可移動式紅花收獲裝置的設(shè)計

梁丹丹，李帥波，王立強，葛 云

（新疆理工學(xué)院機電工程學(xué)院，新疆 溫宿843100）

0 引言

紅花主要在河南、四川、新疆、浙江等地種植[1]。紅花既可以養(yǎng)生保健，又可以治療心血管疾病。紅花提取的紅花色素廣泛應(yīng)用在食品、化妝品、染料、醫(yī)藥等行業(yè)，紅花籽油具有治療心血管疾病和脂肪肝的奇特功效，發(fā)展前景十分廣闊[2]。新疆是全國最大的紅花種植區(qū)，種植面積達5.33 萬hm2左右，是新疆主要的經(jīng)濟作物之一[3-4]。目前紅花主要依靠人工采摘，勞動強度高，工作環(huán)境差，受天氣影響較為嚴(yán)重，紅花采摘過早或過晚，都會影響花絲和紅花籽油質(zhì)量，造成經(jīng)濟損失。新疆地區(qū)紅花成熟期一般為7～9 月，采收期只有20 天左右，高強度的勞動制約了紅花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于紅花收獲機已經(jīng)研究并取得了一定成果，但是市場上并沒有成熟的紅花收獲機械推廣使用[6]。

本文提出的可移動式紅花收獲裝置，結(jié)合氣力輸送和對輥式采摘系統(tǒng)，提高了花絲采摘質(zhì)量，降低了果球的破壞率，采用可移動式機架，降低了勞動強度。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

可移動式紅花收獲裝置主要由采摘系統(tǒng)、氣力輸送系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等組成，如圖1。

圖1 可移動式紅花收獲裝置結(jié)構(gòu)示意

工作過程中，可移動式紅花收獲裝置由人力推動前進，從紅花植株上方跨騎通過。可兩人同時手持采摘頭對準(zhǔn)紅花花絲，利用膠輥相向旋轉(zhuǎn)與紅花摩擦產(chǎn)生的吸附力、摩擦力等將紅花花絲喂入、采摘，實現(xiàn)花絲與果球的分離。被采摘下的紅花花絲在輸花管內(nèi)受到負壓風(fēng)機產(chǎn)生的吸氣流的作用，隨氣流被輸送至儲花室內(nèi)，在濾網(wǎng)作用下，紅花花絲暫時儲存在儲花室內(nèi)，實現(xiàn)氣物分離。可移動式紅花收獲裝置可一次性完成花絲的采摘、輸送和存儲工作。當(dāng)儲花室集滿花絲后，打開儲花室將花絲卸下，裝入運輸車[7-8]。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 采摘系統(tǒng)的設(shè)計

采摘系統(tǒng)主要由膠輥、軸承、齒輪等組成，是可移動式紅花收獲裝置的關(guān)鍵部件之一。采摘系統(tǒng)主要通過對輥高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸附力對花絲進行梳理，利用花絲與對輥間的摩擦力完成花絲的采摘工作，其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 采摘系統(tǒng)示意

采摘系統(tǒng)中膠輥的尺寸、對輥間隙、材質(zhì)、轉(zhuǎn)速與采摘性能息息相關(guān)，是整個裝置的關(guān)鍵組成部分。采摘系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)通過采摘系統(tǒng)性能試驗臺（圖3）經(jīng)過大量試驗所得。

圖3 采摘系統(tǒng)性能試驗臺

根據(jù)課題組試驗得出：直徑35 mm、材質(zhì)為聚氨酯、相向轉(zhuǎn)速為1 400 r/min 的膠輥采摘性能好。殼體采用塑料POM 材質(zhì)既可以保證采摘系統(tǒng)質(zhì)量輕，又能保證在工作過程中不受齒輪振動而破裂，人手抓握處外徑為24mm，殼體厚度3 mm，符合人機工程。透氣蓋的小孔影響采摘系統(tǒng)內(nèi)部流場的變化，上方均布4 個小孔，采摘系統(tǒng)的采摘、輸送和梳理性能好[9]。

2.2 氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計

氣力輸送系統(tǒng)主要由輸花管道、儲花室等組成（圖4）。輸花管采用塑料材質(zhì)的波紋U 形管，其結(jié)構(gòu)尺寸為內(nèi)徑26 mm，外徑28 mm，與儲花室進氣口連接處法蘭尺寸外徑為36 mm，內(nèi)徑為34 mm，與輸花管連接部分外徑為28 mm，內(nèi)徑為30 mm。

儲花室的尺寸結(jié)構(gòu)主要根據(jù)花絲的物料特性確定。花絲易破碎，含有一定水分，一旦堆積過多，花絲間相互摩擦擠壓，容易使花絲破碎、水分流失并粘連成塊。紅花收獲季節(jié)溫度較高，花絲容易變色霉?fàn)€產(chǎn)生異味，降低花絲品質(zhì)，因此儲花室的結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大。

儲花室的結(jié)構(gòu)尺寸：儲花室采用圓錐—圓柱形結(jié)構(gòu)，總長為600 mm，圓臺小徑為0.5 mm，帶錐體部分長度為150 mm，后部圓柱體半徑為250 mm，進氣口、出氣口半徑為34 mm，長度為50 mm。

通過計算得出存儲花絲質(zhì)量為21.87 kg。查閱資料得出花絲產(chǎn)量為10～20kg/667m2，可移動式紅花收獲裝置每采一畝紅花，可清理一次儲花室。

圖4 氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.3 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

傳動系統(tǒng)主要包括軟軸、聯(lián)軸器和傳動箱等部件，計算采摘系統(tǒng)所需功率和工作條件，選取聯(lián)軸器，根據(jù)采摘頭數(shù)量、傳動比和各個零部件的布局設(shè)計傳動箱以及傳動箱內(nèi)部齒輪參數(shù)、分布情況。

動力傳輸系統(tǒng)，主要由汽油機、風(fēng)機、聯(lián)軸器、傳動箱組成（圖5）。動力主要由汽油機提供，帶動風(fēng)機，為可移動式紅花收獲裝置氣力輸送提供負壓。在金屬聯(lián)軸的作用下，將動力傳送至傳動箱，經(jīng)過軟軸連接帶動采摘系統(tǒng)進行新鮮花絲的采摘，其中軟軸與傳動箱和采摘系統(tǒng)的連接方式均采用螺紋連接。

圖5 傳動箱結(jié)構(gòu)示意

2.4 動力系統(tǒng)的設(shè)計

動力系統(tǒng)主要包括風(fēng)機和汽油機，汽油機提供風(fēng)機產(chǎn)生負壓氣流，對采摘后的花絲進行輸送和存儲，計算風(fēng)機的功率選取風(fēng)機型號。通過計算軟軸、風(fēng)機和傳動箱的功率和機械效率計算汽油機的使用功率，選擇滿足使用要求的汽油機型號，對動力系統(tǒng)進行合理布局。

聯(lián)軸器需要功率為0.736 kW，風(fēng)機需要的功率為1.026 kW，共計1.762 kW，機械傳動效率為0.95，那么汽油機功率至少為1.85kW才符合使用要求。根據(jù)上述計算數(shù)據(jù)，電機選擇GX100T汽油發(fā)動機，其功率為2.2kW，外形結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×高為266×306×402 mm，符合要求。

2.5 行走系統(tǒng)的設(shè)計

行走系統(tǒng)主要包括機架和地輪（圖6），機架的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)根據(jù)紅花植株物料特性和紅花種植模式確定。地輪根據(jù)可移動式紅花收獲裝置工作時的土地情況確定，要求紅花收獲裝置在各種土壤中不受影響。

圖6 機架結(jié)構(gòu)示意

機架外形結(jié)構(gòu)尺寸：長1 200 mm、寬900 mm、高963 mm，兩輪距離為1 100 mm，考慮到機架承受的各個零部件的重量和前進過程中顛簸受力情況，機架的材料選取Q235-A熱軋等邊角鋼，其余固定部位采用厚度為5mm加強板，機架扶手采用橡膠材料。