梳齒式萬壽菊采摘機的設計

范浩杰，亞森江·白克力，宋 玲

（新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

萬壽菊（菊科）屬一年生草本植物，是重要的經濟花卉，其葉黃素有“植物黃金”之美譽[1]。新疆地區萬壽菊種植面積為1.33萬hm2，莎車縣種植面積達1萬hm2[2]。人工采摘是整個萬壽菊產業鏈的成本占比最大的部分，是制約萬壽菊產業發展的重要因素。

目前國內萬壽菊采摘主要依靠人工采摘，機械化采摘也主要采用小型便攜式（手提式、背負式等）采摘機，難以實現大面積、規模化作業，對萬壽菊增收減負效果不明顯。2014年湖南省寧遠縣農業技術人員歐解利公開了一種便攜式機械采摘萬壽菊的摘花機專利[3]，該機器結構緊湊、靈活輕巧、使用方便，與手工作業相比效率大幅提高，且成本較低。2014年佳木斯大學梁秋艷等人發明了一種便攜背負式萬壽菊雙臂采摘機，該產品不需隨身攜帶電源，使用方便[4]。2015年劉瑞德設計了一種結構簡單、使用方便的萬壽菊采摘器，采摘全程無需用手接觸萬壽菊，可以有效解決萬壽菊采摘工人易過敏的問題[5]。目前國內的采摘機研究主要集中于便攜式、剪切式的手持或背負小型采摘機，然而這些采摘機在采摘的過程中需要將采摘機構對準每一朵花，采收效率提高不顯著，反而在一定程度上增加了勞動強度，并且由于其摘凈率低、破損率高，采摘效果不佳，并未得到廣泛地推廣應用。

萬壽菊的機械化采摘是萬壽菊產業發展的必然趨勢，本文針對南疆莎車縣的實際情況，以解決萬壽菊采摘過程中花朵喂入困難、采摘效率低、花朵損傷嚴重等問題為目的設計了一種萬壽菊梳齒式采摘機。該機采用旋轉梳齒和液壓伸縮桿克服了花朵采摘困難的問題，利用梳齒跟刀降低了對花朵的損傷，解決了花梗殘留的問題，利用卸料輥、輸送皮帶和收集箱實現了對萬壽菊的連續采摘，提高了采摘效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 萬壽菊物料特性

南疆種植的萬壽菊（圖1）株高60～100cm，花莖7～10 cm，莖直立、粗壯且有分株，花瓣羽狀且密集，花冠半球有分枝頂端，花色金黃，花期7～10月，喜光，適應性強，管理簡單，含有豐富的葉黃素和黃素脂肪酸酯[3]，平均一年要采摘2～3茬。

圖1 南疆萬壽菊形態

1.2 采摘機結構

根據萬壽菊采摘的實際情況，參考國內外現有的菊科類采摘裝置，對萬壽菊采摘裝置進行總體方案設計，如圖2。整機包括機架、梳齒、卸料輥、輸送皮帶、防堵塞梳齒和收集箱等核心部件。其中梳齒位于機架前方，卸料輥位于梳齒上方并與其相向旋轉，輸送皮帶則安裝在梳齒下方，收集箱位于輸送皮帶之后的機架尾部。

圖2 萬壽菊采摘機結構

1.3 工作原理

萬壽菊的采摘原理對于獲取高質量的花卉、提高凈收獲率以及采后花頭的收集至關重要。在菊科采摘中存在兩種原則：一是基于直線和旋轉運動相結合的方案；另一種則是基于一對旋轉的刷子之間的嚙合。水平直線運動主要涉及梳理植物和割取花頭，并且最佳狀態為消除有莖花頭，以免其影響葉黃素的質量。旋轉運動主要涉及花頭的撕裂和斷裂以及采后花頭的傳遞和收集，因此萬壽菊的采摘過程主要依賴于第一種采摘原則。

拖拉機通過牽引裝置與采摘機相連接，梳齒式采摘頭旋轉至田間，梳齒梳理萬壽菊使其脫落，卸料輥將萬壽菊引導至輸送皮帶上，最終輸送至位于尾部的收集箱中。當采摘機行駛一定距離后，只需打開收集箱并進行裝卸即可持續進行萬壽菊的采摘作業。

2 關鍵部件的設計

根據對新疆莎車縣萬壽菊種植模式的測量，該田間作業行距為300mm，株距在150～200mm之間。本研究擬采用單次采收作業，每行分別采摘兩個行距為700mm和500mm的區域，株距為200mm，擬定萬壽菊采摘機的作業幅寬為1400mm。

2.1 采摘梳齒的設計

采摘是萬壽菊收獲過程中的關鍵步驟，其主要作用為使萬壽菊與植株分離。采摘效果的優劣直接影響著萬壽菊采收的品質和收成，同時決定了采凈率。本設計采用梳齒式采摘，每根梳齒根部安裝跟刀，在梳齒旋轉的同時進行切割，不易損傷植株本身，如圖3。

圖3 齒式采摘頭結構示意

梳齒式采摘頭由分為3排的96個均布的梳齒和跟刀固定在采摘軸外表面，采摘轉軸兩端鉸接在機架上，機架與液壓桿相連接，可控制梳齒式采摘頭上下移動，在梳齒轉軸端部配備了液壓馬達用以提供動力。

采摘轉軸直徑Φ=60mm、梳齒高度L=160mm，采摘轉軸長度為1480mm。3排梳齒采摘可適應實際作業需求，每個梳齒采用2個相切的圓弧，相鄰兩梳齒夾角為120°。梳齒采用可拆卸結構縮減加工成本，便于后期維護。同排相鄰2個梳齒間隙為40mm，既適應實際采摘需求，又具有較好的結構力學性能。

梳齒式采摘頭摘取萬壽菊時，花冠在相鄰兩梳齒間的受力情況如圖4。

圖4 梳齒式萬壽菊采摘垂直截面受力示意

要滿足花冠被摘下的條件，有如下要求：

式中Fi—梳齒對花冠的沖擊力萬垂直方向分力，N；T—花柄對花托的拉力，N；Fy—風力在花柄方向的垂直分力，N；F—梳齒對花冠沖擊力，N；α—F與花柄方向的夾角，°；d—兩梳齒之間的距離，mm；L—花冠重心到梳齒斷面的距離，mm；β—梳齒切線與垂直方向間的夾角，°；Ff—梳齒沿花冠展開方向的分力，N。

其中Fi和α的計算公式為：

因此，花冠被摘下的條件為：

梳齒工作時存在兩個運動，即自身的旋轉運動和隨機具前進的直線運動，梳齒上任一位置的運動為這兩種運動在空間坐標系內的合成[5]，梳齒上任意一點的運動軌跡如圖5。

圖5 梳齒頂點運動軌跡

為滿足植株上的萬壽菊能全部被采摘，梳齒的外徑R0應滿足：

式中R—梳齒上的一點與主動軸之間的距離，mm；H—采摘頭主軸安裝高度，mm。

采摘速度v的大小決定了梳齒對萬壽菊采摘作用力的大小，對萬壽菊采摘質量有重要影響。當機具作業前進速度vm為0.6～0.8m/s時，由上式確定梳齒轉速為340r/min。

2.2 卸料輥的設計

設計中需要綜合考慮卸料方式，卸料方式決定了采摘萬壽菊的含雜率。對比反向防夾持卸料和相向防夾持卸料的結構形式，其中反向夾持卸料會出現萬壽菊花朵被擠壓破碎的情況，故在設計中采用相向防夾持卸料方式，如圖6。

圖6 卸料輥結構示意

卸料輥由轉軸、防堵塞梳齒和毛輥刷組成。為將萬壽菊輸送至采摘機構后方的橫向輸送皮帶中，在梳齒外側設計一組平行于梳齒的卸料輥，卸料軸具有結構簡單、重量輕、對花朵損傷較小的特點。毛輥刷絲采用尼龍610，刷絲采用纏繞式方式進行固定，即先將刷絲捆綁在金屬條上，然后再將金屬條纏繞至輥刷軸芯。

卸料輥的轉軸直徑為30mm、尼龍610高度60mm，轉軸長1480mm。刷絲長度直接影響卸料性能，根據目前輥刷加工工藝要求，刷絲長度越短，梳刷能力越強[5]，刷絲數量為每厘米刷絲密度和刷絲長度乘積，確定輥刷刷絲長度為60mm。為保證萬壽菊落到輸送帶能夠及時輸送至收集箱中不發生堆積，考慮輸送帶的寬度、長度、傾斜角度以及萬壽菊堆積角（30～45°）等因素，輸送帶傳動軸轉速為280 r/min，故卸料輥轉速為716r/min。

3 整機傳動裝置的設計

3.1 配套動力

本研究選用東方紅SG400型拖拉機作為動力配備，該拖拉機小巧靈活，能夠在側向牽引情況下進入萬壽菊田完成采摘、收集等田間作業，擬定作業速度為2.8km/h。本結構方案的主要優點在于能夠滿足萬壽菊的種植農藝要求。傳動系統采用皮帶傳動，其結構簡單可靠且能夠完成大中心距的動力傳輸。

3.2 皮帶輪傳動設計

采摘梳齒的轉速為340r/min，輸送皮帶主動軸轉速n=280r/min。為保證萬壽菊收集裝置的性能，優先選擇輸送帶輪和卸料輥帶輪的直徑，卸料輥帶輪的直徑為125 mm，因分配給輸送皮帶驅動軸的轉速要降低，依據傳動比及傳動效率配比，設計輸送帶輪直徑為200mm，又因卸料輥所需轉速要高于采摘梳齒轉速，此狀態下軸心高度使皮帶輪和機架不出現干涉。

3.3 軸的設計

主動軸傳遞功率不大、轉速也不高，故該軸頭的材料可選擇45鋼，經調質處理，許用應力[σ1]b=60 MPa，硬度217～255 HBS，強度極限σb=650 MPa，已知該軸的轉速為480r/min，輸入功率約為2.1kW。

根據《機械設計手冊》[11]得出軸徑應大于20.6mm，設計軸徑最小處d=22mm，此時主動軸傳遞的扭矩T=404.1 N/m。以a=0.6計算彎扭組合強度條件，校核軸的強度，此時σca＜[σ-1]=60 MPa，主動軸安全符合要求。選定軸承的使用壽命為8000h，已選軸承的型號為UCP205，基本額定動載荷Cr=16.2kN，本額定靜載荷C0r=10.5 kN，當量動載荷Fa1=Fa2=0[11]，可得軸承壽命Lh=8332h，滿足軸承壽命需求。

4 采摘裝置仿真分析

為驗證梳齒式采摘頭工作可靠性，對其受力情況進行仿真分析，經計算采摘頭在采摘過程中所承受的靜載荷大小為200N。選擇鋁合金為梳齒材料，建立有限元模型，將采摘頭固定在底部平臺上并施加一個向下的力，模擬花朵對采摘頭的壓力。利用有限元軟件進行計算，得到采摘頭在加載情況下的應力分布情況（圖7）。

圖7 采摘頭應力云圖

研究結果顯示，采摘頭的齒槽存在應力集中現象，這將導致該部位更容易出現損壞。為了提高采摘頭的可靠性，進一步對采摘頭的設計進行了優化，增加了齒槽間的支撐結構，改變了齒槽的形狀，經驗證減小了該處應力值，此時材料的屈服應力為220MPa，根據靜力分析所得到的采摘頭最大應力為100MPa，因此安全系數最小值為2.2，該安全系數下承載能力安全可靠，不會發生過載破壞的情況。

5 結語

本研究介紹了一種新型的菊花采摘機。該機集成了采摘、輸送和收集等功能，通過增強梳齒和刀具有效提高了采摘效率，成功解決了強力拔取造成的殘留花梗問題。通過采用3排采摘梳齒的設計進一步提高了萬壽菊的凈采摘率。