剪切式紅花采收裝置的設計與試驗

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、勞動強度大等問題，設計了適合國內紅花種植模式和農藝要求的剪切式紅花采收裝置。該裝置采用負壓風機產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，電機帶動動刀片產生往復運動剪切紅花，剪切下來的紅花在負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。田間試驗結果表明，該裝置生產率0.53 kg/h，損失率1.17%，含雜率1.50%。

關鍵詞：紅花；采收裝置；剪切式

中圖分類號： S225.99 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0537-03

收稿日期：2014-11-12

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃（編號：201410759031）。

作者簡介：李景彬（1980—），男，河南淮陽人，副教授，碩士生導師，主要從事農業機械化工作。E-mail：ljb8095@163.com。

通信作者：坎雜，教授，博士生導師，主要從事農業機械化工作。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，原產于埃及尼羅河上游地區，現廣泛分布于非洲、中亞、地中海地區[1-3]。我國主要產于安徽省、河南省、浙江省、新疆自治區等地區，現全國各地已普遍栽培[4]。紅花是新疆“紅色產業”重點發展項目之一，每年種植面積為2.0萬～2.7萬hm2，總產量達2.7萬～3.6萬t，占全國紅花總產量的80%左右[3]。目前紅花完全依靠人工采收，缺點是勞動強度大、生產效率低、采收成本高。人工采收成本占紅花種植成本的一半，嚴重制約了紅花產業發展，因此亟需研究開發紅花采收機械技術及裝備。筆者設計了1種剪切式紅花采收裝置，旨在為促進紅花產業發展提供依據。

1采收裝置機構和工作原理

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、曲柄滑塊機構、采摘裝置電源開關、電機、蓄電池等）、收集裝置（取料門、收集箱、負壓風機等）兩大部分組成。采摘裝置的主要功能是通過電機驅動曲柄滑塊機構，使動刀片往復運動，剪切紅花與花托的連接處。收集裝置的主要功能是利用負壓風機產生的吸氣流把采摘裝置剪切下來的紅花通過負壓風道輸送至收集箱。工作時，將采摘裝置的刀片靠近紅花與花托的連接處，同時負壓風機產生的吸氣流使紅花經過梳理作用豎立起來，完全露出紅花與花托的連接處，此時采摘裝置電機帶動曲柄滑塊機構進行運動，通過動刀桿傳遞至動刀片，動刀片、定刀片對紅花與花托的連接處進行剪切，剪切下來的紅花在收集罩中負壓的作用下，通過負壓風道被傳送至收集箱，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關鍵零部件的選型和設計

2.1刀片

定刀片、動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、動刀片采用光刃結構，該結構刀片剪切省力、割茬較整齊，但刀刃易磨鈍，工作中需要經常對刀片進行刃磨。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]。刀片的刃部需要進行回火、淬火，淬火寬度為11～15 mm，經過熱處理后，刃部硬度為HRC 50～60，非淬火區的硬度不得超過HRC 35[7-8]。動刀片有關結構參數如下：刃角α（刃線的傾角）、動刀片的寬度c和d、刃部高度h。刃角α是動刀片的主要設計參數之一，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，則剪切阻力減小；當刃角由15°增加至45°時，剪切阻力減小一半。剪切阻力減小的原因是當刃角增加時，刀片相對于紅花的滑切速度V1增大（圖2）。

刃角α過大時會引起紅花與花托連接處剪切時沿刃線向外滑動，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，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]。因為F1≤N1tanΦ1，F2≤N2tanΦ2，F1=F2，Φ1=Φ2，其中，Φ1=Φ2是動刀片對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。經測定，光刃動刀片配合時，對紅花與花托的連接處的摩擦角之和為Φ1+Φ2=40°～42°，取動刀片的剪切角α為20°，符合鉗住紅花與花托連接處的條件。動刀片的刃部高度影響動刀片縱向傾斜量的大小、單位長度刃口上的負荷。它與刃角α的參數關系為h=c-d2tanα，根據試驗結果，取動刀片寬度為c=20 mm，d=2 mm，動刀片刃部高度h=24 mm。

定刀片、動刀片分別和其刀桿成為一體，刀桿尾部和傳動結構相連接，將動力傳遞給動刀。

2.2傳動機構

實現從電機的旋轉運動到動刀的往復直線運動的中間傳動機構采用曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構是采摘裝置的核心部件，為了提高裝置的平穩性并延長使用壽命，曲柄滑塊機構采取無急回特性的對心曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構如圖4所示，電機固定在A點，驅動曲柄AB作圓周運動。動刀刀桿尾部固定在連桿BC的末端C點處，連桿BC和動刀刀桿采用球副連接。當電機驅動曲柄AB作勻速圓周運動時，動刀會隨著連桿來回擺動。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，設計動刀片的有效行程為s=20 mm，動刀的旋轉固定軸在動刀桿的中心，因此刀桿尾部的行程是 20 mm，曲柄的長度是10 mm。同時，在無急回特性曲柄滑塊機構的設計中，需要考慮到傳動角最小值γmin，理論上講，傳動角γ越大，機構的傳力性能越好，反之傳力性能越差。在一般機械中，推薦[γ]=40°～50°，對于傳遞功率比較大的機構，為了提高工作效率，可以使[γ]≥50°[11-13]。本設計考慮到工作效率及機構各桿件之間的干涉問題，設計連桿的長度為48 mm，此時γmin=65°。

2.3負壓風送系統

2.3.1風量的確定負壓風機風量的確定采用置換原則及末速度原則[14]。在作業過程中，氣流不僅要被吸進收集箱，還要將攜帶的紅花送進收集箱，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入收集箱。如圖5所示，根據置換原則原理，負壓風機的風量應為圖中從吸花罩至ABCD的體積，為計算方便起見，計算長方體的體積，即：

Q=abhTK1。

式中：a代表吸風罩吸紅花有效長度，m；b代表吸風罩吸紅花有效寬，m；h代表從吸風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間，經過試驗測定，約 1 s；K1代表考慮到氣流衰減和沿途損失而確定的系數，1.3～1.6。

根據末速度原則，經過ABCD截面的風量應等于收集管出口截面的風量再乘上K2。即：

Q=A1V1K2=V2ab。

式中：Q代表風量，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速，m/s；K2代表與作物品種、氣象條件、紅花密度等因素有關的系數，1.3～1.8；V2代表氣流到達截面ABCD時的風速，m/s。

當鮮紅花含水率平均值為54%時，鮮紅花懸浮速率為2.70 m/s，考慮到實際情況，取V2=10.0 m/s，此時風機風量為0.04 m3/s[15]。

2.3.2風壓的確定負壓風機的全壓主要包括動壓損失、靜壓損失（局部壓力和摩擦壓力）。

動壓損失：

3田間試驗

試驗于2014年7月在新疆自治區昌吉回族自治州樂土驛鎮進行，對紅花采收裝置樣機進行田間生產性試驗、可靠性試驗，并進行現場測試。主要對裝置的生產率、損失率、含雜率等參數進行檢測。經測試，裝置的設計強度、制造工藝基本達到了要求，而且裝置能夠適合當地紅花采收作業。由表1可知，剪切式紅花采收裝置的生產率為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檢測結果

項目生產率（kg/h）損失率（%）含雜率（%）設計要求≥0.50≤3.00≤3.00檢測結果0.531.171.5

4結論

本研究結果表明，剪切式紅花采收裝置可實現紅花采摘、輸送、收集過程的機械化，提高紅花的采收效率，減輕純手工采收勞動強度，降低人工采收成本和提高經濟效益，對全國紅花產業的進一步發展具有一定的意義。本研究設計了采用球副連接動刀刀桿與曲柄滑塊機構的傳動機構和負壓風送系統，豐富了相關藥材采摘和收集理論，為相關機具的研發提供了參考。田間試驗和測試結果表明，該機性能可靠，參數指標優于設計要求。

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