梳夾式紅花采摘試驗臺的設(shè)計與試驗

安亮亮 ,曹衛(wèi)彬 ,連國黨 ,麻 平 ,楊雙平 ,牛 馳

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣站,烏魯木齊 830000)

0 引言

紅花是新疆的一種重要經(jīng)濟(jì)作物,可用作中草藥材和食用色素,還可以用來生產(chǎn)制造紅花油,治療傷筋動骨等外傷。紅花在我國種植歷史悠久,尤其在北部已經(jīng)種植多年。根據(jù)2018年統(tǒng)計,紅花在新疆的種植面積已達(dá)到10.5×104hm2,加工紅花系列油品 9×104t,產(chǎn)量約占全國的80%[1-2]。

相對于種植面積的蓬勃發(fā)展,紅花的采摘技術(shù)卻很滯后,主要依靠人工采摘。紅花的生長周期短,果球較小,對紅花的采摘要求比較高。紅花的收獲季節(jié)和番茄、棉花收獲期重合,造成人工成本增大,采摘成為紅花發(fā)展的制約因素。針對紅花的機(jī)械采摘,國內(nèi)外學(xué)者做了相應(yīng)的研究,主要集中在氣吸-切割式、手持和背負(fù)的氣吸-氣吹式等。Azimin等人研究發(fā)明了一種紅花采摘機(jī),采用氣吸式原理,與人工相比采收生產(chǎn)效率提高了63%,但是破損率高,未得到推廣應(yīng)用。李景斌等研發(fā)了一種氣吸紅花采收機(jī),操作復(fù)雜,采收效率低。另外,新疆北部塔城裕民縣的一個農(nóng)機(jī)工作者研究了一種氣吸式紅花采收裝置,主要針對干紅花絲進(jìn)行采收。Ge等研發(fā)了一種對輥式紅花采收機(jī),采收面積小,勞動強(qiáng)度大,人工操作復(fù)雜。這表明,現(xiàn)有的機(jī)械化采摘嚴(yán)重跟不上紅花加工的步伐[3-5]。

基于此,筆者設(shè)計了一種梳夾式紅花采摘試驗臺。試驗臺通過動力系統(tǒng)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動,動梳齒固定在推桿上;當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時,推桿一端在端面凸輪的作用下改變運動軌跡;此時,固定在推桿上的動梳齒和定梳齒形成夾緊和松開過程,紅花在定、動梳齒夾縫中被夾緊,并在軸的轉(zhuǎn)動下完成采摘。該試驗臺可根據(jù)不同因素對其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,為梳夾式紅花絲采摘機(jī)的設(shè)計提供了可靠支持。

1 試驗臺關(guān)鍵部件設(shè)計

1.1 采摘頭的設(shè)計

梳夾式采摘頭的工作性能對整機(jī)的工作效率起著決定性作用[6],其關(guān)鍵部件為梳齒、端面凸輪。梳齒由定、動兩梳齒組成,是采摘紅花的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其關(guān)鍵參數(shù)有梳齒間隙和梳齒厚度。在動力傳動系統(tǒng)的驅(qū)動下,端面凸輪使動、定梳齒夾持紅花絲實現(xiàn)紅花絲的采摘。

梳夾式紅花絲采摘頭具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時,采摘頭轉(zhuǎn)動軸通過軸承固定在兩個固定板上,軸與軸承之間分別連接著滑軌,定齒座與軸之間通過螺栓連接,定齒座與滑槽之間通過螺釘連接固定,動梳齒與推桿用螺釘連接固定。為了減少推桿與端面凸輪之間的摩擦,延長部件壽命,推桿與端面凸輪接觸的端面做成球形。端面凸輪固定在固定板內(nèi)端面,當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時,帶動定、動梳齒一并旋轉(zhuǎn)。當(dāng)推桿端面與端面凸輪處于回程時,定、動梳齒夾緊;當(dāng)推桿端面與端面凸輪處于升程時,定、動梳齒松開;在此過程中,彈簧兩端分別用墊片和彈簧擋板固定末端位置,在端面凸輪與彈簧的作用下推桿做往返運動,定、動梳齒就可以有規(guī)律地形成夾緊和松開的動作,對喂入的紅花進(jìn)行采摘。

1.軸承 2.端面凸輪 3.墊片 4.彈簧 5.滑槽 6.限位桿 7.動梳齒 8.擰緊螺母 9.滑軌

定、動梳齒在軸帶動下一并轉(zhuǎn)動,會對采摘對象的花枝和花球造成傷害,也對整個紅花周期內(nèi)產(chǎn)量造成影響。因此,將采摘頭定、動梳齒末端做成圓弧狀,會減少對植株的傷害。定、動梳齒的間隙對紅花絲的采摘影響非常大:間隙過大時,容易把花枝和花球劃傷;間隙過小時,花絲很難進(jìn)入間隙,影響采摘效率。所以,動、定齒之間的間隙對采摘頭的工作性能具有重要意義。

一般情況下,紅花每個花蕾上有70根左右的花絲,定、動梳齒要在強(qiáng)度滿足的情況下盡可能減輕質(zhì)量,以提高工作效率,更好地梳理紅花絲。根據(jù)多次試驗,確定動、定齒間隙為4.5mm、梳齒厚度為1.5mm時最有利于紅花絲的采摘工作。

1.2 端面凸輪的設(shè)計

1.2.1 端面凸輪行程分析

根據(jù)紅花絲采摘的工作原理和往返路徑,將端面凸輪分為花絲夾持、采摘過程、花絲收取、緩沖過程4個區(qū)。每個區(qū)在采摘過程中起的作用不同,需要每個區(qū)的配和才能完成整個采摘過程。

根據(jù)紅花采摘要求及采摘機(jī)構(gòu)的工作性能,同時考慮剛性沖擊和凸輪的使用壽命,采用五次多項式運動規(guī)律的運動特性來實現(xiàn)動梳齒工作要求。具體工作區(qū)劃分示意圖如圖2所示。

1)花絲夾持過程BC:采摘頭的動梳齒運動到B點,開始凸輪推程期,動梳齒向定梳齒逐漸靠近對紅花絲形成夾持過程;

2)采摘過程CD:推桿在過C點后開始進(jìn)入凸輪遠(yuǎn)行程期,在主軸的旋轉(zhuǎn)作用下對紅花絲夾持拖拽,夾持旋轉(zhuǎn)過程紅花絲不會掉落;

3)花絲收取過程DA:推桿從D點開始進(jìn)入凸輪回程期,動梳齒逐漸遠(yuǎn)離定梳齒,紅花掉落;

4)緩沖過程AB:在彈簧作用力下,凸輪從A點開始進(jìn)入遠(yuǎn)休止階段,動梳齒和定梳齒完全分離,間距達(dá)到最大,完成1次紅花絲的采摘。

圖2 端面凸輪工作區(qū)劃分示意圖

1.2.2 端面凸輪關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

根據(jù)采摘紅花絲的具體要求[7-10],將回程和推程期分為3個階段,即加速段、減速段和等速段。同時,為了保證工作的平穩(wěn)性,可對運動角進(jìn)行分配,則

(1)

(2

為了保證試驗臺整體結(jié)構(gòu)合理性[11],確定如表1所示凸輪參數(shù)來保證采摘效率。

表1 端面凸輪關(guān)鍵參數(shù)

1.2.3 端面凸輪推程段輪廓曲線設(shè)計

根據(jù)運動規(guī)律,建立凸輪機(jī)構(gòu)推程加速段的數(shù)學(xué)模型,即

(3)

其中,φ∈[0,φ1]。

推程等速段的數(shù)學(xué)模型為

(4)

其中,φ∈[φ1,(φ-φ2)]。

推程減速段數(shù)學(xué)模型為

(5)

其中,φ∈[(φ-φ2),φ]。

φ為端面凸輪轉(zhuǎn)動角度值;φ為端面凸輪推程的運動角;φ1為端面凸輪推程加速段的運動角;φ2為端面凸輪推程減速段的運動角;h為端面凸輪行程;h1為端面凸輪推程加速段行程;h2為端面凸輪推程減速段行程。

端面凸輪回程段和推程段各參數(shù)設(shè)計方法相同,將各變量帶入式(1)～式(5)即可求得最佳輪廓曲線。

1.3 限位桿的設(shè)計

定、動梳齒在采摘工作中,花球與梳齒接觸的部位是不定的,加上花球的運動姿態(tài)都不相同[12]、花球分布的高低不一,所以在采摘時很難固定花球位置精確采摘。為此,通過設(shè)計限位桿,可以對柔性的花球加以固定。采摘時,在限位桿這個支點固定的作用下,可使花球分布在理想的采摘位置,提高采摘效率。

為了避免采摘工作時梳齒與限位桿相互影響而產(chǎn)生干涉,要在梳齒與限位桿之間留充足空間,以確保采摘頭能正常工作。由于限位桿的作用是將花球固定于采摘頭附近,而花球在此過程中不能通過梳齒與限位桿之間的間隙,花球直徑的變化范圍在15～50mm。多次試驗表明:設(shè)定限位桿直徑為25mm,梳齒與限位桿之間間隙為10mm,可使花球穩(wěn)定貼附,達(dá)到理想的采摘效果。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 梳夾式紅花試驗臺結(jié)構(gòu)

梳夾式紅花絲采摘試驗臺主要由控制箱、采摘頭、動力傳動系統(tǒng)及限位機(jī)構(gòu)等組成,如圖3示。其中,控制箱位于機(jī)架上方,采摘頭由電機(jī)帶動鏈條從而驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動,軸帶動采摘頭工作。電機(jī)由無級調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速,從而控制采摘頭轉(zhuǎn)速,以適應(yīng)不同的種植模式。

1.限位機(jī)構(gòu) 2.采摘頭 3.端面凸輪 4.控制箱 5.采摘頭固定板 6.鏈輪驅(qū)動裝置 7.電機(jī) 8.機(jī)架 9.機(jī)架輪

2.2 工作原理

根據(jù)紅花高度,將采摘頭安裝至一定高度位置,通過控制箱控制動力傳動系統(tǒng)工作;動力傳動系統(tǒng)驅(qū)動采摘頭工作,安裝在采摘頭轉(zhuǎn)動軸上的動梳齒與轉(zhuǎn)動軸同步旋轉(zhuǎn);梳齒采摘部分兩端分別是端面凸輪和彈簧,端面凸輪用來改變動梳齒的運動行程,彈簧可以恢復(fù)動梳齒的運動行程。當(dāng)采摘頭靠近紅花花球時,限位桿先將紅花球固定貼附住;當(dāng)花絲喂入動、定梳齒間隙后,軸帶動定、動梳齒旋轉(zhuǎn);當(dāng)往返運動處于凸輪回程時,動梳齒與定梳齒間隙距離越來越小,形成夾緊過程;當(dāng)往返運動處于凸輪推程時,動梳齒與定梳齒間隙距離越來越大,動、定梳齒對紅花絲形成了夾緊和松開動作,在軸的轉(zhuǎn)動下完成對紅花絲的拽拔采摘,最后通過吸氣裝置將紅花絲收集到收集箱。

3 試驗驗證

3.1 試驗條件

該試驗在新疆石河子大學(xué)小工廠紅花試驗田進(jìn)行,試驗現(xiàn)場圖如圖4所示。

圖4 試驗現(xiàn)場圖Fig. 4 Test site map

紅花品種為新疆裕民無刺紅花,紅花株高范圍為60～80cm,選取開花后1～4天的鮮紅花(含水率≥44.5%)作為試驗樣本。

所需試驗儀器包括精密電子秤、DT-2234C數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、鋼卷尺、皮尺、樣品袋、標(biāo)簽及標(biāo)尺。

3.2 試驗結(jié)果討論

將梳夾式紅花采摘試驗臺置于紅花種植行的合適位置,調(diào)整采摘頭高度至70cm,采摘試驗臺以一定的速度進(jìn)行前進(jìn),采摘頭轉(zhuǎn)速為130r/min的條件下采摘,觀察采摘效果。試驗統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

測定結(jié)果表明:梳夾式紅花采摘試驗臺的采凈率為81.74%,掉落率為2.31%,破碎率為2.41%。該試驗臺能夠滿足紅花采摘要求。

4 結(jié)論

1)梳夾式紅花絲采摘試驗臺主要由采摘頭、機(jī)架、動力傳動系統(tǒng)及限位機(jī)構(gòu)組成。試驗結(jié)果顯示:在選擇梳齒間隙為4.5mm、梳齒厚度為1.5mm、梳齒轉(zhuǎn)速為130r/mm、端面凸輪為基圓半徑為70mm時,紅花絲的采摘將達(dá)到最佳效果。

2)試驗表明,采摘試驗臺工作性能穩(wěn)定,紅花絲采摘效率高,說明梳夾式紅花絲采摘方案可行,具有一定的價值,為后期梳夾式紅花絲采摘機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。