導軌拉拔式紅花采收裝置設計與試驗

摘要：針對目前紅花絲人工采收強度大、效率低及機械化采收程度低等問題，設計一種導軌拉拔式紅花采收裝置。以新疆裕民無刺紅花為研究對象，模擬人手抓取拉拔動作，通過夾取導軌與拉拔導軌相配合，正向行程內夾花板在導軌內先收緊后上升，實現對花絲的夾取和拉拔動作，通過負壓收集拉拔下來的花絲，完成采收。對夾緊導軌、拉拔導軌、輔助導軌和擋花口等關鍵部件進行設計，計算并分析各導軌從動件的運動位移、運動速度和加速度。并在SolidWorks軟件中對模型進行運動仿真分析，驗證爬升架和夾花板的運動軌跡和運動規律。以裝置采凈率和花絲破損率為試驗指標，以開花后1～5天的新疆裕民無刺紅花（含水率≤44.5%）為試驗對象，以采收頻率為試驗因素，進行單因素5水平試驗，驗證裝置可行性并尋求最優采收頻率。結果表明：當采收頻率為20次/min時，導軌拉拔式紅花采收裝置采凈率為97.64%，破損率為3.32%。研究結果可為紅花機械化采收機具的研究提供參考依據。

關鍵詞：紅花；采收裝置；夾取機構；運動仿真

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

Design and test of guide rail pulling type safflower harvesting device

Abstract：

Aiming at the problems of high intensity， low efficiency and low degree of mechanized harvesting by current safflower silk workers， a guide rail pulling type safflower harvesting device was designed. Taking Xinjiang Yumin thornless safflower as the research object， it simulates the grasping and pulling action of human hands， and cooperates with the pulling guide rail through the gripping guide rail. The clipping and pulling action of the machine will collect the pulled filaments through negative pressure to complete the harvesting. Key components such as clamping guide， drawing guide， auxiliary guide and flower guard are designed， and the movement displacement， movement speed and acceleration of each guide rail follower are calculated and analyzed. The motion simulation analysis of the model is carried out in SolidWorks software， and the motion trajectory and motion law of the climbing frame and the splint are verified. The removal rate of the device and the filament damage rate are token as the test indicators， Xinjiang Yumin thornless safflower （water content ≤ 44.5%） 1-5 days after flowering are token as the test object， the harvest frequency is token as the test factor， the single factor 5 level test is carried out to verify the feasibility of the device and seek the optimal harvesting frequency. The results show that when the harvesting frequency is 20 times/min， the removal rate of the guide rail pulling type safflower harvesting device is 97.64%， and the damage rate is 3.32%. The research results can provide a reference for the research of safflower mechanized harvesting equipment.

Keywords：

safflower; harvesting device; clamping mechanism; motion simulation

0 引言

紅花是一種有藥材、染料、油料和飼料綜合特性的經濟作物［1］，其主要種植區有新疆、貴州等地［2］。紅花花絲是一種常見的中藥材，然而其開花期較短，適采期為開花后1～5天，且花苞上花絲可采收2～3茬，要求在采收時不能損傷花苞，因此紅花花絲機械化采收未能取得有效進展，目前多為人工采收，效率較低。目前紅花已實現機械化種植、施肥、打藥，紅花機械化采收成為限制紅花產業化發展重要因素［34］。

目前現有的紅花花絲采收裝置主要有切割式和拉拔式兩種［4］。切割式紅花采收裝置主要依靠高速旋轉的剪切刀具對進入的花絲進行切割采收［56］，采收后的花絲較短，且花絲破損較嚴重。拉拔式紅花采收裝置模擬人手抓取動作［79］，對花絲進行夾取拉拔，可有效將花苞中殘余的花絲拔出，提高花絲采收質量。以上均為人工輔助采收裝置，需要人工對準花絲，可有效提高人工作業效率。石河子大學［1012］研制梳夾式紅花采收裝置，旨在通過護罩和負壓氣吸方式，解決花絲人工喂入問題，實現對花絲的機械化盲采，但該裝置目前處于實驗室階段，且效率較低。

為提高紅花花絲采收的效率和采收質量，降低人工采收勞動強度，本文采用拉拔式紅花采收方式，模擬人手抓取動作，創新設計一種導軌拉拔式紅花采收裝置。對夾緊導軌和拉拔導軌等關鍵部件進行設計，通過仿真分析驗證夾花板和爬升架在夾取和拉拔紅花絲時的運動規律，并搭建試驗裝置，進行試驗驗證，以期為紅花花絲采收機具的設計提供參考。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

導軌拉拔式紅花采收裝置整機結構如圖1所示，主要由步進電機、護罩、夾取機構（拉拔導軌、夾緊導軌、爬升架、輔助導軌）等組成。

步進電機通過電機固定架安裝在護罩上方，電機軸連接爬升架，帶動爬升架旋轉，爬升架與夾緊導軌連接。輔助導軌和拉拔導軌固定安裝在護罩內部。

1.2 工作原理

導軌拉拔式紅花采收裝置與負壓風機配合作業，工作時，集花口與負壓風機相接。人工將裝置護花口移動至紅花附近，此時在負壓氣吸作用下，花絲進入護花口，步進電機正轉，帶動夾緊導軌轉動，夾花板在輔助導軌的配合下，開始收緊，夾住花絲。此時爬升器在拉拔導軌的作用下，向上運動，護花口將花球限制在護罩外側，將夾緊的花絲從花球上拉拔下來。步進電機反轉，夾花板回程中開始釋放，夾取下來的花絲在負壓氣吸作用下，通過集花口輸送到收集箱，完成采收作業。

通過導軌拉拔式紅花采收裝置，輔助人工采收，可有效提高人工采收效率，避免花枝等尖刺對人手、臂的損傷。導軌拉拔式紅花采收裝置主要結構參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

導軌拉拔式紅花采收裝置在工作時，要求在夾花板夾住花絲后開始拉拔，且拉拔過程中要求再夾緊的變化量在一定范圍內，避免過度夾取損失花絲，因此設計過程中重點考慮夾緊導軌與拉拔導軌的匹配。

2.1 夾緊導軌設計

導軌拉拔式紅花采收裝置在工作時，夾緊導軌跟隨爬升架旋轉，此時與夾緊導軌相配合的夾花板在輔助導軌的作用下作開合運動。即夾花板在夾緊導軌內運動，夾緊導軌每旋轉一定角度，夾花板在徑向移動一定位移。如圖2所示，夾緊導軌順時針轉動為正方向，夾緊導軌順時針轉動范圍為0～2π/3，要求在該過程中初始段夾花板迅速收緊，到末段時，夾花板有較小的徑向移動，即初始段速度較快，末段時速度逐漸降低。

綜上分析選用凸輪簡諧運動回程后半段［1314］，夾緊導軌初始運動時，推桿迅速回程，即夾花板迅速夾緊，到末端時，回程逐漸變緩，則

式中：

s——夾緊過程中夾花板徑向運動位移，mm；

h1——夾緊過程中從動件推程運動行程，mm；

δ1——夾緊過程中從動件推程運動角的凸輪轉角，rad；

δt——夾緊過程中從動件推程運動角的凸輪轉角范圍，rad；

φ——凸輪實際轉角，rad。

則有夾緊導軌正向旋轉過程中，夾花板徑向運動方程如式（2）所示。

則夾花板在徑向方向上夾緊的過程中速度、加速度方程如式（3）所示。

式中：

w——夾緊導軌運動角速度，rad/s；

v1——夾緊過程中夾花板在徑向方向上的速度，m/s；

a1——夾緊過程中夾花板在徑向方向上的速度，m/s2。

2.2 拉拔導軌設計

導軌拉拔式紅花采收裝置在工作時，拉拔導軌與爬升架相配合，即爬升架在旋轉時跟隨拉拔導軌上的軌跡軸向運動，帶動與之連接的夾花板向上運動，將夾住的花絲拉拔下來。如圖3所示，爬升架在拉拔導軌上正向旋轉時，要求初始段無上升運動，在末段時，即夾花板已夾緊花絲，此時要求爬升器帶動夾花板迅速上升，拉拔花絲，避免過度旋轉，造成夾花板徑向進給運動過度，損失花絲。

夾緊導軌與爬升器同步旋轉，綜上分析，當夾緊導軌完全夾住花絲后，爬升器開始上升，即要求拉拔導軌如圖3所示，前半段水平，后半段爬升，其運動范圍為0～2π/3。假定當夾緊導軌轉動至φ0時，夾花板夾緊花絲，此時爬升器開始向上運動，如圖3所示。

要求在夾取花絲的行程后半段，即在φ0～2π/3，夾花板快速上升，且過程中速度變化平緩，無較大沖擊變化，因此該段選取凸輪輪廓擺線運動推程段前半程［1517］，即

式中：

y——拉拔過程中夾花板軸向運動位移，mm；

h2——拉拔過程中從動件推程運動行程，mm；

δ2——拉拔過程中從動件推程運動角的凸輪轉角，rad；

ψ——拉拔過程中從動件推程運動角的凸輪轉角范圍，rad。

則有爬升架在拉拔導軌內正向勻速旋轉過程中，即0～2π/3內，夾花板在軸向的運動方程如式（5）所示。

則夾花板在軸向方向上，拉拔過程中，即在φ0～2π/3范圍內速度、加速度方程如式（6）所示。

式中：

v2——拉拔過程中夾花板在軸向的速度，m/s；

a2——拉拔過程中夾花板在軸向的加速度，m/s2。

2.3 輔助導軌設計

導軌拉拔式紅花采收裝置在工作時，夾花板在輔助導軌內移動，實現花絲的夾取與釋放，因此要求輔助導軌行程在該徑向方向上，以確保有效夾取花絲，避免相對揉搓對花絲造成不必要的采收損傷，影響花絲品質。當夾花板處于輔助導軌內最遠端時，開口直徑大于花絲花簇最大直徑，以確保花絲被順利夾取。當夾花板處于輔助導軌內最近端時，開口直徑至少要小于花絲花簇最小直徑，以確保夾花板能夾緊花絲。

新疆裕民無刺紅花開花后花簇最大直徑約為35 mm，為夾花板能順利夾取花絲，且提高工作效率，減小不必要工作行程，本次設計中取輔助導軌最遠端直徑D為40 mm。花簇收緊位置直徑約為10 mm，根據前期紅花夾取拉拔試驗，當夾花板直徑縮小為8 mm時，產生的摩擦力就可有效將花絲拉拔下來，當夾花板直徑小于4 mm時，對花絲的損傷明顯，因此本次設計取輔助導軌最近端直徑d為4 mm。

夾花板在夾緊導軌和輔助導軌內徑向運動行程x為18 mm，代入式（2）可得式（7）。

當夾花板直徑縮小為8 mm時，夾花板運動行程s為2 mm，此時解得夾緊導軌轉動的角度，即φ0為7π/15，即夾緊導軌在0～7π/15內正向轉動時，夾花板迅速夾緊花絲，該過程中夾花板無軸向運動。夾緊導軌在7π/15～2π/3內正向轉動時，夾花板徑向運動迅速減緩，開始軸向迅速上升拉拔花絲。將φ0為7π/15，H為15 mm，代入式（5）可得夾花板軸向運動方程，如式（8）所示。

2.4 擋花口設計

導軌拉拔式紅花采收過程中，拉拔導軌和夾緊導軌配合，使得夾花板實現對花絲的夾取和拉拔動作，但在拉拔過程中，紅花枝干具有一定的彈性，若只依靠拉拔導軌上升行程，無法將花絲從花球上分離下來。因此需要在拉拔時，通過護花口將花球短暫固定，限制在護罩外部，只允許花絲通過，此時夾花板收緊拉拔，花球與花絲發生相對運動，花絲脫離花球，完成拉拔采收。

新疆裕民無刺紅花花球平均直徑大小約為22 mm，花絲花簇收緊位置直徑大小約為10 mm，則如圖5所示，設計護花口頂部限制直徑d1為10 mm。護花口頂部開有允許夾花板通過的槽口，用于確保夾花板在最低位置夾取花絲，槽口寬度B為12 mm。

3 運動仿真

將夾緊導軌和拉拔導軌的凸輪輪廓按照設計要求在SolidWorks中進行建模，按工作要求裝配。工作時，爬升架由步進電機驅動，其轉速決定夾取花絲的頻率。按經驗選取單次夾取時間為1 s，即爬升架轉動2π/3，上升高度H，夾花板徑向運動行程s，所需時間為1 s。

在軟件中為爬升架添加旋轉馬達，選擇馬達驅動模式為角度—時間，時間0～1 s，角度0～2π/3，開始運動分析，可得到爬升架上某一點和夾花板的運動軌跡，如圖6所示。

爬升架運動軌跡與設計一致，在夾取前半程無軸向運動，后半程迅速上升，對夾緊的花絲拉拔，完成采收作業。夾花板夾取軌跡符合設計要求，在夾取前半程迅速對花絲夾緊，后半程徑向運動較小，對花絲損傷較小，且在后半程跟隨爬升架迅速上升，完成對花絲拉拔作業。

對爬升架添加軸向運動位移、軸線運動速度、軸向運動加速度仿真測試點，對夾花板添加徑向運動位移、徑向運動速度、徑向運動加速度仿真測試點可得到測試點的運動參數如圖7、圖8所示。

爬升架在軸向上升過程中，其運動變化如圖7所示，在上升前半程，即0～0.7 s內爬升架無上升趨勢。夾花板運動變化如圖8所示，在0～0.7 s內夾花板迅速回程，速度逐漸降低，加速度平緩，無明顯沖擊。在0.7～1 s內，爬升架迅速上升，其速度先增加后趨于平緩，加速度連續無明顯沖擊。夾花板在該段時間內徑向位移變化量降低，徑向速度減小，徑向加速度平緩，無明顯沖擊，滿足工作要求。

4 驗證試驗

4.1 試驗設備與材料

試驗于2022年6月25日在新疆農業大學新疆智能農業裝備重點實驗室開展，試驗裝置如圖9所示。

試驗材料選取開花后1～5天的新疆裕民無刺紅花，平均株高90 mm，含水率≤44.5%。夾取電機選用42BYGH39步進電機，最大力矩0.4 N，通過控制Arduino UNO-R3開發板進行調速。氣吸由1.5 kW負壓風機提供，通過軟管將拉拔采收下來的花絲收集到集花箱。

4.2 試驗方法

導軌拉拔式紅花采收裝置以花絲采收成功率為前提，因此，衡量該裝置的評價指標是當夾取機構處于不同工作頻率時，該裝置的采凈率和花絲破損率，即試驗以不同夾取頻率為影響因素，通過搭建試驗平臺，根據步進電機轉速與夾取頻次關系，通過控制步進電機轉速模擬裝置工作頻率，以采凈率和破損率為評價指標進行單因素5水平試驗［18］。

裝置采收頻率與步進電機的轉速有關，轉速越高，夾取時間越短，夾取頻率越快，如表2所示。

工作時，步進電機正轉時為夾取行程，反轉時為釋放行程，正轉時間與反轉時間相同。步進電機轉速與正轉運行時間關系有

式中：

w1——步進電機角速度，rad/s；

t——夾緊導軌轉動θ角度所需的時間，s。

此次設計中，采收一次夾緊導軌轉動角度θ，即步進電機轉動角度為2π/3，則

為提高采收效率，單次正轉拉拔所需的時間超過1.5 s，但采收時間不能過短，否則爬升器加速度變化過大，會造成機構損壞，影響采收性能。一名熟練的操作人員在采收時，每次對準花球的時間不超過0.5 s，即操作員可在步進電機反轉、夾花板打開釋放花絲時，完成下一步采收準備工作，因此人工對準花球的間歇時間不影響采收頻率。正轉采收時間與反轉回程準備時間相等，則采收頻率與正轉時間的關系如式（11）所示。

采收頻率與步進電機轉速的關系如式（12）所示。

試驗過程中，每個采收頻率下理論采收5 min，重復5次。分別對采收后集花箱內花絲，集花箱內有明顯破損的花絲，花球上殘余花絲稱重，則采凈率為集花箱內花絲質量與未采收前花球上總花絲質量的比值，如式（13）所示。

式中：

m1——集花箱內花絲質量，kg；

m2——花球上殘余花絲質量，kg。

集花箱內有明顯破損的花絲質量與采收下來的集花箱內花絲質量的比值為破損率，如式（14）所示。

式中：

m3——集花箱內有明顯破損的花絲質量，kg。

4.3 試驗結果與分析

如圖10所示，當采收頻率大于20次/min時，裝置采凈率明顯降低，主要原因是步進電機轉速增大使得單次夾取正轉時間變短，速度變化增大，引起夾花板抖動，造成花絲夾取不完整，且花絲在拉拔時，瞬時速度較大，不能有效將花絲拉拔下來，導致花絲采凈率降低。隨著采收頻率增大，破損率逐漸增大，主要原因是步進電機轉速增大，夾花板夾取過程中對花絲沖擊作用增大，致使花絲損傷現象增加。

根據圖10可知，在保障采凈率和破損率的前提下，選取較大的采收頻率，當采收頻率為20次/min時，裝置采凈率為97.64%，破損率為3.32%。相較同類型紅花采摘裝置花絲采凈率提高了4.93%［8］，花絲破損率在允許范圍內。得益于擋花口設計，采收過程中對花球的損傷幾乎可以忽略，滿足導軌拉拔式紅花采收裝置設計要求。

5 結論

1）" 針對紅花花絲人工采收效率低、機械化采收程度低、切割式采收花絲破損率高等問題，模擬人手抓取拉拔動作設計導軌拉拔式紅花采收裝置，對夾緊導軌、拉拔導軌等關鍵部件進行設計。對爬升架和夾花板進行運動仿真，得到當夾取時間定為1 s時，在0～0.7 s內爬升架無明顯上升趨勢，確保夾花板能在花絲最低點夾緊；在0.7～1 s內爬升架迅速上升，拉拔花絲，在該過程中爬升架加速度平緩無明顯沖擊，驗證了夾花板和爬升架運動規律滿足設計要求，并搭建了導軌拉拔式紅花采收試驗平臺。

2）" 通過性能試驗對不同采收頻率下裝置的花絲采凈率和破損率進行測試，結果表明當采收頻率為20次/min時，裝置采凈率為97.64%，破損率為3.32%，滿足導軌拉拔式紅花采收裝置工作需求。該裝置可為紅花機械化采收機具的研究提供參考依據。

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