張振國，邢振宇，楊雙平，馮 寧，梁榮慶，趙敏義

圓弧漸進式紅花絲采收裝置設(shè)計與試驗

張振國1,2，邢振宇1，楊雙平1，馮 寧3，梁榮慶4，趙敏義1

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；3.平頂山學(xué)院電氣與機械工程學(xué)院，平頂山 467000；4. 德州學(xué)院能源與機械學(xué)院，德州 253023）

針對紅花切割采收時花絲破損率高、采凈率低等問題，該研究結(jié)合紅花物料及力學(xué)特性，設(shè)計了一種圓弧漸進式紅花絲采收裝置。通過對圓弧漸進刀具進行受力分析和切割速度分析，明確了影響采收性能的關(guān)鍵因素為刃口傾斜角和刀軸轉(zhuǎn)速；利用Fluent軟件對采收腔室流場進行分析，確定適宜的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，驗證腔室設(shè)計的合理性。為提升圓弧漸進式紅花絲采收裝置的工作性能，以刃口傾斜角、刀軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速為影響因素，以采凈率、破損率、集凈率為響應(yīng)指標，進行二次正交旋轉(zhuǎn)試驗。運用Design-Expert軟件建立數(shù)學(xué)模型，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：刃口傾斜角25°，刀軸轉(zhuǎn)速6 44 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速2 800 r/min，對應(yīng)的采凈率為92.1%，破損率為9.6%，集凈率為94.7%，對優(yōu)化結(jié)果進行驗證試驗，結(jié)果表明，采凈率為91.5%，破損率為9.8%，集凈率為94.2%，與仿真優(yōu)化結(jié)果誤差不超過5%，表明所設(shè)計的紅花絲采收裝置能較好地完成紅花絲采收作業(yè)。該研究可為紅花機械化采收提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

收獲；優(yōu)化；紅花絲；圓弧漸進刀具；激光對射；Fluent仿真

0 引 言

紅花是新疆的優(yōu)勢特色經(jīng)濟作物之一，紅花產(chǎn)量與種植面積均占國內(nèi)產(chǎn)量和種植面積的80%以上[1]。紅花機械化采收可有效降低田間作業(yè)勞動量，但目前紅花采收機械仍存在花絲破損嚴重，收集效果不理想，嚴重制約紅花產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[2-4]。因此，亟需解決紅花機械化采收過程中花絲采收品質(zhì)和產(chǎn)量的問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞紅花采收的整機與關(guān)鍵部件開展研究，主要集中在氣力采收、拉拔采收、梳齒采收、切割采收等[5-6]。Rajvanshi等[7-9]采用負壓氣力使果球和花絲分離，但采摘效率低，花絲損失嚴重；葛云等[10-11]采用膠輥旋轉(zhuǎn)拉拔采收花絲；曹衛(wèi)彬等[12-14]采用梳齒對整株紅花進行采收，雖然節(jié)約了對花時間，但花絲采凈率低；張振國等[5,15-17]提出采用切割-氣吸組合式采收花絲，提高了采收效率，但是花絲破損率高。在關(guān)鍵部件方面，陳飛等[4]采用集條預(yù)定位機構(gòu)將單株紅花由空間無序調(diào)整為條狀有序，降低紅花采摘難度。張曉偉等[18]考慮紅花的生長特性，結(jié)合圖像識別技術(shù)獲得紅花采摘位置二維平面坐標，完成采摘。綜合上述研究，紅花采收裝置對花絲結(jié)構(gòu)破壞較大，花絲破損率較高，并未有效降低花絲破損率。因此，紅花采收裝置在保證高采凈率的同時，亟需優(yōu)化花絲切割刀具和紅花定位采收裝置，降低花絲破損率。

為提高紅花采收機械化采收質(zhì)量，本文結(jié)合紅花生長特性設(shè)計圓弧漸進式紅花絲采收裝置，從理論上分析采收機構(gòu)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)，確定采收裝置性能指標的影響因素，并進行樣機性能試驗及田間試驗驗證，擬提高其作業(yè)質(zhì)量，為紅花絲采收裝置設(shè)計和優(yōu)化提供借鑒。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 紅花物料特性

紅花物料特性是紅花采收裝置設(shè)計的依據(jù)[5,19]。試驗紅花選取新疆引進的油花兼用型品種“云南紅花”，于2022年6月中旬選取新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪種植基地長勢一致紅花種植區(qū)的紅花進行物料特性參數(shù)測定[19-20]，如圖1所示。采用五點法進行田間取樣，每個取樣點選取30朵適宜采收的盛開期紅花進行測定，得到紅花植株主要物料特性參數(shù)，同時對紅花切割力學(xué)特性進行測定分析，可為關(guān)鍵部件的設(shè)計提供依據(jù)，如表1所示。

1.花絲 2.縮頸 3.果球

1.Filaments 2.Necking 3.Fruit ball

注：為花絲幅寬，mm；為果球球徑，mm；為果球縮頸直徑，mm；為花絲平均高度，mm；為花絲切割區(qū)域。

Note:is the filament width, mm;is the safflower fruit ball diameter, mm;is fruit bulb necked diameter of fruit ball, mm;is the average height of filaments, mm;is the filament cutting area.

圖1 盛開期紅花結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

Fig.1 Diagram of structural parameters of safflower in blooming period

表1 紅花主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及力學(xué)特性參數(shù)

1.2 整機結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

圓弧漸進式紅花采收裝置主要技術(shù)參數(shù)如表2表示，采收裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括花絲收集箱、負壓收集系統(tǒng)、花絲采收機構(gòu)等?；ńz采收機構(gòu)通過花絲輸送管道與花絲收集箱連接，電控系統(tǒng)通過螺栓連接在花絲收集箱底部，負壓收集系統(tǒng)安裝在花絲收集箱上側(cè)。作業(yè)時，手持花絲采收機構(gòu)的外殼對準花絲，啟動電控系統(tǒng)和負壓收集系統(tǒng)，用于壓縮和吸附花絲，經(jīng)花絲輸送管道輸送至花絲收集箱。

表2 圓弧漸進式紅花絲采收裝置主要技術(shù)參數(shù)

在此過程中，花絲采收機構(gòu)作為圓弧漸進式紅花絲采收裝置的核心部分，具有篩選花絲與莖葉、分離花絲與果球的作用。如圖3所示，圓弧漸進式紅花絲采收裝置主要由采收腔室、圓弧漸進式刀具、步進電機、花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置等組成。圓弧漸進式刀具與步進電機連接，可根據(jù)作業(yè)需求調(diào)節(jié)刀具轉(zhuǎn)速，與花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置共同作用改變紅花絲切割效果。作業(yè)時圓弧漸近刀具由兩端窄處刀片向中間最寬處刀片旋轉(zhuǎn)切割花絲，并收斂花絲在刀具最寬處，防止切割時造成花絲的多次傷害。同時保持腔室內(nèi)切割花絲被負壓氣流吸附收集。

1.負壓收集系統(tǒng) 2.花絲收集箱 3.電控系統(tǒng) 4.花絲輸送管道 5.花絲采收機構(gòu)

1.采收腔室 2.圓弧漸進式刀具 3.花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置 4.花絲進口 5.錐形擬合面 6.底盤 7.步進電機 8.花絲出口

1.3 工作原理

工作時，紅花絲由人工對花喂入裝置下部喂入?yún)^(qū)后，花絲采收機構(gòu)監(jiān)測區(qū)的激光被花絲阻擋，步進電機啟動，帶動切割區(qū)的圓弧漸進式刀具旋轉(zhuǎn)，漸進切割并匯聚花絲至刀具最寬處，實現(xiàn)花絲與果球的分離，在負壓作用下，分離的花絲經(jīng)輸送管道吸附至收集區(qū)的花絲收集箱，完成花絲收集。同時圓弧漸進式刀具復(fù)位，刀具最寬處位于花絲進口正上方，等待下次采收。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 花絲采收機構(gòu)設(shè)計

圓弧漸進式刀具是花絲采收機構(gòu)的關(guān)鍵部件，刃口傾斜角、刀具轉(zhuǎn)速影響花絲采收效果，花絲集中匯聚在刀具內(nèi)側(cè)，可降低花絲破損率，提高花絲采凈。本文以紅花物料參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計花絲采收機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過分析圓弧漸進式刀具作用下花絲滑切受力與速度，確定影響花絲采凈效果的關(guān)鍵因素，為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

2.1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

花絲采收機構(gòu)主要由圓弧漸進式刀具、步進電機構(gòu)成的花絲切割部件及采收腔室等組成。如圖4所示，花絲切割刀軸以轉(zhuǎn)速切割花絲，在圓弧漸進式刀具的旋轉(zhuǎn)切割作用下，花絲匯聚至刀具最寬處，采收腔室負壓收集花絲。結(jié)合表1數(shù)據(jù)，通常紅花采收的果球球徑為19.40～30.56 mm，果球縮頸直徑為2.57～7.74 mm。若使花絲完整切割，設(shè)置進花口面相切分別與圓弧漸進式刀具、圓弧漸進式刀具底盤面相切。由圖4幾何關(guān)系求得花絲進給深度與刀具缺口寬度為

注：為刃口回轉(zhuǎn)半徑，mm；為刀具最窄處高度，mm；為圓弧漸進式刀具厚度，mm；為刀具缺口寬度，mm；為花絲進口半徑，mm；Δ為刀具缺口寬度與花絲進口半徑的差值，mm；1為刃口傾斜角，(°)；2為進花口中心線與刀具缺口其中一條邊之間的夾角，(°)；為刀軸轉(zhuǎn)速，r·min-1。

Note:is the radius of rotation of the blade, mm;is the thickness of the circular arc progressive type blade, mm;is the thickness of the circular arc progressive type blade, mm;is the width of the blade notch, mm;is the radius of the fillet inlet, mm; Δis the difference between the width of the blade notch and the radius of the fillet inlet, mm;1is the inclination angle of the blade, (°);2is the angle between the centerline of the inlet and one of the edges of the blade notch, (°);is the rotating speed of the blade shaft, r·min-1.

圖4 花絲采收機構(gòu)切割過程分析

Fig.4 Analysis of cutting process of filament harvesting mechanism

參考相關(guān)文獻[5,15]及項目組研制的圓弧漸進式紅花絲采收裝置作業(yè)參數(shù)可知，花絲進口半徑為20 mm，刃口回轉(zhuǎn)半徑為25 mm，夾角2為25°。依據(jù)GB/T 1209.3-2009《農(nóng)業(yè)機械 切割器第3部分：動刀片、定刀》，確定圓弧漸進式刀具厚度為4 mm，刃口傾斜角1為25°。考慮到加工與安裝誤差，避免刀具缺口寬度與花絲進口半徑干涉，刀具缺口寬度與花絲進口半徑差值Δ為2 mm。結(jié)合表1，確定花絲進給深度等于果球縮頸直徑4 mm，將上述參數(shù)代入式（1）求得刀具最窄處高度為13 mm，刀具缺口寬度為40 mm。

2.1.2 花絲滑切受力分析

為實現(xiàn)良好的采凈效果，采用滑切方式切割花絲，刀片由花絲外側(cè)向中部漸進式滑移切割，增強刀刃的鋸斷作用，降低花絲切割比阻。因此刀具的刃口采用圓弧漸進式，即圓弧漸進曲線的滑切效果更加明顯，其切割瞬間刀片曲線示意圖如圖5所示。以底盤中心為原點，以刀片所在回轉(zhuǎn)平面切向為軸、垂直于底盤方向為軸，平行于回轉(zhuǎn)平面方向為軸，建立刀片某一瞬時空間坐標系。假設(shè)刀片處于靜止狀態(tài)，花絲縮頸質(zhì)點沿著刀片曲線運動至切割點，質(zhì)點軌跡為圓弧漸進曲線。

1.刀片 2.底盤 3.刀軸

1.Blade 2.Chassis 3.Blade shaft

注：為花絲縮頸質(zhì)點；為切割點；d為沿著平行于圓弧漸進刀具的底盤邊界的方向長度，mm；d為位移所對應(yīng)的斜面邊界的高度抬升量，mm；為刃口夾角，即刃口與軸負方向的夾角，(°);、、為坐標軸。

Note:is the filament necking point;is the cutting point; dis the length along the direction of the chassis boundary parallel to the arc asymptotic blade, mm; dis the height rise of the slope boundary corresponding to the displacement, mm;is the angle between the blade and the negative direction of the-axis, (°);,,are axes.

圖5 切割瞬間刀片曲線示意圖

Fig.5 Cutting instant blade curve diagram

花絲縮頸質(zhì)點從斜圓柱的缺口最低點開始切割，沿著平行于圓弧漸進刀具的底盤邊界刃口微單元平面方向，以長度d切割運動至切割點，水平位移為sind，這段位移所對應(yīng)的斜面高度增加量d為

式中為圓弧漸進式刀具缺口最低點至切割點M的弧長，rad。

結(jié)合圓弧漸進式刀具運動的邊界條件，缺口最低點至切割點的弧長取2π時，圓弧漸進高度為0。對式（3）積分得到圓弧漸進曲線為

式中為圓弧漸進式刀具某點的高度，mm。

由式（4）可知，圓弧漸進曲線為余弦函數(shù)，曲線形狀取決于刃口回轉(zhuǎn)半徑和刃口傾斜角1，對機具功耗、切割性能有直接影響。

刀具對花絲的滑切作用力，影響花絲的采凈效果。因花絲在切割過程中受力相對復(fù)雜，簡化圓弧漸進式刀具上切割的花絲縮頸為研究對象質(zhì)點。以為原點，以其所在回轉(zhuǎn)平面切向為軸、垂直于底盤方向為軸，平行于回轉(zhuǎn)平面向上為軸，建立刀具某一瞬時空間坐標系。如圖6所示為花絲縮頸滑切原理圖，采用滑切方式增強刀刃微觀狀態(tài)下的鋸斷作用，降低縮頸切割比阻，提高花絲采凈率。

1.底盤 2.刀軸 3.刀片

1.Chassis 2.Blade shaft 3.Blade

注：F為刃口法向壓力，N；F為刃口的擠壓力，N；F為刃口的摩擦力，N；v為刀具運動速度，m·s-1；α為沿刃口方向的加速度，m·s-2；a為沿v方向的加速度，m·s-2；為滑切角，即刃口法向壓力與軸負方向的夾角，(°)。

Note :Fis the normal pressure of the edge, N ;Fis the extrusion force of the blade, N ;Fis the friction force of the blade, N ;vis the blade speed,m·s-1;αis the acceleration along the bladedirection, m·s-2;ais the acceleration along the direction ofv, m·s-2;is the slip angle, namely the angle between the normal pressure of the blade and the negative direction of the-axis, (°).

圖6 花絲縮頸在圓弧漸進式刀具作用下的受力分析

Fig.6 Force analysis of filigree neck reduction under the action of circular arc progressive type blade

在忽略空氣阻力情況下，結(jié)合測得的紅花物理力學(xué)特性[21-22]，花絲易進入對花口。假使花絲縮頸質(zhì)點剛好被刀具切割完成，在切割花絲時質(zhì)點接觸切割支座，且能起到支撐作用，即花絲切割為支撐切割。質(zhì)點受力為刃口法向壓力F、擠壓力F和摩擦力F，其中F位于刃口與刀具運動速度組成的切割面內(nèi)。在花絲切割瞬間，花絲縮頸質(zhì)點由靜止開始快速轉(zhuǎn)動，獲得較高瞬時加速度。則切割面內(nèi)質(zhì)點沿刃口和v方向的動力學(xué)方程為

式中m為質(zhì)點質(zhì)量，kg；為花絲縮頸與刃口摩擦角，(°)。

根據(jù)前期研究獲取的花絲剪切力學(xué)特性[22-24]，綜合式（4）～（5）可知，花絲采凈率與刃口傾斜角1、回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。根據(jù)文獻[25]，滑切角等于刃口傾斜角1，對機具功耗、切割性能有直接影響，當(dāng)1＞時，形成滑切效應(yīng)，且1越大滑切作用越明顯。但滑切角越大，質(zhì)點滑移距離越大，摩擦功耗越大。根據(jù)前期研究[5]，回轉(zhuǎn)半徑取值范圍為24.93～25.18 mm，圓弧漸進式刀具缺口最低點至切割點的弧長范圍為0～2π，圓弧漸進式刀具刃口曲線某點的高度范圍為0～34.20 mm。經(jīng)計算得到23.83°≤1≤34.18°。綜合式（4）～（5），并結(jié)合上述分析，選擇刃口傾斜角1作為影響花絲采凈效果的關(guān)鍵因素，取值范圍圓整為24°～34°。

2.1.3 切割速度分析

為有效降低花絲破損率，對圓弧漸進式刀具旋轉(zhuǎn)嵌入花絲縮頸的切割速度進行分析[26-27]。如圖7所示，由于刀片為圓弧型，刀具刃口每一點處的回轉(zhuǎn)半徑均相同，作業(yè)時，紅花以速度v人工喂入，刀具高速旋切，旋轉(zhuǎn)線速度v計算公式為

當(dāng)?shù)毒呷笨谵D(zhuǎn)動至最高處時為轉(zhuǎn)動初始時刻，如圖7所示，時刻刀具轉(zhuǎn)動的角度為

式中1為時刻刀具轉(zhuǎn)動的角度，rad。

注：vm′為人工喂入紅花速度，m·s-1；vs為刀具旋轉(zhuǎn)線速度，m·s-1；v為人工喂入紅花速度和刀具旋轉(zhuǎn)線速度的合成速度，m·s-1；θ1為t時刻刀具轉(zhuǎn)動的角度，rad；θ2為合成速度與水平方向夾角，(°)。

2.2 花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計

花絲的準確定位是降低花絲破損的關(guān)鍵。目前的采收方式難以滿足花絲切割位置的精準定位需求，易造成花絲破損。本文提出一種激光傳感器監(jiān)測花絲切割位置的方法。花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置主要包括激光發(fā)射組件和接收組件[28-29]。激光發(fā)射組件選用持續(xù)產(chǎn)生高亮度激光的N型二極管，接收組件選用光敏二極管。為增加傳感器驅(qū)動力和抗干擾性，防止可見光干擾反射激光，影響監(jiān)測效果，采用調(diào)制管進行激光調(diào)制，激光發(fā)射與激光接收頻率相同。選用74LS04型號反相器驅(qū)動若干個發(fā)射管，檢測距離為5～300 mm，工作電壓為12 V，花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置的發(fā)射和接收組件部分電路如圖8所示。

圖8 花絲喂入狀態(tài)激光傳感器電路

花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置示意圖如圖9所示。發(fā)射組件與接收組件均固定于采收腔室的內(nèi)壁，且在同一條水平線。根據(jù)相關(guān)研究[5,28]，確定發(fā)射組件與接收組件的距離為60 mm，裝置安裝高度1為10 mm。綜合上述分析，結(jié)合相關(guān)研究[28-29]，經(jīng)前期試驗，發(fā)射組件與接收組件安裝位置與關(guān)系為1≥0.8，即當(dāng)花絲進入高度占花絲總高度的80%以上時，可以保證花絲順利喂入監(jiān)測區(qū)域的同時阻斷激光光束90%以上，花絲切割定位監(jiān)測效果準確，保證了刀具完整切割紅花絲，為降低花絲破損率奠定基礎(chǔ)。

1.調(diào)制管 2.發(fā)射組件電路板 3.發(fā)射激光頭 4.果球擬合面 5.紅花 6.透鏡 7.接收組件電路板 8.接收管

1.Modulation tube 2.Transmitting component circuit board 3.Transmitting laser head 4.Fruit ball fitting surface 5.Safflower 6.Lens 7.Receiving component circuit board 8.Receiver tube

注：為花絲平均高度，mm；1為花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置安裝高度，mm。

Note:is the average height of the filament, mm;1is the installation height of the filament feeding status monitoring device, mm.

圖9 花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置

Fig.9 Filament feeding status monitoring device

3 采收腔室流場仿真分析

負壓收集系統(tǒng)產(chǎn)生的流場是影響花絲集凈率的關(guān)鍵。流場攜帶輕質(zhì)花絲通過采收腔室，經(jīng)過輸送管道到達花絲收集箱。其中采收腔室內(nèi)部尺寸大小為110 mm×100 mm×90 mm，輸送管道半徑25 mm，長度500 mm。但刀具結(jié)構(gòu)對腔室內(nèi)部流場會產(chǎn)生擾動。因此，本文運用Fluent軟件對采收腔室內(nèi)流場進行分析，以探明腔室內(nèi)氣流運動特性，從而確定影響花絲采凈效果的關(guān)鍵因素，為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

3.1 模型參數(shù)確定

腔室結(jié)構(gòu)對流場和花絲運動有直接影響，綜合考慮花絲含水率、懸浮速率、風(fēng)機能耗和噪音的基礎(chǔ)上，選用速度可調(diào)的負壓風(fēng)機（臺達Delta渦輪鼓風(fēng)機BFB1212GH 12032，12 V，3.96 A）。依據(jù)數(shù)值分析建模簡化原則對模型進行簡化，如圖10a所示。將簡化后的腔室模型進行非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為580 000個，網(wǎng)格間隙2 mm，如圖10b所示。

采用ANSYS19.0/Fluent模塊進行模型邊界條件設(shè)定，對采收腔室內(nèi)部流場仿真分析?；ńz入口邊界條件為壓力入口，結(jié)合實際情況設(shè)置大氣壓力為邊界值，壓力為1.01×105Pa，進口速度為23.8 m/s?；ńz出口邊界條件為壓力出口，負壓值等于負壓氣室的負壓值，出口速度為11.46 m/s。根據(jù)文獻[30]，壁面邊界條件為剛性無滑移壁面，流場初始溫度設(shè)置為30 ℃。

3.2 腔室流場數(shù)值模擬

根據(jù)前期研究[30]，風(fēng)機轉(zhuǎn)速n是負壓風(fēng)機作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)值由負壓風(fēng)機作業(yè)所需全壓確定，即

式中nf為風(fēng)機轉(zhuǎn)速，r/min；γ為空氣容重，取11.77 N/m3，g為重力加速度，取9.8 m/s2，Rf為風(fēng)機葉輪半徑，m；ψ為壓力系數(shù)，取常數(shù)494；Ps為用于克服流動中各種阻力的靜壓，Pa；Pd為腔室內(nèi)氣流運動提供動能的動壓，Pa。

查閱相關(guān)資料[5,31]，靜壓P用于克服流動中各種阻力，對于負壓風(fēng)機與圓弧漸進式刀具結(jié)構(gòu)形式的花絲采收裝置P為19.10～52.26 Pa，動壓P為腔室內(nèi)氣流運動提供動能，為15.44 Pa，風(fēng)機葉輪半徑R為70 mm。結(jié)合式（10）計算得風(fēng)機轉(zhuǎn)速n為2 000～2 800 r/min。

根據(jù)計算得到的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，對負壓風(fēng)機作用下腔室流場進行數(shù)值模擬，得到腔室流場速度分布矢量圖，如圖11所示。觀察圖11a，由于圓弧漸進式刀具的阻隔，腔室內(nèi)氣流產(chǎn)生擾動，在刀具的兩側(cè)均形成了高速區(qū)，便于花絲越過圓弧漸進式刀具；如圖11b所示，由于氣流在腔室進口無刀具的阻隔，底盤正面上方和腔室出口形成了面積較大的高速區(qū)域，有益于花絲快速收集，但同時由于底盤本身的阻擋，在底盤背面存在渦流現(xiàn)象，導(dǎo)致少量花絲殘留；如圖11c所示，由于底盤阻隔及圓弧的導(dǎo)流作用，底盤正面和刀具兩側(cè)的流速較大，渦流現(xiàn)象減弱，致使腔室出口形成了大面積的高速區(qū)，有利于花絲的收集。分析可知，花絲采收腔室和圓弧漸進式刀具結(jié)構(gòu)是影響腔體內(nèi)流場分布和花絲分布的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對內(nèi)部流場形成了分流效果，且對負壓風(fēng)機的吸力損失影響較小，腔室內(nèi)流體運動特性符合預(yù)期效果。

圖11 腔室氣流場速度云圖

4 參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗材料與設(shè)備

2022年6月下旬在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪種植基地對盛開期“云南紅花”進行樣機性能試驗。結(jié)合表1參數(shù)，紅花絲含水率均值61.5%，懸浮速率均值2.32 m/s。圓弧漸進式紅花絲采收試驗臺（課題組自制）如圖12所示。試驗儀器包括DHG-9240A型精密型恒溫實驗室烘箱（青島邁可威微波創(chuàng)新科技有限公司，量程10-200 ℃，精度0.1 ℃），美國FTC全觸控物性分析儀TMS-Touch（上海騰拔儀器科技有限公司，量程0～20 kg，精度0.1 g），LA114型電子天平（上海贊維衡器有限公司，量程0～110 g，精度0.1 mg），游標卡尺（溫州邁凱倫電器有限公司，量程0～150 mm，精度0.02 mm）等。

4.2 試驗方法

4.2.1 影響因素的確定

基于2.1～2.2節(jié)、3.2節(jié)分析，結(jié)合圓弧漸進式紅花絲采收裝置結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，試驗選取影響采收效果的3個關(guān)鍵因素為

刃口傾斜角1：刃口傾斜角越大，對花絲的切割力越大，花絲采凈效果越好。但是刃口傾斜角過大時，刀具易將花絲推倒。根據(jù)測試，刃口傾斜角取值范圍為24°～34°。

刀軸轉(zhuǎn)速2：刀軸轉(zhuǎn)速過高，刀具會反復(fù)切割花絲，造成花絲破損，采收質(zhì)量較差；轉(zhuǎn)速過慢，則無法有效地切斷花絲。根據(jù)測試，刀軸轉(zhuǎn)速選擇在400～800 r/min內(nèi)較為合適。

風(fēng)機轉(zhuǎn)速3：風(fēng)機轉(zhuǎn)速是作業(yè)的關(guān)鍵工作參數(shù)，其數(shù)值由負壓風(fēng)機作業(yè)所需全壓確定，由式（10）可知，風(fēng)機轉(zhuǎn)速與全壓成正相關(guān)。轉(zhuǎn)速過低，花絲易殘留在腔室內(nèi)，造成花絲損失，花絲質(zhì)量較差。根據(jù)前期試驗，選擇風(fēng)機轉(zhuǎn)速2 000～2 800 r/min。

1.電源 2.花絲收集箱 3.負壓風(fēng)機 4.花絲輸送管道 5.開關(guān)電源 6.步進電機控制器 7.步進電機驅(qū)動器 8.延時開關(guān) 9.圓弧漸進式刀具 10.花絲喂入狀態(tài)監(jiān)測裝置 11.紅花切割固定架

4.2.2 響應(yīng)指標

按照圓弧漸進式紅花絲采收裝置的工作性能要求，本試驗選用花絲采凈率1、花絲破損率2、花絲集凈率3作為采收效果評價指標。

中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化是“兩治”現(xiàn)代化的內(nèi)生動力。習(xí)近平指出：“我國今天的國家治理體系，是在我國歷史傳承、文化傳統(tǒng)、經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)上長期發(fā)展、漸進改進、內(nèi)生性演化的結(jié)果?！盵9]“兩治”現(xiàn)代化，空想不行、閉門造車不行，要善于學(xué)習(xí)，向老祖宗學(xué)習(xí)、向國外學(xué)習(xí)，遵循高等教育發(fā)展規(guī)律，借助傳統(tǒng)的深度挖掘和新時代的重新闡釋，總結(jié)借鑒國外知名高校的辦學(xué)理念、辦學(xué)模式、管理方法，海納百川、兼容并蓄，創(chuàng)造性內(nèi)化、創(chuàng)新性發(fā)展，在人類命運共同體中講好中國故事。

1）花絲采凈率1

單朵紅花上被刀具采收的花絲質(zhì)量與其花絲總質(zhì)量的百分比，其計算式為

式中1為單朵紅花上被刀具采收下來的花絲質(zhì)量，g；為單朵紅花上的花絲總質(zhì)量，g。

2）花絲破損率2

采收的單朵紅花中斷裂與破碎的花絲質(zhì)量與采收花絲總質(zhì)量的百分比，其計算式為

式中2為單朵紅花上由于采收而斷裂與破碎的花絲質(zhì)量，g。

3）花絲集凈率3

被負壓風(fēng)機收集至花絲收集箱的單朵紅花絲質(zhì)量與被刀具采收的單朵紅花上花絲總質(zhì)量的百分比，其計算式為

式中3單朵紅花上采收下來的花絲被負壓風(fēng)機采收到花絲收集箱的花絲質(zhì)量，g。

4.2.3 試驗設(shè)計

為分析裝置不同刃口傾斜角、刀軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速對紅花采收機械作業(yè)性能的影響，并尋找最佳參數(shù)組合。依據(jù)Box-Benhken試驗理論，設(shè)計3因素3水平分析試驗[32]，結(jié)合2.1節(jié)、3.2節(jié)試驗因素取值分析，試驗因素與水平如表3所示。

表3 試驗因素和水平

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1 試驗方案與結(jié)果

試驗方案及結(jié)果見表4，共計17組試驗，其中包括12個分析因子以及5個零點估計誤差，1～12組為析因設(shè)計試驗，13～17組為中心設(shè)計試驗[33-34]。

表4 試驗結(jié)果

4.3.2 回歸模型建立與顯著性分析

通過Design-Expert軟件進行方差分析，建立花絲采凈率1、破損率2、集凈率3對刃口傾斜角、刀軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的編碼回歸數(shù)學(xué)模型。表5為試驗結(jié)果方差分析及顯著性檢驗。

由表5可知，各因素對采凈率1、破損率2、集凈率3的回歸模型的擬合度是極顯著（＜0.01），對于失擬項，3個模型值均大于0.05，不顯著，說明該回歸模型不失擬，剔除不顯著因素后得到各因素對采凈率1、破損率2、集凈率3的回歸模型為

由表5中各因素值分析可知，3個因素對花絲采凈率影響重要性由大到小的順序為刀軸轉(zhuǎn)速、刃口傾斜角、風(fēng)機轉(zhuǎn)速；對花絲破損率影響重要性由大到小的順序為刀軸轉(zhuǎn)速、刃口傾斜角、風(fēng)機轉(zhuǎn)速；對花絲集凈率影響重要性由大到小的順序為風(fēng)機轉(zhuǎn)速、刀軸轉(zhuǎn)速、刃口傾斜角。刀軸轉(zhuǎn)速對花絲采凈率和花絲破損率的影響最大，而刃口傾斜角與風(fēng)機轉(zhuǎn)速對花絲采凈率的影響相對較??；風(fēng)機轉(zhuǎn)速對花絲集凈率的影響最大，而刀軸轉(zhuǎn)速與刃口傾斜角對花絲集凈率的影響相對較小。

表5 試驗結(jié)果方差分析

注：極顯著（＜0.01）；不顯著（≥0.01）；X為x的水平值，=1,2,3。

Note: highly significant (<0.01); not significant (≥0.01); Xis level value ofx,=1,2,3.

4.3.3 交互因素對響應(yīng)函數(shù)的影響

對于花絲采凈率，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速固定在0水平（3= 2 400 r/min）時，刀軸轉(zhuǎn)速與刃口傾斜角的交互作用對花絲采凈率的影響如圖13a所示。當(dāng)刃口傾斜角一定時，花絲采凈率隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，且逐漸區(qū)域平緩。在刀軸轉(zhuǎn)速大于600 r/min時，隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大，花絲采凈率≥90%。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時，花絲采凈率隨著刃口傾斜角的減小，先減小后增大，在刃口傾斜角小于29°時，隨著刃口傾斜角的減小，花絲采凈率≥90%。由響應(yīng)曲面可知，花絲采凈率沿著刃口傾斜角的方向變化較快，沿著刀軸轉(zhuǎn)速的方向變化較慢，刃口傾斜角對花絲采凈率的影響比刀軸轉(zhuǎn)速的影響顯著。因此，在滿足花絲采凈率要求的前提下，選擇較小的刃口傾斜角。

當(dāng)刃口傾斜角在0水平（1=29°）時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速與刀軸轉(zhuǎn)速的交互作用對花絲采凈率的影響如圖13b所示。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時，花絲采凈率隨著風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大而增大。風(fēng)機轉(zhuǎn)速在2 600～2 800 r/min范圍內(nèi)，花絲采凈率≥90%。當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速一定時，花絲采凈率隨著刀軸轉(zhuǎn)速增大而增大，刀軸轉(zhuǎn)速在600～800 r/min范圍內(nèi)，花絲采凈率≥90%。由響應(yīng)曲面可知，花絲采凈率沿著刀軸轉(zhuǎn)速的方向變化較快，沿著風(fēng)機轉(zhuǎn)速的方向變化較慢，刀軸轉(zhuǎn)速對花絲采凈率的影響比風(fēng)機轉(zhuǎn)速的影響顯著。因此，在滿足花絲采凈率要求的前提下，優(yōu)先選用該范圍內(nèi)較大的刀軸轉(zhuǎn)速。

圖13 交互因素對響應(yīng)函數(shù)的影響

對于花絲破損率，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速固定在0水平（3= 2 400 r/min）時，刀軸轉(zhuǎn)速與刃口傾斜角的交互作用對花絲破損率的影響如圖13c所示。當(dāng)刃口傾斜角一定時，花絲破損率隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，且增加趨勢逐漸減小。刀軸轉(zhuǎn)速600～700 r/min范圍內(nèi)，花絲破損率≤10%。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時，花絲破損率隨著刃口傾斜角的減小，先減小后增大，刃口傾斜角在26°～32°范圍內(nèi)，花絲破損率≤10%。由響應(yīng)曲面可知，花絲破損率沿著刃口傾斜角的方向變化較慢，沿著刀軸轉(zhuǎn)速的方向變化較快，刀軸轉(zhuǎn)速對花絲破損率的影響比刃口傾斜角的影響顯著。因此，在滿足花絲破損率要求的前提下，選用該范圍內(nèi)較小的刀軸轉(zhuǎn)速。

對于花絲集凈率，當(dāng)刃口傾斜角在0水平（1=29°）時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速與刀軸轉(zhuǎn)速的交互作用對花絲集凈率的影響如圖13d所示。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時，花絲集凈率隨著風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大而增大。風(fēng)機轉(zhuǎn)速在2 600～2 800 r/min范圍內(nèi)，花絲集凈率≥94%。當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速一定時，在刀軸轉(zhuǎn)速400～700 r/min，花絲集凈率隨著刀軸轉(zhuǎn)速增大而增大，在刀軸轉(zhuǎn)速700～800 r/min，花絲集凈率隨著刀軸轉(zhuǎn)速增大而減小。刀軸轉(zhuǎn)速在600～800 r/min范圍內(nèi)，花絲集凈率≥94%。由響應(yīng)曲面可知，花絲集凈率沿著風(fēng)機轉(zhuǎn)速的方向變化較快，沿著刀軸轉(zhuǎn)速的方向變化較慢，風(fēng)機轉(zhuǎn)速對花絲集凈率的影響要比刀軸轉(zhuǎn)速的影響顯著。因此，在滿足花絲集凈率要求的前提下，優(yōu)先選用該范圍內(nèi)較大的風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證

4.4.1 參數(shù)優(yōu)化

為確保圓弧漸進式紅花絲采收裝置具有更好的工作性能，本文根據(jù)高采凈率、低破損率、高集凈率的采收目標，對采收裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進行優(yōu)化，利用Design-Expert中的Optimization-Numerical模塊進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)與約束條件為

優(yōu)化后得到影響因素最佳參數(shù)組合為：刃口傾斜角24.7°，刀軸轉(zhuǎn)速為643.5 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，此時模型預(yù)測采凈率為92.1%，破損率為9.6%，集凈率為94.7%。

4.4.2 驗證試驗

2022年7月10日至20日在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪種植基地進行了田間試驗驗證，作業(yè)條件與前述相同，試驗條件與方法與上述試驗相同，如圖14a所示。將優(yōu)化參數(shù)組合圓整為刃口傾斜角25°，刀軸轉(zhuǎn)速為644 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。為消除隨機誤差，在該參數(shù)組合下進行試驗重復(fù)5次，結(jié)果取平均值，采凈率為91.5%，破損率為9.8%，集凈率為94.2%，與理論優(yōu)化值的相對誤差分別為0.7%、2.0%、0.5%，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠，機具的作業(yè)效果如圖14b所示。

a. 試驗場景a. Experimentation scenesb. 采收效果b. Harvesting results

5 結(jié) 論

1）針對紅花切割采收時花絲破損率高、花絲集凈率低等問題，本文根據(jù)紅花物料及力學(xué)特性設(shè)計了圓弧漸進式紅花絲采收裝置，采用圓弧漸進式切割技術(shù)，使花絲與果球分離的同時減少對果球的破壞，有效減少花絲損失，降低花絲破損率，提高花絲采凈率。根據(jù)理論分析與計算，設(shè)計刃口傾斜角為24°～34°、刀軸轉(zhuǎn)速為400～800 r/min，設(shè)計結(jié)果可為采收裝置的結(jié)構(gòu)改進和工作參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

2）為探明腔室內(nèi)氣流運動特性，確定影響花絲采凈效果的關(guān)鍵因素，運用Fluent對采收腔室流場進行仿真，分析采收腔室內(nèi)的流場運動特性，確定風(fēng)機轉(zhuǎn)速為影響腔室流場的主要因素，風(fēng)機轉(zhuǎn)速范圍為2 000～2 800 r/min。

3）運用Design-Expert軟件分析采收裝置的刃口傾斜角、刀軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速分別對花絲采凈率、花絲破損率及花絲集凈率的影響，并建立回歸模型，進行結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為刃口傾斜角25°，刀軸轉(zhuǎn)速644 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速2 800 r/min，對應(yīng)的采凈率、破損率、集凈率預(yù)測值分別為92.1%、9.6%、94.7%，在優(yōu)化條件下進行驗證試驗，采凈率、破損率、集凈率分別為91.5%、9.8%、94.2%，各指標實測值與預(yù)測值均比較吻合，表明參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠。

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Design and experiments of the circular arc progressive type harvester for the safflower filaments

Zhang Zhenguo1,2, Xing Zhenyu1, Yang Shuangping1, Feng Ning3, Liang Rongqing4, Zhao Minyi1

(1.,,830052,; 2.,,100083;3.,,467000,;4.,,253023,)

A harvesting device has been normally used to cut the safflower filaments. However, there is a large damage to the structure of the filaments during harvesting, such as the high filament crushing rate and low harvesting net rate. It is a high demand to fundamentally reduce the filament crushing rate during this time. In this study, a circular-arc progressive harvesting device was designed to cut the safflower filament, particularly considering the material characteristics and mechanical properties of the safflower. A high harvesting efficiency was achieved to optimize the cutting tool of the filaments, thus reducing the filament breakage rate for the higher filament harvesting net rate. The key factors were then determined to promote the performance of filament harvesting, according to the operational requirements and integrity of safflower filaments. A systematic investigation was also made to optimize the force and cutting speed of the circular-arc progressive cutter. The optimal edge tilt angle and cutter speed were obtained to reduce the harvesting loss for the filament slip cutting. At the same time, a laser alignment sensing device was added as an auxiliary way to precisely position the high-efficiency cutting, especially for the better integrity of the filament cutting and the high net rate of filament harvesting. Furthermore, a wind pressure-fan speed model was established in the first stage, in order to explore the characteristics of the internal airflow and filament movement in the harvesting chamber. Specifically, the fan speed was adjusted concurrently, as the wind pressure changed during harvesting. Then, the flow field was simulated in the filament harvesting chamber under the fan speed using Fluent software, according to the structure and working principle of the negative-pressure collection system. The results show that the airflow field inside the chamber was relatively smooth, where the light filaments were carried over the tool to the collection box. The flow field of filaments was then verified by the internal structure design of the chamber. A secondary orthogonal rotational test was conducted to improve the working performance of the harvesting device, with the edge tilt angle, knife shaft speed, and fan speed as the influencing factors, while the net harvesting rate, breakage rate, and net collection rate as the response indicators. A mathematical model was also established using Design-Expert software. An optimal combination of parameters was obtained as follows: the cutting edge tilt angle of 25°, cutter shaft speed of 644 r/min, and fan speed of 2 800 r/min, corresponding to the net extraction rate of 92.1%, breakage rate of 9.6%, and net collection rate of 94.7%. A verification test showed that the net extraction rate was 91.5% and the breakage rate was 9.8%. More importantly, the net harvesting rate was 91.5%, the breakage rate was 9.8%, and the net collection rate was 94.2%, with an error of no more than 5% from the optimized one. The optimal parameter was in the agreement with the actual situation of safflower harvesting, indicating the better integrity of safflower filament after harvesting. The performance experiments in the field demonstrated that the developed harvesting device effectively improved the net harvesting rate and net collection rate with a less breakage rate. This finding can provide the theoretical basis and technical reference for the high quality and low damage of safflower harvesting.

harvesting; optimization;safflower filaments; circular arc progressive type blade; laser alignment; Fluent simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.002

S225.99

A

1002-6819(2022)-17-0010-12

張振國，邢振宇，楊雙平，等. 圓弧漸進式紅花絲采收裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(17)：10-21.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.002 http://www.tcsae.org

Zhang Zhenguo, Xing Zhenyu, Yang Shuangping, et al. Design and experiments of the circular arc progressive type harvester for the safflower filaments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 10-21. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.002 http://www.tcsae.org

2022-07-09

2022-08-11

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（31901417，52265041）；浙江省農(nóng)業(yè)智能裝備與機器人重點實驗室開放課題（2022ZJZD2202）；自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項目（XJ2022G143）；自治區(qū)科學(xué)基金青年基金項目（2019D01B12）

張振國，博士，副教授，研究方向為特色農(nóng)作物提質(zhì)工程與裝備技術(shù)。Email：zhangzg@cau.edu.cn