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(nèi)紅花種植模式和農(nóng)藝要求的剪切式紅花采收裝置。該裝置采用負壓風機產(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，電機帶動動刀片產(chǎn)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(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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(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)全國各地已普遍栽培[4]。紅花是新疆“紅色產(chǎn)業(yè)”重點發(fā)展項目之一，每年種植面積為2.0萬～2.7萬hm2，總產(chǎn)量達2.7萬～3.6萬t，占全國紅花總產(chǎn)量的80%左右[3]。目前紅花完全依靠人工采收，缺點是勞動強度大、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)紅花采收機械技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)。

1采收裝置機構(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、曲柄滑塊機構(gòu)、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(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)，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(chǎn)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(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，此時采摘裝置電機帶動曲柄滑塊機構(gòu)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(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(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]。動刀片有關結(jié)構(gòu)參數(shù)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(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，F(xiàn)2≤N2tanΦ2，F(xiàn)1=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(jīng)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(shù)關系為h=c-d2tanα，根據(jù)試驗結(jié)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(jié)構(gòu)相連接，將動力傳遞給動刀。

2.2傳動機構(gòu)

實現(xiàn)從電機的旋轉(zhuǎn)運動到動刀的往復直線運動的中間傳動機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)是采摘裝置的核心部件，為了提高裝置的平穩(wěn)性并延長使用壽命，曲柄滑塊機構(gòu)采取無急回特性的對心曲柄滑塊機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)如圖4所示，電機固定在A點，驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)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(gòu)，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(gòu)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(tǒng)

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(yè)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(jù)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(jīng)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(shù)，1.3～1.6。

根據(jù)末速度原則，經(jīng)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(shù)，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(qū)昌吉回族自治州樂土驛鎮(zhèn)進行，對紅花采收裝置樣機進行田間生產(chǎn)性試驗、可靠性試驗，并進行現(xiàn)場測試。主要對裝置的生產(chǎn)率、損失率、含雜率等參數(shù)進行檢測。經(jīng)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?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檢測結(jié)果

項目生產(chǎn)率（kg/h）損失率（%）含雜率（%）設計要求≥0.50≤3.00≤3.00檢測結(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現(xiàn)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(jīng)濟效益，對全國紅花產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)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(gòu)的傳動機構(gòu)和負壓風送系統(tǒng)，豐富了相關藥材采摘和收集理論，為相關機具的研發(fā)提供了參考。田間試驗和測試結(jié)果表明，該機性能可靠，參數(shù)指標優(yōu)于設計要求。

參考文獻：

[1]王若菁，楊濱. 紅花的化學成分及質(zhì)量標準研究進展[J]. 中國實驗方劑學雜志，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]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2005，26（2）：119-122.

[3]王果平，帕麗達，李曉瑾，等. 藥用植物紅花新疆產(chǎn)地適應性數(shù)值分析[J]. 中國民族民間醫(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. 小型甘蔗收獲機根部切割器結(jié)構(gòu)設計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2008，39（4）：56-59.

[6]劉志剛，王德成，翟改霞，等. 往復式雙動刀灌木收割機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44（增刊1）：102-106.

[7]徐秀英，張維強，楊和梅，等. 小型牧草收獲機雙動切割裝置設計與運動分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（7）：156-161.

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

[9]東北農(nóng)學院. 農(nóng)業(yè)機械學：下冊[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1961.

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

[11]王鋒德，陳志，王俊友，等. 4YF-1300型大方捆打捆機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（11）：36-41.

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

[13]鄧昭銘，張瑩. 機械設計基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

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

[15]李景彬，王曉華，坎雜，等. 紅花的物料特性測定與分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，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)營服務體系構(gòu)建[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（11：540-544.