基于紅花力學特性的梳夾式采摘機構的設計與試驗

2018-06-06 08:00:57孫胃嶺曹衛彬古樂樂劉姣娣王崧浩

農機化研究 2018年5期

孫胃嶺，曹衛彬，古樂樂，劉姣娣，王崧浩

(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

0 引言

紅花為菊科植物,干燥管狀花,是一種名貴的中藥材和油料作物。紅花每個種球一般發出花序3批，每一批次間隔3～5天，從開始出現花序至開花結束一般為15～20天；花敗后采摘，花序粘結[1], 花絲內的羥基紅花黃色素A和黃酮含量顯著降低[2]，采收不及時將嚴重影響紅花的品質。目前，研發的機型多為切割式、氣吸式、切割-氣吸式，這些機型必須精準對花，效率不高且噪聲大，未得到推廣[3]。葛云等通過對輥的旋轉吸附以及摩擦、擠壓和拔取作用，完成采收，至今仍處于研發階段[7]，目前紅花仍以人工采摘為主。由于人工采摘花絲勞動強度大、效率低，紅花花絲不能適時采摘成為制約紅花產業發展的瓶頸。因此，紅花亟待實現機械化盲采，本課題組提出了一種梳夾式紅花花絲采摘機構。

紅花花絲夾持采摘的力學特性是紅花花絲梳夾式采摘至關重要的前提，目前已有對紅花植株各部分的抗拉力及花絲懸浮特性的研究[4-6]，未涉及花絲夾持采摘力學特性。為保證紅花不漏采且減少夾持損傷程度，綜合考慮花絲抗拉力與各因素的關系及不同夾持力對花絲損傷程度的影響，為梳夾式紅花花絲采摘機構的設計提供參考。為此，以新疆區域主栽品種無刺紅花為試驗對象，測試分析了與夾持采摘相關的力學特性，并通過對采摘過程中花絲的受力分析及夾持參數理論模型得到采摘機構的技術參數，構造一種梳夾式花絲采摘機構。同時，通過應變測力系統分析采摘樣機的理論設計可靠性，以期提出最佳采摘齒間隙，并驗證其采摘效果。

1 紅花花絲的力學特性

1.1 材料與儀器

試驗于2016年7月1日在石河子大學實驗室進行。所選用的試驗對象為新疆區域主栽品種無刺紅花，紅花株高70～100cm，最低分枝高度35～40cm，一次有效分枝7～10個，二次有效分枝7～10個，全株花球10～30個，單個花球花絲根數為40～107根[7]。

通過田間統計及含水率測定：紅花開花1～4天，含水率為65%～80%；開花6～8天，含水率為20%～30%。含水率隨開花天數逐漸減少，在開花4～6天含水率急劇降低，該統計結果與葛云等[8]統計結果一致。開花1～4天花絲直立，開花3～4天,花絲由黃轉紅為最佳采摘時間[8-9]，開花5天以后，花絲粘結且品質嚴重下降。

試驗儀器為高特威爾伺服控制萬能材料試驗機(型號GT-7001-LS，精度為±1%)，MA35水質分析儀(賽多利斯MA系列)。圖1為力學測試對象。

1.2 力學特性分析

1.2.1抗拉力試驗及結果分析

初見種球開花到大部分種球盛開只需2～3天，在田間同一時間采摘花絲時其含水率波動范圍不大。即在實際采摘中，根據采摘時間的不同其含水率可得到有效控制，作為可控因素，研究含水率對抗拉力的影響具有實際意義。選取含水率、拉拔速度及花絲夾持根數作為試驗因素，以花絲與種球之間的抗拉力作為響應值，進行兩水平正交試驗。根據前期因子篩選試驗及單因素試驗，以開花3天和開花5天的紅花作為試樣，以開花3天和開花5天的平均含水率范圍作為含水率因素的兩個水平，從每朵花中取部分花絲測量含水率，從中挑選滿足試驗所要求的含水率范圍內的紅花，將選好的紅花分類放入保鮮盒，以防止水分流失。花絲細小，質地柔軟，試驗時用鑷子分離花絲，用紙條纏繞在被分離的花絲外部，拉伸探頭緩慢夾持，以減少夾持部位花絲的機械損傷；夾持后，通過調節拉伸探頭兩側的擰緊螺母，增大夾緊力確保探頭與花絲在拉伸過程無相對位移，提高試驗結果的準確性；夾具夾住莖稈，豎直向上拉伸花絲，直至花絲斷裂[10-12]。

1.花絲 2.花序 3.種球 4.莖稈圖1 力學測試對象Fig.1 Objects of mechanical properties test

逐一編碼3個影響因素，安排兩水平正交試驗，分析各因素及交互作用對響應指標的影響。編碼值及實驗因素如表1所示，方差分析結果如表2所示。由表2可知：在顯著性下，夾持根數F比值89.76，含水率F比值43.66,大于F0.90(1,1)=39.86，即因子夾持根數及因子含水率對指標有顯著影響；各因子的交互作用的F比值均小于F0.90(1,1)=39.86，即各因子的交互作用對響應值無顯著影響，故不再進行討論；拉拔速度的F比值小于F0.90(1,1)=39.86，拉拔速度對抗拉力的影響不顯著。以抗拉力為響應值，花絲夾持根數、含水率為響應因子，安排混合水平正交試驗。其中，以采摘期不同開花天數的平均含水率(開花3天，開花4天，開花5天)作為含水率的不同水平，夾持根數以梳夾式采摘機構不同夾持參數可喂入的花絲數量作為不同水平，混合水平正交試驗因素編碼值如表3所示，試驗數據的方差分析如表4所示。

表1 二水平正交試驗-因素及編碼值

表3 混合水平正交試驗-因素及編碼值

表4 混合水平正交試驗-方差分析表

F0.9(2,14)=2.73 F0.95(2,14)=3.74。

由表4可知：在置信水平95%的條件下，夾持根數、含水率及其交互作用對抗拉力影響作用顯著，且顯著性依次降低。運用MatLab軟件擬合試驗數據，由圖2可知：相同夾持根數水平下，含水率在60%～75%范圍內，隨含水率的增加，抗拉力最大增幅為1.2N，最小增幅為-0.2N；相同含水率水平下，在花絲夾持根數5～25根范圍內，隨夾持根數的增加，抗拉力最大增幅為2N，最小增幅為0.8N；抗拉力沿含水率方向變化較慢，沿夾持根數方向變化較快，可見夾持根數對花絲抗拉力的影響要比含水率的影響顯著。

圖2 夾持根數及含水率對抗拉力的影響Fig.2 Effect of the number of gripping and the moisture content on tensile strength

通過MatLab試驗數據擬合，分析抗拉力與各因素的擬合方程，在置信度95%的條件下，其調整R2=0.938 7，擬合優度很好；其剩余標準差為0.188 1，剩余平方和為0.636 7，系數顯著，說明擬合方程與實際情況具有良好的擬合關系，具有實際意義。其擬合方程為

FL=1.909+0.00472xy-0.1123x-
0.03169y-0.00496x2

(1)

其中，FL為抗拉力(N)；x為夾持根數；y為含水率(%)。

1.2.2壓損試驗及結果分析

夾持采摘花絲時，夾持力過大則會損傷花絲，其內部有效成分流失，從而影響紅花的品質，因此對紅花的梳夾式采摘必須考慮夾持時花絲的機械損傷。考慮到花絲夾持后的變形量微小，無法直接通過數學建模來描述花絲的損傷程度，因此通過壓損試驗來模擬不同夾持力下花絲的損傷程度。試驗材料選取開花3天的紅花，該花期的紅花為適時采摘時含水率最高且花絲表面組織最脆弱的時間，夾持采摘時最易損傷。試驗方法為從剪下的花絲中選取單根花絲放在白色宣紙上，探頭以恒力下移，抵達同一位移時探頭返回；對宣紙上花絲沁出的黃色汁液的染色面積處理后，用PhotoshopCs5 計算染色面積，以染色面積作為中間量，建立夾持力與損傷程度的關系。

探頭分別施加20、30、40、50、60、70、80、90、100N的力，探頭與宣紙距離0.1mm時探頭返回。每組試驗取1根花絲，每組重復5次取平均值。各夾持力下的平均染色面積依次為4.15、9.21、23.01、24.21、46.02、53.71、82.15、85.03mm2，定義花絲表面不同破損程度為花絲損傷程度，無損傷為花絲表面完整無汁液沁出；中度損傷為1/3長度的花絲出現空管現象；重度損傷為2/3長度的花絲出現空管現象空管。經試驗觀察，隨著夾持力的不斷增大至到60N時，全部測試花絲處于中度損傷及中度損傷水平以上，夾持力為90N時，花絲已嚴重損傷，采摘后無使用價值。因此，采摘花絲時為保證花絲的品質其最大夾持力不應超過20N。

2 紅花花絲夾持采摘機構的設計

2.1 采摘機構的設計

2.1.1 夾持采摘受力分析

在夾持采摘過程中，由于紅花特殊的力學特性，花序與種球的軸線始終保持在同一方向，該軸線與地面之間的夾角因滾筒轉速的不同而有所不同，但夾持采摘瞬時花絲的拉拔方向豎直向上，如圖3(a)所示。花絲夾持后在采摘齒的夾持分布主要分為3種情況，依次是單根花絲雙側與齒面接觸；單根花絲單側與齒面接觸，另一側與采摘齒內的花絲接觸；單根花絲兩側與均與采摘齒內的花絲接觸。夾持采摘時，動、定齒對花絲兩側的夾持力應保證夾持拉拔時花絲與齒面、花絲與花絲相對靜止，即采摘過程花絲無滑脫。考慮到花絲之間的摩擦因數與花絲與齒面之間摩擦因數的不同，對不同夾持分布下的花絲進行受力分析，如圖4所示[13-14]。

(a) 采摘過程示意圖 (b) 采摘部分設計圖

(a) 花絲雙側與齒面接觸的受力分析 (b) 花絲單側與齒面接觸的受力分析 (c) 花絲雙側與花絲接觸的受力分析 FJ1、FJ2、FJ3.夾持1、2、3根花絲時的齒面夾持力 Ff1、Ff2、Ff3.夾持1、2、3根花絲時花絲與齒面的摩擦力 Fb、Fc.夾持2、3.根花絲時花絲間的摩擦力圖4 花絲不同夾持分布下的受力分析Fig.4 Force analysis of filaments under different gripping distribution

FJ≥FL/2μ1

(2)

不同含水率下的最小摩擦因數稱為安全夾持摩擦因數，記為μmin。經試驗測定，其中μ1min=0.23。在拉拔方向上FL，成功采摘時采摘力應能克服花絲與種球之間的抗拉力,同時夾持力不宜過大或過小，避免花絲的夾持損傷或夾持力度達不到要求。由式(1)和式(2)聯立可得式(3)，克服花絲與種球的抗拉力的夾持力FL取決于花絲的夾持根數x、含水率y，以及安全夾持摩擦因數μ1min，則

FL=

(3)

2.1.2 機構設計

花絲夾持采摘機構為滾筒式，將采摘齒通過螺紋孔安裝在動齒軸和定齒軸上，將安裝好采摘齒的動、定齒軸裝配體插入旋轉滾筒的安裝孔中，定齒軸兩側與選裝滾筒通過螺紋連接固定，動齒軸兩端分別安裝有壓縮彈簧和端面凸輪。安裝在動齒軸上的采摘齒稱為動齒，同理可得定齒。動齒通過端面凸輪和壓縮彈簧實現相對于定齒的往復直線運動，實現花絲的夾緊與分離拋送；定齒、動齒均通過螺紋孔與定齒軸、動齒軸按一定齒間隙排列安裝，可方便調整齒間隙，帶輪驅動旋轉主軸實現旋轉滾筒的轉動，如圖5所示。

1.帶輪 2.旋轉滾筒 3.動齒軸 4.定齒軸 5.壓縮彈簧 6.旋轉主軸 7.采摘齒 8.端面凸輪圖5 夾持采摘機構Fig.5 Structure of gripping pick

所設計的夾持采摘機構其采摘齒插入花序，通過動、定齒的開合動作，及隨旋轉滾筒的轉動實現花絲的夾持采摘與分離拋送。因花絲細小，其采摘齒尖端設計有一定錐度，且齒厚較薄，以便采摘齒可插入花序。除此之外，本設計為無須逐朵對花的機械化盲采，其動、定齒之間的齒間隙應小于紅花莖稈的最小直徑，避免莖稈進入齒間隙從而摟落種球。其夾持采摘過程示意如圖3(a)所示，單個采摘齒如圖3(b)所示。

壓縮彈簧和端面凸輪是夾持采摘機構的關鍵部件，完成采摘齒的開合動作。根據采摘作業要求，壓縮彈簧常壓實現采摘齒的閉合，端面凸輪推動動齒實現花絲的分離拋送。凸輪的運動軌跡與轉角的關系如圖3(c)所示。

紅花最細莖稈直徑為3mm，因此動、定齒齒間隙應小于3mm,避免莖稈喂入齒間。單根花絲平均直徑為0.8mm，因此相鄰齒間隙應大于0.8mm，故齒間隙取值為0.8～3mm。通過齒間隙為因子的單因素試驗，發現齒間隙為2.5mm時花絲喂入效果最佳，平均喂入花絲數量為19根，因此調整采摘機構齒間隙為2.5mm。夾持力由式(3)計算時含水率取開花3～4天的整株紅花中最新鮮的花絲測量，以計算最大夾持力作為機構設計所需的夾持力參數。由壓縮彈簧的壓力和動、定齒往復運動產生的摩擦力決定，在三維造型軟件NX9.0中設定機構各部分的材料并確定相對于定齒滑動的動齒及裝配零件總重力為21N，查表得鋼與鋼之間的摩擦因數為0.15,通過摩擦力計算公式得到往復運動產生的摩擦力為3.15N。選擇彈簧剛度為1.15N/mm的ICM120H08號#302不銹鋼的壓縮彈簧，其負荷33.4N,自由高度為40mm，通過調節壓縮彈簧的壓縮長度調整夾持力。齒間隙2.5mm時，試驗結果與夾持參數如表5所示。

表5 夾持參數計算結果

2.2 物理樣機測試

根據理論計算得到的數據試制物理樣機。采用應變測力系統檢測夾持采摘機構夾持花絲的夾持特性。方法是將應力應變片粘貼在采摘齒上，獲取花絲夾持過程中夾持變形所得的應變信號，應變片接入電橋，經信號調理器輸入到應變放大器進行處理，最后由數據采集儀記錄夾持力數據，對應變測力系統進行標定試驗。分析不同加載量與輸出電壓的關系，經多次加載試驗，經統計分析測力系統相對誤差低于5%，測量結果準確。按照表5進行采摘齒間隙2.5mm條件下的夾持采摘試驗，試驗對象均為開花3～4天的紅花植株。試驗方法：將田間紅花移栽至土槽試驗臺，用兩根鋁棒將所有種球固定在同一平面，樣機固定，土槽與樣機相對運動，端面凸輪旋轉1/4周，僅實現夾持拉拔動作，避免測力系統接線纏繞。

試驗中，被采摘齒夾緊但未拉拔成功的花絲視為漏絲，于是花絲夾持拉拔成功率S定義為

式中NL—齒間漏絲數量；

NW—齒間花絲喂入數量。

在滾筒轉速40r/min的情況下，進行試驗。測力系統測試所得的夾持力數據與理論計算的夾持力進行單樣本τ檢驗，以0.05為顯著性水平，自由度是29，經數據分析，τ統計量的值是1.356，小于臨界值。對于檢驗值為6.36(測量夾持力均值)而言，95% 的置信區間是(-0.043 3，0.240 8) ，由式(3)計算的理論計算夾持力6.36N臨界置信水平為 0.186，大于0.05。這說明試驗測得的夾持力數據與理論計算的夾持力無顯著性差別，驗證了理論設計的可靠性。從表6可以看出：齒間隙2.5mm時，對含水率范圍為60%～70%，開花3～4天的紅花植株進行采摘，所設計的夾持采摘機采摘效果較好，其漏絲數量較少，成功率為80.2%。夾持采摘時夾持力均小于壓損試驗得到的可靠夾持力20N，觀察夾持采摘后的花絲，其表面完整無損傷，采摘齒面清潔無花絲內部沁出的汁液。