红花的物料特性测定与分析

李景彬+王晓华+坎杂+田绪顺+杨红英

摘要：以新疆裕民县旱地无刺鲜红花为试验材料，对红花花瓣的含水率、花冠直径、单个花瓣的平均质量、红花花瓣与花托之间的拉断力、花托与花梗之间的拉断力、花梗的拉断力、花梗与茎秆的拉断力、红花花瓣的悬浮速率及对应的含水率等参数进行了测定，结果表明：红花花瓣与花托之间的拉断力小于花托与花梗之间的拉断力，也小于花梗拉断力及花梗与茎秆之间的拉断力；含水率平均值为54%的鲜红花悬浮速率为2.70 m/s，含水率平均值为8.9%的干红花悬浮速率为1.72 m/s。

关键词：红花；物料特性

中图分类号： S225文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0235-03

收稿日期：2013-06-02

基金项目：新疆特色经济作物生产机械化研究团队项目（编号：2011CC003）。

作者简介：李景彬（1980—），男，河南淮阳人，博士，副教授，主要从事农产品检测与分级工作。

通信作者：坎杂，硕士，教授，硕士生导师，主要从事农业机械化工程工作。Tel：（0993）2055009；E-mail：kz-shz@163.com。红花是一种药、油、染料、天然色素、饲料兼用的经济作物，红花产业已成为21世纪最有潜力的朝阳产业[1]。红花主要分布在中亚、非洲和地中海等区域，我国主要产于浙江、河南、新疆等省区。新疆是我国红花的主产区，种植面积达 2万～2.7万hm2，总产量达2.7万～3.6万t，约占全国红花种植面积和总产量的80%，红花产业已成为新疆“红色产业”的重点之一[2]。

目前红花花瓣收获普遍依靠人工采摘。红花的人工采摘存在以下缺点：（1）劳动强度大，造成了很大的心理和生理双重伤害。由于红花高矮不同，密度较大，开花期早晚各异，靠人工采摘劳动量很大，且工人的手指经常被扎破，对采花工的心理和生理造成了很大的伤害。（2）生产效率低，采收成本高。纯粹的手工采摘导致生产效率极低，且采摘成本达到种植红花成本的一半，导致农民得不到高效收益。因此，红花机械化采收是红花产业发展的必然趋势[3]。

红花的物料特性是设计和改进红花花瓣收获机械与加工工艺的重要依据。为了推动红花花瓣收获机械的发展，本研究对新疆裕民县红花的物料特性进行研究，为红花收获机械的研制奠定基础。

1材料与方法

1.1材料

本试验样品为2012年6月30号取自新疆裕民县新地乡处于收获期的无刺红花花瓣，选取生长良好的新鲜植株，尽量避免机械工具对茎秆的损伤，并且在自然状态下齐地切割，采样后去叶，送到实验室于 4 ℃ 保存，以便进行后续试验[4]。样品取20株。红花花瓣若过早采摘，不仅严重影响质量和产量，而且不容易采摘，所产的红花花瓣色泽黯淡、油分含量少；花序败时采收，花瓣黏在一起，不易散开，加工后的成品暗无光泽、质量降低、跑油情况严重[5]，所以试验时只取花瓣为红色且不败的为样本。具体各部分名称见图1。

1.2试验设备

本试验对处于花瓣收获期的红花进行随机采样，主要针对红花的不同部位做物料特性对比试验。通过微机控制电子万能试验机（江都市天源试验机械有限公司生产，型号：TY8000）、游标卡尺（青海量具刃具有限公司生产，精度 0.02 mm）、MA45电子精密天平（赛多利斯MA系列）、自制的悬浮速率测量装置、智能压力测速仪等，分别对抗拉力、花冠直径、重量、含水率、悬浮速率进行测定，研究红花的相关物料特性。

1.3试验方法

1.3.1花冠直径、红花花瓣重量和含水率的测定花冠冠径、重量、花瓣含水率对红花花瓣收获机械的参数有重要影响，红花花瓣收获机械研究阶段考虑这些特性有利于确定收获机械的工作情况，降低研发成本与缩短研发周期。本试验选用游标卡尺测定红花的直径，选用MA45电子精密天平测定红花花瓣的含水率和每个花托上花瓣的重量。用游标卡尺测定直径时，注意要在花冠的径向最大尺寸的方向上，当游标卡尺的量爪与红花花瓣相贴且没有压力时即可读数。冠径测完后，用剪刀在花冠底部沿花托切向方向把花瓣剪下来，测定其重量和含水率。

1.3.2拉伸试验本试验选用计算机控制电子万能试验机测定拉断力。试验环境温度和空气相对湿度分别为 28 ℃ 和70%。计算机控制电子万能试验机，将样品的两端装卡到上、下卡具的中间部位，使样品和水平面保持垂直，载荷传感器传递载荷，而且能测出样品被拉断时的最大载荷；光电编码器可以传递位移，将样品的各参数变量输入计算机，整个试验过程的速率不宜过大，否则试验结果会有较大偏差[6]，选用 60 mm/min 的速率对样品施加拉力，选用的各不同直径的样本要保持其形态基本一致，长度要相同且远远大于直径，随着施加拉断力的增大，被夹的两端部不断裂时，试验成功，载荷-位移关系可由计算机以曲线方式记录，各点坐标及机构参数均可由指定文件读出。试验采用仪器自带的夹具装卡如图2所示。

1.3.3悬浮速率红花花瓣的悬浮速率是红花花瓣本身一个重要的性质，也是红花花瓣收获过程中影响收获效果的一个重要因素，所以，有必要对红花花瓣的悬浮速率进行研究。花瓣悬浮速率的测定装置见图3，主要由稳压筒、锥形管、收敛筒、支架与风机等组成。为了便于观察红花花瓣被吹时的稳定高度，锥形管是由有机玻璃制成的，其规格为长 1 200 mm，直径为50 mm，下端设置1张筛网，可承接物料，并且有稳定气流的作用，下方安装1台具有无级调速功能的风机。收敛筒和稳压管的作用是产生均匀稳定的气流。在试验过程中，采用智能压力测速仪对锥形管内的气流速率进行测量。具体方法为：红花花瓣从物料投放口放入有机玻璃锥形管底部的石棉网上，开启无级调速变频器按钮和风机启动按钮，适当调节风机的转动速率，使红花花瓣在有机玻璃锥形管内处于比较理想的悬浮状态。由于红花花瓣多为不规则的形状，因此在锥形管中得不到准确的悬浮位置。在试验过程中，应当读取红花花瓣在锥形管中的最小L值与最大L值，通过公式（1）求出红花花瓣的悬浮速率范围。锥形管小端的速率取4个测点的平均值，4个测点按照圆形管断面的等面积法[6]确定。本试验选用MA45电子精密天平测定对应的含水率。试验分为2类，一类是鲜花瓣，另一类是干花瓣，每类10组，得出悬浮速率的范围后求平均值。

2结果与分析

2.1红花的花冠直径、花瓣重量与含水率

对上述红花样品进行直径、重量和含水率测定，将试验结果用Excel软件进行分析。由图4可知，花冠直径在 33.78～41.80 mm 之间，其最大值和最小值之差为8.02 mm，通过计算可以得出花冠直径的平均值为37.11 mm，说明花冠直径以37.36 mm为浮动基准，小幅度上下波动。由图5可知，花瓣的重量在0.473～0.642 g之间，其最大值和最小值之差为 0.169 g，通过数据的处理可以得出花瓣重量的平均值为 0.553 g，说明花瓣的重量在0553 g左右浮动。由图6可知，红花花瓣的含水率在45.5%～63.5%之间，其最大值和最小值之差为18百分点，通过数据处理可以得出含水率的平均值为560%。这为红花花瓣收获机械采摘机构终端的形状、尺寸等技术参数提供基础资料。

2.2各拉断力之间的关系

通过计算可以得出红花花瓣与花托之间的拉断力在13143～29.191 N之间， 平均值为18.313 N； 花托与花梗的

拉断力在58.413～98.508 N之间，平均值为75.930 N；花梗自身的拉断力在83.672～131.879 N之间，平均值为104.717 N；花梗与茎秆之间拉断力的范围在32.100～65.362 N之间，平均值为51.164 N。由图7可以看出，红花花瓣与花托的拉断力最为稳定，这说明在设计红花收获机械时使红花花瓣与花托断开的终端受力是相对稳定的；花梗与茎秆之间的拉断力为波浪形，小幅度波动，在整体上大于红花花瓣与花托之间的拉断力，且小于花托与花梗之间的拉断力；花托与花梗的拉断力和花梗自身的拉断力曲线形状整体呈锯齿形，花梗自身的拉断力在整体上最大，花托与花梗的拉断力居第二。分析可知，如果用机械手段使红花花瓣与花托分离，不会影响红花植株的其他部分，不过叶子除外，因为植株的叶子存在发黄甚至枯萎的情况。

2.3鲜、干红花悬浮速率和含水率的对比

选取鲜、干红花各10组进行悬浮速率及对应含水率的测定，得出鲜红花含水率在45.5%～602%之间，平均值为540%，悬浮速率在2.58～2.83 m/s之间，平均值为2.70 m/s（图8）；干红花含水率在6.9%～9.9%之间，平均值为89%，悬浮速率在1.63～1.79 m/s之间，平均值为1.72 m/s（图9）。

3结论

红花花瓣与花托之间的拉断力小于花托与花梗之间的拉断力，也小于花梗的拉断力和花梗与茎秆之间的拉断力。

含水率平均值为54%的鲜红花悬浮速率为2.70 m/s，含水率平均值为8.9%的干红花悬浮速率为1.72 m/s。

虽然只对裕民旱地无刺红花进行了试验测定，但对不同红花品种或者同一品种不同种植状态下的红花均可采用相似的方法测定。本研究的测定方法为设计其他采收机械的有关参数提供计算依据。

测得的红花物料特性可为红花花瓣收获机械的设计提供理论计算依据。

参考文献：

[1]颜霞.新疆裕民县红花种植面积全国第一[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xj.xinhuanet.com/2011-08/16/content_23474313.htm.

[2]王果平，帕丽达，李晓瑾，等. 药用植物红花新疆产地适应性数值分析[J]. 中国民族民间医药，2010（23）：49-50.

[3]王瑛. 裕民县启动红花花瓣采摘机研发工作[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xjnj.gov.cn/Adetail.aspx？Aid=29344.

[4]赵春花，张锋伟，曹致中.豆禾牧草茎秆的力学特性试验[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：122-126.

[5]李洪军，李磊. 红花采收及干燥方法[J]. 农村新技术，2011（14）：42.

[6]马洪顺，张忠君，曹龙奎.薇菜类蔬菜生物力学性质试验研究[J]. 农业工程学报，2004，20（5）：74-77.

[7]张佳，庄卫东，陈彬. 农业物料悬浮试验台的研制[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，1998，10（3）：56-59.

2结果与分析

2.1红花的花冠直径、花瓣重量与含水率

对上述红花样品进行直径、重量和含水率测定，将试验结果用Excel软件进行分析。由图4可知，花冠直径在 33.78～41.80 mm 之间，其最大值和最小值之差为8.02 mm，通过计算可以得出花冠直径的平均值为37.11 mm，说明花冠直径以37.36 mm为浮动基准，小幅度上下波动。由图5可知，花瓣的重量在0.473～0.642 g之间，其最大值和最小值之差为 0.169 g，通过数据的处理可以得出花瓣重量的平均值为 0.553 g，说明花瓣的重量在0553 g左右浮动。由图6可知，红花花瓣的含水率在45.5%～63.5%之间，其最大值和最小值之差为18百分点，通过数据处理可以得出含水率的平均值为560%。这为红花花瓣收获机械采摘机构终端的形状、尺寸等技术参数提供基础资料。

2.2各拉断力之间的关系

通过计算可以得出红花花瓣与花托之间的拉断力在13143～29.191 N之间， 平均值为18.313 N； 花托与花梗的

拉断力在58.413～98.508 N之间，平均值为75.930 N；花梗自身的拉断力在83.672～131.879 N之间，平均值为104.717 N；花梗与茎秆之间拉断力的范围在32.100～65.362 N之间，平均值为51.164 N。由图7可以看出，红花花瓣与花托的拉断力最为稳定，这说明在设计红花收获机械时使红花花瓣与花托断开的终端受力是相对稳定的；花梗与茎秆之间的拉断力为波浪形，小幅度波动，在整体上大于红花花瓣与花托之间的拉断力，且小于花托与花梗之间的拉断力；花托与花梗的拉断力和花梗自身的拉断力曲线形状整体呈锯齿形，花梗自身的拉断力在整体上最大，花托与花梗的拉断力居第二。分析可知，如果用机械手段使红花花瓣与花托分离，不会影响红花植株的其他部分，不过叶子除外，因为植株的叶子存在发黄甚至枯萎的情况。

2.3鲜、干红花悬浮速率和含水率的对比

选取鲜、干红花各10组进行悬浮速率及对应含水率的测定，得出鲜红花含水率在45.5%～602%之间，平均值为540%，悬浮速率在2.58～2.83 m/s之间，平均值为2.70 m/s（图8）；干红花含水率在6.9%～9.9%之间，平均值为89%，悬浮速率在1.63～1.79 m/s之间，平均值为1.72 m/s（图9）。

3结论

红花花瓣与花托之间的拉断力小于花托与花梗之间的拉断力，也小于花梗的拉断力和花梗与茎秆之间的拉断力。

含水率平均值为54%的鲜红花悬浮速率为2.70 m/s，含水率平均值为8.9%的干红花悬浮速率为1.72 m/s。

虽然只对裕民旱地无刺红花进行了试验测定，但对不同红花品种或者同一品种不同种植状态下的红花均可采用相似的方法测定。本研究的测定方法为设计其他采收机械的有关参数提供计算依据。

测得的红花物料特性可为红花花瓣收获机械的设计提供理论计算依据。

参考文献：

[1]颜霞.新疆裕民县红花种植面积全国第一[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xj.xinhuanet.com/2011-08/16/content_23474313.htm.

[2]王果平，帕丽达，李晓瑾，等. 药用植物红花新疆产地适应性数值分析[J]. 中国民族民间医药，2010（23）：49-50.

[3]王瑛. 裕民县启动红花花瓣采摘机研发工作[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xjnj.gov.cn/Adetail.aspx？Aid=29344.

[4]赵春花，张锋伟，曹致中.豆禾牧草茎秆的力学特性试验[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：122-126.

[5]李洪军，李磊. 红花采收及干燥方法[J]. 农村新技术，2011（14）：42.

[6]马洪顺，张忠君，曹龙奎.薇菜类蔬菜生物力学性质试验研究[J]. 农业工程学报，2004，20（5）：74-77.

[7]张佳，庄卫东，陈彬. 农业物料悬浮试验台的研制[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，1998，10（3）：56-59.

2结果与分析

2.1红花的花冠直径、花瓣重量与含水率

对上述红花样品进行直径、重量和含水率测定，将试验结果用Excel软件进行分析。由图4可知，花冠直径在 33.78～41.80 mm 之间，其最大值和最小值之差为8.02 mm，通过计算可以得出花冠直径的平均值为37.11 mm，说明花冠直径以37.36 mm为浮动基准，小幅度上下波动。由图5可知，花瓣的重量在0.473～0.642 g之间，其最大值和最小值之差为 0.169 g，通过数据的处理可以得出花瓣重量的平均值为 0.553 g，说明花瓣的重量在0553 g左右浮动。由图6可知，红花花瓣的含水率在45.5%～63.5%之间，其最大值和最小值之差为18百分点，通过数据处理可以得出含水率的平均值为560%。这为红花花瓣收获机械采摘机构终端的形状、尺寸等技术参数提供基础资料。

2.2各拉断力之间的关系

通过计算可以得出红花花瓣与花托之间的拉断力在13143～29.191 N之间， 平均值为18.313 N； 花托与花梗的

拉断力在58.413～98.508 N之间，平均值为75.930 N；花梗自身的拉断力在83.672～131.879 N之间，平均值为104.717 N；花梗与茎秆之间拉断力的范围在32.100～65.362 N之间，平均值为51.164 N。由图7可以看出，红花花瓣与花托的拉断力最为稳定，这说明在设计红花收获机械时使红花花瓣与花托断开的终端受力是相对稳定的；花梗与茎秆之间的拉断力为波浪形，小幅度波动，在整体上大于红花花瓣与花托之间的拉断力，且小于花托与花梗之间的拉断力；花托与花梗的拉断力和花梗自身的拉断力曲线形状整体呈锯齿形，花梗自身的拉断力在整体上最大，花托与花梗的拉断力居第二。分析可知，如果用机械手段使红花花瓣与花托分离，不会影响红花植株的其他部分，不过叶子除外，因为植株的叶子存在发黄甚至枯萎的情况。

2.3鲜、干红花悬浮速率和含水率的对比

选取鲜、干红花各10组进行悬浮速率及对应含水率的测定，得出鲜红花含水率在45.5%～602%之间，平均值为540%，悬浮速率在2.58～2.83 m/s之间，平均值为2.70 m/s（图8）；干红花含水率在6.9%～9.9%之间，平均值为89%，悬浮速率在1.63～1.79 m/s之间，平均值为1.72 m/s（图9）。

3结论

红花花瓣与花托之间的拉断力小于花托与花梗之间的拉断力，也小于花梗的拉断力和花梗与茎秆之间的拉断力。

含水率平均值为54%的鲜红花悬浮速率为2.70 m/s，含水率平均值为8.9%的干红花悬浮速率为1.72 m/s。

虽然只对裕民旱地无刺红花进行了试验测定，但对不同红花品种或者同一品种不同种植状态下的红花均可采用相似的方法测定。本研究的测定方法为设计其他采收机械的有关参数提供计算依据。

测得的红花物料特性可为红花花瓣收获机械的设计提供理论计算依据。

参考文献：

[1]颜霞.新疆裕民县红花种植面积全国第一[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xj.xinhuanet.com/2011-08/16/content_23474313.htm.

[2]王果平，帕丽达，李晓瑾，等. 药用植物红花新疆产地适应性数值分析[J]. 中国民族民间医药，2010（23）：49-50.

[3]王瑛. 裕民县启动红花花瓣采摘机研发工作[EB/OL]. [2013-11-26]. http：//www.xjnj.gov.cn/Adetail.aspx？Aid=29344.

[4]赵春花，张锋伟，曹致中.豆禾牧草茎秆的力学特性试验[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：122-126.

[5]李洪军，李磊. 红花采收及干燥方法[J]. 农村新技术，2011（14）：42.

[6]马洪顺，张忠君，曹龙奎.薇菜类蔬菜生物力学性质试验研究[J]. 农业工程学报，2004，20（5）：74-77.

[7]张佳，庄卫东，陈彬. 农业物料悬浮试验台的研制[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，1998，10（3）：56-59.