位置, 防止机头触碰到植株的主杆, 大大延长茶树修剪机机头的使用寿命, 实用性强。江苏大学胡永光等[38]提出了一种茶果园防霜风扇的故障监测装置及方法, 包括可编程控制器、警报器、GSM 模块、电源模块、光电传感器 A、光电传感器 B、编码盘 A、编码盘 B.可编程控制器根据光电传感器 A 和光电传感器 B 输出信号的处理结果, 控制警报器、GSM 模块进行防霜风扇的故障报警和发送故障信息, 便于及时发现风扇故障维修, 保证防霜设备的正常运行, 确保防霜效果。本发明可应用于茶园和果园的防霜风扇的故障监测。
  
  3 结 论

  回顾 2014 年, 在业内同仁的共同努力下, 茶园机械研究有一定的进展和诸多可喜之处。例如, 国内首台智能采茶机器人设计完成, 田间试验取得成功; 叶刚等设计了新型的由空气动力驱动的悬浮式采茶机; 以机器视觉为核心的智能采茶技术研究增多; 高地隙茶园管理机入选为国家农机推广补贴目录等。这些研究成果极大推动了我国茶园机械化的进程。

  然而, 我国茶园机械化存在的问题依然较突出。一是茶园生产作业未完全实现机械化。现有机械设备中, 以管理机械、收获机械较多, 垦殖、栽培等茶园作业仍无相关机械装备。二是现有机械装备水平参差不齐。现有研究中,采茶机械占大多数, 相应地采茶机械自动化程度也较高;而茶园修剪、耕作、施肥等机械的研究相对较少, 相应设备较笨重, 自动化程度较低。三是适用于丘陵山区及大坡度茶园的机械设备研究依然较少, 山区茶园机械化基本处于空白。四是研发创新力度需加强。国内专门从事茶园机械研究的科研单位很少, 研发力量较单薄。对已研发设备的改进、试验与推广也需进一步加强。

  总而言之, 2014 年的茶园机械研究进步较为显著, 茶园机械化发展又迈上了一个新台阶。然而, 存在的问题也比较突出, 仍需要政府及广大科技人员继续积极努力, 加大投入力度。一方面, 积极克服现有困难, 解决存在的难点技术问题, 向高水平发展; 另一方面, 积极开拓茶园机械新领域、新方法、新模式, 向全面机械化发展。总之, 要实现更全面、更高水平的茶园机械化仍需长期努力。

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