導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對(duì)目前紅花絲人工采收強(qiáng)度大、效率低及機(jī)械化采收程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置。以新疆裕民無(wú)刺紅花為研究對(duì)象，模擬人手抓取拉拔動(dòng)作，通過(guò)夾取導(dǎo)軌與拉拔導(dǎo)軌相配合，正向行程內(nèi)夾花板在導(dǎo)軌內(nèi)先收緊后上升，實(shí)現(xiàn)對(duì)花絲的夾取和拉拔動(dòng)作，通過(guò)負(fù)壓收集拉拔下來(lái)的花絲，完成采收。對(duì)夾緊導(dǎo)軌、拉拔導(dǎo)軌、輔助導(dǎo)軌和擋花口等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算并分析各導(dǎo)軌從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)位移、運(yùn)動(dòng)速度和加速度。并在SolidWorks軟件中對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證爬升架和夾花板的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以裝置采凈率和花絲破損率為試驗(yàn)指標(biāo)，以開(kāi)花后1～5天的新疆裕民無(wú)刺紅花（含水率≤44.5%）為試驗(yàn)對(duì)象，以采收頻率為試驗(yàn)因素，進(jìn)行單因素5水平試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置可行性并尋求最優(yōu)采收頻率。結(jié)果表明：當(dāng)采收頻率為20次/min時(shí)，導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置采凈率為97.64%，破損率為3.32%。研究結(jié)果可為紅花機(jī)械化采收機(jī)具的研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紅花；采收裝置；夾取機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and test of guide rail pulling type safflower harvesting device

Abstract：

Aiming at the problems of high intensity， low efficiency and low degree of mechanized harvesting by current safflower silk workers， a guide rail pulling type safflower harvesting device was designed. Taking Xinjiang Yumin thornless safflower as the research object， it simulates the grasping and pulling action of human hands， and cooperates with the pulling guide rail through the gripping guide rail. The clipping and pulling action of the machine will collect the pulled filaments through negative pressure to complete the harvesting. Key components such as clamping guide， drawing guide， auxiliary guide and flower guard are designed， and the movement displacement， movement speed and acceleration of each guide rail follower are calculated and analyzed. The motion simulation analysis of the model is carried out in SolidWorks software， and the motion trajectory and motion law of the climbing frame and the splint are verified. The removal rate of the device and the filament damage rate are token as the test indicators， Xinjiang Yumin thornless safflower （water content ≤ 44.5%） 1-5 days after flowering are token as the test object， the harvest frequency is token as the test factor， the single factor 5 level test is carried out to verify the feasibility of the device and seek the optimal harvesting frequency. The results show that when the harvesting frequency is 20 times/min， the removal rate of the guide rail pulling type safflower harvesting device is 97.64%， and the damage rate is 3.32%. The research results can provide a reference for the research of safflower mechanized harvesting equipment.

Keywords：

safflower; harvesting device; clamping mechanism; motion simulation

0 引言

紅花是一種有藥材、染料、油料和飼料綜合特性的經(jīng)濟(jì)作物［1］，其主要種植區(qū)有新疆、貴州等地［2］。紅花花絲是一種常見(jiàn)的中藥材，然而其開(kāi)花期較短，適采期為開(kāi)花后1～5天，且花苞上花絲可采收2～3茬，要求在采收時(shí)不能損傷花苞，因此紅花花絲機(jī)械化采收未能取得有效進(jìn)展，目前多為人工采收，效率較低。目前紅花已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化種植、施肥、打藥，紅花機(jī)械化采收成為限制紅花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要因素［34］。

目前現(xiàn)有的紅花花絲采收裝置主要有切割式和拉拔式兩種［4］。切割式紅花采收裝置主要依靠高速旋轉(zhuǎn)的剪切刀具對(duì)進(jìn)入的花絲進(jìn)行切割采收［56］，采收后的花絲較短，且花絲破損較嚴(yán)重。拉拔式紅花采收裝置模擬人手抓取動(dòng)作［79］，對(duì)花絲進(jìn)行夾取拉拔，可有效將花苞中殘余的花絲拔出，提高花絲采收質(zhì)量。以上均為人工輔助采收裝置，需要人工對(duì)準(zhǔn)花絲，可有效提高人工作業(yè)效率。石河子大學(xué)［1012］研制梳夾式紅花采收裝置，旨在通過(guò)護(hù)罩和負(fù)壓氣吸方式，解決花絲人工喂入問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)花絲的機(jī)械化盲采，但該裝置目前處于實(shí)驗(yàn)室階段，且效率較低。

為提高紅花花絲采收的效率和采收質(zhì)量，降低人工采收勞動(dòng)強(qiáng)度，本文采用拉拔式紅花采收方式，模擬人手抓取動(dòng)作，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置。對(duì)夾緊導(dǎo)軌和拉拔導(dǎo)軌等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證夾花板和爬升架在夾取和拉拔紅花絲時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并搭建試驗(yàn)裝置，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為紅花花絲采收機(jī)具的設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由步進(jìn)電機(jī)、護(hù)罩、夾取機(jī)構(gòu)（拉拔導(dǎo)軌、夾緊導(dǎo)軌、爬升架、輔助導(dǎo)軌）等組成。

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定架安裝在護(hù)罩上方，電機(jī)軸連接爬升架，帶動(dòng)爬升架旋轉(zhuǎn)，爬升架與夾緊導(dǎo)軌連接。輔助導(dǎo)軌和拉拔導(dǎo)軌固定安裝在護(hù)罩內(nèi)部。

1.2 工作原理

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置與負(fù)壓風(fēng)機(jī)配合作業(yè)，工作時(shí)，集花口與負(fù)壓風(fēng)機(jī)相接。人工將裝置護(hù)花口移動(dòng)至紅花附近，此時(shí)在負(fù)壓氣吸作用下，花絲進(jìn)入護(hù)花口，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)夾緊導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，夾花板在輔助導(dǎo)軌的配合下，開(kāi)始收緊，夾住花絲。此時(shí)爬升器在拉拔導(dǎo)軌的作用下，向上運(yùn)動(dòng)，護(hù)花口將花球限制在護(hù)罩外側(cè)，將夾緊的花絲從花球上拉拔下來(lái)。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，夾花板回程中開(kāi)始釋放，夾取下來(lái)的花絲在負(fù)壓氣吸作用下，通過(guò)集花口輸送到收集箱，完成采收作業(yè)。

通過(guò)導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置，輔助人工采收，可有效提高人工采收效率，避免花枝等尖刺對(duì)人手、臂的損傷。導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置在工作時(shí)，要求在夾花板夾住花絲后開(kāi)始拉拔，且拉拔過(guò)程中要求再夾緊的變化量在一定范圍內(nèi)，避免過(guò)度夾取損失花絲，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮夾緊導(dǎo)軌與拉拔導(dǎo)軌的匹配。

2.1 夾緊導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置在工作時(shí)，夾緊導(dǎo)軌跟隨爬升架旋轉(zhuǎn)，此時(shí)與夾緊導(dǎo)軌相配合的夾花板在輔助導(dǎo)軌的作用下作開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。即夾花板在夾緊導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)動(dòng)，夾緊導(dǎo)軌每旋轉(zhuǎn)一定角度，夾花板在徑向移動(dòng)一定位移。如圖2所示，夾緊導(dǎo)軌順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正方向，夾緊導(dǎo)軌順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0～2π/3，要求在該過(guò)程中初始段夾花板迅速收緊，到末段時(shí)，夾花板有較小的徑向移動(dòng)，即初始段速度較快，末段時(shí)速度逐漸降低。

綜上分析選用凸輪簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)回程后半段［1314］，夾緊導(dǎo)軌初始運(yùn)動(dòng)時(shí)，推桿迅速回程，即夾花板迅速夾緊，到末端時(shí)，回程逐漸變緩，則

式中：

s——夾緊過(guò)程中夾花板徑向運(yùn)動(dòng)位移，mm；

h1——夾緊過(guò)程中從動(dòng)件推程運(yùn)動(dòng)行程，mm；

δ1——夾緊過(guò)程中從動(dòng)件推程運(yùn)動(dòng)角的凸輪轉(zhuǎn)角，rad；

δt——夾緊過(guò)程中從動(dòng)件推程運(yùn)動(dòng)角的凸輪轉(zhuǎn)角范圍，rad；

φ——凸輪實(shí)際轉(zhuǎn)角，rad。

則有夾緊導(dǎo)軌正向旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，夾花板徑向運(yùn)動(dòng)方程如式（2）所示。

則夾花板在徑向方向上夾緊的過(guò)程中速度、加速度方程如式（3）所示。

式中：

w——夾緊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)角速度，rad/s；

v1——夾緊過(guò)程中夾花板在徑向方向上的速度，m/s；

a1——夾緊過(guò)程中夾花板在徑向方向上的速度，m/s2。

2.2 拉拔導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置在工作時(shí)，拉拔導(dǎo)軌與爬升架相配合，即爬升架在旋轉(zhuǎn)時(shí)跟隨拉拔導(dǎo)軌上的軌跡軸向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與之連接的夾花板向上運(yùn)動(dòng)，將夾住的花絲拉拔下來(lái)。如圖3所示，爬升架在拉拔導(dǎo)軌上正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，要求初始段無(wú)上升運(yùn)動(dòng)，在末段時(shí)，即夾花板已夾緊花絲，此時(shí)要求爬升器帶動(dòng)夾花板迅速上升，拉拔花絲，避免過(guò)度旋轉(zhuǎn)，造成夾花板徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過(guò)度，損失花絲。

夾緊導(dǎo)軌與爬升器同步旋轉(zhuǎn)，綜上分析，當(dāng)夾緊導(dǎo)軌完全夾住花絲后，爬升器開(kāi)始上升，即要求拉拔導(dǎo)軌如圖3所示，前半段水平，后半段爬升，其運(yùn)動(dòng)范圍為0～2π/3。假定當(dāng)夾緊導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)至φ0時(shí)，夾花板夾緊花絲，此時(shí)爬升器開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

要求在夾取花絲的行程后半段，即在φ0～2π/3，夾花板快速上升，且過(guò)程中速度變化平緩，無(wú)較大沖擊變化，因此該段選取凸輪輪廓擺線運(yùn)動(dòng)推程段前半程［1517］，即

式中：

y——拉拔過(guò)程中夾花板軸向運(yùn)動(dòng)位移，mm；

h2——拉拔過(guò)程中從動(dòng)件推程運(yùn)動(dòng)行程，mm；

δ2——拉拔過(guò)程中從動(dòng)件推程運(yùn)動(dòng)角的凸輪轉(zhuǎn)角，rad；

ψ——拉拔過(guò)程中從動(dòng)件推程運(yùn)動(dòng)角的凸輪轉(zhuǎn)角范圍，rad。

則有爬升架在拉拔導(dǎo)軌內(nèi)正向勻速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，即0～2π/3內(nèi)，夾花板在軸向的運(yùn)動(dòng)方程如式（5）所示。

則夾花板在軸向方向上，拉拔過(guò)程中，即在φ0～2π/3范圍內(nèi)速度、加速度方程如式（6）所示。

式中：

v2——拉拔過(guò)程中夾花板在軸向的速度，m/s；

a2——拉拔過(guò)程中夾花板在軸向的加速度，m/s2。

2.3 輔助導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置在工作時(shí)，夾花板在輔助導(dǎo)軌內(nèi)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)花絲的夾取與釋放，因此要求輔助導(dǎo)軌行程在該徑向方向上，以確保有效夾取花絲，避免相對(duì)揉搓對(duì)花絲造成不必要的采收損傷，影響花絲品質(zhì)。當(dāng)夾花板處于輔助導(dǎo)軌內(nèi)最遠(yuǎn)端時(shí)，開(kāi)口直徑大于花絲花簇最大直徑，以確保花絲被順利夾取。當(dāng)夾花板處于輔助導(dǎo)軌內(nèi)最近端時(shí)，開(kāi)口直徑至少要小于花絲花簇最小直徑，以確保夾花板能夾緊花絲。

新疆裕民無(wú)刺紅花開(kāi)花后花簇最大直徑約為35 mm，為夾花板能順利夾取花絲，且提高工作效率，減小不必要工作行程，本次設(shè)計(jì)中取輔助導(dǎo)軌最遠(yuǎn)端直徑D為40 mm。花簇收緊位置直徑約為10 mm，根據(jù)前期紅花夾取拉拔試驗(yàn)，當(dāng)夾花板直徑縮小為8 mm時(shí)，產(chǎn)生的摩擦力就可有效將花絲拉拔下來(lái)，當(dāng)夾花板直徑小于4 mm時(shí)，對(duì)花絲的損傷明顯，因此本次設(shè)計(jì)取輔助導(dǎo)軌最近端直徑d為4 mm。

夾花板在夾緊導(dǎo)軌和輔助導(dǎo)軌內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)行程x為18 mm，代入式（2）可得式（7）。

當(dāng)夾花板直徑縮小為8 mm時(shí)，夾花板運(yùn)動(dòng)行程s為2 mm，此時(shí)解得夾緊導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即φ0為7π/15，即夾緊導(dǎo)軌在0～7π/15內(nèi)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，夾花板迅速夾緊花絲，該過(guò)程中夾花板無(wú)軸向運(yùn)動(dòng)。夾緊導(dǎo)軌在7π/15～2π/3內(nèi)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，夾花板徑向運(yùn)動(dòng)迅速減緩，開(kāi)始軸向迅速上升拉拔花絲。將φ0為7π/15，H為15 mm，代入式（5）可得夾花板軸向運(yùn)動(dòng)方程，如式（8）所示。

2.4 擋花口設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收過(guò)程中，拉拔導(dǎo)軌和夾緊導(dǎo)軌配合，使得夾花板實(shí)現(xiàn)對(duì)花絲的夾取和拉拔動(dòng)作，但在拉拔過(guò)程中，紅花枝干具有一定的彈性，若只依靠拉拔導(dǎo)軌上升行程，無(wú)法將花絲從花球上分離下來(lái)。因此需要在拉拔時(shí)，通過(guò)護(hù)花口將花球短暫固定，限制在護(hù)罩外部，只允許花絲通過(guò)，此時(shí)夾花板收緊拉拔，花球與花絲發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，花絲脫離花球，完成拉拔采收。

新疆裕民無(wú)刺紅花花球平均直徑大小約為22 mm，花絲花簇收緊位置直徑大小約為10 mm，則如圖5所示，設(shè)計(jì)護(hù)花口頂部限制直徑d1為10 mm。護(hù)花口頂部開(kāi)有允許夾花板通過(guò)的槽口，用于確保夾花板在最低位置夾取花絲，槽口寬度B為12 mm。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

將夾緊導(dǎo)軌和拉拔導(dǎo)軌的凸輪輪廓按照設(shè)計(jì)要求在SolidWorks中進(jìn)行建模，按工作要求裝配。工作時(shí)，爬升架由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速?zèng)Q定夾取花絲的頻率。按經(jīng)驗(yàn)選取單次夾取時(shí)間為1 s，即爬升架轉(zhuǎn)動(dòng)2π/3，上升高度H，夾花板徑向運(yùn)動(dòng)行程s，所需時(shí)間為1 s。

在軟件中為爬升架添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，選擇馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模式為角度—時(shí)間，時(shí)間0～1 s，角度0～2π/3，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)分析，可得到爬升架上某一點(diǎn)和夾花板的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

爬升架運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)計(jì)一致，在夾取前半程無(wú)軸向運(yùn)動(dòng)，后半程迅速上升，對(duì)夾緊的花絲拉拔，完成采收作業(yè)。夾花板夾取軌跡符合設(shè)計(jì)要求，在夾取前半程迅速對(duì)花絲夾緊，后半程徑向運(yùn)動(dòng)較小，對(duì)花絲損傷較小，且在后半程跟隨爬升架迅速上升，完成對(duì)花絲拉拔作業(yè)。

對(duì)爬升架添加軸向運(yùn)動(dòng)位移、軸線運(yùn)動(dòng)速度、軸向運(yùn)動(dòng)加速度仿真測(cè)試點(diǎn)，對(duì)夾花板添加徑向運(yùn)動(dòng)位移、徑向運(yùn)動(dòng)速度、徑向運(yùn)動(dòng)加速度仿真測(cè)試點(diǎn)可得到測(cè)試點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如圖7、圖8所示。

爬升架在軸向上升過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)變化如圖7所示，在上升前半程，即0～0.7 s內(nèi)爬升架無(wú)上升趨勢(shì)。夾花板運(yùn)動(dòng)變化如圖8所示，在0～0.7 s內(nèi)夾花板迅速回程，速度逐漸降低，加速度平緩，無(wú)明顯沖擊。在0.7～1 s內(nèi)，爬升架迅速上升，其速度先增加后趨于平緩，加速度連續(xù)無(wú)明顯沖擊。夾花板在該段時(shí)間內(nèi)徑向位移變化量降低，徑向速度減小，徑向加速度平緩，無(wú)明顯沖擊，滿足工作要求。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)于2022年6月25日在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，試驗(yàn)裝置如圖9所示。

試驗(yàn)材料選取開(kāi)花后1～5天的新疆裕民無(wú)刺紅花，平均株高90 mm，含水率≤44.5%。夾取電機(jī)選用42BYGH39步進(jìn)電機(jī)，最大力矩0.4 N，通過(guò)控制Arduino UNO-R3開(kāi)發(fā)板進(jìn)行調(diào)速。氣吸由1.5 kW負(fù)壓風(fēng)機(jī)提供，通過(guò)軟管將拉拔采收下來(lái)的花絲收集到集花箱。

4.2 試驗(yàn)方法

導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置以花絲采收成功率為前提，因此，衡量該裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)是當(dāng)夾取機(jī)構(gòu)處于不同工作頻率時(shí)，該裝置的采凈率和花絲破損率，即試驗(yàn)以不同夾取頻率為影響因素，通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與夾取頻次關(guān)系，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速模擬裝置工作頻率，以采凈率和破損率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素5水平試驗(yàn)［18］。

裝置采收頻率與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，夾取時(shí)間越短，夾取頻率越快，如表2所示。

工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)為夾取行程，反轉(zhuǎn)時(shí)為釋放行程，正轉(zhuǎn)時(shí)間與反轉(zhuǎn)時(shí)間相同。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)間關(guān)系有

式中：

w1——步進(jìn)電機(jī)角速度，rad/s；

t——夾緊導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度所需的時(shí)間，s。

此次設(shè)計(jì)中，采收一次夾緊導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為2π/3，則

為提高采收效率，單次正轉(zhuǎn)拉拔所需的時(shí)間超過(guò)1.5 s，但采收時(shí)間不能過(guò)短，否則爬升器加速度變化過(guò)大，會(huì)造成機(jī)構(gòu)損壞，影響采收性能。一名熟練的操作人員在采收時(shí)，每次對(duì)準(zhǔn)花球的時(shí)間不超過(guò)0.5 s，即操作員可在步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)、夾花板打開(kāi)釋放花絲時(shí)，完成下一步采收準(zhǔn)備工作，因此人工對(duì)準(zhǔn)花球的間歇時(shí)間不影響采收頻率。正轉(zhuǎn)采收時(shí)間與反轉(zhuǎn)回程準(zhǔn)備時(shí)間相等，則采收頻率與正轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系如式（11）所示。

采收頻率與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式（12）所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)采收頻率下理論采收5 min，重復(fù)5次。分別對(duì)采收后集花箱內(nèi)花絲，集花箱內(nèi)有明顯破損的花絲，花球上殘余花絲稱重，則采凈率為集花箱內(nèi)花絲質(zhì)量與未采收前花球上總花絲質(zhì)量的比值，如式（13）所示。

式中：

m1——集花箱內(nèi)花絲質(zhì)量，kg；

m2——花球上殘余花絲質(zhì)量，kg。

集花箱內(nèi)有明顯破損的花絲質(zhì)量與采收下來(lái)的集花箱內(nèi)花絲質(zhì)量的比值為破損率，如式（14）所示。

式中：

m3——集花箱內(nèi)有明顯破損的花絲質(zhì)量，kg。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖10所示，當(dāng)采收頻率大于20次/min時(shí)，裝置采凈率明顯降低，主要原因是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大使得單次夾取正轉(zhuǎn)時(shí)間變短，速度變化增大，引起夾花板抖動(dòng)，造成花絲夾取不完整，且花絲在拉拔時(shí)，瞬時(shí)速度較大，不能有效將花絲拉拔下來(lái)，導(dǎo)致花絲采凈率降低。隨著采收頻率增大，破損率逐漸增大，主要原因是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，夾花板夾取過(guò)程中對(duì)花絲沖擊作用增大，致使花絲損傷現(xiàn)象增加。

根據(jù)圖10可知，在保障采凈率和破損率的前提下，選取較大的采收頻率，當(dāng)采收頻率為20次/min時(shí)，裝置采凈率為97.64%，破損率為3.32%。相較同類型紅花采摘裝置花絲采凈率提高了4.93%［8］，花絲破損率在允許范圍內(nèi)。得益于擋花口設(shè)計(jì)，采收過(guò)程中對(duì)花球的損傷幾乎可以忽略，滿足導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1）" 針對(duì)紅花花絲人工采收效率低、機(jī)械化采收程度低、切割式采收花絲破損率高等問(wèn)題，模擬人手抓取拉拔動(dòng)作設(shè)計(jì)導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置，對(duì)夾緊導(dǎo)軌、拉拔導(dǎo)軌等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)爬升架和夾花板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到當(dāng)夾取時(shí)間定為1 s時(shí)，在0～0.7 s內(nèi)爬升架無(wú)明顯上升趨勢(shì)，確保夾花板能在花絲最低點(diǎn)夾緊；在0.7～1 s內(nèi)爬升架迅速上升，拉拔花絲，在該過(guò)程中爬升架加速度平緩無(wú)明顯沖擊，驗(yàn)證了夾花板和爬升架運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足設(shè)計(jì)要求，并搭建了導(dǎo)軌拉拔式紅花采收試驗(yàn)平臺(tái)。

2）" 通過(guò)性能試驗(yàn)對(duì)不同采收頻率下裝置的花絲采凈率和破損率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明當(dāng)采收頻率為20次/min時(shí)，裝置采凈率為97.64%，破損率為3.32%，滿足導(dǎo)軌拉拔式紅花采收裝置工作需求。該裝置可為紅花機(jī)械化采收機(jī)具的研究提供參考依據(jù)。

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