国内外采茶机械发展状况研究_韩余

第35卷第2期2014年3月中国农机化学报

JournalofChineseAgriculturalMechanizationVol.35No.2Mar.2014

DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2014.02.006

国内外采茶机械发展状况研究*

韩余1,2，肖宏儒1，秦广明1，宋志禹1，丁文芹1，梅松1

(1.农业部南京农业机械化研究所，江苏南京，210014；2.中国农业科学院研究生院，北京市，100081)

摘要：深入分析国内外采茶机械的发展历史与现状，发现日本、英国、法国、澳大利亚、阿根廷等，均实现了机械化采茶，而中国的机械化采茶发展及推广程度还不高。分析指出，由于发展起步晚、地域广袤复杂、高新技术在农业领域应用滞后等原因还存在缺乏标准统一的茶园种植模式、采茶核心技术引进多创新少、现有科研力量薄弱、相关知识产权保护不力等问题。最后，本文针对我国的实际情况提出我国未来茶叶机械化收获的发展建议与措施。关键词：采茶机械；发展；新技术；建议中图分类号：S233.74

文献标识码：A

文章编号：2095-5553(2014)02-0020-05

韩余,肖宏儒,秦广明,宋志禹,丁文芹,梅松.国内外采茶机械发展状况研究[J].中国农机化学报,2014,35(2):20~24

HanYu,XiaoHongru,QinGuangming,SongZhiyu,DingWenqin,MeiSong.Studiesondevelopsituationsoftea-leafpickerbothathomeandabroad[J].JournalofChineseAgriculturalMechanization,2014,35(2):20~24

0引言

如今茶叶已成为全世界最大众化、最受欢迎、最

风式。其中，克罗拉采茶机采用履带式自走底盘，行驶性能好，采摘面整齐，集叶损失少，回转半径小，易于掉头

[3]

。20世纪70年代前后，根据采摘方式的

有益于身心健康的绿色饮料。中国茶业经济进入了快速发展的阶段，产业规模正在不断扩大。然而我国茶叶生产机械化水平低，加之近年来的农村劳动力紧缺，鲜叶及时采摘得不到保证，茶叶产业的发展受到了严重制约。提高茶叶生产过程机械化水平是促进茶叶持续稳定发展的当务之急

[1]

不同，日本已拥有往复切割式、螺旋滚刀式、水平圆盘刀式、螺旋滚折式等多种类型的动力采茶机。目前，日本已基本实现采茶机械化

[4]

。近十几年，日本

在自走乘坐式采茶机的研发中做了大量的工作。株式会社寺田制作所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，采用液压驱动的高地隙底盘，可以横跨茶棚作业，采摘器高度可以灵活调节，其自动化程度也大大提高。该两社最近几年获得了较多的自走式采茶机相关的专利，比如专利茶叶采摘机械、履带式茶叶收获机械、乘用型采茶机、自走式采茶机

[5~8]

。本文通过分析国内外

采茶机械的发展背景与现状，指出我国采茶机械目前存在的问题、今后我国采茶机械的发展方向，并给出了相应的建议。

1

1.1

国内外采茶机械发展状况

国外采茶机械的研究背景与发展状况

国外最早开展机械化采茶研究的国家是日本。

等。

前苏联1929年开始从日本进口采茶剪。1930年，农学家沙多夫斯基提出了第一台三轮型采茶机样机，主要工作部件是往复式切割器。之后也有学者做了不少研究，但成效不大。1965年研制了自走折断式采茶机。1970年前后开始研制切割式采茶机，并逐步得到普及应用，目前已经实现了机械化采摘

[2]

1910~1920年，日本应用大剪刀进行采茶和茶树修剪，并基本普及使用[2]。1955年日本开始研究小型动力采茶机、修剪机。到1976年，大型自走式、乘坐式采茶机投入使用，比如鹿岛Ⅲ型采茶机、茶试二

号拖拉机装载采茶机和克罗拉采茶机。其均采用切割式采摘机头，于茶行之上作业，集叶采取吹风式或吸

收稿日期：2013年8月23日

修回日期：2013年11月19日

。

澳大利亚、印度、法国、英国、阿根廷等国也曾不同程度地开展了采茶机的研制工作。目前，印度、

——茶园机采鲜叶分级*基金项目：现代农业茶叶产业技术体系(CARS-23)；江苏省农业科技自主创新资金项目（CX(11)2065）—加工关键技术与装备研究

第一作者：韩余，男，1987年生，陕西商洛人，硕士研究生；研究方向为农业工程装备。E-mail:[email protected]通讯作者：肖宏儒，男，1958年生，江苏泰兴人，研究员，硕导；研究方向为农业工程装备。E-mail:[email protected]

第2期韩余等:国内外采茶机械发展状况研究

21

东非、斯里兰卡等国家和地区相继实现采茶机械化。

从国外采茶机的发展历程来看，采摘器有切割式、折断式两种。其中切割式采摘器包括往复切割式、螺旋滚刀式、水平圆盘刀式，折断式采摘器包括滚折式、压折式和指折式；往复切割式刀片又有平形和圆弧形之分。折断式切割器由于工作效率低、采摘质量差等原因都没能应用到实际生产中去，现存的都为切割式采摘器。在切割式采摘器中，往复切割式效率高、采摘完整率高、重割率低，螺旋滚刀式采摘效率低、完整率低、重割严重，水平圆盘滚刀式效率太低，故以往复切割式采摘器应用最为广泛。

随着科技的发展，实现自动化机械采摘是国外大宗茶以及优质茶叶的采摘技术的发展趋势，而名茶的采摘则需要采摘精度和智能水平更高的机器人来完成。

出了包括手动、机动和电动的水平钩刀切割、螺旋滚刀切割和往复切割等多种形式的采茶机

[4]

。1980年

之后，我国开始与国外合资生产茶树修剪机和采茶机。在国家的支持下，科研单位和企业对采茶机的生产技术进行引进、吸收，加速国产采茶机的发展速度，CS110双人抬式采茶机、4CSW900型双人采茶机相继问世。

近些年，市面上主流采茶机有十几种，均属于切割式，由于往复式切割采集的茶叶芽叶完整率高，质量相对较好，因此推广、使用较多。采茶机的移动形式分为：单人背负手提式、双人担架式、自走式(手扶)等。其中双人担架式操作方便，采茶质量较好。驱动形式分为手动式、汽油机驱动式、电机驱动式3种。因汽油机驱动式机动性强，坡地实用性强，故使用较多。国内的双人担架式茶叶采摘机械，采用往复切割式原理，以汽油机为动力，标准芽叶可达50%~

1.2国内采茶机械的研究背景与现状

1958年起，我国开始机械化采茶研究。20世纪70年代，我国广泛展开大宗茶机械化采摘研究，提

表1

60%，芽叶完整率可达75%左右，采净率高达85%~90%[9]。目前国内常用机型如表1所示。

目前常用采茶机机型

Tab.1Currentcommonlyusedmachine

型号

刀型平型平型平型弧型弧形弧形弧形、平型弧型、平型弧型、平型

生产商

浙江川崎茶叶机械有限公司杭州采茶机械厂

长沙落合园林采茶机械有限公司南昌飞机制造有限公司宁波电机厂杭州采茶机械厂无锡扬名采茶机械厂

长沙落合园林采茶机械有限公司浙江川崎茶叶机械有限公司

进口组装进口组装进口组装备注进口组装

NV45H型单人采茶机4CD―330型单人采茶机AM―100E型单人采茶机NCCZ―1000型双人采茶机4CSW―1000型双人采茶机4CSW―910型双人采茶机CS―100型双人采茶机VNewZ―1000型双人采茶机PHV―100型双人采茶机

格瑞斯实业有限公司研发的直流采茶机包括直流电机、减速机构、采摘部件等。该采茶机体积小，采用直流电源供电，单人手提作业；具有携带、操作方便，作业不受茶园地形、种植方式限制，电池可重复使用而节能环保等优点

[10]

自走式采茶机械的研究正在进行。龙朝会发明了一种采茶机，下部装有行走滚轮的支撑架在操作人员的推动下可横跨茶蓬沿茶行前进，剪切刀采下鲜叶，由滚筒扫入茶斗。其优点在于机器可以推行，减轻了操作人员的劳动强度，缺点是要求茶行铺设有滚轮行走的硬质路面，较为苛刻

[14]

。刘和地设计的动力连接

缩紧装置，增加了软轴顶紧杆和弹性件，工作时，顶杆在弹性张力的作用下顶紧软轴，向外拉动顶紧杆即可解除缩进状态，此装置具有锁紧力度大、不易因振动而松动、操作灵活省力等优点

[11]

。农业部南京农业机

械化研究所研制的履带乘坐式全自动采茶机，采用液压驱动，地隙灵活可调，可横跨茶蓬作业。其采用双动往复式圆弧刀片和双风机集叶系统，采摘质量高，集叶效果好。该机最大的特点是实现了茶机自走乘坐功能

[15]

。郭苏放设计了

[12]

一种电动采茶机，增加了无刷直流马达冷却系统。

侯巧生发明的一种电动采茶机，低速大扭矩直流电机有上、下输出轴，可同时驱动风机和采摘器，结构紧凑，故障率低

[13]

。

微型采茶机、单人提式采茶机、双人抬式采茶机以及乘座式采茶机如图1所示。

。

22

中国农机化学报2014年

[18]

100、CS―1000、4CDW―330等。

白启厚等对往复式切割采茶机切割器进行了实验研究，找出了切割阻力与滑切角、切割速度、刀片间隙、茶叶茎秆粗细之间的关系，得到了部分参数的设计范围

(a)微型采茶机

(b)单人采茶机

[19]

。

曹望成等对茶树新梢剪切力学特性进行了实验研究，初步探明了茶树品种、新梢节位、颈梗粗细以及气候条件与新梢剪切力学特性的相互关系，提出切割器理论剪切力的计算方法

[20]

。

蒋有光等采用多因素分析法，建立了对切割质量影响比较复杂的四个因素(刀高、行程、平均切割速度以及速比)与切割质量指标的回归方程；并应用优化理论求的了针对步行式采茶机切割器的最佳设计参

(c)双人采茶机

图1

(d)乘座式采茶机

四种不同的采茶机

数。经试验叶芽完整率为80.87%，漏切率为1.93%，割茬不平度为0.049，与较好机型切割器相比，芽叶完整率提高28.72%，割茬不平度提高7倍，尽管漏切率低1.58，但远小于采茶机《标准》中规定的3%的要求

[21]

Fig.1Fourdifferentkindsoftea

plucker

往复切削式采茶机对茶树新芽的生长是有影响的，因此，有人开始研究全新的采摘方式。肖玉环[16]采用边缘为橡胶板的具有拨禾作用的旋转板与盾口圆弧形刀片相适配，机器前进时，旋转板边缘的橡胶板将茶枝压在刀口上采下。这种采茶机的采摘方式解决了传统采茶机易伤害茶树的缺点，但是采茶质量和效率有待进一步研究。农业部南京农业机械化研究所及合作单位正在研制名优茶智能采摘机器人，样机如图2所示。其采用双目立体视觉计算出芽头三维坐标信息，并规划最优采摘路径，然后控制仿形手指掐断芽头。目前该项目正在进行当中

[17]

。

2我国茶叶收获机械化中存在的问题

我国虽然是茶的故乡，但是茶叶的机械化采摘起

步相对较晚。目前整体机械化水平还很低，自动化、智能化基本为零

[22]

。追本朔源，我国茶叶采摘机械化

水平低有其自身的原因。首先，我国是一个农业人口大国，上世纪直至本世纪初，劳动力充足且成本低廉，而人工采摘质量高，故机械化采茶的需求不明显

[23]

，研发过程中遇到。其次，新中国成立以来，我国的科技得到迅

了一些问题尚待进一步解决，比如，遇到刮风的天气，由于芽头随风摇动，视觉系统无法识别；采摘效率较低，路径识别与规划程序需要改进与优化，减少机械手过多不必要的移动。

速发展，而一些先进、高端技术之发展往往始于汽车、航空、军事等工业领域，在农业领域发展与应用的步伐相对滞后。农业机械化也仅仅在2006年后进入迅速发展时期

[24,25]

，诸如茶叶之类的特色经济作物

的机械化生产研究尚处于起步阶段，落后与不足在所难免。最后中国消费者对茶叶质量有极高甚至苛刻的要求难度。

就目前我国茶叶采摘机械化的发展情况来看，其还存在不少问题

[27]

[26]

，加之我国茶区地形不一，丘陵、坡地众多，

一般机械设备无法适用，都增加了茶叶机械化采摘的

。首先，我国的茶园种植方式不

规范，还未形成大规模的像日本那样的适合机械化采摘的标准茶园种植模式，不利于采茶机械研究工作的

(a)采茶机器人样机

图2

(b)机械手

展开，无章可依，开发的设备适应能力差。其次，我国的采茶机械多为模仿日本机型，刀具参数同系模仿设计。然而，我们和日本的饮茶习惯有所不同，日本人不追求茶叶的完整性，采茶设备只需将可制茶鲜叶从树上采下即可

[28]

采茶机器人样机

Fig.2Teapickingrobotmodelmachine

目前国内往复式切割器多仿制日本产品样机或部分采用实验设计，常见的有PHV―1000、4CSW―

，

而中国人却要追求芽叶的完整

第2期韩余等:国内外采茶机械发展状况研究

23

性，尤其是名优茶，碎芽叶愈少则茶的质量越高。这样，单纯的模仿出来的设备自然无法满足中国人对茶叶的要求。最后，出于经济和采摘器的知识产权难以保护等原因，真正进行采摘器基础研究的企业和科研单位也很少

[29,30]

XiaoHongru,etal.Studyondevelopingstrategyofmechanizationofteaproducing[J].ChinaTea,2011,2(7):7~10.

[2]邱鹏翔,陈椽.采茶机和修剪机的发展历史[J].茶机话史,1993,38(7):27~30.

QiuPengxiang,ChenChuan.Developinghistoryofteapruningmachineandteapluckingmachine[J].HistoryRelatedbyTeaPlucker,1993,38(7):27~30.

[3]林学和.实现采茶机械化是茶叶生产发展的必由之路[J].福

建茶叶,1989,15(2):4~7.

。这些问题也是造成我国茶叶采摘机

械发展缓慢的重要原因。

3我国茶叶机械化采摘发展趋势与建议

未来中等和优质茶叶的采摘作业会继续向自动

化水平更高的机械化方向发展，采茶机械由单纯的机械设备向集机械、电子、液压、信息技术、光学、计算机视觉、智能控制、专家系统等先进技术为一体综合设备转变。名茶的采摘将由智能采茶机器人来完成。根据以上分析，未来我国茶叶机械化收获的发展措施。

LinXuehe.Onlyrealizedmechanizationoftea-leafpicking,canteaproducingindustrydeveloped[J].FuJianTea,1989,15(2):4~7.

[4]郑乃辉,王文建,等.福建省机械化采茶的发展现状与思

路[J].福建茶叶,2011,12(1):5~9.

1)建设或改建标准化茶园。标准化茶园建设包

括茶树行距、株距、修剪形式，灌溉设施，除霜设施，以及大型设备入园道路设施等。标准化茶园的建立有助于机械设备型号的统一，避免一个茶园需要一种尺寸机型的现象，有利于茶机的标准化生产与推广。

ZhengNaihui,WangWengjian,etal.Developingsituationandideaofmechanizationofteapicking:ofteaindustry[J].FujianTea,2011,12(1):5~9.

[5]EradaJunichi.Travelingtypetealeafpluckingmachine:JP2008301831[P].2008-12-18.

[6]AokihaJime,Aokifujio.Tealeaf-pickingmachine:JP2011193754[P].2011-10-06.

[7]TeradaJunichi,AoyamaToshiharu.AelingTealeafpluckingmachine:JP2010057421[P].2010-03-18.

[8]TeradaJunichi.Ravelingtypetea-leafpluckingmachineforsweepingdew:JP2010148519[P].2010-07-08.

[9]胡建,何增福,等.茶树修剪采摘机械的现状及展望[J].农业

装备技术,2011,37(5):21~24.

2)优化现有采摘器结构或设计新型采摘器，提

高采摘质量。历史上出现过的采茶机采摘器主要有滚切式、滚折式、压折式、往复切割式。其中往复切割式应用最广，但是由于结构本身的限制，采摘质量还存在较大的提升空间。设计出新结构、新原理的切割器方能在提高采茶质量上有所突破。

3)突破传统机械理念，结合电子、液压、控制

等技术提升采茶机械的自动化、智能化水平。破除传统观念的约束，设计时不要过分受制于传统生产方式，农业机械也可以和卫星、飞机等一样融合高端科技。其实从事农业生产的人更欣于接受新的生产方式，一旦有了更简便、省力、高效的生产工具，农业生产者自然愿意尝试。

HuJian,HeZengfu,etal.Situationsandexpectationsoftrimmingandpickingmachineforteatree

[J].Agricultural

EquipmentsandTechnique,2011,37(5):21~24.

[10]浙江格瑞斯实业有限公司.直流采茶机:中国,CN

102668812A[P].2012-09-19.

[11]刘和地.一种新型背负式采茶机的动力接头:中国,CN

202140457U[P].2012-02-08.

[12]郭苏放.环保节能型电动采茶机:中国,CN202524769U[P].

2012-11-14.

[13]侯巧生.电动采茶机:中国,CN102783309A[P].2012-11-21.

[14]龙朝会.一种采茶机:中国,CN202444808U[P].2012-09-26.

[15]韩余,肖宏儒,等.茶园机械发展新动态[J].中国农机化学

报,2013,34(3):13~16.

4)借鉴工业机器人技术，研发高效率、高精度、

智能化采茶机器人完成名优茶的机械化采摘。采摘一个芽头对于机器人来说是比较复杂的，要想达到人工的速度与水平更是有难度。但是工业领域机器人技术的发展已经比较成熟，所谓他山之石可以攻玉，医用手术机器人已研发成功，善于学习借鉴，名茶采茶机器人也可期待。

参

考

文

献

[1]肖宏儒,等.茶叶生产机械化发展战略研究[J].中国茶叶,2011,2(7):7~10.

HanYu,XiaoHongru,etal.LatestresearchsituationsandtrendsaboutteagardenmachineryinChina[J].Journalof

24

ChineseAgriculturalMechanization,2013,34(3):13-16.

中国农机化学报2014年[D].Hangzhou:

techniqueforqualityteainteagardenZhejiangUniversity,2007.

[16]肖玉环.一种采茶机:中国,CN202496217U[P].2012-10-24.

[17]肖宏儒,等.一种茶园修边机:中国,CN202104066U[P].

2012-09-18.

[18]左峰.小型茶园耕作管理机械的研究与推广[J].湖南农机,

2012,39(1):28~29.

ZuoFeng.ResearchandpromotionofsmallcultivationandmanagementmachineryforteaplantationAgriculturalMachinery,2012,39(1):28~29.

[19]白启厚,等.往复切割式采茶机切割器试验研究[J].安徽工

学院学报,1985,15(2):14~16.

[23]刘振,等.我国茶叶标准现状问题及对策[J].茶叶通讯,

2010,23(9):27~30.

LiuZhen,etal.Situationsandsuggestsofourcountry’steastandard[J].TeaCommunication,2010,23(9):27~30.[24]戚康标,等.广东省机械化采茶系列技术研究报告[R].广州:

广东省农业厅,1994,23(42):8~28.

[J].Hunan[25]李宝筏.农业机械学[M].北京:中国农业出版社,2003.[26]李明,等.一种茶园多功能可调开沟施肥机:中国,CN

102498767A[P].2012-10-09.

[27]郑乃辉,王振康,等.机械化采茶:破茶产业的发展瓶颈[J].

中国农村科技,2011,12(7):14~17.

BaiQihouetal.Testandstudyforthecutterofreciprocating-cuttingTea-leafpickingmachine

[J].JournalofAnhui

InstituteofTechnology,1985,15(2):14~16.

[20]曹望成,等.茶叶新梢剪切力学特性的研究[J].浙江农业大

学学报,1995,21(1):11~16.

ZhengNaihui,WangZhenkang,etal.Mechanizedteaplucking:breakthroughbottleneckofteaindustry[J].ChinaRuralScience&Technology,2011,12(7):14~17.

[28]BapannaKDora,RBAnand,etal.Optimizationofagriculture

virtualsimulationofbumptest[J].SAE,2004,32:0021.[29]张红.茶园吸排式防霜系统设计与仿真研究[D].镇江:江苏

大学,2012.

CaoWangcheng,etal.Studyonshearingpropertiesofteashoot[J].JournalofZhejiangAgriculturalUniversity,1995,21(1):11~16.

[21]蒋有光.采茶机切割器系统的优化设计[J].茶叶科学,1986,

6(2):45~47.

JianYouguang.Optimizeddesignoftea-leafpicker’scuttersystem[J].TeaScience,1986,6(2):45~47.

[22]唐萌.茶园名优茶机械化采摘集成技术研究[D].杭州:浙江

大学,2007.

ZhangHong.Designandsimulationstudyofsuctionexhausttypefrostprotectionsystem[D].Zhenjiang:JiangsuUniversity,2012.

[30]毛祖法.推广机械采茶必须做好的几项工作[J].中国茶叶,

1990,16(10):8~9.Mao

Zufa.

Work

must

be

well

done

to

popularize

mechanizationteaplucking[J].ChinaTea,1990,16(10):8~9.

TangMeng.Researchonmechanical-pluckingintegrative

Studiesondevelopsituationsoftea-leafpickerbothathomeandabroad

HanYu1,2,XiaoHongru1,QinGuangming1,SongZhiyu1,DingWenqin1,MeiSong1

(1.NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanizationMinistryofAgriculture,Nanjing,210014,China;

2.GraduateSchoolofChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing,100081,China)

Abstract:Byanalyzingthedevelopinghistoryandsituationsofteapickingmachinebothathomeandabroad,thispaperobtainstheconclusionthatsuchcountrieslikeJapan,England,France,AustraliaandArgentinahaverealizedthemechanizationofteaplucking,butChinahasnot.ThearticlealsopointsoutthatthereasonswhyChinahasapoorlevelofteapickingmechanizationarethatChina,withacomplexterrain,startedusingmechanicalteapluckingmethodlaterthanothercountriesandagriculturalapplicationsofhightechnologiesfallsbehindindustry.Existingproblemsanalyzedmeanwhilearelackinguniformedcultivatingpatternoftea,invitingmorethaninnovatingofkeytechniqueofplucking,weakscientificresearchabilityandimmatureprotectingwaysforintellectualproperty.Finally,someadvicesandmeasurestoimprovedomesticteapickingmechanizationaregiven.Keywords:tea-leafpicker;development;newtechnique;advice