葵花盘辅助授粉装置研究设计

王鹏飞 ， 杨硕林

（1.临沂技师学院，山东 临沂 276000；2.山东农业工程学院机械电子工程学院，山东 济南 250100）

农业新时代背景下，我国大力推动乡村振兴战略，倒逼农业技术优化升级，葵花籽在整地播种栽植过程中，其辅助授粉成功率较为关键，葵花盘高授粉率是提升亩产量的前提。葵花是异花传粉，自然授粉率较低，需借助人工辅助授粉[1-3]，然而目前向日葵人工授粉的工具主要有粉扑、毛笔、羽毛等，授粉质量和均匀度较差，向日葵为雌雄同体柱体结构，单柱花粉量交替授粉很难满足高授粉率要求，且大量劳动力需求下，授粉质量、授粉效率都不高，导致产出效率不高。据统计如果每公顷葵花盘授粉率提高1个百分点，收入就会提高2 000～3 000元，因此设计一种向日葵花盘辅助授粉装置来有效提高授粉率有重要意义[4-6]。

1 功能单元分析设计

1.1 柔软性设计

目前，向日葵人工授粉的工具主要包括粉扑、毛笔、羽毛等，考虑葵花粉是葵花植物雄性或雌性器官，是一种生殖细胞，外观呈粉末状，其个体称为“花粉粒”，质地比较软，易被尖锐或者坚硬物体碾压破坏，因此现在的辅助授粉装置多是柔软带有黏附性质的毛绒物。

1.2 全面积摊抹

向日葵花盘为一近似圆柱体结构，现在的辅助授粉装置毛刷盘工作端面多小于葵花盘面积，也有一些毛刷盘工作端面较大，但均需人工控制毛刷盘在葵花盘授粉面重复动作、不断摊铺，以保证葵花盘每个位置都被摊抹到，进而确保全面授粉效果。授粉装置摊抹示意图如图1所示。

图1 授粉装置摊抹示意图

1.3 空间密封授粉

调研发现，现在的辅助授粉装置基本都是在开放空间下进行工作，花粉类似于粉尘，易随风飘扬，受外界影响很大，如果在授粉过程中遇到天气变化等不可控因素，易使得黏附花粉流失，造成授粉工作结果徒劳；葵花粉是植物的生殖细胞，有人在吸入花粉后，出现过敏反应即花粉过敏症，又叫“季节性变应性鼻炎”，劳动者在开放环境下难免会遭受过敏原的侵袭，造成自身工作效率下降，甚至影响身体健康[7]。

设计气囊原理：充气之后将向日葵花盘包裹起来，支撑板对气囊支撑，且布置在环形气囊的外圆周面和端面，弹性面为弹性柔性面，采用塑胶材质且设置在与花盘接触的内圆周面，气囊内部与气管连通，使内充气体与气管连通，随着内充气体的膨胀形成变形挤压并与花盘的外圆周面接触并贴合，此时花盘的授粉面、弹性面、架板形成密闭空间[8-9]。

过程中气囊的作用：气囊可通过气体膨胀伸缩对花盘侧端面进行包裹，通过充放气机构的气流调节充盈或者收缩包裹气囊，实现对每个葵花盘的密封包裹，形成一个暂时密封的授粉空间，摒除外界环境影响，减少花粉的外泄、掉落，进而提高授粉的稳定性。鉴于气囊的原理与作用，合理选择气囊并对气囊进行合理布局十分重要。

柔性气囊最外层设置一层圆形钢圈，圆形钢圈内部放置密封圈，气囊放置于密封圈与钢圈之间，实现密闭，这样设计一方面起到固定作用，另一方面使气囊可以把向日葵花盘包裹起来，形成一个暂时密封的授粉空间，与整体配合实现授粉过程。为了让气囊具有足够的耐磨性及长的寿命，因此选择和安全气囊同类型的橡胶气囊进行搭配。密封摊抹结构示意图如图2所示。

图2 密封摊抹结构示意图

1.4 额外补充粉源

向日葵为雌雄同体柱体结构，蜜蜂等昆虫授粉及人工辅助授粉无法控制葵花盘花粉种类的摊铺量，使很多摊铺工作未及时补充对应位置的异种花粉，随着授粉工作的推进，黏附花粉不断消耗，也可能会使辅助授粉装置中的毛绒花粉种类变得单一，致使授粉率难以得到保证[10]。补充授粉结构示意图如图3所示。

图3 补充授粉结构示意图

2 组合结构设计

2.1 单元间接口

将新型辅助授粉装置功能单元-摊铺花粉的柔软性设计、全面积摊抹结构、空间密封授粉结构、额外补充粉源装置集成整合在一起，形成满足辅助葵花盘授粉全功能、全需求的集合装置，中间需要联系各功能模块的接口技术。一般的机电产品中接口技术包括电气连接、机械连接，这里考虑降成本及实用性原则，不同单元间选择不同的接口技术。全面积摊抹结构与整体进行角度球式的机械连接、摊铺花粉的柔软性设计与额外补充粉源装置手动控制的气动连接、空间密封授粉结构与整体并行气动连接和机械连接，具体装配结构图如图4所示。

图4 整体装配结构图

2.1.1角度摆动球选择

角度摆动球选择橡胶球，其具有可交联的橡胶的分子链，交联后的橡胶在受到外力变形时，拥有快速恢复的能力，并具有良好的物理性能、机械性能和化学稳定性，可以在外部力量很小的情况下产生较大的变形，且合成价格低廉，在日常生活中应用广泛。这样选择角度摆动球，可以实现毛刷的上下摆动，最终完成向日葵花盘的均匀授粉。

2.1.2 充放气原理设计

弹簧装置作为向日葵花盘授粉机的关键零部件，对整体工作的流畅度影响较大，弹力大小关乎气囊充气的大小，如果弹簧伸缩量过大，会导致人工操作困难，费时费力，和设计初衷相悖。如果弹簧伸量过小，会影响气囊的充气程度，从而造成囊性结构无法适应向日葵花盘的大小，导致授粉的效果变差。

本向日葵花盘授粉机设计的扳机弹簧部分采用弹簧、气流皮碗及气流板紧密配合，手指位置通过枪指槽不断挤压扳机，配合挤压弹簧形成充气与吸气过程，内部的气流皮碗如同充气筒对气流通道不断进行充气与吸气。

充气过程：轻轻推动扳机，气流皮碗开始向内移动，把气体推入气流通道，实现对气囊的充气。

放气过程：用力推动扳机，使气流皮碗滑出轨道，实现放气过程，放气结束，松开扳机，气流板在弹簧的弹力作用下滑回轨道，完成放气过程。

2.2 具体实施

在进行葵花盘辅助授粉时，工作人员手持装置的手持枪体部位即主架体，将未变形的包裹气囊（密封装置）贴近授粉的葵花盘的授粉面，使得未变形的包裹气囊套住整个葵花盘；这时手指位置通过枪指槽不断挤压气流板，配合挤压弹簧持续形成充气与吸气过程，内部的气流皮碗如同充气筒对气流通道不断充气；最后通过分流连接的气囊管充盈在包裹气囊内，使得包裹气囊的弹性柔质面向内变形挤压，直至包裹住葵花盘外端面。这时授粉面、弹性柔质面、功能间连接架形成密闭空间，内部包含授粉支架，授粉支架的毛刷盘正对授粉面，授粉支架通过主连接柱配合安装连接在功能间连接架中心位置的角度球接口内，配合位置设置有配合孔槽，配合形式为间隙配合；角度球接口与功能间连接架配合端面设置转动套，手持人员角度转动手持枪体带动主连接柱小角度搅动，最终运动形式为：授粉支架的毛刷盘对授粉面进行均匀摩擦接触，与此同时，主连接柱与角度球接口配合段设置有一定距离的伸缩端面，此距离即为伸缩位移；通过伸缩位移可以调节毛刷盘与授粉面的距离，当该授粉面授粉结束后，通过用力挤压气流板，使得气流皮碗脱离滑移孔槽，形成包裹气囊的放气过程，直至包裹气囊脱离当前葵花盘。

另外，主枪体侧端部内部设置有安装花粉筒的孔槽，盛放均匀混合葵花花粉的花粉筒另一端设置有筒接口，并通过筒接口与中间支架螺纹配合连通。主枪体与花粉筒对应位置设置有按钮式的脉冲粉筒按钮，主连接柱内部设置有与筒接口连通的主流道，主流道内连通在内流腔内，内流腔设置在毛刷盘内，毛刷盘工作端面设置有柔软吸附材质的授粉毛刷，授粉毛刷正对葵花盘的授粉面，且毛刷盘与授粉毛刷连接位置设置有密集通孔的粉流板。在摩擦接触授粉面之前需要挤压一下脉冲粉筒按钮，将花粉筒内部均匀的葵花粉脉冲式喷入到主流道内，并通过内流腔及粉流板的通孔将葵花粉迅速黏附在授粉毛刷上，保证有充足、均匀的葵花粉供其与授粉面摩擦接触，杂交授粉。

3 结语

本文研究设计了一种向日葵花盘辅助授粉装置，通过手持枪结构的抽气筒式的气流调节充盈或者收缩包裹气囊，实现对每个葵花盘的密封包裹，形成一个暂时密封的授粉空间，提高授粉的稳定性；通过角度摆动球小角度转动授粉支架，实现对不同大小的葵花盘均匀毛刷摸动杂交授粉。为了提高授粉率，配合相互贯通的气流通道实现花粉筒内葵花粉的脉冲喷出，进入到粉流板和授粉毛刷间，使得毛刷摸动杂交授粉更加充分，整个高效授粉过程一体化设计，得到满足辅助葵花盘授粉全功能、全需求集合的结构装置，操作环环相扣，提升劳动效率，降低授粉成本，提高葵花盘授粉率。