便攜對(duì)輥式紅花采收機(jī)的研制與試驗(yàn)

張?zhí)煊?張立新,葛 云,2,劉光欣,張曉偉

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.兵團(tuán)工業(yè)技術(shù)研究院,新疆 石河子 832000)

0 引言

紅花 (Carthamus tinctorius L.)是一種耐貧瘠、抗干旱的經(jīng)濟(jì)作物,集藥用、食用、染料、油料和飼料等作用于一身,中國(guó)、美國(guó)、巴基斯坦和印度等國(guó)家都有大范圍的紅花種植區(qū)域[1]。其花籽和花絲都具有較高的實(shí)用價(jià)值,由于花絲不易采集、開放時(shí)間短,采摘時(shí)需要耗費(fèi)大量人力物力。當(dāng)前紅花主要以收籽為主,以中國(guó)新疆為例,作為中國(guó)最大的紅花主產(chǎn)區(qū),種植面積占國(guó)內(nèi)80%以上,但目前花絲的采摘全部由人工完成,勞動(dòng)力不足,致使大量花絲浪費(fèi),制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。

目前,世界范圍內(nèi)研究較多的是采收藏紅花的機(jī)械[3],并未出現(xiàn)真正投入市場(chǎng)的紅花采收機(jī)。2012年,伊朗德黑蘭大學(xué)的Azimi等人設(shè)計(jì)和制造了一種氣吸式紅花采收機(jī),利用氣流吸力將花絲吸入,采收效果并不理想。國(guó)內(nèi)研制比較成功的為石河子大學(xué)團(tuán)隊(duì)人員[4],2012年,李景彬教授團(tuán)隊(duì)研制了一種剪切式紅花采收裝置,并成功申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利[5]。2014年,葛云教授團(tuán)隊(duì)以對(duì)輥擠壓的方式成功制作了一套紅花采摘裝置,并進(jìn)行了相關(guān)理論分析與試驗(yàn)[6]。紅花花絲每年需求量正在不斷擴(kuò)大,但是目前出現(xiàn)的各類采摘機(jī)械并不能滿足紅花的采摘要求,普遍存在采收效率及采凈率低等問題,未來(lái)需要更多科研工作者的加入和努力。

本文以對(duì)輥擠壓、拉拔、吸附花絲為原理[7],研制了一種基于膠輥摩擦采摘的對(duì)輥式紅花采收機(jī)。工作時(shí),在高速旋轉(zhuǎn)的膠輥周圍形成一定的氣流負(fù)壓,對(duì)花絲具有一定的梳理、吸附作用,并將花絲吸附進(jìn)對(duì)輥間隙,繼而在輥?zhàn)拥哪Σ翑D壓下與果球分離,最后在輸送系統(tǒng)的氣流作用下收集到集花袋。此機(jī)型可采摘不同開花期的紅花花絲,具有良好的采摘效果。

1 設(shè)計(jì)思路和試驗(yàn)方法

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

便攜對(duì)輥式紅花采收機(jī)主要由采摘頭、輸花軟管、背負(fù)支架、汽油機(jī)、風(fēng)機(jī)和傳動(dòng)軟軸等組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.采摘頭 2.輸花軟管 3.背負(fù)支架 4.汽油機(jī)

該機(jī)型的工作過程:手持對(duì)輥式采摘輸送裝置,啟動(dòng)汽油機(jī),傳動(dòng)軟軸在汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)并將動(dòng)力傳遞到采摘頭裝置;在軟軸的驅(qū)動(dòng)下,采摘頭裝置內(nèi)部膠輥高速相向轉(zhuǎn)動(dòng);采花工將手持系統(tǒng)采摘頭的采花口對(duì)準(zhǔn)果球,此時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的膠輥在其周圍產(chǎn)生氣流壓力差使紅花絲聚集、收攏,繼而在輥壓作用下與果球分離、拋出;在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓作用下,花絲通過輸花管道輸送進(jìn)集花袋,從而完成花絲的采收工作。便攜對(duì)輥式紅花采收機(jī)的設(shè)計(jì)工作參數(shù)如表1所示。

表1 便攜對(duì)輥式紅花采收機(jī)主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 采摘頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜對(duì)輥式紅花采收機(jī)采摘頭主要由抓握手柄、連接方軸、對(duì)輥和端蓋等部件組成,如圖2所示。為避免采摘過程中輥?zhàn)訉?duì)花絲造成碾壓,其材質(zhì)選為橡膠,直徑為45mm,對(duì)輥間隙為0.5mm[6]。

1.抓握手柄 2.連接方軸 3.膠輥 4.端蓋

1.2.2 采摘原理分析

高速旋轉(zhuǎn)的對(duì)輥周圍會(huì)形成一定的壓力差,當(dāng)花絲在靠近輥?zhàn)訒r(shí)不僅會(huì)受到吸附力的作用,在花絲與輥?zhàn)颖砻娼佑|時(shí),在接觸點(diǎn)會(huì)受到輥?zhàn)訉?duì)它的壓力N和摩擦力T的作用,如圖3(a)所示。花絲所受摩擦力T的方向與輥?zhàn)拥木€速度方向一致且垂直于向心力,壓力N與向心力方向相反,二者滿足庫(kù)倫定律,即

T=f·N

式中f—摩擦因數(shù)。

花絲被摘離的條件為花絲所受對(duì)輥摩擦力的矢量和大于等于所受壓力的矢量和,即

TZ-NZ≥0

f≥tanα

由于摩擦因數(shù)可用摩擦角β表示,所以上式可表示為

β≥α

式中TZ—花絲所受摩擦力矢量和(N);

Nz—花絲所受壓力矢量和(N);

β—摩擦角(°);

α—喂入角(°)。

當(dāng)摩擦角大于喂入角時(shí),花絲可被卷入對(duì)輥間隙,摩擦角越大,越容易卷入。通過計(jì)算可得出花絲被卷入對(duì)輥間隙的臨界條件為β>α,此時(shí)稱α為最大喂入角。

當(dāng)花絲被卷入對(duì)輥間隙后,由圖3(b)可以看出:花絲前端接觸部分與輥?zhàn)拥妮S心連線的夾角不斷減小,由于對(duì)輥間隙實(shí)際小于花絲簇的直徑,所以花絲會(huì)進(jìn)一步被擠壓,摩擦力也會(huì)增大。隨著花絲逐漸進(jìn)入對(duì)輥間隙時(shí),摩擦力T和壓力N的合力F會(huì)與Z軸方向逐漸重合,此時(shí)θ角(即喂入角α)逐漸減小,合力F進(jìn)一步增大,即

式中αy—咬入角(°);

Kx—作用點(diǎn)系數(shù)。

而花絲繼續(xù)被擠壓的條件是TZ≥NZ,通過計(jì)算可得

由上述公式可得出,當(dāng)αy≤Kxβy時(shí),花絲可被順利摘取,否則會(huì)因打滑而損傷花絲[8]。

(a) 花絲接觸時(shí)受力

(b) 擠壓過程受力

1.3 輸送系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)

1.3.1 風(fēng)機(jī)特性參數(shù)確定

花絲在被對(duì)輥摘離后會(huì)在負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓作用下,通過輸花管道收集到集花袋中。在此過程中,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓起決定作用,產(chǎn)生的空氣速度必須大于花絲的懸浮速度,否則花絲在經(jīng)對(duì)輥摘離后會(huì)擊打在采摘手柄的上部,帶有殘留。所以,在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮花絲的懸浮速度和密度,確定風(fēng)量和風(fēng)壓。風(fēng)量Q為單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣體,花絲質(zhì)量決定風(fēng)量大小,并與其成反比,即

式中q0—花絲質(zhì)量(kg);

γ—空氣重度;

ρ—空氣密度(kg/m3);

μ—花絲與空氣的濃度比;

g—重力加速度(m/s2)。

風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓主要由動(dòng)壓損失Pd和靜壓損失Pj組成,流經(jīng)風(fēng)機(jī)斷面的主要以動(dòng)壓為主,計(jì)算公式為

Pj=Pm+Pi

P=Pd+Pj

式中P—風(fēng)機(jī)總壓(Pa);

v—?dú)饬魉俣?

λ—摩擦因數(shù);

R′—輸花管道半徑(m);

ξ—局部阻力系數(shù);

L—輸花管長(zhǎng)度;

Pm—摩擦壓力;

Pi—局部壓力。

1.3.2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)主要由葉輪和外殼組成,工作時(shí)動(dòng)力經(jīng)內(nèi)燃機(jī)傳遞到風(fēng)機(jī)葉輪,帶動(dòng)其高速旋轉(zhuǎn),空氣在葉輪的作用下經(jīng)輸花管道向風(fēng)機(jī)口高速流動(dòng),繼而帶動(dòng)花絲向風(fēng)機(jī)口的集花袋聚集。風(fēng)機(jī)葉輪是決定氣流大小的重要因素之一,葉輪葉型主要由前向、后向和徑向3種形式,考慮到效率不是主要因素,同時(shí)又要保證輪徑和外形做到盡可能小(見圖4(b)),所獲得的揚(yáng)程最大,故采用前向葉型[9]。同時(shí),在葉輪側(cè)面增加濾網(wǎng),如圖4(a)所示。此結(jié)構(gòu)可保證氣流暢通,防止花絲堵塞,提高花絲輸送效率。

(a) 風(fēng)機(jī)葉輪

(b) 風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

1.4 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)場(chǎng)地選在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng),以“云紅二號(hào)”紅花品種為采收對(duì)象,行距40cm,株距20cm,高度72～107 cm,時(shí)間為2018年8月16日上午11點(diǎn)。采收方式為單人背負(fù)采收機(jī)進(jìn)行單朵逐一采收(見圖5),主要采收花開2～3天的鮮花絲,含水率為43.55%～76.49%[10-11]。

圖5 樣機(jī)試驗(yàn)

1.5 試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

隨機(jī)挑選一塊紅花種植地,以地塊長(zhǎng)寬方向的4個(gè)角點(diǎn)連線,平均分成4小塊,選取2塊為檢測(cè)樣本;同時(shí),以對(duì)角線處和對(duì)角線的1/4、3/4點(diǎn)處為測(cè)點(diǎn),確定4個(gè)檢測(cè)點(diǎn),加上前面兩個(gè)樣本的交點(diǎn),總計(jì)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)[12-13]。試驗(yàn)所需儀器如表2所示。

表2 試驗(yàn)儀器

紅花為團(tuán)簇絲狀類作物,在采摘時(shí)會(huì)有不同程度的破損、掉落等,所以在收集每個(gè)采摘點(diǎn)紅花采收機(jī)采摘后遺留在花球上的花絲、掉落在地上的花絲、集花袋中的花絲和雜質(zhì),分別稱重,以采凈率、含雜率、掉落率為指標(biāo),評(píng)價(jià)采收機(jī)的性能優(yōu)劣。具體公式為

其中,η1為采凈率,η2為含雜率,η3為掉落率,m1為集花袋中的紅花絲質(zhì)量(kg),m2為集花袋中葉子等雜物的質(zhì)量,m3為掉落在地上的花絲質(zhì)量,m4為遺留在花球上的花絲質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 采摘腔室內(nèi)流場(chǎng)模擬仿真

以紅花采摘頭內(nèi)部腔室為模擬對(duì)象,建立流場(chǎng)仿真模型,以壁面為界,左右膠輥的速度分別設(shè)為-3 rad/s與3 rad/s[14],模擬結(jié)果如圖6所示。雖然在高速旋轉(zhuǎn)對(duì)輥的上方存在一定的低速區(qū),但氣流整體走向一致,經(jīng)薄壁通孔和對(duì)輥間隙向輸花管道流去,鑒于每根花絲的質(zhì)量為0.067g,所以滿足輸送要求,如圖6(b)所示。速度矢量圖可大致反映出腔室內(nèi)花絲的速度大小,在薄壁通孔和輥?zhàn)娱g隙、輥?zhàn)优c薄壁間隙處具有較大速度,即花絲在經(jīng)輥?zhàn)觿冸x后會(huì)以較大速度飛入腔室內(nèi),并迅速進(jìn)入輸花管道,如圖6(c)所示。通過模擬的花絲軌跡圖可以看出:花絲在被摘離后會(huì)高速碰到腔室上壁,然后反彈到另一壁面,最后涌入輸花管道,整個(gè)過程時(shí)間極短,具有較高的花絲收集率,從而驗(yàn)證了采摘頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

(a) 邊界條件

(b) 氣流場(chǎng)分布圖

(c) 速度矢量圖

(d) 花絲軌跡模擬圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)結(jié)果表明:該紅花采收機(jī)可完成在不同測(cè)試點(diǎn)的采收工作,平均采凈率90.22%,掉落率2.26%,含雜率0.05%,達(dá)到相關(guān)收獲機(jī)的采收質(zhì)量要求。其最高采凈率、掉落率和含雜率分別與其最低值之間相差較大,主要是由于該機(jī)型由人工背負(fù),在采收的過程中會(huì)因人為因素造成不同程度的誤差;且在手持采摘頭進(jìn)行花絲采摘時(shí),需對(duì)準(zhǔn)花絲進(jìn)行單朵逐一采摘,以開放2～3天的紅花為目標(biāo),也在一定程度上增大了各個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)之間的差異。

總結(jié)便攜對(duì)輥式紅花收獲機(jī)在田間進(jìn)行作業(yè)后的特點(diǎn)及不足:①該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,便于攜帶且操作簡(jiǎn)單,其動(dòng)力來(lái)源為廣泛,續(xù)航能力持久;②該機(jī)主要工作部件采摘頭以對(duì)輥擠壓采摘原理,輔助以風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流進(jìn)行花絲的輸送,不傷及花絲,工作效率較高;③該機(jī)動(dòng)力為汽油機(jī),工作時(shí)存在振動(dòng),不適宜長(zhǎng)久背負(fù),需進(jìn)行間歇性工作,在后續(xù)的研究設(shè)計(jì)中需對(duì)其結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),增加舒適性;④由于紅花的花-果不同期采收要求及單朵逐一采摘,必須由人工背負(fù)進(jìn)行作業(yè),智能化水平較低,未來(lái)需對(duì)其進(jìn)行半自動(dòng)、全自動(dòng)智能化改進(jìn),以解放勞動(dòng)力,提高采收效率。

3 結(jié)論

1)研制了一種便攜對(duì)輥式紅花采收機(jī),可完成對(duì)紅花花絲的采摘、輸送和收集等工作,緩解了當(dāng)前紅花采摘全部由人工完成及采摘不及時(shí)等問題,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了采收效率。

2)分析了對(duì)輥采摘花絲的采摘原理,在前期研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種可單手抓握的采摘頭。應(yīng)用流場(chǎng)仿真軟件模擬了花絲被摘離后的運(yùn)動(dòng)軌跡并對(duì)采摘頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),提高了花絲收集效率。對(duì)風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,設(shè)計(jì)了一種渦輪風(fēng)機(jī),實(shí)現(xiàn)花絲的收集與運(yùn)輸工作。

3)田間試驗(yàn)表明,該機(jī)對(duì)紅花花絲的采凈率、掉落率和含雜率分別為90.22%、2.26%和 0.05%,具有較好的性能指標(biāo),達(dá)到紅花采收的要求。該機(jī)型在質(zhì)量、自動(dòng)化方面存在不足,仍不能脫離人力勞動(dòng)的參與,需對(duì)其進(jìn)一步的研發(fā)與改進(jìn),實(shí)現(xiàn)紅花花絲的智能機(jī)械化采收。