紅花的物料特性測定與分析

李景彬+王曉華+坎雜+田緒順+楊紅英

摘要：以新疆裕民縣旱地?zé)o刺鮮紅花為試驗(yàn)材料，對紅花花瓣的含水率、花冠直徑、單個(gè)花瓣的平均質(zhì)量、紅花花瓣與花托之間的拉斷力、花托與花梗之間的拉斷力、花梗的拉斷力、花梗與莖稈的拉斷力、紅花花瓣的懸浮速率及對應(yīng)的含水率等參數(shù)進(jìn)行了測定，結(jié)果表明：紅花花瓣與花托之間的拉斷力小于花托與花梗之間的拉斷力，也小于花梗拉斷力及花梗與莖稈之間的拉斷力；含水率平均值為54%的鮮紅花懸浮速率為2.70 m/s，含水率平均值為8.9%的干紅花懸浮速率為1.72 m/s。

關(guān)鍵詞：紅花；物料特性

中圖分類號： S225文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0235-03

收稿日期：2013-06-02

基金項(xiàng)目：新疆特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（編號：2011CC003）。

作者簡介：李景彬（1980—），男，河南淮陽人，博士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品檢測與分級工作。

通信作者：坎雜，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程工作。Tel：（0993）2055009；E-mail：kz-shz@163.com。紅花是一種藥、油、染料、天然色素、飼料兼用的經(jīng)濟(jì)作物，紅花產(chǎn)業(yè)已成為21世紀(jì)最有潛力的朝陽產(chǎn)業(yè)[1]。紅花主要分布在中亞、非洲和地中海等區(qū)域，我國主要產(chǎn)于浙江、河南、新疆等省區(qū)。新疆是我國紅花的主產(chǎn)區(qū)，種植面積達(dá) 2萬～2.7萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)2.7萬～3.6萬t，約占全國紅花種植面積和總產(chǎn)量的80%，紅花產(chǎn)業(yè)已成為新疆“紅色產(chǎn)業(yè)”的重點(diǎn)之一[2]。

目前紅花花瓣收獲普遍依靠人工采摘。紅花的人工采摘存在以下缺點(diǎn)：（1）勞動強(qiáng)度大，造成了很大的心理和生理雙重傷害。由于紅花高矮不同，密度較大，開花期早晚各異，靠人工采摘勞動量很大，且工人的手指經(jīng)常被扎破，對采花工的心理和生理造成了很大的傷害。（2）生產(chǎn)效率低，采收成本高。純粹的手工采摘導(dǎo)致生產(chǎn)效率極低，且采摘成本達(dá)到種植紅花成本的一半，導(dǎo)致農(nóng)民得不到高效收益。因此，紅花機(jī)械化采收是紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[3]。

紅花的物料特性是設(shè)計(jì)和改進(jìn)紅花花瓣收獲機(jī)械與加工工藝的重要依據(jù)。為了推動紅花花瓣收獲機(jī)械的發(fā)展，本研究對新疆裕民縣紅花的物料特性進(jìn)行研究，為紅花收獲機(jī)械的研制奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料

本試驗(yàn)樣品為2012年6月30號取自新疆裕民縣新地鄉(xiāng)處于收獲期的無刺紅花花瓣，選取生長良好的新鮮植株，盡量避免機(jī)械工具對莖稈的損傷，并且在自然狀態(tài)下齊地切割，采樣后去葉，送到實(shí)驗(yàn)室于 4 ℃ 保存，以便進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)[4]。樣品取20株。紅花花瓣若過早采摘，不僅嚴(yán)重影響質(zhì)量和產(chǎn)量，而且不容易采摘，所產(chǎn)的紅花花瓣色澤黯淡、油分含量少；花序敗時(shí)采收，花瓣黏在一起，不易散開，加工后的成品暗無光澤、質(zhì)量降低、跑油情況嚴(yán)重[5]，所以試驗(yàn)時(shí)只取花瓣為紅色且不敗的為樣本。具體各部分名稱見圖1。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)對處于花瓣收獲期的紅花進(jìn)行隨機(jī)采樣，主要針對紅花的不同部位做物料特性對比試驗(yàn)。通過微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（江都市天源試驗(yàn)機(jī)械有限公司生產(chǎn)，型號：TY8000）、游標(biāo)卡尺（青海量具刃具有限公司生產(chǎn)，精度 0.02 mm）、MA45電子精密天平（賽多利斯MA系列）、自制的懸浮速率測量裝置、智能壓力測速儀等，分別對抗拉力、花冠直徑、重量、含水率、懸浮速率進(jìn)行測定，研究紅花的相關(guān)物料特性。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1花冠直徑、紅花花瓣重量和含水率的測定花冠冠徑、重量、花瓣含水率對紅花花瓣收獲機(jī)械的參數(shù)有重要影響，紅花花瓣收獲機(jī)械研究階段考慮這些特性有利于確定收獲機(jī)械的工作情況，降低研發(fā)成本與縮短研發(fā)周期。本試驗(yàn)選用游標(biāo)卡尺測定紅花的直徑，選用MA45電子精密天平測定紅花花瓣的含水率和每個(gè)花托上花瓣的重量。用游標(biāo)卡尺測定直徑時(shí)，注意要在花冠的徑向最大尺寸的方向上，當(dāng)游標(biāo)卡尺的量爪與紅花花瓣相貼且沒有壓力時(shí)即可讀數(shù)。冠徑測完后，用剪刀在花冠底部沿花托切向方向把花瓣剪下來，測定其重量和含水率。

1.3.2拉伸試驗(yàn)本試驗(yàn)選用計(jì)算機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測定拉斷力。試驗(yàn)環(huán)境溫度和空氣相對濕度分別為 28 ℃ 和70%。計(jì)算機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，將樣品的兩端裝卡到上、下卡具的中間部位，使樣品和水平面保持垂直，載荷傳感器傳遞載荷，而且能測出樣品被拉斷時(shí)的最大載荷；光電編碼器可以傳遞位移，將樣品的各參數(shù)變量輸入計(jì)算機(jī)，整個(gè)試驗(yàn)過程的速率不宜過大，否則試驗(yàn)結(jié)果會有較大偏差[6]，選用 60 mm/min 的速率對樣品施加拉力，選用的各不同直徑的樣本要保持其形態(tài)基本一致，長度要相同且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直徑，隨著施加拉斷力的增大，被夾的兩端部不斷裂時(shí)，試驗(yàn)成功，載荷-位移關(guān)系可由計(jì)算機(jī)以曲線方式記錄，各點(diǎn)坐標(biāo)及機(jī)構(gòu)參數(shù)均可由指定文件讀出。試驗(yàn)采用儀器自帶的夾具裝卡如圖2所示。

1.3.3懸浮速率紅花花瓣的懸浮速率是紅花花瓣本身一個(gè)重要的性質(zhì)，也是紅花花瓣收獲過程中影響收獲效果的一個(gè)重要因素，所以，有必要對紅花花瓣的懸浮速率進(jìn)行研究?；ò陸腋∷俾实臏y定裝置見圖3，主要由穩(wěn)壓筒、錐形管、收斂筒、支架與風(fēng)機(jī)等組成。為了便于觀察紅花花瓣被吹時(shí)的穩(wěn)定高度，錐形管是由有機(jī)玻璃制成的，其規(guī)格為長 1 200 mm，直徑為50 mm，下端設(shè)置1張篩網(wǎng)，可承接物料，并且有穩(wěn)定氣流的作用，下方安裝1臺具有無級調(diào)速功能的風(fēng)機(jī)。收斂筒和穩(wěn)壓管的作用是產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的氣流。在試驗(yàn)過程中，采用智能壓力測速儀對錐形管內(nèi)的氣流速率進(jìn)行測量。具體方法為：紅花花瓣從物料投放口放入有機(jī)玻璃錐形管底部的石棉網(wǎng)上，開啟無級調(diào)速變頻器按鈕和風(fēng)機(jī)啟動按鈕，適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動速率，使紅花花瓣在有機(jī)玻璃錐形管內(nèi)處于比較理想的懸浮狀態(tài)。由于紅花花瓣多為不規(guī)則的形狀，因此在錐形管中得不到準(zhǔn)確的懸浮位置。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)當(dāng)讀取紅花花瓣在錐形管中的最小L值與最大L值，通過公式（1）求出紅花花瓣的懸浮速率范圍。錐形管小端的速率取4個(gè)測點(diǎn)的平均值，4個(gè)測點(diǎn)按照圓形管斷面的等面積法[6]確定。本試驗(yàn)選用MA45電子精密天平測定對應(yīng)的含水率。試驗(yàn)分為2類，一類是鮮花瓣，另一類是干花瓣，每類10組，得出懸浮速率的范圍后求平均值。

2結(jié)果與分析

2.1紅花的花冠直徑、花瓣重量與含水率

對上述紅花樣品進(jìn)行直徑、重量和含水率測定，將試驗(yàn)結(jié)果用Excel軟件進(jìn)行分析。由圖4可知，花冠直徑在 33.78～41.80 mm 之間，其最大值和最小值之差為8.02 mm，通過計(jì)算可以得出花冠直徑的平均值為37.11 mm，說明花冠直徑以37.36 mm為浮動基準(zhǔn)，小幅度上下波動。由圖5可知，花瓣的重量在0.473～0.642 g之間，其最大值和最小值之差為 0.169 g，通過數(shù)據(jù)的處理可以得出花瓣重量的平均值為 0.553 g，說明花瓣的重量在0553 g左右浮動。由圖6可知，紅花花瓣的含水率在45.5%～63.5%之間，其最大值和最小值之差為18百分點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)處理可以得出含水率的平均值為560%。這為紅花花瓣收獲機(jī)械采摘機(jī)構(gòu)終端的形狀、尺寸等技術(shù)參數(shù)提供基礎(chǔ)資料。

2.2各拉斷力之間的關(guān)系

通過計(jì)算可以得出紅花花瓣與花托之間的拉斷力在13143～29.191 N之間， 平均值為18.313 N； 花托與花梗的

拉斷力在58.413～98.508 N之間，平均值為75.930 N；花梗自身的拉斷力在83.672～131.879 N之間，平均值為104.717 N；花梗與莖稈之間拉斷力的范圍在32.100～65.362 N之間，平均值為51.164 N。由圖7可以看出，紅花花瓣與花托的拉斷力最為穩(wěn)定，這說明在設(shè)計(jì)紅花收獲機(jī)械時(shí)使紅花花瓣與花托斷開的終端受力是相對穩(wěn)定的；花梗與莖稈之間的拉斷力為波浪形，小幅度波動，在整體上大于紅花花瓣與花托之間的拉斷力，且小于花托與花梗之間的拉斷力；花托與花梗的拉斷力和花梗自身的拉斷力曲線形狀整體呈鋸齒形，花梗自身的拉斷力在整體上最大，花托與花梗的拉斷力居第二。分析可知，如果用機(jī)械手段使紅花花瓣與花托分離，不會影響紅花植株的其他部分，不過葉子除外，因?yàn)橹仓甑娜~子存在發(fā)黃甚至枯萎的情況。

2.3鮮、干紅花懸浮速率和含水率的對比

選取鮮、干紅花各10組進(jìn)行懸浮速率及對應(yīng)含水率的測定，得出鮮紅花含水率在45.5%～602%之間，平均值為540%，懸浮速率在2.58～2.83 m/s之間，平均值為2.70 m/s（圖8）；干紅花含水率在6.9%～9.9%之間，平均值為89%，懸浮速率在1.63～1.79 m/s之間，平均值為1.72 m/s（圖9）。

3結(jié)論

紅花花瓣與花托之間的拉斷力小于花托與花梗之間的拉斷力，也小于花梗的拉斷力和花梗與莖稈之間的拉斷力。

含水率平均值為54%的鮮紅花懸浮速率為2.70 m/s，含水率平均值為8.9%的干紅花懸浮速率為1.72 m/s。

雖然只對裕民旱地?zé)o刺紅花進(jìn)行了試驗(yàn)測定，但對不同紅花品種或者同一品種不同種植狀態(tài)下的紅花均可采用相似的方法測定。本研究的測定方法為設(shè)計(jì)其他采收機(jī)械的有關(guān)參數(shù)提供計(jì)算依據(jù)。

測得的紅花物料特性可為紅花花瓣收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏霞.新疆裕民縣紅花種植面積全國第一[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xj.xinhuanet.com/2011-08/16/content_23474313.htm.

[2]王果平，帕麗達(dá)，李曉瑾，等. 藥用植物紅花新疆產(chǎn)地適應(yīng)性數(shù)值分析[J]. 中國民族民間醫(yī)藥，2010（23）：49-50.

[3]王瑛. 裕民縣啟動紅花花瓣采摘機(jī)研發(fā)工作[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xjnj.gov.cn/Adetail.aspx？Aid=29344.

[4]趙春花，張鋒偉，曹致中.豆禾牧草莖稈的力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（9）：122-126.

[5]李洪軍，李磊. 紅花采收及干燥方法[J]. 農(nóng)村新技術(shù)，2011（14）：42.

[6]馬洪順，張忠君，曹龍奎.薇菜類蔬菜生物力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（5）：74-77.

[7]張佳，莊衛(wèi)東，陳彬. 農(nóng)業(yè)物料懸浮試驗(yàn)臺的研制[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，10（3）：56-59.

2結(jié)果與分析

2.1紅花的花冠直徑、花瓣重量與含水率

對上述紅花樣品進(jìn)行直徑、重量和含水率測定，將試驗(yàn)結(jié)果用Excel軟件進(jìn)行分析。由圖4可知，花冠直徑在 33.78～41.80 mm 之間，其最大值和最小值之差為8.02 mm，通過計(jì)算可以得出花冠直徑的平均值為37.11 mm，說明花冠直徑以37.36 mm為浮動基準(zhǔn)，小幅度上下波動。由圖5可知，花瓣的重量在0.473～0.642 g之間，其最大值和最小值之差為 0.169 g，通過數(shù)據(jù)的處理可以得出花瓣重量的平均值為 0.553 g，說明花瓣的重量在0553 g左右浮動。由圖6可知，紅花花瓣的含水率在45.5%～63.5%之間，其最大值和最小值之差為18百分點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)處理可以得出含水率的平均值為560%。這為紅花花瓣收獲機(jī)械采摘機(jī)構(gòu)終端的形狀、尺寸等技術(shù)參數(shù)提供基礎(chǔ)資料。

2.2各拉斷力之間的關(guān)系

通過計(jì)算可以得出紅花花瓣與花托之間的拉斷力在13143～29.191 N之間， 平均值為18.313 N； 花托與花梗的

拉斷力在58.413～98.508 N之間，平均值為75.930 N；花梗自身的拉斷力在83.672～131.879 N之間，平均值為104.717 N；花梗與莖稈之間拉斷力的范圍在32.100～65.362 N之間，平均值為51.164 N。由圖7可以看出，紅花花瓣與花托的拉斷力最為穩(wěn)定，這說明在設(shè)計(jì)紅花收獲機(jī)械時(shí)使紅花花瓣與花托斷開的終端受力是相對穩(wěn)定的；花梗與莖稈之間的拉斷力為波浪形，小幅度波動，在整體上大于紅花花瓣與花托之間的拉斷力，且小于花托與花梗之間的拉斷力；花托與花梗的拉斷力和花梗自身的拉斷力曲線形狀整體呈鋸齒形，花梗自身的拉斷力在整體上最大，花托與花梗的拉斷力居第二。分析可知，如果用機(jī)械手段使紅花花瓣與花托分離，不會影響紅花植株的其他部分，不過葉子除外，因?yàn)橹仓甑娜~子存在發(fā)黃甚至枯萎的情況。

2.3鮮、干紅花懸浮速率和含水率的對比

選取鮮、干紅花各10組進(jìn)行懸浮速率及對應(yīng)含水率的測定，得出鮮紅花含水率在45.5%～602%之間，平均值為540%，懸浮速率在2.58～2.83 m/s之間，平均值為2.70 m/s（圖8）；干紅花含水率在6.9%～9.9%之間，平均值為89%，懸浮速率在1.63～1.79 m/s之間，平均值為1.72 m/s（圖9）。

3結(jié)論

紅花花瓣與花托之間的拉斷力小于花托與花梗之間的拉斷力，也小于花梗的拉斷力和花梗與莖稈之間的拉斷力。

含水率平均值為54%的鮮紅花懸浮速率為2.70 m/s，含水率平均值為8.9%的干紅花懸浮速率為1.72 m/s。

雖然只對裕民旱地?zé)o刺紅花進(jìn)行了試驗(yàn)測定，但對不同紅花品種或者同一品種不同種植狀態(tài)下的紅花均可采用相似的方法測定。本研究的測定方法為設(shè)計(jì)其他采收機(jī)械的有關(guān)參數(shù)提供計(jì)算依據(jù)。

測得的紅花物料特性可為紅花花瓣收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)。

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2結(jié)果與分析

2.1紅花的花冠直徑、花瓣重量與含水率

對上述紅花樣品進(jìn)行直徑、重量和含水率測定，將試驗(yàn)結(jié)果用Excel軟件進(jìn)行分析。由圖4可知，花冠直徑在 33.78～41.80 mm 之間，其最大值和最小值之差為8.02 mm，通過計(jì)算可以得出花冠直徑的平均值為37.11 mm，說明花冠直徑以37.36 mm為浮動基準(zhǔn)，小幅度上下波動。由圖5可知，花瓣的重量在0.473～0.642 g之間，其最大值和最小值之差為 0.169 g，通過數(shù)據(jù)的處理可以得出花瓣重量的平均值為 0.553 g，說明花瓣的重量在0553 g左右浮動。由圖6可知，紅花花瓣的含水率在45.5%～63.5%之間，其最大值和最小值之差為18百分點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)處理可以得出含水率的平均值為560%。這為紅花花瓣收獲機(jī)械采摘機(jī)構(gòu)終端的形狀、尺寸等技術(shù)參數(shù)提供基礎(chǔ)資料。

2.2各拉斷力之間的關(guān)系

通過計(jì)算可以得出紅花花瓣與花托之間的拉斷力在13143～29.191 N之間， 平均值為18.313 N； 花托與花梗的

拉斷力在58.413～98.508 N之間，平均值為75.930 N；花梗自身的拉斷力在83.672～131.879 N之間，平均值為104.717 N；花梗與莖稈之間拉斷力的范圍在32.100～65.362 N之間，平均值為51.164 N。由圖7可以看出，紅花花瓣與花托的拉斷力最為穩(wěn)定，這說明在設(shè)計(jì)紅花收獲機(jī)械時(shí)使紅花花瓣與花托斷開的終端受力是相對穩(wěn)定的；花梗與莖稈之間的拉斷力為波浪形，小幅度波動，在整體上大于紅花花瓣與花托之間的拉斷力，且小于花托與花梗之間的拉斷力；花托與花梗的拉斷力和花梗自身的拉斷力曲線形狀整體呈鋸齒形，花梗自身的拉斷力在整體上最大，花托與花梗的拉斷力居第二。分析可知，如果用機(jī)械手段使紅花花瓣與花托分離，不會影響紅花植株的其他部分，不過葉子除外，因?yàn)橹仓甑娜~子存在發(fā)黃甚至枯萎的情況。

2.3鮮、干紅花懸浮速率和含水率的對比

選取鮮、干紅花各10組進(jìn)行懸浮速率及對應(yīng)含水率的測定，得出鮮紅花含水率在45.5%～602%之間，平均值為540%，懸浮速率在2.58～2.83 m/s之間，平均值為2.70 m/s（圖8）；干紅花含水率在6.9%～9.9%之間，平均值為89%，懸浮速率在1.63～1.79 m/s之間，平均值為1.72 m/s（圖9）。

3結(jié)論

紅花花瓣與花托之間的拉斷力小于花托與花梗之間的拉斷力，也小于花梗的拉斷力和花梗與莖稈之間的拉斷力。

含水率平均值為54%的鮮紅花懸浮速率為2.70 m/s，含水率平均值為8.9%的干紅花懸浮速率為1.72 m/s。

雖然只對裕民旱地?zé)o刺紅花進(jìn)行了試驗(yàn)測定，但對不同紅花品種或者同一品種不同種植狀態(tài)下的紅花均可采用相似的方法測定。本研究的測定方法為設(shè)計(jì)其他采收機(jī)械的有關(guān)參數(shù)提供計(jì)算依據(jù)。

測得的紅花物料特性可為紅花花瓣收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)。

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