紅花花球螺旋輸送攪龍的設計優化與仿真

楊雙平,曹衛彬,焦灝博,葛 云,連國黨,安亮亮

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅花是一種名貴中草藥材和重要的油料作物，作為新疆的重要經濟作物，其產量占到全國的80%左右[1]。由于紅花生長層次不齊，限制了機械化采收，目前國內對紅花的采收主要以人工為主，又因開花周期較短，使花絲的采收勞動強度大。近年來，國內對紅花花絲采收提出了較多的方案，主要有氣吸式、切割式或氣吸-切割式，但該類機械都需要對花絲進行精確的定位，效率較低。葛云等提出對輥式紅花采收裝置[4]，利用旋轉橡膠輥的吸附、摩擦、擠壓和拔取作用完成對紅花花絲的采收，并采用拉拔方式提高花絲采收的完整度，但仍處于研究階段。

通過觀察紅花的生長特性，整株紅花的花球在空間近似呈傘形排列[1-3]，因此一些學者提出紅花的機械化盲采裝置，即一種梳夾式采摘機構[5-6]。梳夾式采摘機構主要由動齒、定齒及端面凸輪組成，利用動齒、定齒的開合，實現對花絲的夾取，利用主軸的旋轉完成對花絲的拔取。但試驗過程中發現，采收時花球在花莖彈性力的作用下，振動大，且花球不在同一高度，花絲難于喂入。為解決以上問題，本文基于梳夾式采摘機構提出了一種螺旋輸送紅花花球攪龍，對不同高度的花球進行分類，使不同高度的花球在不同的時段內采摘，且花球在采摘時段位于同一高度，提高了整株花絲采凈率。

1 螺旋輸送攪龍結構與工作原理

紅花花球集聚裝置主要由前端梳理器、螺旋輸送紅花花球攪龍簡稱攪輪、鏈輪、采摘頭，以及后端梳理器組成，其三維模型如圖1所示。

1.前端梳理器 2.攪龍 3.鏈輪 4.采摘頭 5.后端梳理器圖1 紅花花球集聚裝置三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model diagram of safflower Convergence Device

紅花花球集聚裝置作業狀態如圖2所示。紅花植株在空間成傘形生長，同一植株上花球的位置高低不一。前端梳理器采用不同結構的2個擋板相鄰交錯排列安裝在攪龍前方，對率先進入的花球分列預處理；攪龍安裝在前端梳理器和后端梳理器的交接處，對不同高度的花球進行分列分類；采摘頭安裝在后端梳理器的正上方，對已經梳理過的花球進行花絲采收。

圖2 集聚裝置作業狀態簡圖Fig.2 Operating condition of Safflower Convergence Device

工作狀態中，不同高度的花球由前端梳理器向后端梳理器過渡時，若花球的高度低于攪龍的安裝位置，則花球順利從攪龍下方通過，到達后端梳理器，由安裝在后端梳理器上方的采摘頭對花絲進行采摘。若花球的高度高于攪龍的安裝位置，則花球或花莖將碰到攪龍的螺旋軸，并在葉片給予的軸向力的作用下沿著攪龍軸向運動到另一側的前端梳理器擋板內。此時，若花球高度低于攪龍安裝高度，則花球從攪龍下方通過交接處，到達后端梳理器由采摘頭完成對花絲的采摘；否則，花球在攪龍的作用下繼續向旁側傳遞，直至花球高度低于攪龍安裝高度。

2 攪龍參數約束條件分析與優化模型建立

攪龍主要由螺旋軸和單頭滿面式螺旋葉片組成，其結構如圖3所示。

圖3 攪龍Fig. 3 Auger

在旋轉過程中，對花莖施加軸向作用力，使得花莖實現水平運動。隨著螺旋軸帶動螺旋葉片的旋轉，花莖受到螺旋葉片法向推力，法向推力可分解為軸向分力和圓周方向分力。在法向推力軸向力的作用下，過高的花莖在梳理器前端擋板間隙內，沿著攪龍軸向運動到梳理器后端另一側的擋板間隙內，完成對不同高度花球的分類作用。因此，在紅花采摘過程中，梳理器擋板間距、攪輪的轉速、螺旋直徑及螺距的大小直接影響著紅花花球的輸送與紅花絲的喂入效果、紅花絲的采凈率及采摘效率。為了提高紅花采摘裝置的整體性能，需對梳理器擋板間距、攪龍的轉速、螺旋直徑，以及螺距大小進行分析。通過獲得最優的攪龍參數，紅花采摘性能最佳。

2.1 梳理器擋板間距分析

在整個裝置前進的過程中，花球均在梳理器擋板的上方運動，花莖在擋板縫隙中穿過。要求擋板內壁對花莖的作用力不能大于花莖所能承受的最大拉力，否則會拉斷花莖。如圖4所示：擋板之間的間隙不能小于花莖的最大直徑，否則花莖不能順利地通過梳理器；不能大于花球的最小直徑，否則梳理器將不能對花球起到夾持固定的作用，即要求擋板間距滿足D2

D1.花球直徑 D2.花莖直徑 d.擋板間距圖4 梳理器擋板間距Fig.4 Carding baffle spacing

通過對新疆區域主栽品種無刺紅花，利用游標卡尺測量其開花和未開花花球直徑、花莖直徑得到花球直徑大小為15.3～21.3mm，花莖直徑大小為1.5～3.5mm。因此，擋板間d的約束條件為3.5～15.3mm。

2.2 螺旋直徑分析

該裝置中的葉片是對單個或多個花莖作用，且為點或面接觸，因此對螺旋直徑的設計不考慮輸送量的影響。為使葉片對花莖產生足夠的軸向力，葉片的寬度要大于莖稈直徑，即葉片的寬度要大于3.5mm。考慮螺旋主軸的強度、安裝及花枝纏繞等因素，現取軸徑dz為50mm，則參照螺旋輸送機理與理論設計方法[7-10]，有

dz=(0.2～0.35)D

(1)

在滿足葉片寬度條件下，取螺旋外徑D=145mm，進行分析。

2.3 攪龍螺距的分析

攪龍[11-12]的螺距是攪龍對花莖是否可以起到傳送作用的重要參數，如圖5所示。若螺距小于花莖大小，花莖不能進入相鄰葉片間隙，葉片對花莖就沒有軸向力的作用；若螺距大于花莖的大小，但小于花球的大小，則花球被擱置在攪龍葉片上方，裝置向前行進，會拉斷花莖；若螺距過大，單頭螺旋葉片的螺旋角過大，對花莖的軸向分力小于花莖自身的彈性力，花莖不會運動到另一側擋板間隙內，攪龍無傳送作用。

(a) 螺距小于花莖 (b) 螺距介于花球大小和花莖大小之間

(c) 螺距大于花球大小 (d) 螺距明顯大于花球大小圖5 攪龍螺距設計分析Fig.5 Analysis of auger pitch design

因此，設計的攪龍螺距至少要大于花球的最大直徑，通過利用游標卡尺，測量新疆區域主栽品種無刺紅花，得到得到花球直徑大小在15.3～21.3mm，花莖直徑大小在1.5～3.5mm。則參照螺旋輸送機理與理論設計方法[7-10]，有

h=(0.5～2.2)D

(2)

故螺距h的取值范圍為72.5～319mm。由于要求攪龍對花莖的軸向作用力要大于徑向作用力，葉片根部對花莖的軸向作用力值最小，如圖6所示。

Fx.花徑受到軸向作用力 Fy.花徑受到徑向作用力FN.葉片對花徑總作用力 d.相鄰梳理擋板間的距離h.攪龍螺距 γ.攪龍螺旋角圖6 葉片斜面受力分析Fig.6 Force analysis of blade slant

要求花莖受到的軸向力大于徑向力，根據作用力與反作用力有

Fx=FNsinγ≥Fy=FNcosγ

(3)

(4)

故得到h≤πd=157mm，則螺距h的約束條件為72.5～157mm。

2.4 攪龍轉速分析

攪龍的轉速是否順利傳送花莖的關鍵因素，在其它條件一定的境況下，它與螺旋葉片的螺距相互制約。速度分析如圖7所示。

(a) 擋板間距

(b) 擋板速度分析

(c) 花莖軸向速度b.前端梳理器與后端梳理器交接處的距離 d.相鄰梳理擋板間的距離h.攪龍螺距 n.轉速 v1.裝置前進的速度v2.花莖向旁側遞進的速度 v3.螺旋軌道對花稈產生的軸向速度圖7 速度分析Fig.7 Speed analysis

假定整個裝置前進的速度為v1，前端梳理器與后端梳理器交接處的距離為b，相鄰梳理擋板間的距離為d，攪龍螺距為h，轉速為n，螺旋軌道對花稈產生的軸向速度為v3，則花稈通過前端梳理器與后端梳理器交接處的時間為

裝置前進的速度v1與花莖向旁側遞進的速度v2的合速度為

在t1時間內，過高的花稈要通過相鄰的軌道交界處，則有

(3)

將t1代入化簡求得

(4)

則根據圖7(c)得

(5)

(6)

由于花莖向旁側遞進的速度v2即為螺旋葉片對花莖產生的軸向速度為v3，即v2=v3

則由式(4)、式(6)可解得攪龍的轉速的優化模型為

(7)

3 攪輪參數優化

根據公式(7)可知：攪龍的轉速與裝置前進速度、螺旋葉片螺距、擋板間距，以及前后梳理器交接處的間距有關。為了保證攪輪在輸送紅花花球的過程中不會對紅花果球造成損傷，造成紅花果球不能就行再次長出發絲，攪輪的轉速應盡可能小，因此攪輪設計的目標函數為

(8)

由目標函數可知，當設計變量為[dbh]，通過參數設計分析得出，其約束條件為

(9)

由于目標函數表達式較為簡單，為此采用坐標輪換法對目標函數進行尋優。通過MatLab軟件編寫優化程序，求得設計變量的最優解為

[dbh]=[3.5 50 157]

為了考慮實際情況，對設計變量值進行修正。考慮兩個花莖粘結、纏繞或分支附近通過的情況，為減低花莖通過時受到擋板的阻力，取擋板間距d=10mm。對于前后梳理器交接處的間距，若要使得花莖側向通過，則要求間距大于花莖的最大尺寸，且由于攪龍主軸直徑取值為50mm，為使花莖在攪龍傳送完成后能及時的進入后方梳理器的旁側擋板內，該間距值不能大于攪龍主軸軸徑，故取最大值b=50mm。對攪龍螺距，為避免花莖在輸送過程中受到振動而產生滑檔現象，現取安全系數0.8，使得葉片斜面對花莖產生的軸向力遠大于徑向力，則取攪龍螺距最大值為h=120mm。

根據以上分析取值得到擋板間隙d=10mm，前后梳理器交接處間距b=50mm，攪龍螺距h=120mm，代入式(7)得到

(10)

故在上述條件下攪龍轉速n≥100v1。

4 運動仿真

利用SolidWorks軟件，建立螺距為120mm，螺旋外徑為145mm，螺旋軸直徑為50mm，葉片厚度為2mm的螺旋攪龍模型，與花莖模型添加適當約束，完成裝配體模型，如圖8所示。

1.梳理器 2.花莖 3.葉片 4.主軸圖8 仿真分析Fig.8 Simulation analysis

根據經驗設定整個裝置在工作過程中的前進速度v1=0.5m/s，則根據式(8)攪龍轉速要不低于50r/min，則在仿真模型下給定梳理器的前進速度為v1，攪龍主軸轉速為n，進行模擬試驗，驗證攪龍在該給定條件下是否可以滿足工作要求。

通過模擬試驗得到表1 結果，不同裝置前進速度下，不同攪龍轉速是否可以滿足工作要求。從表1可以看出：裝置的前進速度越低，對攪龍的轉速要求就越低。相應地若追求較高的工作效率，提高裝置的前進速度則需要較高的攪龍轉速才能滿足工作要求。

表1 仿真試驗結果Table 1 Simulation test results

1表示攪龍順利完成工作要求，0表示攪龍未能完成工作要求。

模擬試驗表明：在其它外部固定裝置一定的條件下，裝置的前進速度與攪龍的轉速成正相關，驗證了上文提出的攪龍轉速計算式(7)的正確性。

5 試驗驗證

2018年6月，在石河子大學試驗廠進行了紅花花球的分類集聚試驗，試驗結果如圖9所示。結果表明：設計的紅花花球螺旋輸送攪龍能很好地完成工作，實現了對不同高度花球的分類集聚；通過對比螺旋輸送攪龍在安裝與未安裝條件下的工作情況，得知螺旋輸送攪龍的安裝明顯提高了整株花絲的采凈率。

圖9 螺旋輸送攪龍Fig.9 Spiral conveying auger

6 結論

1)提出一種紅花花球集聚裝置，利用交錯排列的軌道實現對花頭的固定作用，利用攪龍的螺旋輸送作用對不同高度的花球進行分類，達到了較好的喂入效果，提高了紅花采收機械夾持花絲的成功率。

2)對影響螺旋攪龍轉速的因素進行分析，通過參數優化與仿真試驗可知：在擋板間隙10mm、前后梳理器交接處間距50mm、攪龍螺距120mm、裝置前進速度為0.5m/s時，所需要的攪龍轉速至少為50r/min，此時裝置傳送花球效果顯著。