剪切式紅花采收裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李景彬　王曉華　坎雜等

摘要：為解決人工采收紅花成本高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，設(shè)計(jì)了適合國(guó)內(nèi)紅花種植模式和農(nóng)藝要求的剪切式紅花采收裝置。該裝置采用負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的吸氣流梳理紅花，使紅花豎立起來，并露出紅花與花托的連接處，電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)刀片產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)剪切紅花，剪切下來的紅花在負(fù)壓氣流的作用下被輸送至收集箱，完成紅花的采摘、輸送、收集工作。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置生產(chǎn)率0.53 kg/h，損失率1.17%，含雜率1.50%。

關(guān)鍵詞：紅花；采收裝置；剪切式

中圖分類號(hào)： S225.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0537-03

收稿日期：2014-11-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（編號(hào)：201410759031）。

作者簡(jiǎn)介：李景彬（1980—），男，河南淮陽(yáng)人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工作。E-mail：ljb8095@163.com。

通信作者：坎雜，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工作。E-mail：kz-shz@163.com。紅花別稱草紅花、川紅花、杜紅華、紅藍(lán)花，是菊科一年生草本雙子葉植物，集染料、藥材、油料、飼料為一體，原產(chǎn)于埃及尼羅河上游地區(qū)，現(xiàn)廣泛分布于非洲、中亞、地中海地區(qū)[1-3]。我國(guó)主要產(chǎn)于安徽省、河南省、浙江省、新疆自治區(qū)等地區(qū)，現(xiàn)全國(guó)各地已普遍栽培[4]。紅花是新疆“紅色產(chǎn)業(yè)”重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目之一，每年種植面積為2.0萬(wàn)～2.7萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)2.7萬(wàn)～3.6萬(wàn)t，占全國(guó)紅花總產(chǎn)量的80%左右[3]。目前紅花完全依靠人工采收，缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、采收成本高。人工采收成本占紅花種植成本的一半，嚴(yán)重制約了紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因此亟需研究開發(fā)紅花采收機(jī)械技術(shù)及裝備。筆者設(shè)計(jì)了1種剪切式紅花采收裝置，旨在為促進(jìn)紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)。

1采收裝置機(jī)構(gòu)和工作原理

剪切式紅花采收裝置如圖1所示，主要由采摘裝置（收集罩、刀片、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、采摘裝置電源開關(guān)、電機(jī)、蓄電池等）、收集裝置（取料門、收集箱、負(fù)壓風(fēng)機(jī)等）兩大部分組成。采摘裝置的主要功能是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使動(dòng)刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)，剪切紅花與花托的連接處。收集裝置的主要功能是利用負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的吸氣流把采摘裝置剪切下來的紅花通過負(fù)壓風(fēng)道輸送至收集箱。工作時(shí)，將采摘裝置的刀片靠近紅花與花托的連接處，同時(shí)負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的吸氣流使紅花經(jīng)過梳理作用豎立起來，完全露出紅花與花托的連接處，此時(shí)采摘裝置電機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過動(dòng)刀桿傳遞至動(dòng)刀片，動(dòng)刀片、定刀片對(duì)紅花與花托的連接處進(jìn)行剪切，剪切下來的紅花在收集罩中負(fù)壓的作用下，通過負(fù)壓風(fēng)道被傳送至收集箱，完成采摘、輸送、收集工作，最后通過收集箱后部的取料門取出紅花。

2關(guān)鍵零部件的選型和設(shè)計(jì)

2.1刀片

定刀片、動(dòng)刀片是采摘裝置的主要工作零件，剪切工作要求刀片材料耐磨、硬度高、彈性大[5]。因此定刀片、動(dòng)刀片采用光刃結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)刀片剪切省力、割茬較整齊，但刀刃易磨鈍，工作中需要經(jīng)常對(duì)刀片進(jìn)行刃磨。刀片屬于易損件，為了保證其具有較好的沖擊韌性和一定的耐磨性，選用T9碳素工具鋼作為刀片[6]。刀片的刃部需要進(jìn)行回火、淬火，淬火寬度為11～15 mm，經(jīng)過熱處理后，刃部硬度為HRC 50～60，非淬火區(qū)的硬度不得超過HRC 35[7-8]。動(dòng)刀片有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：刃角α（刃線的傾角）、動(dòng)刀片的寬度c和d、刃部高度h。刃角α是動(dòng)刀片的主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，其大小既影響剪切紅花阻力，又決定能否鉗住紅花[9]。刃角增大，則剪切阻力減??；當(dāng)刃角由15°增加至45°時(shí)，剪切阻力減小一半。剪切阻力減小的原因是當(dāng)刃角增加時(shí)，刀片相對(duì)于紅花的滑切速度V1增大（圖2）。

刃角α過大時(shí)會(huì)引起紅花與花托連接處剪切時(shí)沿刃線向外滑動(dòng)，甚至鉗不住紅花與花托的連接處，不能保證可靠剪切。因此，必須以鉗住紅花與花托連接處為前提，盡量選擇較大的刃角α。剪切瞬時(shí)，鉗住紅花與花托連接處的條件為：2刃口作用紅花與花托連接處的合力R1、R2必須在同一條直線上[10]。因?yàn)镕1≤N1tanΦ1，F(xiàn)2≤N2tanΦ2，F(xiàn)1=F2，Φ1=Φ2，其中，Φ1=Φ2是動(dòng)刀片對(duì)紅花與花托連接處的摩擦角（圖3）。鉗住紅花與花托連接處的條件為：2α≤Φ1+Φ2。經(jīng)測(cè)定，光刃動(dòng)刀片配合時(shí)，對(duì)紅花與花托的連接處的摩擦角之和為Φ1+Φ2=40°～42°，取動(dòng)刀片的剪切角α為20°，符合鉗住紅花與花托連接處的條件。動(dòng)刀片的刃部高度影響動(dòng)刀片縱向傾斜量的大小、單位長(zhǎng)度刃口上的負(fù)荷。它與刃角α的參數(shù)關(guān)系為h=c-d2tanα，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，取動(dòng)刀片寬度為c=20 mm，d=2 mm，動(dòng)刀片刃部高度h=24 mm。

定刀片、動(dòng)刀片分別和其刀桿成為一體，刀桿尾部和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相連接，將動(dòng)力傳遞給動(dòng)刀。

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)從電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到動(dòng)刀的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是采摘裝置的核心部件，為了提高裝置的平穩(wěn)性并延長(zhǎng)使用壽命，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)采取無(wú)急回特性的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖4所示，電機(jī)固定在A點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)曲柄AB作圓周運(yùn)動(dòng)。動(dòng)刀刀桿尾部固定在連桿BC的末端C點(diǎn)處，連桿BC和動(dòng)刀刀桿采用球副連接。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄AB作勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)刀會(huì)隨著連桿來回?cái)[動(dòng)。因此，可確定曲柄AB為a，連桿BC為b，θ為極位夾角，γ為傳動(dòng)角。

考慮到紅花直徑、花托直徑、紅花與花托連接處的直徑、采摘裝置的靈活性，設(shè)計(jì)動(dòng)刀片的有效行程為s=20 mm，動(dòng)刀的旋轉(zhuǎn)固定軸在動(dòng)刀桿的中心，因此刀桿尾部的行程是 20 mm，曲柄的長(zhǎng)度是10 mm。同時(shí)，在無(wú)急回特性曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要考慮到傳動(dòng)角最小值γmin，理論上講，傳動(dòng)角γ越大，機(jī)構(gòu)的傳力性能越好，反之傳力性能越差。在一般機(jī)械中，推薦[γ]=40°～50°，對(duì)于傳遞功率比較大的機(jī)構(gòu)，為了提高工作效率，可以使[γ]≥50°[11-13]。本設(shè)計(jì)考慮到工作效率及機(jī)構(gòu)各桿件之間的干涉問題，設(shè)計(jì)連桿的長(zhǎng)度為48 mm，此時(shí)γmin=65°。

2.3負(fù)壓風(fēng)送系統(tǒng)

2.3.1風(fēng)量的確定負(fù)壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的確定采用置換原則及末速度原則[14]。在作業(yè)過程中，氣流不僅要被吸進(jìn)收集箱，還要將攜帶的紅花送進(jìn)收集箱，要求紅花與花托連接處至吸花罩的氣流具有一定速度，否則氣流不能攜帶紅花進(jìn)入收集箱。如圖5所示，根據(jù)置換原則原理，負(fù)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)為圖中從吸花罩至ABCD的體積，為計(jì)算方便起見，計(jì)算長(zhǎng)方體的體積，即：

Q=abhTK1。

式中：a代表吸風(fēng)罩吸紅花有效長(zhǎng)度，m；b代表吸風(fēng)罩吸紅花有效寬，m；h代表從吸風(fēng)罩到紅花與花托連接處之間的距離，m；T代表將1朵紅花剪切下需要的時(shí)間，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定，約 1 s；K1代表考慮到氣流衰減和沿途損失而確定的系數(shù)，1.3～1.6。

根據(jù)末速度原則，經(jīng)過ABCD截面的風(fēng)量應(yīng)等于收集管出口截面的風(fēng)量再乘上K2。即：

Q=A1V1K2=V2ab。

式中：Q代表風(fēng)量，m3/s；A1代表收集管出口截面的面積，m2；V1代表收集管出口截面風(fēng)速，m/s；K2代表與作物品種、氣象條件、紅花密度等因素有關(guān)的系數(shù)，1.3～1.8；V2代表氣流到達(dá)截面ABCD時(shí)的風(fēng)速，m/s。

當(dāng)鮮紅花含水率平均值為54%時(shí)，鮮紅花懸浮速率為2.70 m/s，考慮到實(shí)際情況，取V2=10.0 m/s，此時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為0.04 m3/s[15]。

2.3.2風(fēng)壓的確定負(fù)壓風(fēng)機(jī)的全壓主要包括動(dòng)壓損失、靜壓損失（局部壓力和摩擦壓力）。

動(dòng)壓損失：

3田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于2014年7月在新疆自治區(qū)昌吉回族自治州樂土驛鎮(zhèn)進(jìn)行，對(duì)紅花采收裝置樣機(jī)進(jìn)行田間生產(chǎn)性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。主要對(duì)裝置的生產(chǎn)率、損失率、含雜率等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)測(cè)試，裝置的設(shè)計(jì)強(qiáng)度、制造工藝基本達(dá)到了要求，而且裝置能夠適合當(dāng)?shù)丶t花采收作業(yè)。由表1可知，剪切式紅花采收裝置的生產(chǎn)率為0.53 kg/h，損失率1.17%，含雜率為1.50%。

表1剪切式紅花采收裝置田間試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目生產(chǎn)率（kg/h）損失率（%）含雜率（%）設(shè)計(jì)要求≥0.50≤3.00≤3.00檢測(cè)結(jié)果0.531.171.5

4結(jié)論

本研究結(jié)果表明，剪切式紅花采收裝置可實(shí)現(xiàn)紅花采摘、輸送、收集過程的機(jī)械化，提高紅花的采收效率，減輕純手工采收勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人工采收成本和提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)全國(guó)紅花產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有一定的意義。本研究設(shè)計(jì)了采用球副連接動(dòng)刀刀桿與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和負(fù)壓風(fēng)送系統(tǒng)，豐富了相關(guān)藥材采摘和收集理論，為相關(guān)機(jī)具的研發(fā)提供了參考。田間試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，該機(jī)性能可靠，參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王若菁，楊濱. 紅花的化學(xué)成分及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2007（5）：65-69.

[2]任水蓮，王健，王曉梅，等. 新疆紅花生育氣候條件分析與適生種植氣候區(qū)劃[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2005，26（2）：119-122.

[3]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(guó)民族民間醫(yī)藥，2010，19（23）：49-50.

[4]田蘭，吳桂榮，王巖. 新疆塔城地區(qū)額敏縣紅花的品質(zhì)研究[J]. 中國(guó)藥業(yè)，2007，16（1）：5-7.

[5]向家偉，楊連發(fā)，李尚平. 小型甘蔗收獲機(jī)根部切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（4）：56-59.

[6]劉志剛，王德成，翟改霞，等. 往復(fù)式雙動(dòng)刀灌木收割機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（增刊1）：102-106.

[7]徐秀英，張維強(qiáng)，楊和梅，等. 小型牧草收獲機(jī)雙動(dòng)切割裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（7）：156-161.

[8]黃暉，陳富瑜，鄧干然，等. 小型甘蔗切碎機(jī)的研制及試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（6）：111-114.

[9]東北農(nóng)學(xué)院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)：下冊(cè)[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1961.

[10]張?zhí)m星，何月娥. 谷物收獲機(jī)械理論與計(jì)算[M]. 北京：高等教育出版社，1994.

[11]王鋒德，陳志，王俊友，等. 4YF-1300型大方捆打捆機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（11）：36-41.

[12]倪際梁，何進(jìn)，李洪文，等. 便攜式人工模擬降雨裝置的設(shè)計(jì)與率定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（24）：78-84.

[13]鄧昭銘，張瑩. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[14]李超，張曉輝，姜建輝，等. 葡萄園立管風(fēng)送式噴霧機(jī)的研制與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（4）：71-78.

[15]李景彬，王曉華，坎雜，等. 紅花的物料特性測(cè)定與分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：235-237.霍紅，卜宇超，徐玲玲. 多代理系統(tǒng)嵌入的新型農(nóng)資經(jīng)營(yíng)服務(wù)體系構(gòu)建[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（11：540-544.