基于红花力学特性的梳夹式采摘机构的设计与试验

孙胃岭 ，曹卫彬，古乐乐，刘姣娣，王崧浩

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

红花为菊科植物,干燥管状花,是一种名贵的中药材和油料作物。红花每个种球一般发出花序3批，每一批次间隔3～5天，从开始出现花序至开花结束一般为15～20天；花败后采摘，花序粘结[1], 花丝内的羟基红花黄色素A和黄酮含量显著降低[2]，采收不及时将严重影响红花的品质。目前，研发的机型多为切割式、气吸式、切割-气吸式，这些机型必须精准对花，效率不高且噪声大，未得到推广[3]。葛云等通过对辊的旋转吸附以及摩擦、挤压和拔取作用，完成采收，至今仍处于研发阶段[7]，目前红花仍以人工采摘为主。由于人工采摘花丝劳动强度大、效率低，红花花丝不能适时采摘成为制约红花产业发展的瓶颈。因此，红花亟待实现机械化盲采，本课题组提出了一种梳夹式红花花丝采摘机构。

红花花丝夹持采摘的力学特性是红花花丝梳夹式采摘至关重要的前提，目前已有对红花植株各部分的抗拉力及花丝悬浮特性的研究[4-6]，未涉及花丝夹持采摘力学特性。为保证红花不漏采且减少夹持损伤程度，综合考虑花丝抗拉力与各因素的关系及不同夹持力对花丝损伤程度的影响，为梳夹式红花花丝采摘机构的设计提供参考。为此，以新疆区域主栽品种无刺红花为试验对象，测试分析了与夹持采摘相关的力学特性，并通过对采摘过程中花丝的受力分析及夹持参数理论模型得到采摘机构的技术参数，构造一种梳夹式花丝采摘机构。同时，通过应变测力系统分析采摘样机的理论设计可靠性，以期提出最佳采摘齿间隙，并验证其采摘效果。

1 红花花丝的力学特性

1.1 材料与仪器

试验于2016年7月1日在石河子大学实验室进行。所选用的试验对象为新疆区域主栽品种无刺红花，红花株高70～100cm，最低分枝高度35～40cm，一次有效分枝7～10个，二次有效分枝7～10个，全株花球10～30个，单个花球花丝根数为40～107根[7]。

通过田间统计及含水率测定：红花开花1～4天，含水率为65%～80%；开花6～8天，含水率为20%～30%。含水率随开花天数逐渐减少，在开花4～6天含水率急剧降低，该统计结果与葛云等[8]统计结果一致。开花1～4天花丝直立，开花3～4天,花丝由黄转红为最佳采摘时间[8-9]，开花5天以后，花丝粘结且品质严重下降。

试验仪器为高特威尔伺服控制万能材料试验机(型号GT-7001-LS，精度为±1%)，MA35水质分析仪(赛多利斯MA系列)。图1为力学测试对象。

1.2 力学特性分析

1.2.1抗拉力试验及结果分析

初见种球开花到大部分种球盛开只需2～3天，在田间同一时间采摘花丝时其含水率波动范围不大。即在实际采摘中，根据采摘时间的不同其含水率可得到有效控制，作为可控因素，研究含水率对抗拉力的影响具有实际意义。选取含水率、拉拔速度及花丝夹持根数作为试验因素，以花丝与种球之间的抗拉力作为响应值，进行两水平正交试验。根据前期因子筛选试验及单因素试验，以开花3天和开花5天的红花作为试样，以开花3天和开花5天的平均含水率范围作为含水率因素的两个水平，从每朵花中取部分花丝测量含水率，从中挑选满足试验所要求的含水率范围内的红花，将选好的红花分类放入保鲜盒，以防止水分流失。花丝细小，质地柔软，试验时用镊子分离花丝，用纸条缠绕在被分离的花丝外部，拉伸探头缓慢夹持，以减少夹持部位花丝的机械损伤；夹持后，通过调节拉伸探头两侧的拧紧螺母，增大夹紧力确保探头与花丝在拉伸过程无相对位移，提高试验结果的准确性；夹具夹住茎秆，竖直向上拉伸花丝，直至花丝断裂[10-12]。

1.花丝 2.花序 3.种球 4.茎秆图1 力学测试对象Fig.1 Objects of mechanical properties test

逐一编码3个影响因素，安排两水平正交试验，分析各因素及交互作用对响应指标的影响。编码值及实验因素如表1所示，方差分析结果如表2所示。由表2可知：在显著性下，夹持根数F比值89.76，含水率F比值43.66,大于F0.90(1,1)=39.86，即因子夹持根数及因子含水率对指标有显著影响；各因子的交互作用的F比值均小于F0.90(1,1)=39.86，即各因子的交互作用对响应值无显著影响，故不再进行讨论；拉拔速度的F比值小于F0.90(1,1)=39.86，拉拔速度对抗拉力的影响不显著。以抗拉力为响应值，花丝夹持根数、含水率为响应因子，安排混合水平正交试验。其中，以采摘期不同开花天数的平均含水率(开花3天，开花4天，开花5天)作为含水率的不同水平，夹持根数以梳夹式采摘机构不同夹持参数可喂入的花丝数量作为不同水平，混合水平正交试验因素编码值如表3所示，试验数据的方差分析如表4所示。

表1 二水平正交试验-因素及编码值

表3 混合水平正交试验-因素及编码值

表4 混合水平正交试验-方差分析表

F0.9(2,14)=2.73 F0.95(2,14)=3.74。

由表4可知：在置信水平95%的条件下，夹持根数、含水率及其交互作用对抗拉力影响作用显著，且显著性依次降低。运用MatLab软件拟合试验数据，由图2可知：相同夹持根数水平下，含水率在60%～75%范围内，随含水率的增加，抗拉力最大增幅为1.2N，最小增幅为-0.2N；相同含水率水平下，在花丝夹持根数5～25根范围内，随夹持根数的增加，抗拉力最大增幅为2N，最小增幅为0.8N；抗拉力沿含水率方向变化较慢，沿夹持根数方向变化较快，可见夹持根数对花丝抗拉力的影响要比含水率的影响显著。

图2 夹持根数及含水率对抗拉力的影响Fig.2 Effect of the number of gripping and the moisture content on tensile strength

通过MatLab试验数据拟合，分析抗拉力与各因素的拟合方程，在置信度95%的条件下，其调整R2=0.938 7，拟合优度很好；其剩余标准差为0.188 1，剩余平方和为0.636 7，系数显著，说明拟合方程与实际情况具有良好的拟合关系，具有实际意义。其拟合方程为

FL=1.909+0.00472xy-0.1123x-
0.03169y-0.00496x2

(1)

其中，FL为抗拉力(N)；x为夹持根数；y为含水率(%)。

1.2.2压损试验及结果分析

夹持采摘花丝时，夹持力过大则会损伤花丝，其内部有效成分流失，从而影响红花的品质，因此对红花的梳夹式采摘必须考虑夹持时花丝的机械损伤。考虑到花丝夹持后的变形量微小，无法直接通过数学建模来描述花丝的损伤程度，因此通过压损试验来模拟不同夹持力下花丝的损伤程度。试验材料选取开花3天的红花，该花期的红花为适时采摘时含水率最高且花丝表面组织最脆弱的时间，夹持采摘时最易损伤。试验方法为从剪下的花丝中选取单根花丝放在白色宣纸上，探头以恒力下移，抵达同一位移时探头返回；对宣纸上花丝沁出的黄色汁液的染色面积处理后，用PhotoshopCs5 计算染色面积，以染色面积作为中间量，建立夹持力与损伤程度的关系。

探头分别施加20、30、40、50、60、70、80、90、100N的力，探头与宣纸距离0.1mm时探头返回。每组试验取1根花丝，每组重复5次取平均值。各夹持力下的平均染色面积依次为4.15、9.21、23.01、24.21、46.02、53.71、82.15、85.03mm2，定义花丝表面不同破损程度为花丝损伤程度，无损伤为花丝表面完整无汁液沁出；中度损伤为1/3长度的花丝出现空管现象；重度损伤为2/3长度的花丝出现空管现象空管。经试验观察，随着夹持力的不断增大至到60N时，全部测试花丝处于中度损伤及中度损伤水平以上，夹持力为90N时，花丝已严重损伤，采摘后无使用价值。因此，采摘花丝时为保证花丝的品质其最大夹持力不应超过20N。

2 红花花丝夹持采摘机构的设计

2.1 采摘机构的设计

2.1.1 夹持采摘受力分析

在夹持采摘过程中，由于红花特殊的力学特性，花序与种球的轴线始终保持在同一方向，该轴线与地面之间的夹角因滚筒转速的不同而有所不同，但夹持采摘瞬时花丝的拉拔方向竖直向上，如图3(a)所示。花丝夹持后在采摘齿的夹持分布主要分为3种情况，依次是单根花丝双侧与齿面接触；单根花丝单侧与齿面接触，另一侧与采摘齿内的花丝接触；单根花丝两侧与均与采摘齿内的花丝接触。夹持采摘时，动、定齿对花丝两侧的夹持力应保证夹持拉拔时花丝与齿面、花丝与花丝相对静止，即采摘过程花丝无滑脱。考虑到花丝之间的摩擦因数与花丝与齿面之间摩擦因数的不同，对不同夹持分布下的花丝进行受力分析，如图4所示[13-14]。

(a) 采摘过程示意图 (b) 采摘部分设计图

(c) 凸轮运动轨迹与转角 1.选装滚筒 2.采摘齿 3.红花茎秆 4.螺纹安装孔图3 采摘机构设计Fig.3 Design of gripping pick structure

(a) 花丝双侧与齿面接触的受力分析 (b) 花丝单侧与齿面接触的受力分析 (c) 花丝双侧与花丝接触的受力分析 FJ1、FJ2、FJ3.夹持1、2、3根花丝时的齿面夹持力 Ff1、Ff2、Ff3.夹持1、2、3根花丝时花丝与齿面的摩擦力 Fb、Fc.夹持2、3.根花丝时花丝间的摩擦力图4 花丝不同夹持分布下的受力分析Fig.4 Force analysis of filaments under different gripping distribution

FJ≥FL/2μ1

(2)

不同含水率下的最小摩擦因数称为安全夹持摩擦因数，记为μmin。经试验测定，其中μ1min=0.23。在拉拔方向上FL，成功采摘时采摘力应能克服花丝与种球之间的抗拉力,同时夹持力不宜过大或过小，避免花丝的夹持损伤或夹持力度达不到要求。由式(1)和式(2)联立可得式(3)，克服花丝与种球的抗拉力的夹持力FL取决于花丝的夹持根数x、含水率y，以及安全夹持摩擦因数μ1min，则

FL=

(3)

2.1.2 机构设计

花丝夹持采摘机构为滚筒式，将采摘齿通过螺纹孔安装在动齿轴和定齿轴上，将安装好采摘齿的动、定齿轴装配体插入旋转滚筒的安装孔中，定齿轴两侧与选装滚筒通过螺纹连接固定，动齿轴两端分别安装有压缩弹簧和端面凸轮。安装在动齿轴上的采摘齿称为动齿，同理可得定齿。动齿通过端面凸轮和压缩弹簧实现相对于定齿的往复直线运动，实现花丝的夹紧与分离抛送；定齿、动齿均通过螺纹孔与定齿轴、动齿轴按一定齿间隙排列安装，可方便调整齿间隙，带轮驱动旋转主轴实现旋转滚筒的转动，如图5所示。

1.带轮 2.旋转滚筒 3.动齿轴 4.定齿轴 5.压缩弹簧 6.旋转主轴 7.采摘齿 8.端面凸轮图5 夹持采摘机构Fig.5 Structure of gripping pick

所设计的夹持采摘机构其采摘齿插入花序，通过动、定齿的开合动作，及随旋转滚筒的转动实现花丝的夹持采摘与分离抛送。因花丝细小，其采摘齿尖端设计有一定锥度，且齿厚较薄，以便采摘齿可插入花序。除此之外，本设计为无须逐朵对花的机械化盲采，其动、定齿之间的齿间隙应小于红花茎秆的最小直径，避免茎秆进入齿间隙从而搂落种球。其夹持采摘过程示意如图3(a)所示，单个采摘齿如图3(b)所示。

压缩弹簧和端面凸轮是夹持采摘机构的关键部件，完成采摘齿的开合动作。根据采摘作业要求，压缩弹簧常压实现采摘齿的闭合，端面凸轮推动动齿实现花丝的分离抛送。凸轮的运动轨迹与转角的关系如图3(c)所示。

红花最细茎秆直径为3mm，因此动、定齿齿间隙应小于3mm,避免茎秆喂入齿间。单根花丝平均直径为0.8mm，因此相邻齿间隙应大于0.8mm，故齿间隙取值为0.8～3mm。通过齿间隙为因子的单因素试验，发现齿间隙为2.5mm时花丝喂入效果最佳，平均喂入花丝数量为19根，因此调整采摘机构齿间隙为2.5mm。夹持力由式(3)计算时含水率取开花3～4天的整株红花中最新鲜的花丝测量，以计算最大夹持力作为机构设计所需的夹持力参数。由压缩弹簧的压力和动、定齿往复运动产生的摩擦力决定，在三维造型软件NX9.0中设定机构各部分的材料并确定相对于定齿滑动的动齿及装配零件总重力为21N，查表得钢与钢之间的摩擦因数为0.15,通过摩擦力计算公式得到往复运动产生的摩擦力为3.15N。选择弹簧刚度为1.15N/mm的ICM120H08号#302不锈钢的压缩弹簧，其负荷33.4N,自由高度为40mm，通过调节压缩弹簧的压缩长度调整夹持力。齿间隙2.5mm时，试验结果与夹持参数如表5所示。

表5 夹持参数计算结果

2.2 物理样机测试

根据理论计算得到的数据试制物理样机。采用应变测力系统检测夹持采摘机构夹持花丝的夹持特性。方法是将应力应变片粘贴在采摘齿上，获取花丝夹持过程中夹持变形所得的应变信号，应变片接入电桥，经信号调理器输入到应变放大器进行处理，最后由数据采集仪记录夹持力数据，对应变测力系统进行标定试验。分析不同加载量与输出电压的关系，经多次加载试验，经统计分析测力系统相对误差低于5%，测量结果准确。按照表5进行采摘齿间隙2.5mm条件下的夹持采摘试验，试验对象均为开花3～4天的红花植株。试验方法：将田间红花移栽至土槽试验台，用两根铝棒将所有种球固定在同一平面，样机固定，土槽与样机相对运动，端面凸轮旋转1/4周，仅实现夹持拉拔动作，避免测力系统接线缠绕。

试验中，被采摘齿夹紧但未拉拔成功的花丝视为漏丝，于是花丝夹持拉拔成功率S定义为

式中NL—齿间漏丝数量；

NW—齿间花丝喂入数量。

在滚筒转速40r/min的情况下，进行试验。测力系统测试所得的夹持力数据与理论计算的夹持力进行单样本τ检验，以0.05为显著性水平，自由度是29，经数据分析，τ统计量的值是1.356，小于临界值。对于检验值为6.36(测量夹持力均值)而言，95% 的置信区间是(-0.043 3，0.240 8) ，由式(3)计算的理论计算夹持力6.36N临界置信水平为 0.186，大于0.05。这说明试验测得的夹持力数据与理论计算的夹持力无显著性差别，验证了理论设计的可靠性。从表6可以看出：齿间隙2.5mm时，对含水率范围为60%～70%，开花3～4天的红花植株进行采摘，所设计的夹持采摘机采摘效果较好，其漏丝数量较少，成功率为80.2%。夹持采摘时夹持力均小于压损试验得到的可靠夹持力20N，观察夹持采摘后的花丝，其表面完整无损伤，采摘齿面清洁无花丝内部沁出的汁液。

表6 夹持性能测试结果

3 结论

1)通过红花夹持采摘力学特性试验，得到了花丝抗拉力与花丝夹持根数及含水率的关系，以及花丝夹持所能承受的最大夹持力。

2)基于花丝的夹持采摘力学特性的分析，对夹持采摘机构进行设计,并对花丝夹持后在采摘齿内进行受力分析，得到采摘齿的夹持力与花丝夹持根数，含水率及最小摩擦因数的理论模型。

3)通过应变测力系统对花丝夹持力进行了测试，通过单样本τ检验，得到夹持力测试数据与理论设计数据无显著差别，验证了理论设计的可靠性。当齿间隙为2.5mm时，夹持拉拔成功率为80.2%，花丝无压损。

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