圓弧漸進式紅花絲采收裝置設計與試驗

張振國，邢振宇，楊雙平，馮 寧，梁榮慶，趙敏義

圓弧漸進式紅花絲采收裝置設計與試驗

張振國1,2，邢振宇1，楊雙平1，馮 寧3，梁榮慶4，趙敏義1

（1. 新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2. 中國農業大學工學院，北京 100083；3.平頂山學院電氣與機械工程學院，平頂山 467000；4. 德州學院能源與機械學院，德州 253023）

針對紅花切割采收時花絲破損率高、采凈率低等問題，該研究結合紅花物料及力學特性，設計了一種圓弧漸進式紅花絲采收裝置。通過對圓弧漸進刀具進行受力分析和切割速度分析，明確了影響采收性能的關鍵因素為刃口傾斜角和刀軸轉速；利用Fluent軟件對采收腔室流場進行分析，確定適宜的風機轉速，驗證腔室設計的合理性。為提升圓弧漸進式紅花絲采收裝置的工作性能，以刃口傾斜角、刀軸轉速和風機轉速為影響因素，以采凈率、破損率、集凈率為響應指標，進行二次正交旋轉試驗。運用Design-Expert軟件建立數學模型，獲得最優參數組合為：刃口傾斜角25°，刀軸轉速6 44 r/min，風機轉速2 800 r/min，對應的采凈率為92.1%，破損率為9.6%，集凈率為94.7%，對優化結果進行驗證試驗，結果表明，采凈率為91.5%，破損率為9.8%，集凈率為94.2%，與仿真優化結果誤差不超過5%，表明所設計的紅花絲采收裝置能較好地完成紅花絲采收作業。該研究可為紅花機械化采收提供理論依據和技術參考。

收獲；優化；紅花絲；圓弧漸進刀具；激光對射；Fluent仿真

0 引 言

紅花是新疆的優勢特色經濟作物之一，紅花產量與種植面積均占國內產量和種植面積的80%以上[1]。紅花機械化采收可有效降低田間作業勞動量，但目前紅花采收機械仍存在花絲破損嚴重，收集效果不理想，嚴重制約紅花產業健康發展[2-4]。因此，亟需解決紅花機械化采收過程中花絲采收品質和產量的問題。

近年來，國內外學者圍繞紅花采收的整機與關鍵部件開展研究，主要集中在氣力采收、拉拔采收、梳齒采收、切割采收等[5-6]。Rajvanshi等[7-9]采用負壓氣力使果球和花絲分離，但采摘效率低，花絲損失嚴重；葛云等[10-11]采用膠輥旋轉拉拔采收花絲；曹衛彬等[12-14]采用梳齒對整株紅花進行采收，雖然節約了對花時間，但花絲采凈率低；張振國等[5,15-17]提出采用切割-氣吸組合式采收花絲，提高了采收效率，但是花絲破損率高。在關鍵部件方面，陳飛等[4]采用集條預定位機構將單株紅花由空間無序調整為條狀有序，降低紅花采摘難度。張曉偉等[18]考慮紅花的生長特性，結合圖像識別技術獲得紅花采摘位置二維平面坐標，完成采摘。綜合上述研究，紅花采收裝置對花絲結構破壞較大，花絲破損率較高，并未有效降低花絲破損率。因此，紅花采收裝置在保證高采凈率的同時，亟需優化花絲切割刀具和紅花定位采收裝置，降低花絲破損率。

為提高紅花采收機械化采收質量，本文結合紅花生長特性設計圓弧漸進式紅花絲采收裝置，從理論上分析采收機構關鍵部件的結構參數和運動參數，確定采收裝置性能指標的影響因素，并進行樣機性能試驗及田間試驗驗證，擬提高其作業質量，為紅花絲采收裝置設計和優化提供借鑒。

1 整機結構及工作原理

1.1 紅花物料特性

紅花物料特性是紅花采收裝置設計的依據[5,19]。試驗紅花選取新疆引進的油花兼用型品種“云南紅花”，于2022年6月中旬選取新疆農業大學三坪種植基地長勢一致紅花種植區的紅花進行物料特性參數測定[19-20]，如圖1所示。采用五點法進行田間取樣，每個取樣點選取30朵適宜采收的盛開期紅花進行測定，得到紅花植株主要物料特性參數，同時對紅花切割力學特性進行測定分析，可為關鍵部件的設計提供依據，如表1所示。

1.花絲 2.縮頸 3.果球

1.Filaments 2.Necking 3.Fruit ball

注：為花絲幅寬，mm；為果球球徑，mm；為果球縮頸直徑，mm；為花絲平均高度，mm；為花絲切割區域。

Note:is the filament width, mm;is the safflower fruit ball diameter, mm;is fruit bulb necked diameter of fruit ball, mm;is the average height of filaments, mm;is the filament cutting area.

圖1 盛開期紅花結構參數示意圖

Fig.1 Diagram of structural parameters of safflower in blooming period

表1 紅花主要結構參數及力學特性參數

1.2 整機結構與技術參數

圓弧漸進式紅花采收裝置主要技術參數如表2表示，采收裝置結構示意圖如圖2所示，包括花絲收集箱、負壓收集系統、花絲采收機構等?；ńz采收機構通過花絲輸送管道與花絲收集箱連接，電控系統通過螺栓連接在花絲收集箱底部，負壓收集系統安裝在花絲收集箱上側。作業時，手持花絲采收機構的外殼對準花絲，啟動電控系統和負壓收集系統，用于壓縮和吸附花絲，經花絲輸送管道輸送至花絲收集箱。

表2 圓弧漸進式紅花絲采收裝置主要技術參數

在此過程中，花絲采收機構作為圓弧漸進式紅花絲采收裝置的核心部分，具有篩選花絲與莖葉、分離花絲與果球的作用。如圖3所示，圓弧漸進式紅花絲采收裝置主要由采收腔室、圓弧漸進式刀具、步進電機、花絲喂入狀態監測裝置等組成。圓弧漸進式刀具與步進電機連接，可根據作業需求調節刀具轉速，與花絲喂入狀態監測裝置共同作用改變紅花絲切割效果。作業時圓弧漸近刀具由兩端窄處刀片向中間最寬處刀片旋轉切割花絲，并收斂花絲在刀具最寬處，防止切割時造成花絲的多次傷害。同時保持腔室內切割花絲被負壓氣流吸附收集。

1.負壓收集系統 2.花絲收集箱 3.電控系統 4.花絲輸送管道 5.花絲采收機構

1.采收腔室 2.圓弧漸進式刀具 3.花絲喂入狀態監測裝置 4.花絲進口 5.錐形擬合面 6.底盤 7.步進電機 8.花絲出口

1.3 工作原理

工作時，紅花絲由人工對花喂入裝置下部喂入區后，花絲采收機構監測區的激光被花絲阻擋，步進電機啟動，帶動切割區的圓弧漸進式刀具旋轉，漸進切割并匯聚花絲至刀具最寬處，實現花絲與果球的分離，在負壓作用下，分離的花絲經輸送管道吸附至收集區的花絲收集箱，完成花絲收集。同時圓弧漸進式刀具復位，刀具最寬處位于花絲進口正上方，等待下次采收。

2 關鍵部件設計

2.1 花絲采收機構設計

圓弧漸進式刀具是花絲采收機構的關鍵部件，刃口傾斜角、刀具轉速影響花絲采收效果，花絲集中匯聚在刀具內側，可降低花絲破損率，提高花絲采凈。本文以紅花物料參數為依據，設計花絲采收機構結構參數，并通過分析圓弧漸進式刀具作用下花絲滑切受力與速度，確定影響花絲采凈效果的關鍵因素，為結構參數優化提供理論基礎。

2.1.1 結構參數設計

花絲采收機構主要由圓弧漸進式刀具、步進電機構成的花絲切割部件及采收腔室等組成。如圖4所示，花絲切割刀軸以轉速切割花絲，在圓弧漸進式刀具的旋轉切割作用下，花絲匯聚至刀具最寬處，采收腔室負壓收集花絲。結合表1數據，通常紅花采收的果球球徑為19.40～30.56 mm，果球縮頸直徑為2.57～7.74 mm。若使花絲完整切割，設置進花口面相切分別與圓弧漸進式刀具、圓弧漸進式刀具底盤面相切。由圖4幾何關系求得花絲進給深度與刀具缺口寬度為

注：為刃口回轉半徑，mm；為刀具最窄處高度，mm；為圓弧漸進式刀具厚度，mm；為刀具缺口寬度，mm；為花絲進口半徑，mm；Δ為刀具缺口寬度與花絲進口半徑的差值，mm；1為刃口傾斜角，(°)；2為進花口中心線與刀具缺口其中一條邊之間的夾角，(°)；為刀軸轉速，r·min-1。

Note:is the radius of rotation of the blade, mm;is the thickness of the circular arc progressive type blade, mm;is the thickness of the circular arc progressive type blade, mm;is the width of the blade notch, mm;is the radius of the fillet inlet, mm; Δis the difference between the width of the blade notch and the radius of the fillet inlet, mm;1is the inclination angle of the blade, (°);2is the angle between the centerline of the inlet and one of the edges of the blade notch, (°);is the rotating speed of the blade shaft, r·min-1.

圖4 花絲采收機構切割過程分析

Fig.4 Analysis of cutting process of filament harvesting mechanism

參考相關文獻[5,15]及項目組研制的圓弧漸進式紅花絲采收裝置作業參數可知，花絲進口半徑為20 mm，刃口回轉半徑為25 mm，夾角2為25°。依據GB/T 1209.3-2009《農業機械 切割器第3部分：動刀片、定刀》，確定圓弧漸進式刀具厚度為4 mm，刃口傾斜角1為25°?？紤]到加工與安裝誤差，避免刀具缺口寬度與花絲進口半徑干涉，刀具缺口寬度與花絲進口半徑差值Δ為2 mm。結合表1，確定花絲進給深度等于果球縮頸直徑4 mm，將上述參數代入式（1）求得刀具最窄處高度為13 mm，刀具缺口寬度為40 mm。

2.1.2 花絲滑切受力分析

為實現良好的采凈效果，采用滑切方式切割花絲，刀片由花絲外側向中部漸進式滑移切割，增強刀刃的鋸斷作用，降低花絲切割比阻。因此刀具的刃口采用圓弧漸進式，即圓弧漸進曲線的滑切效果更加明顯，其切割瞬間刀片曲線示意圖如圖5所示。以底盤中心為原點，以刀片所在回轉平面切向為軸、垂直于底盤方向為軸，平行于回轉平面方向為軸，建立刀片某一瞬時空間坐標系。假設刀片處于靜止狀態，花絲縮頸質點沿著刀片曲線運動至切割點，質點軌跡為圓弧漸進曲線。

1.刀片 2.底盤 3.刀軸

1.Blade 2.Chassis 3.Blade shaft

注：為花絲縮頸質點；為切割點；d為沿著平行于圓弧漸進刀具的底盤邊界的方向長度，mm；d為位移所對應的斜面邊界的高度抬升量，mm；為刃口夾角，即刃口與軸負方向的夾角，(°);、、為坐標軸。

Note:is the filament necking point;is the cutting point; dis the length along the direction of the chassis boundary parallel to the arc asymptotic blade, mm; dis the height rise of the slope boundary corresponding to the displacement, mm;is the angle between the blade and the negative direction of the-axis, (°);,,are axes.

圖5 切割瞬間刀片曲線示意圖

Fig.5 Cutting instant blade curve diagram

花絲縮頸質點從斜圓柱的缺口最低點開始切割，沿著平行于圓弧漸進刀具的底盤邊界刃口微單元平面方向，以長度d切割運動至切割點，水平位移為sind，這段位移所對應的斜面高度增加量d為

式中為圓弧漸進式刀具缺口最低點至切割點M的弧長，rad。

結合圓弧漸進式刀具運動的邊界條件，缺口最低點至切割點的弧長取2π時，圓弧漸進高度為0。對式（3）積分得到圓弧漸進曲線為

式中為圓弧漸進式刀具某點的高度，mm。

由式（4）可知，圓弧漸進曲線為余弦函數，曲線形狀取決于刃口回轉半徑和刃口傾斜角1，對機具功耗、切割性能有直接影響。

刀具對花絲的滑切作用力，影響花絲的采凈效果。因花絲在切割過程中受力相對復雜，簡化圓弧漸進式刀具上切割的花絲縮頸為研究對象質點。以為原點，以其所在回轉平面切向為軸、垂直于底盤方向為軸，平行于回轉平面向上為軸，建立刀具某一瞬時空間坐標系。如圖6所示為花絲縮頸滑切原理圖，采用滑切方式增強刀刃微觀狀態下的鋸斷作用，降低縮頸切割比阻，提高花絲采凈率。

1.底盤 2.刀軸 3.刀片

1.Chassis 2.Blade shaft 3.Blade

注：F為刃口法向壓力，N；F為刃口的擠壓力，N；F為刃口的摩擦力，N；v為刀具運動速度，m·s-1；α為沿刃口方向的加速度，m·s-2；a為沿v方向的加速度，m·s-2；為滑切角，即刃口法向壓力與軸負方向的夾角，(°)。

Note :Fis the normal pressure of the edge, N ;Fis the extrusion force of the blade, N ;Fis the friction force of the blade, N ;vis the blade speed,m·s-1;αis the acceleration along the bladedirection, m·s-2;ais the acceleration along the direction ofv, m·s-2;is the slip angle, namely the angle between the normal pressure of the blade and the negative direction of the-axis, (°).

圖6 花絲縮頸在圓弧漸進式刀具作用下的受力分析

Fig.6 Force analysis of filigree neck reduction under the action of circular arc progressive type blade

在忽略空氣阻力情況下，結合測得的紅花物理力學特性[21-22]，花絲易進入對花口。假使花絲縮頸質點剛好被刀具切割完成，在切割花絲時質點接觸切割支座，且能起到支撐作用，即花絲切割為支撐切割。質點受力為刃口法向壓力F、擠壓力F和摩擦力F，其中F位于刃口與刀具運動速度組成的切割面內。在花絲切割瞬間，花絲縮頸質點由靜止開始快速轉動，獲得較高瞬時加速度。則切割面內質點沿刃口和v方向的動力學方程為

式中m為質點質量，kg；為花絲縮頸與刃口摩擦角，(°)。

根據前期研究獲取的花絲剪切力學特性[22-24]，綜合式（4）～（5）可知，花絲采凈率與刃口傾斜角1、回轉半徑有關。根據文獻[25]，滑切角等于刃口傾斜角1，對機具功耗、切割性能有直接影響，當1＞時，形成滑切效應，且1越大滑切作用越明顯。但滑切角越大，質點滑移距離越大，摩擦功耗越大。根據前期研究[5]，回轉半徑取值范圍為24.93～25.18 mm，圓弧漸進式刀具缺口最低點至切割點的弧長范圍為0～2π，圓弧漸進式刀具刃口曲線某點的高度范圍為0～34.20 mm。經計算得到23.83°≤1≤34.18°。綜合式（4）～（5），并結合上述分析，選擇刃口傾斜角1作為影響花絲采凈效果的關鍵因素，取值范圍圓整為24°～34°。

2.1.3 切割速度分析

為有效降低花絲破損率，對圓弧漸進式刀具旋轉嵌入花絲縮頸的切割速度進行分析[26-27]。如圖7所示，由于刀片為圓弧型，刀具刃口每一點處的回轉半徑均相同，作業時，紅花以速度v人工喂入，刀具高速旋切，旋轉線速度v計算公式為

當刀具缺口轉動至最高處時為轉動初始時刻，如圖7所示，時刻刀具轉動的角度為

式中1為時刻刀具轉動的角度，rad。

注：vm′為人工喂入紅花速度，m·s-1；vs為刀具旋轉線速度，m·s-1；v為人工喂入紅花速度和刀具旋轉線速度的合成速度，m·s-1；θ1為t時刻刀具轉動的角度，rad；θ2為合成速度與水平方向夾角，(°)。

2.2 花絲喂入狀態監測裝置設計

花絲的準確定位是降低花絲破損的關鍵。目前的采收方式難以滿足花絲切割位置的精準定位需求，易造成花絲破損。本文提出一種激光傳感器監測花絲切割位置的方法?；ńz喂入狀態監測裝置主要包括激光發射組件和接收組件[28-29]。激光發射組件選用持續產生高亮度激光的N型二極管，接收組件選用光敏二極管。為增加傳感器驅動力和抗干擾性，防止可見光干擾反射激光，影響監測效果，采用調制管進行激光調制，激光發射與激光接收頻率相同。選用74LS04型號反相器驅動若干個發射管，檢測距離為5～300 mm，工作電壓為12 V，花絲喂入狀態監測裝置的發射和接收組件部分電路如圖8所示。

圖8 花絲喂入狀態激光傳感器電路

花絲喂入狀態監測裝置示意圖如圖9所示。發射組件與接收組件均固定于采收腔室的內壁，且在同一條水平線。根據相關研究[5,28]，確定發射組件與接收組件的距離為60 mm，裝置安裝高度1為10 mm。綜合上述分析，結合相關研究[28-29]，經前期試驗，發射組件與接收組件安裝位置與關系為1≥0.8，即當花絲進入高度占花絲總高度的80%以上時，可以保證花絲順利喂入監測區域的同時阻斷激光光束90%以上，花絲切割定位監測效果準確，保證了刀具完整切割紅花絲，為降低花絲破損率奠定基礎。

1.調制管 2.發射組件電路板 3.發射激光頭 4.果球擬合面 5.紅花 6.透鏡 7.接收組件電路板 8.接收管

1.Modulation tube 2.Transmitting component circuit board 3.Transmitting laser head 4.Fruit ball fitting surface 5.Safflower 6.Lens 7.Receiving component circuit board 8.Receiver tube

注：為花絲平均高度，mm；1為花絲喂入狀態監測裝置安裝高度，mm。

Note:is the average height of the filament, mm;1is the installation height of the filament feeding status monitoring device, mm.

圖9 花絲喂入狀態監測裝置

Fig.9 Filament feeding status monitoring device

3 采收腔室流場仿真分析

負壓收集系統產生的流場是影響花絲集凈率的關鍵。流場攜帶輕質花絲通過采收腔室，經過輸送管道到達花絲收集箱。其中采收腔室內部尺寸大小為110 mm×100 mm×90 mm，輸送管道半徑25 mm，長度500 mm。但刀具結構對腔室內部流場會產生擾動。因此，本文運用Fluent軟件對采收腔室內流場進行分析，以探明腔室內氣流運動特性，從而確定影響花絲采凈效果的關鍵因素，為結構參數優化提供理論基礎。

3.1 模型參數確定

腔室結構對流場和花絲運動有直接影響，綜合考慮花絲含水率、懸浮速率、風機能耗和噪音的基礎上，選用速度可調的負壓風機（臺達Delta渦輪鼓風機BFB1212GH 12032，12 V，3.96 A）。依據數值分析建模簡化原則對模型進行簡化，如圖10a所示。將簡化后的腔室模型進行非結構化六面體網格劃分，網格總數約為580 000個，網格間隙2 mm，如圖10b所示。

采用ANSYS19.0/Fluent模塊進行模型邊界條件設定，對采收腔室內部流場仿真分析?；ńz入口邊界條件為壓力入口，結合實際情況設置大氣壓力為邊界值，壓力為1.01×105Pa，進口速度為23.8 m/s?；ńz出口邊界條件為壓力出口，負壓值等于負壓氣室的負壓值，出口速度為11.46 m/s。根據文獻[30]，壁面邊界條件為剛性無滑移壁面，流場初始溫度設置為30 ℃。

3.2 腔室流場數值模擬

根據前期研究[30]，風機轉速n是負壓風機作業的關鍵參數，其數值由負壓風機作業所需全壓確定，即

式中nf為風機轉速，r/min；γ為空氣容重，取11.77 N/m3，g為重力加速度，取9.8 m/s2，Rf為風機葉輪半徑，m；ψ為壓力系數，取常數494；Ps為用于克服流動中各種阻力的靜壓，Pa；Pd為腔室內氣流運動提供動能的動壓，Pa。

查閱相關資料[5,31]，靜壓P用于克服流動中各種阻力，對于負壓風機與圓弧漸進式刀具結構形式的花絲采收裝置P為19.10～52.26 Pa，動壓P為腔室內氣流運動提供動能，為15.44 Pa，風機葉輪半徑R為70 mm。結合式（10）計算得風機轉速n為2 000～2 800 r/min。

根據計算得到的風機轉速，對負壓風機作用下腔室流場進行數值模擬，得到腔室流場速度分布矢量圖，如圖11所示。觀察圖11a，由于圓弧漸進式刀具的阻隔，腔室內氣流產生擾動，在刀具的兩側均形成了高速區，便于花絲越過圓弧漸進式刀具；如圖11b所示，由于氣流在腔室進口無刀具的阻隔，底盤正面上方和腔室出口形成了面積較大的高速區域，有益于花絲快速收集，但同時由于底盤本身的阻擋，在底盤背面存在渦流現象，導致少量花絲殘留；如圖11c所示，由于底盤阻隔及圓弧的導流作用，底盤正面和刀具兩側的流速較大，渦流現象減弱，致使腔室出口形成了大面積的高速區，有利于花絲的收集。分析可知，花絲采收腔室和圓弧漸進式刀具結構是影響腔體內流場分布和花絲分布的關鍵結構，對內部流場形成了分流效果，且對負壓風機的吸力損失影響較小，腔室內流體運動特性符合預期效果。

圖11 腔室氣流場速度云圖

4 參數優化

4.1 試驗材料與設備

2022年6月下旬在新疆農業大學三坪種植基地對盛開期“云南紅花”進行樣機性能試驗。結合表1參數，紅花絲含水率均值61.5%，懸浮速率均值2.32 m/s。圓弧漸進式紅花絲采收試驗臺（課題組自制）如圖12所示。試驗儀器包括DHG-9240A型精密型恒溫實驗室烘箱（青島邁可威微波創新科技有限公司，量程10-200 ℃，精度0.1 ℃），美國FTC全觸控物性分析儀TMS-Touch（上海騰拔儀器科技有限公司，量程0～20 kg，精度0.1 g），LA114型電子天平（上海贊維衡器有限公司，量程0～110 g，精度0.1 mg），游標卡尺（溫州邁凱倫電器有限公司，量程0～150 mm，精度0.02 mm）等。

4.2 試驗方法

4.2.1 影響因素的確定

基于2.1～2.2節、3.2節分析，結合圓弧漸進式紅花絲采收裝置結構與工作參數，試驗選取影響采收效果的3個關鍵因素為

刃口傾斜角1：刃口傾斜角越大，對花絲的切割力越大，花絲采凈效果越好。但是刃口傾斜角過大時，刀具易將花絲推倒。根據測試，刃口傾斜角取值范圍為24°～34°。

刀軸轉速2：刀軸轉速過高，刀具會反復切割花絲，造成花絲破損，采收質量較差；轉速過慢，則無法有效地切斷花絲。根據測試，刀軸轉速選擇在400～800 r/min內較為合適。

風機轉速3：風機轉速是作業的關鍵工作參數，其數值由負壓風機作業所需全壓確定，由式（10）可知，風機轉速與全壓成正相關。轉速過低，花絲易殘留在腔室內，造成花絲損失，花絲質量較差。根據前期試驗，選擇風機轉速2 000～2 800 r/min。

1.電源 2.花絲收集箱 3.負壓風機 4.花絲輸送管道 5.開關電源 6.步進電機控制器 7.步進電機驅動器 8.延時開關 9.圓弧漸進式刀具 10.花絲喂入狀態監測裝置 11.紅花切割固定架

4.2.2 響應指標

按照圓弧漸進式紅花絲采收裝置的工作性能要求，本試驗選用花絲采凈率1、花絲破損率2、花絲集凈率3作為采收效果評價指標。

中華民族優秀傳統文化是“兩治”現代化的內生動力。習近平指出：“我國今天的國家治理體系，是在我國歷史傳承、文化傳統、經濟社會發展的基礎上長期發展、漸進改進、內生性演化的結果?！盵9]“兩治”現代化，空想不行、閉門造車不行，要善于學習，向老祖宗學習、向國外學習，遵循高等教育發展規律，借助傳統的深度挖掘和新時代的重新闡釋，總結借鑒國外知名高校的辦學理念、辦學模式、管理方法，海納百川、兼容并蓄，創造性內化、創新性發展，在人類命運共同體中講好中國故事。

1）花絲采凈率1

單朵紅花上被刀具采收的花絲質量與其花絲總質量的百分比，其計算式為

式中1為單朵紅花上被刀具采收下來的花絲質量，g；為單朵紅花上的花絲總質量，g。

2）花絲破損率2

采收的單朵紅花中斷裂與破碎的花絲質量與采收花絲總質量的百分比，其計算式為

式中2為單朵紅花上由于采收而斷裂與破碎的花絲質量，g。

3）花絲集凈率3

被負壓風機收集至花絲收集箱的單朵紅花絲質量與被刀具采收的單朵紅花上花絲總質量的百分比，其計算式為

式中3單朵紅花上采收下來的花絲被負壓風機采收到花絲收集箱的花絲質量，g。

4.2.3 試驗設計

為分析裝置不同刃口傾斜角、刀軸轉速和風機轉速對紅花采收機械作業性能的影響，并尋找最佳參數組合。依據Box-Benhken試驗理論，設計3因素3水平分析試驗[32]，結合2.1節、3.2節試驗因素取值分析，試驗因素與水平如表3所示。

表3 試驗因素和水平

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 試驗方案與結果

試驗方案及結果見表4，共計17組試驗，其中包括12個分析因子以及5個零點估計誤差，1～12組為析因設計試驗，13～17組為中心設計試驗[33-34]。

表4 試驗結果

4.3.2 回歸模型建立與顯著性分析

通過Design-Expert軟件進行方差分析，建立花絲采凈率1、破損率2、集凈率3對刃口傾斜角、刀軸轉速和風機轉速的編碼回歸數學模型。表5為試驗結果方差分析及顯著性檢驗。

由表5可知，各因素對采凈率1、破損率2、集凈率3的回歸模型的擬合度是極顯著（＜0.01），對于失擬項，3個模型值均大于0.05，不顯著，說明該回歸模型不失擬，剔除不顯著因素后得到各因素對采凈率1、破損率2、集凈率3的回歸模型為

由表5中各因素值分析可知，3個因素對花絲采凈率影響重要性由大到小的順序為刀軸轉速、刃口傾斜角、風機轉速；對花絲破損率影響重要性由大到小的順序為刀軸轉速、刃口傾斜角、風機轉速；對花絲集凈率影響重要性由大到小的順序為風機轉速、刀軸轉速、刃口傾斜角。刀軸轉速對花絲采凈率和花絲破損率的影響最大，而刃口傾斜角與風機轉速對花絲采凈率的影響相對較??；風機轉速對花絲集凈率的影響最大，而刀軸轉速與刃口傾斜角對花絲集凈率的影響相對較小。

表5 試驗結果方差分析

注：極顯著（＜0.01）；不顯著（≥0.01）；X為x的水平值，=1,2,3。

Note: highly significant (<0.01); not significant (≥0.01); Xis level value ofx,=1,2,3.

4.3.3 交互因素對響應函數的影響

對于花絲采凈率，當風機轉速固定在0水平（3= 2 400 r/min）時，刀軸轉速與刃口傾斜角的交互作用對花絲采凈率的影響如圖13a所示。當刃口傾斜角一定時，花絲采凈率隨著刀軸轉速的增大而增大，且逐漸區域平緩。在刀軸轉速大于600 r/min時，隨著刀軸轉速的增大，花絲采凈率≥90%。當刀軸轉速一定時，花絲采凈率隨著刃口傾斜角的減小，先減小后增大，在刃口傾斜角小于29°時，隨著刃口傾斜角的減小，花絲采凈率≥90%。由響應曲面可知，花絲采凈率沿著刃口傾斜角的方向變化較快，沿著刀軸轉速的方向變化較慢，刃口傾斜角對花絲采凈率的影響比刀軸轉速的影響顯著。因此，在滿足花絲采凈率要求的前提下，選擇較小的刃口傾斜角。

當刃口傾斜角在0水平（1=29°）時，風機轉速與刀軸轉速的交互作用對花絲采凈率的影響如圖13b所示。當刀軸轉速一定時，花絲采凈率隨著風機轉速增大而增大。風機轉速在2 600～2 800 r/min范圍內，花絲采凈率≥90%。當風機轉速一定時，花絲采凈率隨著刀軸轉速增大而增大，刀軸轉速在600～800 r/min范圍內，花絲采凈率≥90%。由響應曲面可知，花絲采凈率沿著刀軸轉速的方向變化較快，沿著風機轉速的方向變化較慢，刀軸轉速對花絲采凈率的影響比風機轉速的影響顯著。因此，在滿足花絲采凈率要求的前提下，優先選用該范圍內較大的刀軸轉速。

圖13 交互因素對響應函數的影響

對于花絲破損率，當風機轉速固定在0水平（3= 2 400 r/min）時，刀軸轉速與刃口傾斜角的交互作用對花絲破損率的影響如圖13c所示。當刃口傾斜角一定時，花絲破損率隨著刀軸轉速的增大而增大，且增加趨勢逐漸減小。刀軸轉速600～700 r/min范圍內，花絲破損率≤10%。當刀軸轉速一定時，花絲破損率隨著刃口傾斜角的減小，先減小后增大，刃口傾斜角在26°～32°范圍內，花絲破損率≤10%。由響應曲面可知，花絲破損率沿著刃口傾斜角的方向變化較慢，沿著刀軸轉速的方向變化較快，刀軸轉速對花絲破損率的影響比刃口傾斜角的影響顯著。因此，在滿足花絲破損率要求的前提下，選用該范圍內較小的刀軸轉速。

對于花絲集凈率，當刃口傾斜角在0水平（1=29°）時，風機轉速與刀軸轉速的交互作用對花絲集凈率的影響如圖13d所示。當刀軸轉速一定時，花絲集凈率隨著風機轉速增大而增大。風機轉速在2 600～2 800 r/min范圍內，花絲集凈率≥94%。當風機轉速一定時，在刀軸轉速400～700 r/min，花絲集凈率隨著刀軸轉速增大而增大，在刀軸轉速700～800 r/min，花絲集凈率隨著刀軸轉速增大而減小。刀軸轉速在600～800 r/min范圍內，花絲集凈率≥94%。由響應曲面可知，花絲集凈率沿著風機轉速的方向變化較快，沿著刀軸轉速的方向變化較慢，風機轉速對花絲集凈率的影響要比刀軸轉速的影響顯著。因此，在滿足花絲集凈率要求的前提下，優先選用該范圍內較大的風機轉速。

4.4 參數優化與驗證

4.4.1 參數優化

為確保圓弧漸進式紅花絲采收裝置具有更好的工作性能，本文根據高采凈率、低破損率、高集凈率的采收目標，對采收裝置的結構及工作參數進行優化，利用Design-Expert中的Optimization-Numerical模塊進行優化求解，其目標函數與約束條件為

優化后得到影響因素最佳參數組合為：刃口傾斜角24.7°，刀軸轉速為643.5 r/min，風機轉速為2 800 r/min，此時模型預測采凈率為92.1%，破損率為9.6%，集凈率為94.7%。

4.4.2 驗證試驗

2022年7月10日至20日在新疆農業大學三坪種植基地進行了田間試驗驗證，作業條件與前述相同，試驗條件與方法與上述試驗相同，如圖14a所示。將優化參數組合圓整為刃口傾斜角25°，刀軸轉速為644 r/min，風機轉速為2 800 r/min。為消除隨機誤差，在該參數組合下進行試驗重復5次，結果取平均值，采凈率為91.5%，破損率為9.8%，集凈率為94.2%，與理論優化值的相對誤差分別為0.7%、2.0%、0.5%，參數優化結果可靠，機具的作業效果如圖14b所示。

a. 試驗場景a. Experimentation scenesb. 采收效果b. Harvesting results

5 結 論

1）針對紅花切割采收時花絲破損率高、花絲集凈率低等問題，本文根據紅花物料及力學特性設計了圓弧漸進式紅花絲采收裝置，采用圓弧漸進式切割技術，使花絲與果球分離的同時減少對果球的破壞，有效減少花絲損失，降低花絲破損率，提高花絲采凈率。根據理論分析與計算，設計刃口傾斜角為24°～34°、刀軸轉速為400～800 r/min，設計結果可為采收裝置的結構改進和工作參數的優化提供參考。

2）為探明腔室內氣流運動特性，確定影響花絲采凈效果的關鍵因素，運用Fluent對采收腔室流場進行仿真，分析采收腔室內的流場運動特性，確定風機轉速為影響腔室流場的主要因素，風機轉速范圍為2 000～2 800 r/min。

3）運用Design-Expert軟件分析采收裝置的刃口傾斜角、刀軸轉速和風機轉速分別對花絲采凈率、花絲破損率及花絲集凈率的影響，并建立回歸模型，進行結構及工作參數優化，得到最優參數組合為刃口傾斜角25°，刀軸轉速644 r/min，風機轉速2 800 r/min，對應的采凈率、破損率、集凈率預測值分別為92.1%、9.6%、94.7%，在優化條件下進行驗證試驗，采凈率、破損率、集凈率分別為91.5%、9.8%、94.2%，各指標實測值與預測值均比較吻合，表明參數優化結果可靠。

[1] Zhang Z G, Guo J X, Yang S P, et al. Feasibility of high-precision numerical simulation technology for improvingthe harvesting mechanization level of safflower filaments: A review[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2020, 29(3): 139-150.

[2] Zhang H, Ge Y, Sun C, et al. Picking path planning method of dual rollers type safflower picking robot based on improved ant colony algorithm[J]. Processes, 2022, 10(6): 1213.

[3] Hu Z, Zeng H, Ge Y, et al. Simulation and experiment of gas-solid flow in a safflower sorting device based on the CFD-DEM coupling method[J]. Processes, 2021, 9(7): 1239.

[4] 陳飛，葛云，張立新，等. 紅花采摘機器人集條預定位機構設計與試驗[J]. 農業工程學報，2021，37(15)：10-19.

Chen Fei, Ge Yun, Zhang Lixin, et al. Design and experiment of the strip-collected pre-positioning mechanism for safflower picking robots[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 10-19. (in Chinese with English abstract)

[5] 張振國，呂全貴，任杰宇，等. 旋轉剪切式紅花花絲采摘機械關鍵部件的設計[J]. 中國農機化學報，2019，40(7)：1-6.

Zhang Zhenguo, Lyu Quangui, Ren Jieyu, et al. Design of critical components for safflower harvesting machinery by rotary shear[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2019, 40(7): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[6] Avigad G, Salomon S, Kahani A, et al. Robotic fruit harvesting machine with fruit-pair picking and hybrid motorize-pneumatic robot arms: US2020/0128744A1[P]. 2020-04-30.

[7] Rajvanshi A K. Development of safflower petal collector[C]// Istanbul-Turkey: Vith International Safflower Conference, 2005: 6-10.

[8] Azimi S, Chegini G, Kianmehr M H, et al. Design and construction of a harvesting safflower petals machine[J]. Mechanics & Industry, 2012, 13(5): 301-305.

[9] Liu G X, Ge Y, Zhang L X, et al. Mechanism of pneumatic conveying in the flower collecting box of safflower harvesting device[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2018, 27(3): 241-251.

[10] 葛云，張立新，谷家偉，等. 對輥式紅花采收裝置參數優化及試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(21)：35-42.

Ge Yun, Zhang Lixin, GuJiawei, et al. Parameter optimization and experiment of dual roller harvesting device for safflower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 35-42. (in Chinese with English abstract)

[11] Ge Y, Zhang L X, Jiao X P, et al. Design and experiment of roll-type safflower harvesting machinery[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2016, 25(4): 123-130.

[12] 曹衛彬，焦灝博，劉姣娣，等. 基于TRIZ理論的紅花花絲盲采裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(8)：76-82.

Cao Weibin, Jiao Haobo, Liu Jiaodi, et al. Design of safflower filament picking device based on TRIZ theory [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 76-82. (in Chinese with English abstract)

[13] 曹衛彬，連國黨，牛馳，等. 梳夾式紅花花絲采摘頭等高采收性能試驗與參數優化[J]. 農業工程學報，2018，34(22)：36-44.

Cao Weibin, Lian Guodang, Niu Chi, et al. Harvest performance test and parameter optimization of comb-type safflower-filaments picking head at same height[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 36-44. (in Chinese with English abstract)

[14] 曹衛彬，楊雙平，李樹峰，等. 梳夾式紅花采收機等高限位裝置參數優化[J]. 農業工程學報，2019，35(14)：48-56.

Cao Weibin, Yang Shuangping, Li Shufeng, et al. Parameter optimization of height limiting device for comb-type safflower harvesting machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 48-56. (in Chinese with English abstract)

[15] Ge Y, Zhang L, Qian Y, et al. Dynamic model for sucking process of pneumatic cutting-type safflower harvest device[J]. International Journal of Agricultural & Biological Engineering. 2016, 9(5): 43-50.

[16] Gracia L, Perez-Vidal C, Carlos Gracia-López. Automated cutting system to obtain the stigmas of the safflower flower[J]. Biosystems Engineering, 2009, 104(1): 8-17.

[17] ManuelloBertetto A, Ricciu R, Badas M G. A mechanical safflower flower harvesting system[J]. Meccanica, 2014, 49(12): 2785-2796.

[18] 張曉偉，葛云，張偉，等. 一種直角坐標紅花采摘機器人：CN209768251U[P]. 2019-12-13.

[19] 曹衛彬，孫胃嶺，牛馳，等. 基于ANSYS/LS-DYNA的梳夾式紅花采摘裝置研究[J]. 農業機械學報，2018，49(11)：123-131.

Cao Weibin, Sun Weiling, Niu Chi, et al. Combed safflower picking device based on ANSYS/LS-DYNA[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(11): 123-131. (in Chinese with English abstract)

[20] 孫胃嶺，曹衛彬，古樂樂，等. 基于紅花力學特性的梳夾式采摘機構的設計與試驗[J]. 農機化研究，2018，40(5)：46-51.

Sun Weiling, Cao Weibin, Gu Lele, et al. Design and test of comb-clip picking mechanism based on mechanical properties of safflower[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(5): 46-51. (in Chinese with English abstract)

[21] Guo H, Luo D, Gao G, et al. Design and Experiment of a safflower picking robot based on a parallel manipulator[EB/OL]. Engenharia Agrícola, [2022-06-18] https://doi.org/10.1590/1809-4430-Eng.Agric.v42n1e20210129/2022.

[22] 葛云，張立新，韓丹丹，等. 收獲期紅花花絲力學特性與形態特性測定與分析[J]. 農機化研究，2015，37(4)：168-171.

Ge Yun, Zhang Lixin, Han Dandan, et al. Determination and analysis of mechanical properties and morphological characteristics of safflower filaments during harvest[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(4): 168-171. (in Chinese with English abstract)

[23] 周華，張文良，楊全軍，等. 滑切型自激振動減阻深松裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2019，50(5)：71-78.

Zhou Hua, Zhang Wenliang, Yang Quanjun, et al. Design and experiment of sliding cutting self-excited vibration drag reduction subsoiling device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(5): 71-78. (in Chinese with English abstract)

[24] 宋占華，宋華魯，閆銀發，等. 棉花秸稈往復式切割器動刀片優化設計[J]. 農業工程學報，2016，32(6)：42-49.

Song Zhanhua, Song Hualu, Yan Yinfa, et al. Optimizing design on knife section of reciprocating blade bars for harvesting cotton stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(6): 42-49. (in Chinese with English abstract)

[25] 于昭洋，胡志超，楊柯，等. 大蒜收獲機浮動切根裝置作業機理分析與參數優化[J]. 農業機械學報，2021，52(5)：111-119.

Yu Zhaoyang, Hu Zhichao, Yang Ke, et al. Operation mechanism analysis and parameter optimization of garlic root floating cutting device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(5): 111-119. (in Chinese with English abstract)

[26] 李天華，孟志偉，丁賀賀，等. 甘藍切根作業力學分析與參數優化[J]. 農業工程學報，2020，36(7)：63-72.

Li Tianhua, Meng Zhiwei, Ding Hehe, et al. Mechanical analysis and parameter optimization of cabbage root cutting operation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(7): 63-72. (in Chinese with English abstract)

[27] 王金峰，張鑫，唐漢，等. 水稻秸稈反旋深埋滑切還田刀優化設計與試驗[J]. 農業機械學報，2021，52(11)：28-39.

Wang Jinfeng, Zhang Xin, Tang Han, et al. Optimal design and experiment of deep-buried reverse rotating sliding cutting straw returning blade[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(11): 28-39. (in Chinese with English abstract)

[28] 張學軍，張海濤，史增錄，等. 棉花精量穴播器取種狀態監測系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(5)：9-19.

Zhang Xuejun, Zhang Haitao, Shi Zenglu, et al. Design and experiments of seed pickup status monitoring system for cotton precision dibblers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(5): 9-19. (in Chinese with English abstract).

[29] 解春季，楊麗，張東興，等. 基于激光傳感器的播種參數監測方法[J]. 農業工程學報，2021，37(3)：140-146.

Xie Chunji, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Seeding parameter monitoring method based on laser sensors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(3): 140-146. (in Chinese with English abstract).

[30] 周璇，王志明，陳霓，等. 圓錐形風機清選室氣流場數值模擬與試驗[J]. 農業機械學報，2019，50(3)：91-100.

Zhou Xuan, Wang Zhiming, Chen Ni, et al. Numerical simulation and experiment of airflow field of cleaning room under action of conical fan[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 91-100. (in Chinese with English abstract)

[31] 史高昆，李景彬，丁龍朋，等. 慣性氣流式紅棗清選系統設計與試驗[J]. 農業機械學報，2022，53(6)：167-176.

Shi Gaokun, Li Jingbin, Ding Longpeng, et al. Design and experiment of inertia pneumatic type cleaner system of jujube fruit[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2022, 53(6): 167-176. (in Chinese with English abstract)

[32] 姬長英，王春香，顧寶興，等. 手推式杭白菊梳齒摘花機結構設計與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(7)：143-150，142.

Ji Changying, Wang Chunxiang, Gu Baoxing, et al. Structure design and experiment of hand-push chrysanthemum morifolium comb-teeth picking machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 143-150, 142. (in Chinese with English abstract)

[33] 王方艷，王東偉. 4TSQ-2型甜菜切頂機設計及試驗[J].農業工程學報，2020，36(2)：70-78.

Wang Fangyan, Wang Dongwei. Design and test of 4TSQ-2 sugar beet top cutter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 70-78. (in Chinese with English abstract)

[34] 任露泉. 試驗優化設計與分析[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

Design and experiments of the circular arc progressive type harvester for the safflower filaments

Zhang Zhenguo1,2, Xing Zhenyu1, Yang Shuangping1, Feng Ning3, Liang Rongqing4, Zhao Minyi1

(1.,,830052,; 2.,,100083;3.,,467000,;4.,,253023,)

A harvesting device has been normally used to cut the safflower filaments. However, there is a large damage to the structure of the filaments during harvesting, such as the high filament crushing rate and low harvesting net rate. It is a high demand to fundamentally reduce the filament crushing rate during this time. In this study, a circular-arc progressive harvesting device was designed to cut the safflower filament, particularly considering the material characteristics and mechanical properties of the safflower. A high harvesting efficiency was achieved to optimize the cutting tool of the filaments, thus reducing the filament breakage rate for the higher filament harvesting net rate. The key factors were then determined to promote the performance of filament harvesting, according to the operational requirements and integrity of safflower filaments. A systematic investigation was also made to optimize the force and cutting speed of the circular-arc progressive cutter. The optimal edge tilt angle and cutter speed were obtained to reduce the harvesting loss for the filament slip cutting. At the same time, a laser alignment sensing device was added as an auxiliary way to precisely position the high-efficiency cutting, especially for the better integrity of the filament cutting and the high net rate of filament harvesting. Furthermore, a wind pressure-fan speed model was established in the first stage, in order to explore the characteristics of the internal airflow and filament movement in the harvesting chamber. Specifically, the fan speed was adjusted concurrently, as the wind pressure changed during harvesting. Then, the flow field was simulated in the filament harvesting chamber under the fan speed using Fluent software, according to the structure and working principle of the negative-pressure collection system. The results show that the airflow field inside the chamber was relatively smooth, where the light filaments were carried over the tool to the collection box. The flow field of filaments was then verified by the internal structure design of the chamber. A secondary orthogonal rotational test was conducted to improve the working performance of the harvesting device, with the edge tilt angle, knife shaft speed, and fan speed as the influencing factors, while the net harvesting rate, breakage rate, and net collection rate as the response indicators. A mathematical model was also established using Design-Expert software. An optimal combination of parameters was obtained as follows: the cutting edge tilt angle of 25°, cutter shaft speed of 644 r/min, and fan speed of 2 800 r/min, corresponding to the net extraction rate of 92.1%, breakage rate of 9.6%, and net collection rate of 94.7%. A verification test showed that the net extraction rate was 91.5% and the breakage rate was 9.8%. More importantly, the net harvesting rate was 91.5%, the breakage rate was 9.8%, and the net collection rate was 94.2%, with an error of no more than 5% from the optimized one. The optimal parameter was in the agreement with the actual situation of safflower harvesting, indicating the better integrity of safflower filament after harvesting. The performance experiments in the field demonstrated that the developed harvesting device effectively improved the net harvesting rate and net collection rate with a less breakage rate. This finding can provide the theoretical basis and technical reference for the high quality and low damage of safflower harvesting.

harvesting; optimization;safflower filaments; circular arc progressive type blade; laser alignment; Fluent simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.002

S225.99

A

1002-6819(2022)-17-0010-12

張振國，邢振宇，楊雙平，等. 圓弧漸進式紅花絲采收裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(17)：10-21.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.002 http://www.tcsae.org

Zhang Zhenguo, Xing Zhenyu, Yang Shuangping, et al. Design and experiments of the circular arc progressive type harvester for the safflower filaments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 10-21. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.002 http://www.tcsae.org

2022-07-09

2022-08-11

國家自然科學基金青年基金項目（31901417，52265041）；浙江省農業智能裝備與機器人重點實驗室開放課題（2022ZJZD2202）；自治區研究生科研創新項目（XJ2022G143）；自治區科學基金青年基金項目（2019D01B12）

張振國，博士，副教授，研究方向為特色農作物提質工程與裝備技術。Email：zhangzg@cau.edu.cn